金寨毛竹纖維形態(tài)及化學(xué)成分1)

蔡燚 王寶金 官潔茹 胡凱 李鯤鵬 袁天成 王傳貴

(南京林業(yè)大學(xué)，南京,210037) (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué))

毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)屬于禾本科竹亞科剛竹屬[1],是我國用途最廣泛的竹種。其中位于金寨縣林業(yè)用地的面積已達(dá)2 980 km2，竹子的種植面積占200 km2，而毛竹的種植面積就占134 km2[2]。毛竹在全國分布范圍非常廣泛，也是制漿造紙?jiān)现唬园l(fā)展毛竹生產(chǎn)非常具有意義。國內(nèi)學(xué)者對(duì)毛竹理化性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)的研究較多，竹材的產(chǎn)地大多來自于四川、云南、貴州等。例如張宏健等對(duì)云南4種典型材用叢生竹的化學(xué)成分研究，結(jié)果表明：云南龍竹(DendrocalamusyunnanicusHsueh et D. Z. Li)、甜龍竹(DendrocalamushamiltoniiNeesetArn. ex Munro)、黃竹(DendrocalamusmembranceusMunro)和油勒竹(B.lapideaMc Clure)的化學(xué)成分無顯著差異，各項(xiàng)抽提物含量、蠟含量和二氧化硅含量較一般木材高，適合做竹人造板[3]。彭博等對(duì)四川兩種竹材理化性質(zhì)及纖維形態(tài)進(jìn)行分析，研究結(jié)果得出：慈竹(Neosinocalamusaffinis)和綿竹(Lingnaniaintermedia)的抽提物含量高于毛竹，綜纖維素和纖維素含量高于毛竹，并且慈竹和綿竹的順紋抗壓強(qiáng)度高于毛竹[4]。茍光前等對(duì)貴州的撐綠竹纖維形態(tài)特征及化學(xué)成分的初步研究行分析，研究表明：撐綠竹纖維平均長1 932.88 μm、寬14.03 μm、長寬比為138.05，是一優(yōu)良的制漿造紙纖維，化學(xué)成分與其他竹種比較而言是一優(yōu)良的紙漿原料竹[5]。李媛媛等對(duì)毛竹剩余物的化學(xué)成分及纖維形態(tài)的分析得出：毛竹采伐剩余物經(jīng)硫酸鹽法成漿后，紙漿得率為44.71%，有良好的成漿性能，有較高的抗張強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度，比巨龍竹和龍竹要優(yōu)良[6]。龐敏等對(duì)金寨一年生毛竹化學(xué)成分研究，得出：木質(zhì)素含量從根部到頂部呈下降趨勢(shì)且趨勢(shì)越來越平緩；灰分含量隨竹高增加而增加，其他化學(xué)成分含量無明顯變異規(guī)律[7]。對(duì)于安徽毛竹的報(bào)道特別的少，并且大多數(shù)報(bào)道的竹材化學(xué)成分和纖維纖維形態(tài)的影響因素比較單一，筆者對(duì)3～5年生金寨毛竹不同竹干高度和徑向的纖維形態(tài)及不同竹干高度化學(xué)成分分析，為金寨毛竹的合理利用提供科學(xué)依據(jù)，為大別山山區(qū)竹子原料的特性提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 毛竹的采集

本實(shí)驗(yàn)所用的3、4和5年生的毛竹試材均采自于六安市金寨縣青山鎮(zhèn)(31.43°N,115.90°E)。每一個(gè)竹子選取生長良好、無病蟲害、無缺陷的竹子，從竹干底部往上1.5、3.5、5.5、7.5 m處做上標(biāo)記線，截取每個(gè)標(biāo)記線往上20 cm的竹段，分別標(biāo)記為1、2、3、4再運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，氣干至含水率12%～15%以供使用。

1.2 纖維形態(tài)材料

根據(jù)斐韻文等對(duì)毛竹斷面竹青、竹黃界定方法的研究[8]，將標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的竹段按照竹青、竹黃、竹中分離出來。將分離出來的竹青、竹中和竹黃分別剪成5 cm左右的火柴棒大小，適量裝入試管中，貼上標(biāo)簽。

1.3 化學(xué)成分材料

將以供使用的20 cm竹段切成竹條，然后取大約200 g的竹條分別用粉碎機(jī)磨碎后，篩選能通過40目而不能通過60目的竹粉，待其冷卻后，分別將其編號(hào)放入密封袋，供分析實(shí)驗(yàn)使用[4]。

1.4 纖維形態(tài)的測(cè)量方法

將準(zhǔn)備好裝有試樣的試管，按照V(冰醋酸)∶V(雙氧水)=1∶1的比例將冰醋酸和雙氧水混合溶液放入試管中，淹沒試樣，在70～80 ℃水浴鍋中浸泡試樣約6 h；離析后在40倍的顯微鏡下測(cè)試完整纖維的長度，在每根纖維中間部位測(cè)試其寬度，并且計(jì)算出其長寬比[4]，每個(gè)試樣測(cè)定200根完整的纖維。然后應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，運(yùn)用Excel等分析軟件，分析每個(gè)指標(biāo)之間的差異。

1.5 化學(xué)成分的測(cè)量方法

毛竹的化學(xué)成分按照GB/T742—2008《造紙?jiān)稀⒓垵{、紙和紙板灰分測(cè)定》、GB/T2677.10—1995《造紙?jiān)暇C纖維素含量測(cè)定》、GB/T2677.10—1995《造紙?jiān)纤岵蝗苣举|(zhì)素含量測(cè)定》、GB/T2677.6—1994《造紙?jiān)?%氫氧化鈉抽出物含量》、GB/T2677.6—1994《苯醇抽提物含量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)量。測(cè)定指標(biāo)包括灰分、綜纖維素、酸不溶木質(zhì)素、1%氫氧化鈉抽出物、苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中纖維素采用硝酸-乙醇法測(cè)得。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛竹的纖維形態(tài)

2.1.1 纖維長度

纖維長度是影響纖維原料質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，纖維長度越大，紙張的抗張強(qiáng)度、耐破度及耐折度越好[9]。劉波等認(rèn)為纖維長度在7～17 d迅速增大，從17 d到第8年內(nèi)保持穩(wěn)定，不再增長[10]。王鵬程等認(rèn)為纖維長度隨著竹齡增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)[11]。由表1可知：在軸向上3～5年生毛竹的纖維長度在513.7～3 376 μm。由圖1可知：金寨毛竹隨著竹齡增大影響較大，在竹干高度1.5～7.5 m部位的平均纖維長度隨著竹齡增加逐漸增加。Grosser et al.認(rèn)為纖維長度隨著竹高增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[12]，另有學(xué)者認(rèn)為纖維長度在軸向上不同部位差異不大。3年生和4年生毛竹隨著竹干高度增加先減小后增大，在竹干高度7.5 m和1.5 m處的平均纖維長度差異不大。5年生毛竹隨著竹干高度增加整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從總體來說，平均纖維長度隨著竹干高度增加沒有一定的變異規(guī)律。

表1 3～5年生毛竹在軸向上的纖維形態(tài)特征

王鵬程等認(rèn)為隨著竹齡增加，竹青、竹中和竹黃纖維長度變化差異并不顯著，在徑向上纖維長度從大到小依次為竹中、竹青、竹黃[11]。馬靈飛等認(rèn)為在竹干徑向的變異規(guī)律是中層較長，內(nèi)層次之，外層較短[13]。由表2可知：在徑向上3～5年生毛竹的纖維長度在513.7～3 568.2 μm。由圖1可知：竹青、竹中和竹黃處的纖維長度隨著竹齡增加沒有一定的變化規(guī)律，竹青先減小后增大，竹中一直增大，竹黃先增大后減小。從總體來看，平均纖維長度從大到小依次為竹中、竹青、竹黃，符合前人研究的規(guī)律。

圖1 平均纖維長度隨竹齡、竹干離地高度變化曲線

表2 3～5年生毛竹在徑向的纖維形態(tài)特征

2.1.2 纖維寬度

纖維寬度對(duì)紙張強(qiáng)度無直接影響，但是纖維寬度影響纖維的長寬比，因此對(duì)紙張有一定的影響[9]。馬靈飛等認(rèn)為纖維寬度和竹齡沒有關(guān)系[13]，王鵬程等認(rèn)為在竹齡1～5 a隨著竹齡的增加，纖維寬度先增加再減小再增大[11]。由表1可知：在軸向上3～5年生的纖維寬度在3.8～30.4 μm。由圖2可知：隨著竹齡的增加，竹干高度1.5～7.5 m處平均纖維寬度先減小再增大，在4年生的時(shí)候平均纖維寬度最小。王朝輝等認(rèn)為隨著竹干高度增加纖維寬度變異不明顯，從基部往上隨竹干高度的增加，纖維寬度先增加到最大值后又迅速下降[14]。崔敏等認(rèn)為隨著竹干高度的增加，纖維寬度呈現(xiàn)小幅度增加[15]。由圖2可知：隨著竹干高度增加，5年生毛竹平均纖維寬度逐漸增加，3年生和4年生毛竹先減小后增大，在竹干高度為5.5 m處平均纖維寬度最小?？傮w來看，隨著竹干高度的增加，纖維寬度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

由表2可知：在徑向上3～5年生毛竹纖維寬度在3.2～32.5 μm。由圖2可知，隨著竹齡的增加，竹青的平均纖維寬度逐漸增加，竹中和竹黃先減小后增大，從總體上來看竹青、竹中和竹黃的平均纖維寬度隨著竹齡增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。對(duì)于3～5年生毛竹，平均纖維寬度從大到小依次為竹青、竹中、竹黃。李權(quán)等認(rèn)為竹壁外層纖維寬度最大，中層和外層纖維較小[16]。王鵬程等認(rèn)為纖維寬度從大到小為竹青、竹中、竹黃[11]。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和前人毛竹纖維寬度變異的結(jié)果是一致的。

2.1.3 纖維長寬比

纖維長寬比是影響紙張質(zhì)量的重要因子之一。纖維長寬比在80～150為優(yōu)質(zhì)材，比值大的適合制漿造紙，纖維長寬比低于45的不宜制漿造紙，長寬比大于100的是優(yōu)良的造紙?jiān)稀＠顧?quán)等研究1、2、4和6年生的竹材，認(rèn)為在竹齡4 a之前，纖維長寬比一直減小，在竹齡為6 a時(shí)候纖維長寬比變大[16]。馬靈飛等認(rèn)為纖維長寬比和軸向的不同部位、竹齡沒有關(guān)系，存在顯著差異[13]。由圖3可知：竹干高度在1.5、3.5、5.5 m處平均纖維長寬比隨著竹齡增加先增加后減小，在4年生時(shí)候達(dá)到最大值，竹干高度在7.5 m處隨著竹齡增加而增加。3～5年生毛竹的平均纖維長寬比隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)減小—增加—減小的趨勢(shì)，并在竹干高度為5.5 m處平均纖維長寬比達(dá)到最大值。

圖2 平均纖維寬度隨竹齡、竹干離地高度變化曲線

由圖3可知：在徑向上平均纖維長寬比與竹齡的增加沒有一定變異規(guī)律。竹中隨著竹齡增加而增加，竹青隨著竹干竹齡增加先減小后增大，竹黃隨著竹齡增加先增大后減小。4年生竹青的纖維長寬比小于竹黃，原因是因?yàn)?年生竹青的平均纖維寬度大于竹黃。3年生和5年生的纖維長寬比竹青大于竹黃，因?yàn)橹袂嗟钠骄w維長度大于竹黃。

圖3 平均纖維長寬比隨竹齡、竹干高度變化曲線

2.2 毛竹的化學(xué)成分

2.2.1 灰分

毛竹體內(nèi)含有一定的礦質(zhì)元素，其燃燒之后產(chǎn)生灰分，主要是鉀、鈉、鈣的無機(jī)鹽類和二氧化硅等成分[16]。毛竹灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指毛竹原料經(jīng)高溫焚燒后所剩的殘?jiān)c原料絕干質(zhì)量之比[4]。由表3可知：3年生和5年生毛竹灰分隨著竹干高度的增加而增加。4年生毛竹灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈增加—減小—增加的趨勢(shì)。從總體來說，隨著竹干高度的增加毛竹灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。竹干高度1.5～7.5 m處毛竹灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加逐漸減小，灰分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.73%～2.07%，灰分所占的比例很小，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)制漿造紙沒有太大的影響。

表3 3～5年生毛竹的主要化學(xué)成分

2.2.2 綜纖維素

綜纖維素是指纖維原料中碳水化合物的全部，包括纖維素和半纖維素[9]。綜纖維素含量越高，其紙漿得率越高[18]。由表3可知：3年生和5年生毛竹綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加基本趨于穩(wěn)定，3年生毛竹綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在70%左右，5年生綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在78%左右。4年生毛竹在竹干高度1.5～5.5 m處趨于穩(wěn)定，在竹干高度5.5～7.5 m處略微增加。竹干不同高度的綜纖維素隨著竹齡的增加呈現(xiàn)減小再增加的趨勢(shì)，在4年生出現(xiàn)最小值。綜纖維素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在67.01%～77.96%。

2.2.3 酸不溶木質(zhì)素

木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的具三維結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物，是植物體內(nèi)一個(gè)重要的化學(xué)成分[19]。在生產(chǎn)紙漿時(shí)，要去除原料中80%以上的木質(zhì)素，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，蒸煮困難，消耗的化學(xué)藥品也相對(duì)較多[20]。由表3可知：3年生毛竹的酸不溶木質(zhì)素在竹干高度1.5～3.5 m處和5.5～7.5 m處趨于穩(wěn)定，在3.5～5.5 m處呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，3～5年生毛竹隨著竹干高度增加總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。竹干高度1.5～7.5 m處的酸不溶木質(zhì)素隨著竹齡增加沒有一定變化規(guī)律，竹干高度1.5 m處的酸不溶木質(zhì)素隨著竹齡先減小再增加，竹干高度3.5 m處的酸不溶木質(zhì)素隨著竹齡增加先增加再減小，竹干高度5.5 m處的酸不溶木質(zhì)素隨著竹齡增加先減小再趨于穩(wěn)定，竹干高度1.5 m處的酸不溶木質(zhì)素隨著竹齡增加先增加再趨于穩(wěn)定。毛竹酸不溶木質(zhì)素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23.83%～25.77%。

2.2.4 纖維素

纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機(jī)溶劑，是植物細(xì)胞壁中的主要成分[21]。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上[22]。由表3可知：3～5年生毛竹的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加沒有一定的變化規(guī)律。3年生毛竹纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在竹干高度1.5～3.5 m處趨于穩(wěn)定，在竹干高度3.5～7.5 m處呈現(xiàn)增加再減小的趨勢(shì)。4年生毛竹隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)減小—增加—增加的趨勢(shì)。5年生毛竹隨著高度增加呈現(xiàn)減小—減小—增大的趨勢(shì)。竹干高度在1.5～7.5 m處毛竹的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加先減小再增大。纖維素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在42.96%～45.92%。

2.2.5 1%氫氧化鈉抽提物

毛竹1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指：采用熱1%氫氧化鈉溶劑萃取法從毛竹試樣中提取抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其值在一定程度上反映了毛竹耐腐蝕性的程度。由表3可知：3～5年生毛竹的1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加沒有一定的變化規(guī)律。3年生毛竹1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)減小—減小—增大的趨勢(shì)，4年生毛竹隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)減小—減小—增加的趨勢(shì)，5年生毛竹隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)增加—增加—減小的趨勢(shì)。竹干高度1.5～7.5 m處的1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡增加沒有一定的變化規(guī)律，竹干高度為1.5 m處1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加先增加再減少，竹干高度3.5 m處的1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加趨于穩(wěn)定，竹干高度5.5 m處的1%氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡增加逐漸增加，竹干高度7.5 m處的1%氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡增加先增加再減少。毛竹1%氫氧化鈉抽提物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在24.67%～26.73%。

2.2.6 苯醇抽提物

由表3可知：3～5年生毛竹的苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加沒有一定的變化規(guī)律。3年生毛竹苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度增加呈現(xiàn)減小—增加—增加的趨勢(shì)，4年生毛竹苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度增加呈現(xiàn)增加—減小—減小的趨勢(shì)，5年生毛竹苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)增加—增加—減小的趨勢(shì)。竹干高度1.5～7.5 m處苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加先減小再增加。苯醇抽提物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.81%～4.86%。

3 結(jié)論

分析3～5年生金寨毛竹的纖維形態(tài)得出：毛竹的平均纖維長度隨著竹齡的增加逐漸增加，隨著竹干高度的增加平均纖維長度沒有呈現(xiàn)明顯的變異規(guī)律。平均纖維長度從大到小依次為竹中、竹青、竹黃、平均纖維長度大于1 500 μm，優(yōu)于一般闊葉材(平均纖維長度為1 400 μm)，屬于長纖維類；毛竹的平均纖維寬度隨著竹齡的增加先減少再增加，隨著竹干高度的增加總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；毛竹的平均纖維長寬比在竹干高度為5.5 m處達(dá)到最大值，毛竹的平均纖維長寬比均大于100(長寬比大于100是優(yōu)良的造紙?jiān)?。綜合纖維長度和纖維長寬比，可知3～5年生金寨毛竹是優(yōu)良的紙漿造紙?jiān)稀?/p>

分析3～5年生金寨毛竹的化學(xué)成分得出：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.73%～2.07%，并且隨著竹齡的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，隨著竹干高度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在67.01%～77.96%，并且隨著竹干高度的增加趨于穩(wěn)定，隨著竹齡的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.81%～4.86%，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在42.96%～45.92%，苯醇抽提物和纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡增加先減小再增加；1%氫氧化鈉抽提物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在24.67%～26.73%，酸不溶木質(zhì)素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23.83%～25.77%。纖維素、1%氫氧化鈉抽提物、酸不溶木質(zhì)素和苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹干高度的增加沒有一定變化規(guī)律。