9年生紙漿材榿木與臺灣榿木的纖維形態(tài)差異

姬 寧 潘 彪 王晶晶 劉 竹

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005；2.南京林業(yè)大學(xué) 南京 210007；3.張家港進出口檢驗檢疫局江蘇張家港 215600)

榿木(Alnuscremastogyne)，樺木科榿木屬，又名水青岡、水冬瓜等，是我國西南地區(qū)優(yōu)良的速生闊葉材之一[1]。其木材材質(zhì)輕軟，硬度適中，旋切加工性能良好，可用于人造板及家具表面裝飾。還具有比重輕、壁腔比小和纖維長度大等優(yōu)點，也是優(yōu)良的紙漿纖維用材[2]。目前，國內(nèi)已展開了榿木作為優(yōu)良造紙材的改良研究以及榿木KP和TMP(CTMP)紙漿工藝、榿木漿與馬尾松漿或脫墨漿配抄膠印新聞紙和膠印書刊紙以及紙質(zhì)包裝用品的研究[3]。

臺灣榿木(Alunsformosana)是臺灣高海拔地區(qū)最重要的先鋒造林樹種。相比較于其他榿木木材，臺灣榿木紋理直、韌性好、干燥性能良好，是家具及木制品制造的優(yōu)選樹種。目前，已經(jīng)有研究對臺灣榿木木材、枝丫等作為原料生產(chǎn)中密度纖維板、刨花板和用于造紙等進行了探索[4]。

榿木和臺灣榿木都是重要的植物纖維資源。木纖維對紙漿和紙制品的影響很大，是評價木材是否適合造紙的重要因素。為了能夠更好地為紙漿材樹種的材性改良提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，本研究對9年生榿木與臺灣榿木的纖維形態(tài)及其徑向變異規(guī)律進行了比較研究。

1 材料和方法

1.1 試材的取制

試驗材料取自福建來舟林場，選取榿木與臺灣榿木各3株，具體采集記錄見表1。在每株的胸高部位(樹高1.3m處)各取一圓盤，厚度7～10cm，并在圓盤南北向取約4cm寬中心條為解剖性質(zhì)研究對象。

表1 試材采集記錄表

1.2 測定方法

榿木及臺灣榿木為典型的散孔材，考慮到年輪內(nèi)纖維長度的變異，因而在中心條南向每年輪的中間部分切取薄片作為試樣。用富蘭克林離析法將試樣解離，用番紅染色，制成臨時試片。采用與計算機相聯(lián)的Nikon Alphaphot-2 YS2型顯微鏡觀察切片，用計算機Motic Image 軟件拍照并測量，40倍放大倍數(shù)測量纖維的長度，400倍放大倍數(shù)測其內(nèi)外徑。每年輪測定80張照片，研究其纖維形態(tài)及徑向變異規(guī)律并對兩樹種進行比較研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維長度

纖維長度是造紙用纖維形態(tài)中最重要的形態(tài)參數(shù)。它對于成紙性質(zhì)具有很大影響，如較長的纖維長度可以獲得較高的撕裂強度、抗拉強度和耐折強度[5～7]。

表2 纖維長度頻率分布

如表2和圖1所示，9年生榿木的纖維長度呈正態(tài)分布，主要集中在900μm～1500μm之間，占78.3%；9年生臺灣榿木的纖維長度也呈正態(tài)分布，主要集中在900μm～1700μm之間，占84.49%。根據(jù)國際木材解剖學(xué)協(xié)會理事會1937年公布的木纖維長度分級標(biāo)準(zhǔn)，榿木與臺灣榿木人工林的纖維均屬于中等纖維。

表3 榿木與臺灣榿木纖維形態(tài)比較

如表3所示，從整體上看，榿木的纖維長度分布在674.24～1865.65μm之間，平均值為1208.48μm；臺灣榿木的纖維長度分布在633.31～1987.56μm之間，平均值為1258.89μm；臺灣榿木的纖維長度要大于榿木的纖維長度，方差分析顯示纖維長度種間差異顯著。

圖1 纖維長度頻率分布圖

在造紙工業(yè)上，平均長度低于0.4 mm者不宜單獨用作造紙原料，至多只能以填料漿的形式少量配用；而平均長度大于5 mm者，一般難于抄出勻度較好的紙張，漿料容易漿凝，不利于造紙工業(yè)[8]。因此，從纖維長度這項指標(biāo)來評價，榿木纖維與臺灣榿木纖維的長度均符合造紙工業(yè)的要求，適宜作為造紙材料。在實際生產(chǎn)中，榿木木材已作為一種優(yōu)良的漂白硫酸鹽漿原料而被廣泛使用。臺灣榿木也在造紙工業(yè)和其他纖維工業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，有學(xué)者以麻六甲合歡(Albizziafalcata)、臺灣榿木、楓香(Liquidambarformosana)、和山黃麻(Tremaorientalis)四種速生樹種作原料，進行硬質(zhì)纖維板比較實驗，其中以臺灣榿木纖維板性能為最優(yōu)[9]。

圖2 纖維長度徑向變異

從圖2可以看出，在徑向變化上，榿木與臺灣榿木人工林一樣，髓心處纖維長度最短，隨著生長輪數(shù)的增加，纖維長度也隨之增加。除第一輪外，臺灣榿木纖維每輪都長于榿木，平均為榿木的1.45倍。由圖2可發(fā)現(xiàn)，兩樹種纖維長度的徑向變異仍為上升趨勢，還沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，可見9年生的榿木與臺灣榿木仍處于幼齡材階段。

2.2 纖維寬度與雙壁厚的比較

纖維胞壁的厚薄和體積對紙性也有一定的影響。研究認為，壁薄腔大的纖維在外力作用下易潰陷變形，被壓扁而呈帶狀，以增大纖維表面積，提高其結(jié)合力，紙的耐破度和抗拉強度較大[10]。

如表3所示，從整體上看，榿木的纖維寬度分布在13.19～42.91μm之間，平均值為24.23μm；臺灣榿木的纖維寬度分布在14.55～39.44μm之間，平均值為25.33μm；臺灣榿木的纖維寬度大于榿木的纖維寬度，方差分析顯示纖維寬度種間差異顯著。

圖3 纖維寬度徑向變異

由圖3可見，逐年輪比較其纖維寬度，發(fā)現(xiàn)臺灣榿木的纖維寬度每年都大于榿木，平均比榿木寬4.52%。在徑向方向上，榿木與臺灣榿木人工林纖維寬度都由髓心向樹皮隨生長輪數(shù)的遞增而遞增。許多學(xué)者對纖維寬度的徑向變異進行了深入廣泛的研究，結(jié)果表明：針葉樹材徑向變異有規(guī)律，即認為管胞寬度與長度之間存在相關(guān)性；而闊葉材總的變化趨勢是適度增加，榿木人工林與臺灣人工林均符合適度增加這一規(guī)律[11]。

圖4 纖維雙壁厚徑向變異

由圖4可見，逐年輪比較發(fā)現(xiàn)榿木的纖維雙壁厚每輪均大于臺灣榿木，平均為臺灣榿木的1.17倍。在徑向方向上，榿木與臺灣榿木人工林纖維雙壁厚的變異趨勢與纖維寬度的變異趨勢一致，均由髓心向樹皮隨年輪數(shù)的遞增而遞增，榿木的增加幅度較大，遞增率1.11%～24.67%，臺灣榿木的增加幅度相對較小，遞增率4.14%～13.69%。

從纖維寬度及雙壁厚這兩項指標(biāo)評價，臺灣榿木木纖維的胞壁薄于榿木，而腔卻大于榿木。因此，臺灣榿木的纖維形態(tài)更有利于紙張成型及纖維成型和纖維交織，但由于壁厚腔小的纖維撕裂強度較高，因而榿木纖維更能提高紙張的撕裂強度。

2.3 纖維長寬比的比較

纖維長寬比為纖維長度總平均值與纖維寬度總平均值之比，是纖維長度和纖維寬度共同作用的結(jié)果[12]。它是評價纖維形態(tài)的重要指標(biāo)，僅次于纖維長度。

如表3所示，從整體上來看，榿木的長寬比為25.95～99.58之間，平均值為51.62；臺灣榿木的纖維長寬比為31.55～88.48之間，平均值為51.38；榿木的纖維長寬比大于臺灣榿木，方差分析顯示纖維長寬比種間差異不顯著。

由圖5可見，榿木纖維長寬比最小值出現(xiàn)在第1輪處，最大值出現(xiàn)在第7輪處。臺灣榿木纖維長寬比最小值出現(xiàn)在第1輪處，最大值出現(xiàn)在第9輪處。在徑向方向上，榿木與臺灣榿木人工林纖維的長寬比都在總體上呈現(xiàn)出由髓心向樹皮隨生長輪數(shù)的遞增而遞增的趨勢，規(guī)律性明顯，略有波動。

有學(xué)者研究認為，長寬比值大，打漿時纖維就會有較大的結(jié)合面積，紙張撕裂指數(shù)高，成紙強度高；反之則不宜打漿，成紙強度低。一般而言，長寬比大于35，就是適合于造紙的材料[13]。因此，從纖維長寬比這項指標(biāo)來評價，榿木人工林與臺灣榿木人工林纖維的長寬比都是適于造紙工業(yè)的。

圖5 纖維長寬比徑向變異

通過比較圖2和圖5可見，不論是榿木還是臺灣榿木，纖維長寬比徑向變異曲線都與纖維長度的徑向變異曲線極為相似。其根本原因在于纖維寬度徑向變異相對于纖維長度徑向變異要平緩得多，因此，纖維長寬比的徑向變異主要是纖維長度變異的結(jié)果。有學(xué)者研究了纖維長寬比與纖維長度、寬度的關(guān)系，相關(guān)分析表明，纖維長寬比與長度在0.01水平下呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.984，是形態(tài)因子中最相關(guān)的一對，而長寬比與寬度相關(guān)不顯著[11]。

2.4 纖維壁腔比的比較

纖維壁腔比即纖維雙壁厚與腔徑之比。如表3所示，從整體上看，榿木的壁腔比為0.14～1.63，平均值為0.60；臺灣榿木的纖維壁腔比為0.19～1.37，平均值為0.45；榿木的壁腔比大于臺灣榿木，方差分析顯示纖維壁腔比種間差異顯著。

圖6 纖維壁腔比徑向變異

由圖6可見，榿木纖維壁腔比最小值出現(xiàn)在第1輪處，最大值出現(xiàn)在第8輪處。臺灣榿木纖維長寬比最小值出現(xiàn)在第1輪處，最大值出現(xiàn)在第9輪處。榿木纖維壁腔比每輪均大于臺灣榿木，平均為榿木纖維壁腔比的1.34倍。在徑向方向上，榿木與臺灣榿木人工林纖維的壁腔比都在總體上呈現(xiàn)出由髓心向樹皮隨生長輪數(shù)的遞增而遞增的趨勢，規(guī)律性明顯，略有波動。

資料顯示，纖維壁腔比是造紙工業(yè)衡量纖維原料好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。它的大小影響紙張的性能：一般認為壁腔比小的纖維易于結(jié)合，紙張強度大；而壁腔比大的纖維難以結(jié)合，紙張強度低。就壁腔比的研究Runkel曾提出如下關(guān)系[14]：第一組：纖維壁腔比小于1(2W/L<1)者為上等造紙原料；第二組：纖維壁腔比等于1(2W/L=1)者為中等造紙原料；第三組：纖維壁腔比大于1(2W/L>1)者為劣等造紙原料。(其中W-平均細胞壁厚度(μm)，L-平均細胞腔直徑(μm))。

因此，從纖維壁腔比這項指標(biāo)來評價，榿木與臺灣榿木的纖維壁腔比均小于1，均為上等造紙原料。有學(xué)者研究了纖維壁腔比與纖維壁厚的關(guān)系，相關(guān)分析表明，纖維壁腔比與纖維壁厚存在一定的正相關(guān)，與腔徑存在一定的負相關(guān)。

3 結(jié)論

兩樹種9年生人工林纖維形態(tài)特征研究分析可知：榿木的纖維雙壁厚、纖維長寬比、纖維壁腔比均大于臺灣榿木，而纖維長度、纖維寬度則小于臺灣榿木。根據(jù)方差分析，發(fā)現(xiàn)纖維長度、纖維寬度、纖維雙壁厚以及壁腔比種間差異顯著，纖維長寬比種間差異不顯著。根據(jù)造紙工藝原理判斷：兩樹種均屬于優(yōu)質(zhì)的纖維原料，非常適合用來制造紙張或纖維板。