糠椴全樹木材密度和纖維形態(tài)的研究

楊永強，郭平平，趙西平，趙鵬輝，柳子妤，楊紫菲

糠椴全樹木材密度和纖維形態(tài)的研究

楊永強1,2，郭平平1*，趙西平1，趙鵬輝1，柳子妤1，楊紫菲1

(1. 河南科技大學園藝與植物保護學院，洛陽 471000；2. 平江縣林業(yè)局，平江 414500）

木材密度和纖維尺寸是造紙的重要參考指標。為了給糠椴全樹造紙?zhí)峁├碚撘罁?jù)，以東北地區(qū)常見的闊葉樹種糠椴（）為對象，對樹干、樹枝和樹根之間的密度、纖維尺寸進行比較。結(jié)果表明：糠椴的基本密度、絕干密度和氣干密度大小均為樹根＞樹干＞樹枝，全樹的纖維占比達到50%以上。樹干平均纖維長度、寬度、壁腔比和長寬比分別為834.13 μm、31.05 μm、1.04和28.13。樹根和樹枝的平均纖維長度、寬度、壁腔比、長寬比分別為978.57 μm、32.91 μm、0.89、30.90和729.26 μm、25.47 μm、0.72和30.87。對造紙而言，糠椴樹干和樹根的密度指標優(yōu)于樹枝，樹根和樹枝的纖維質(zhì)量優(yōu)于樹干，樹根和樹枝屬于優(yōu)質(zhì)纖維原料，樹干屬于中等纖維原料。

糠椴；樹干；樹根；樹枝；密度；纖維

木材的樹干是制漿造紙的重要原材料[1]。從20世紀70年代開始，隨著人口增加，人們對紙張需求逐步擴大，導致木材供給逐步下降[2]。而木材資源緊缺，成為制約造紙工業(yè)生產(chǎn)的瓶頸[3]，尋求更廣泛的纖維材料來源就成為目前首要解決的問題。根據(jù)吳富楨的研究[4]，樹木樹干的材積為全樹的2/3，剩余的樹枝和樹根材積各占1/6左右，由于缺乏對采伐剩余物科學利用的理念和技術支撐，部分采伐剩余物堆放在林區(qū)，導致剩余的枝和根具有大量纖維材料而沒有得到有效利用，更有甚者會造成火災等嚴重危害[5]。目前我國對采伐剩余物的利用大多集中在造紙、纖維板等工業(yè)用途。

糠椴（）是椴樹屬闊葉材，又名遼椴，主要分布于我國東北各省及河北、內(nèi)蒙古等地，椴屬木材是東北地區(qū)7種重要闊葉樹種之一，在東北地區(qū)單位面積的蓄積量在65.03～385.31 m3·hm-2之間，比造紙常用木材樺樹單位面積的蓄積量稍多，比楊樹的蓄積量略少[6]。糠椴的樹干木材紋理直，結(jié)構(gòu)細致而均勻，重量較輕，質(zhì)地軟，是重要的結(jié)構(gòu)材樹種和造紙材樹種[7]。目前，關于糠椴樹根和樹枝的木材是否能夠用于造紙還尚未可知。木材密度和纖維尺寸是造紙原材料篩選的重要因子，對它們認識欠缺是制約糠椴廣泛應用的一個重要因素。因此，本研究以糠椴的樹干、樹根和樹枝為研究對象，比較分析了糠椴各部位的木材密度、纖維尺寸的差異，探討了糠椴全樹造紙的可行性，期望為糠椴全樹造紙?zhí)峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

木材樣品采自東北林業(yè)大學生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，在樣地選取樹體高大、生長狀況良好的糠椴樣樹進行采樣，樣品基本情況見表1。用生長錐在1.3 m處鉆取從樹皮到髓心東西、南北方向的樹芯，用高枝鋸采取樹冠上生長旺盛的枝條，直徑5～11 cm，截取20～30 cm。對近地表的根部進行挖掘，直徑5～8 cm，截取10～15 cm。

表1 糠椴基本數(shù)據(jù)

1.2 方法

1.2.1 木材密度 樹枝和樹根樣品木材密度通過國家標準《木材密度測定方法》（GB/T1933－2009）進行測定，樹干木材密度使用東北科學實驗室的測量結(jié)果[7]。

1.2.2 組織比量 樣品劈出1 cm3的小木塊，通過水煮排氣后用丙三醇和乙醇1:1混合溶液對樣品進行軟化，通過石蠟切片法使用萊卡切片機切出14～16 μm橫切面，使用番紅染色后制成永久玻片，對糠椴每個部位的連續(xù)5個年輪內(nèi)的組織占比進行測量。

1.2.3 纖維形態(tài) 樣品在心邊材分界處劈出火柴棒粗細的小木條，通過水煮排氣后采用30％硝酸離析法，離析成功后制成臨時玻片。采用Mshot（MD6.4）數(shù)字成像系統(tǒng)進行拍照、每棵樣樹的每個部位用木材解剖測量系統(tǒng)（TDY-5.2）隨機測量60根以上的纖維長度、寬度等。

1.3 數(shù)據(jù)分析

木材密度、組織比量、纖維長度、寬度、長寬比等指標使用SPSS-23進行單因素方差分析，各部位間進行多重比較，Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材密度

木材密度是造紙木材原料進行篩選的重要指標之一，基本密度和絕干密度經(jīng)常用以科學研究，氣干密度經(jīng)常被用于工業(yè)生產(chǎn)。由表2可知，基本密度在3個部位間的差異不顯著，絕干密度和氣干密度在3個部位間略有差異。糠椴樹干的基本密度、絕干密度和氣干密度分別為0.33、0.39和0.42 g·cm-3，分別比糠椴樹根的密度小0.06、0.05和0.03 g·cm-3，比樹枝的密度大0.01、0.05 和0.05 g·cm-3。

表2 糠椴木材密度

注：字母相同代表不同部位間差異性不顯著（＞0.05），字母不同代表不同部位間差異性顯著（＜0.05)。下同。

2.2 木纖維

木纖維在木材中起支撐的作用。從圖1中可以看出，糠椴為散孔材，木質(zhì)部是由木纖維、管孔、薄壁組織、木射線等木材組織組成，其中木纖維的含量非常豐富。

圖1 糠椴的顯微構(gòu)造

Figure 1 Microstructure of

表3 糠椴的組織比量

圖2 糠椴的纖維形態(tài)

Figure 2 Fiber morphology of

由表3可知，糠椴的管孔占比、木射線占比、薄壁組織占比、纖維組織占比在樹干、樹根和樹枝木材中均為顯著性差異。與糠椴樹干、樹根木材相比，樹枝木材的管孔占比、木射線占比、薄壁組織占比均為最多，纖維組織占比最少，樹干木材的木纖維占比最多，占比達到60.58%，樹根和樹枝木材的木纖維占比均達到一半以上。

糠椴木材的纖維有纖維狀管胞和韌型纖維兩種，從圖2中可以看出，纖維狀管胞的壁上有具緣紋孔，長度略短，細胞壁厚，兩端稍尖。韌型纖維長于纖維狀管胞，木纖維兩端尖銳，細胞壁較厚，呈紡錘型。纖維狀管胞在糠椴木纖維中所占比例非常小，而且在制漿造紙工藝中，韌型纖維與纖維狀管胞形態(tài)差異對制漿的影響幾乎可忽略不計[8]。因此，本研究對韌型纖維和纖維狀管胞的木纖維尺寸和分布并未加以區(qū)分。

表4 糠椴的纖維尺寸

圖3 糠椴木材的纖維分布

Figure 3 Fiber distribution of

木纖維的含量和尺寸對紙漿性能和造紙潛力有很大影響[9-10]。由表4可知，糠椴樹干、樹根、樹枝木材的纖維長度、寬度、壁腔比、長寬比關系呈顯著相關，糠椴木材的平均纖維長度為樹根＞樹 干＞樹枝，樹根木材的平均纖維長度為978.57 μm，分別比樹干、樹枝木材的平均纖維長度長144.44和249.30 μm?？烽材静牡钠骄w維寬度為樹根＞樹干＞樹枝，按照《中國木材志》木纖維寬度的分級定義[11]，糠椴樹枝木材的纖維屬于中等纖維，樹干和樹根木材的纖維屬于甚粗纖維。樹干木材的纖維壁腔比大于1，樹根和樹枝木材的纖維壁腔比小于1。纖維的結(jié)合程度還與纖維長寬比有關，糠椴樹干木材的平均長寬比是28.13，樹根和樹枝木材的平均長寬比均在30以上。

僅僅明確木纖維的平均尺寸對制漿造紙來說還不夠，還需要了解木纖維的尺寸分布范圍。纖維長度決定纖維制品質(zhì)量，國際木材解剖學會（IAWA）對纖維長度的分級標準分別以900 和1 600 μm為短中級長度分界線、中長級長度分界線[12]?？烽矘涓赡静牡睦w維長度分布在350～1 600 μm之間，屬于短、中級纖維，纖維長度以600～900 μm為主，900～1 200 μm為輔，短級纖維占比64.78%，中級纖維占比35.22%。樹根木材的纖維長度分布為400～1 700 μm，短、中、長纖維各有分布，纖維長度以900～1 200 μm為主，600～900 μm為輔，短級纖維占比42.5%，中級纖維占比53.7%，長纖維占比小于4%。樹枝木材的纖維長度分布為350～1 400 μm，屬于短中級纖維，纖維長度以600～900 μm為主，300～600 μm為輔，短級纖維占比82.3%，中級纖維占比17.7%，無長纖維（圖3（a））。糠椴各部位的纖維寬度在10～60 μm之間，樹干木材的纖維以20～30 μm為主，30～40 μm為輔，約占總體的89.04%。樹根木材的纖維以30～40 μm為主，20～30 μm為輔，約占總體的79.5%，樹枝木材的纖維寬度以20～30 μm為主，10～20 μm為輔，約占總體的72.6%（圖3（b））。壁腔比的分布范圍是0～2，樹干木材的纖維壁腔比小于1的約占49.50%，樹根木材的纖維壁腔比小于1的約占65.8%，樹枝木材的纖維壁腔比小于1的約占85.2%（圖3（c））。長寬比的分布范圍是10～70，樹干木材的纖維長寬比小于30的約占63.45%，樹根木材的纖維長寬比小于30的約占50%，樹枝木材的纖維長寬比小于30的約占76%（圖3（d））。

3 討論與結(jié)論

木材密度是評價木材性質(zhì)的重要指標，木材密度與木纖維的聯(lián)系非常密切[13]。在相同條件下，密度越大的木材強度與硬度越大，木纖維排列也越緊密，若密度過大，則木材纖維排列比較緊密，這將增加打漿過程機械的損耗率；反之若密度小，木材纖維排列比較松散，雖然能順利打漿但是會影響木漿質(zhì)量[14]?？烽矘涓伞涓?、樹枝的密度分布范圍分別是0.33～0.42 g·cm-3、0.39～0.45 g·cm-3和0.32～0.37 g·cm-3，常見的優(yōu)良造紙樹種楊樹可以制作出優(yōu)質(zhì)的紙漿，它的密度分布范圍是0.33～0.51g·cm-3[15]。結(jié)合對比糠椴密度范圍，發(fā)現(xiàn)糠椴樹干和樹根的密度屬于以上范圍，樹枝的密度略超出這個范圍。

纖維含量超過50%的材料就能制造出優(yōu)良的紙漿[16]，糠椴樹干、樹根、樹枝的纖維含量分別達到60.58%、51.94%和50.65%，均達到制造紙漿的要求。木纖維的尺寸決定著木材纖維的適用范圍[17]。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)纖維長度大于330 μm用于造紙就不會對紙張強度造成影響，并且長纖維和短纖維的結(jié)合更能提高紙張抗撕裂能力[18-19]?？烽矘涓珊蜆渲δ静牡睦w維長度為短、中級纖維，樹根木材的纖維長度則短、中、長級各有分布，樹干、樹根、樹枝的短、中級纖維總占比在90%以上，樹干、樹根和樹枝木材的平均纖維長度都在700 μm以上，造紙常用木材楊樹短、中級纖維占比在95%以上，纖維平均長度在1 000 μm左右，所以糠椴樹干、樹根和樹枝都可以做纖維長度為600～1 000 μm的吸墨紙等，樹干和樹根還可以做纖維長度為800～1 000 μm的打字紙等[20-21]。糠椴樹干、樹根和樹枝的纖維寬度主要集中在20～40 μm之間，纖維寬度又分成細胞壁厚和細胞腔寬，細胞腔大而細胞壁薄的纖維柔韌性好。纖維壁腔比是決定纖維原料質(zhì)量的重要指標，糠椴樹干木材纖維壁腔比小于1的纖維占50%，樹根木材纖維壁腔比小于1的纖維占65.8%，樹枝木材纖維壁腔比小于1的纖維占85%，樹干木材纖維平均壁腔比等于1，樹枝和樹根木材纖維平均壁腔比均小于1，Runkel認為壁腔比等于1為衡量纖維原料的標準，對壁腔比小于1的纖維進行打漿就可以使纖維之間結(jié)合更加緊密，形成高強度的紙張，壁腔比等于1的是中等纖維原料，大于1是劣質(zhì)原料[22]。造紙常用木材楊樹纖維的平均壁腔比在0.5以下，屬于優(yōu)等材料，雖然糠椴樹干、樹根、樹制的纖維壁腔比均大于楊樹，但是，糠椴樹根和樹枝的纖維同樣屬于優(yōu)質(zhì)范疇，樹干的纖維也在中等范疇。纖維結(jié)合程度還與纖維長寬比有關[23]，糠椴樹干木材纖維長寬比大于30的纖維占36.55%，樹根木材纖維長寬比大于30的纖維占50%，樹枝木材纖維長寬比大于30的纖維占23%，國內(nèi)一般認為闊葉樹材纖維長寬比在30～45最適合造紙[24]，但是纖維在打漿過程中會發(fā)生纖維潤脹效應，所以對長寬比作為造紙打漿的一項標準要理性看待[25]。

基于木材密度和纖維尺寸分析結(jié)果，糠椴全樹的纖維占比達到50%以上，有作為優(yōu)質(zhì)纖維原料的潛質(zhì)，樹干木材密度滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)木漿的需求，纖維屬于中等造紙原料，可以做吸墨紙、打字紙等。樹根木材密度滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)木漿的需求，纖維均屬于優(yōu)質(zhì)造紙原料，可以做吸墨紙、打字紙等。樹枝木材密度不滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)木漿的需求，纖維屬于優(yōu)質(zhì)造紙原料，可以做吸墨紙等。

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Study on wood density and fiber size of

YANG Yongqiang1, 2, GUO Pingping1, ZHAO Xiping1, ZHAO Penghui1, LIU Ziyu1, YANG Zifei1

(1. College of Horticulture and Plant Protection, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000; 2. Pingjiang County Forestry Bureau, Pingjiang 414500)

Wood density and fiber size are important reference indexes for papermaking. To provide a theoretical basis for papermaking of, with a common broad-leaved tree species ()growing in Northeast China as the object, the differences in wood density and fiber size between roots, trunks and branches were compared. The results showed that: the average values of basic density, oven-dried density and air-dried density of roots were the most, followed by the trunks and branches. The fiber proportion of the whole tree was more than 50%. The average values for the trunks, roots and branches were 834.13, 978.57, 729.26 μm of the fiber length, 31.05, 32.91, 25.47 μm of the width, 1.04, 0.89, 0.72 of the thickness-diameter ratio and 28.13, 30.90, 30.87 of the length-width ratio, respectively. For papermaking, the density indexes oftrunks and roots were better than those of the branches, and the fiber quality of roots and branches was better than that of trunks, which indicated that the roots and branches ofbelong to the high quality fiber raw material, and the trunks belong to the medium fiber raw materials.

; trunk; roots; branches; density; fiber

S781.1; S792.36

A

1672-352X (2022)05-0730-05

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.021

2022-11-16 16:04:32

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20221115.1632.002.html

2021-12-04

國家自然科學基金（31000265, 32171710）資助。

楊永強，碩士研究生。 E-mail：yang12710@163.com

郭平平，講師。 E-mail：guopingping_1982@126.com