溫道遠(yuǎn) 韓曉雪 楊金橘 茹廣欣

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002）

我國造紙工業(yè)原料不足，長期以來造紙企業(yè)主要以草漿為造紙原料，由于草漿本身的局限性及企業(yè)規(guī)模、造紙工藝等因素的制約，造紙行業(yè)水資源消耗水平居高不下，污染治理水平較低[1]。實踐表明：木材比其他纖維原料更適合于現(xiàn)代化紙業(yè)大生產(chǎn)；易造出高品質(zhì)的紙品，且生產(chǎn)效率高，污染相對易于治理[2-3]。因此我國結(jié)合造紙行業(yè)的發(fā)展特點和國內(nèi)現(xiàn)有資源，制定了“草木并舉，因地制宜，逐步增加木材比重，過渡到以木為主”的方針。劉明光等總結(jié)國外成功經(jīng)驗，提出林紙結(jié)合，發(fā)展造紙工業(yè)林基地，將造紙原料轉(zhuǎn)為以木為主。

泡桐（Paulownia.）為泡桐科泡桐屬落葉喬木，是我國重要的速生闊葉樹種，在全國廣泛種植，資源豐富[4-7]。泡桐材質(zhì)較軟、密度小、紋理優(yōu)美，且具有不易腐爛、不易開裂的特性，被廣泛應(yīng)用于家具、樂器、航空模型等，是林木加工的優(yōu)秀樹種。但在桐材加工過程中，大量泡桐枝材、根材沒有得到充分利用，造成資源浪費。為豐富造紙原料，實現(xiàn)泡桐枝材、根材資源化利用的目的,本研究比較分析了泡桐枝材、根材生物量占比、纖維比率、纖維形態(tài)，并對枝材、根材制漿造紙性能進(jìn)行試驗研究，以期為泡桐資源利用開辟新途徑，為我國造紙工業(yè)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

泡桐取自河南省新鄭市林木良種場，樹齡8 ～11年，胸徑28 ～ 42 cm。

1.2 設(shè)備

XST型投影顯微鏡（日本三豐）；打漿度測試儀（ZB-DJ100型，杭州紙邦自動化技術(shù)有限公司）；白度儀（YQ-Z-48A型，杭州輕通儀器開發(fā)公司）；耐破度測定儀（型號 DC-NPY560，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司）；撕裂度儀（型號83-20-00，荷蘭Buche公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 生物量測定

地上部分：泡桐的樹干生物量采用木材密度法測定[8-10]，在每株樹上選取具有代表性的1～7年齡枝椏材，置于烘箱烘干至恒重，計算干生物量并編號。

地下部分：以伐樁為中心，挖掘1 m2內(nèi)的所有根系，篩去泥土，用水沖洗陰干至初始狀，根據(jù)底徑進(jìn)行編號。將挖掘出的根材置于烘箱105 ℃烘干至恒重。

1.3.2 木纖維含量及形態(tài)測定

選取有代表性枝的木質(zhì)部下端，切成長寬均為15 mm，厚度3～5 mm的木片。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硝酸浸透試材，在100 ℃水溶中加熱1 h離析出纖維，重復(fù)3次，最后一次冷卻，將溶液倒出，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %NaOH 溶液中和試材，過濾后試材在 105 ℃下烘至恒重，稱其重量，計算纖維含量[11-12]。使用XST型投影顯微鏡對各部位離析出的纖維進(jìn)行觀察，用測微尺測量完整的纖維長度與寬度，隨機測定50根完整纖維，包括纖維長度、寬度及長寬比，測量3次取平均值[13]。

1.3.3 漿料制備

目前制漿造紙技術(shù)有蒽醌法制漿、硫酸鹽法制漿、亞銨法制漿、 APMP 制漿等[14-16]。本研究采用氫氧化鈉-蒽醌法以獲得得率較高的紙漿。蒽醌的添加量為物料的0.5 %。通過添加0.5 %蒽醌的燒堿法制漿, 具有明顯加速蒸煮和提高強度的效果，且對環(huán)境的污染減輕。

1.3.4 制漿指標(biāo)測定

1）打漿度：采用杭州紙邦自動化技術(shù)有限公司ZB-DJ100打漿度測試儀測定。

2）白度：利用白度儀測定457 nm 處試樣正面和反面的吸光值，計算其平均值即為白度值。

3）耐折度：采用GB/T 457—2008《紙和紙板耐折度的測定》進(jìn)行測定。

4）定量：將5張樣品沿紙幅縱向疊成五層，然后沿橫向切0.1 m2試樣兩疊，共10張試樣測定定量。

式中：G為定量，g /m2；M為10片0.01 m2試樣總質(zhì)量，g。

5）裂斷長：根據(jù)GB/T 12914—2018《紙和紙板 抗張強度的測定 恒速拉伸法（20 mm/min）》進(jìn)行測定。裂斷長為寬度一致的紙條本身重量將紙拉斷時所需要的長度，由抗張強度和恒濕后的試樣定量計算得出：

式中:S為抗張強度，kN/m;為平均抗張力, N ;b為試樣的寬度，mm。

裂斷長計算公式：

式中，L為裂斷長，m；S為抗張強度，kN/m；G為定量，g/m2；9.8、1 000 為常量定值。

6）撕裂度：采用撕裂度儀進(jìn)行測定。撕裂度計算公式：

式中：F為撕裂度，mN;S為試驗方向上的平均刻度讀數(shù)，mN;P為換算因子，單擺為16，雙擺為 3;n為同時撕裂的試樣層數(shù)。

撕裂指數(shù)計算公式:

式中：X為撕裂指數(shù)，mN·m2/g；F為撕裂度，mN;G為定量，g / m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡桐生物量測定

泡桐單株生物量是其樹干、枝條、葉片、根系、花和果實的生物量總和。本研究中泡桐葉、花與果的生物量不做考慮。枝椏材的生物量隨枝齡變化規(guī)律如表1。

泡桐枝材在全株生物量中所占比例為29.12%。泡桐枝椏材和根材占總生物量的40.19%，在整株中所占分配比較高，因此是不可忽視的再生資源，能夠成為紙業(yè)生產(chǎn)豐富的優(yōu)質(zhì)原材料。泡桐枝材生物量隨枝齡生長呈逐漸增加趨勢。泡桐1年齡枝條的木質(zhì)部生物量較小，韌皮部的生物量和木質(zhì)部的生物量幾乎相等， 1～2年齡枝條剝皮工藝難度大，不宜在制漿造紙工藝中采用。樹干生物量占比約為59.81%，其中樹干木質(zhì)部生物量為總木質(zhì)部生物量的64.36%，王錦依[17-18]等利用泡桐進(jìn)行造紙研究發(fā)現(xiàn)，和云杉相比，在同當(dāng)量胸徑條件下，泡桐比云杉生長速度快10倍左右，因此泡桐能在較短的時間內(nèi)提供更多的材料。

表1 泡桐生物量分配比Tab.1 Biomass allocation ratio of Paulownia

2.2 泡桐不同部位木纖維含量

木纖維是厚壁細(xì)胞，與木材利用有密切的關(guān)系。泡桐木纖維含量是影響制漿造紙的主要因素之一。筆者在進(jìn)行泡桐木纖維含量的測定中發(fā)現(xiàn)，泡桐枝材木纖維含量隨枝齡的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢，如表2。

表2 泡桐木纖維含量Tab.2 Wood-fiber percentage of Paulownia

木纖維是組成闊葉樹材的主要成分之一，約占木材體積的50 %。由表2可以看出1～2年齡枝條的木纖維含量與樹干的數(shù)值相差較大，且木纖維含量均低于50.00 %。Wardrop等[19]認(rèn)為，為了經(jīng)濟效益，造紙木材的纖維組織含量不應(yīng)低于50.00 %。因此1～2年齡枝椏材不宜做原料。4～7年齡枝材和根材木纖維含量均高于60 %，樹干材木纖維含量為79.63%，因此泡桐是較為理想的造紙纖維原料。李冉[20]等認(rèn)為利用木纖維造紙, 通過林紙結(jié)合實現(xiàn)林紙產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展是造紙業(yè)的主體發(fā)展趨勢。泡桐生長迅速，蓄積量大，桐木產(chǎn)業(yè)集中度高，可為制漿造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

2.3 木纖維形態(tài)變化

木材纖維形態(tài)的變化規(guī)律是評定造紙、纖維板等纖維材料品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，纖維形態(tài)直接關(guān)系到木材質(zhì)量、紙漿與紙張的性能[21]。由表3可以看出，1～2年齡枝條木纖維的長度在700 μm以下，按照國際木材解剖協(xié)會（AWA）7級標(biāo)準(zhǔn)[22]，達(dá)不到造紙所要求的最低纖維長度，不宜選用；3～7年齡枝椏材纖維長度為743.9～988.1 μm，泡桐干材纖維長度為1 217.0 μm。纖維長度是纖維形態(tài)中最為重要的因子，能夠顯著影響紙漿和紙張性質(zhì)中抗撕裂和抗拉強度、耐破度、耐折度以及木材的抗拉和抗彎強度等[23]。黃日明等[24]在闊葉樹木纖維長度和寬度的研究中發(fā)現(xiàn)，泡桐材在共計26科35屬42種闊葉樹種中，纖維長度位列第2位，僅次于夾竹桃科盆架木(Alstoniascholaris)。綜上，泡桐纖維長度質(zhì)量優(yōu)秀，可以作為造紙材料。

表3 枝齡對泡桐纖維形態(tài)的影響Tab.3 Effect of branch age on Paulownia fiber morphology

測定泡桐的枝椏材纖維形態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)在0.01水平下，1～7年齡枝條的木纖維質(zhì)量與枝齡成顯著相關(guān)，即木纖維長度、寬度均隨枝齡的增加而增加，泡桐干材木纖維質(zhì)量最佳。

表4 枝齡與纖維形態(tài)的相關(guān)性Tab.4 Correlation of branch age on Paulownia fiber morphology

圖1 7年齡泡桐枝材纖維形態(tài)Fig.1 The fiber morphology of 7 years branch from Paulownia

圖2 泡桐枝材纖維長度分布Fig.2 Fiber length distribution of Paulownia branches

研究發(fā)現(xiàn)，即便同年齡枝條，在不同生長條件下，纖維質(zhì)量也不相同。因此在考慮原材料纖維形態(tài)時，既要考慮其平均長度又要了解纖維長度分布規(guī)律。試驗選取6株不同生境的泡桐7年齡枝條，纖維長寬分布如圖1所示，泡桐7年齡枝條木纖維平均長度為880.8μm，平均木纖維寬度為28.8μm。木纖維長度分布頻率如圖2所示，纖維長度27.78%分布在800.0μm以下，27.77%分布在800.0～900.0μm， 44.45%分布在900.0～1 071.0μm。6號樹為優(yōu)樹，纖維長度1 004.0μm，長寬比為30.77。因此生境好的泡桐纖維長度優(yōu)，長寬比大。而在造紙工藝中，木纖維長度增大能夠增加紙的撕裂度、耐破度、抗拉強度、耐折度，纖維長寬比大則紙張強度高，紙張質(zhì)量好[25]。

表5 泡桐根材纖維形態(tài)分布Tab.5 Fiber morphology distribution of Paulownia root

泡桐根材約占泡桐單株生物量的11.07 %。試驗發(fā)現(xiàn)泡桐根材纖維長度在882.0～1 004.5μm之間，符合造紙原料要求。可深入研究根材的制漿造紙性能，開拓資源化利用的新途徑。

2.4 泡桐枝材和根材化學(xué)成分分析

表6 泡桐枝材、根材與楊樹木材化學(xué)成分比較Tab.6 Chemical constituents comparison between Paulownia branches and roots and Poplar

由表 6 可知，泡桐化學(xué)成分中，枝材灰分0.33% ，冷水抽出物6.35% ，熱水抽出物，7.87%，1% NaOH抽出物23.81%，苯乙醇抽出物6.32%，木素 22.64%，聚戊糖25.35%，綜纖維素46.67%；根材灰分0.89% ，冷水抽出物18.07% ，熱水抽出物21.42%，1%NaOH 抽出物33.29%，苯乙醇抽出物76.55%，木素 23.19%，聚戊糖24.68%，綜纖維素48.85%。與楊樹相比，泡桐灰分較低，抽出物含量略高，木素含量接近，綜纖維素含量高。綜纖維素含量高的纖維原料，纖維之間交織容易，質(zhì)量較好，成漿得率較高[26-30]。

2.5 泡桐制漿物理性能

表7 泡桐枝材和根材的紙漿物理性能Tab.7 Pulp physical properties of Paulownia branches and roots

本研究采用氫氧化鈉—蒽醌法制漿，制漿特征測定結(jié)果為未漂白漿。試驗結(jié)果顯示，紙漿得率較高，未漂損白漿白度較高，紙漿強度優(yōu)秀。漿水污染物含量分別為殘液pH 6.5～8.1、殘液BOD 3.79 ～ 3.88 mg /L、殘液COD 34.73～38.45 mg /L，均符合GB 3544—2008《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

表8 漿水污染物含量Tab.8 The content of pulp contaminant

3 結(jié)論

泡桐種質(zhì)資源豐富，泡桐枝材、根材占總生物量的40.19 %；其木纖維含量高，纖維長度與長寬比大，符合工業(yè)用材標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)，泡桐枝材纖維含量占枝材體積的45.00%～74.03%、纖維長度分布為579.5～988.1μm，纖維含量和纖維長度均隨枝齡的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢，并逐漸接近于樹干材。從經(jīng)濟角度考慮，3～7年齡枝材及根材物理性質(zhì)優(yōu)異，可開發(fā)利用為造紙的纖維原料。

泡桐枝椏材、根材制漿試驗表明：其灰分含量低，抽出物較多。木素含量較低 , 綜纖維素含量高。紙漿的白度高，性能優(yōu)良。將泡桐廢棄枝材、根材作為造紙的纖維原料進(jìn)行資源化利用，符合全國林紙一體化工程建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略，拓展了泡桐資源利用途徑，對于彌補我國造紙原料不足，促進(jìn)我國造紙工業(yè)發(fā)展具有積極作用。