姬 寧 潘 彪 王晶晶 劉 竹

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005；2.南京林業(yè)大學(xué) 南京 210007；3.張家港進(jìn)出口檢驗(yàn)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(guó)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(zhǎng)度大等優(yōu)點(diǎn)，也是優(yōu)良的紙漿纖維用材[2]。目前，國(guó)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(tái)灣榿木(Alunsformosana)是臺(tái)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(tái)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(duì)臺(tái)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(jìn)行了探索[4]。

榿木和臺(tái)灣榿木都是重要的植物纖維資源。木纖維對(duì)紙漿和紙制品的影響很大，是評(píng)價(jià)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(shí)踐指導(dǎo)，本研究對(duì)9年生榿木與臺(tái)灣榿木的纖維形態(tài)及其徑向變異規(guī)律進(jìn)行了比較研究。

1 材料和方法

1.1 試材的取制

試驗(yàn)材料取自福建來(lái)舟林場(chǎng)，選取榿木與臺(tái)灣榿木各3株，具體采集記錄見(jiàn)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(duì)象。

表1 試材采集記錄表

1.2 測(cè)定方法

榿木及臺(tái)灣榿木為典型的散孔材，考慮到年輪內(nèi)纖維長(zhǎng)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(shí)試片。采用與計(jì)算機(jī)相聯(lián)的Nikon Alphaphot-2 YS2型顯微鏡觀察切片，用計(jì)算機(jī)Motic Image 軟件拍照并測(cè)量，40倍放大倍數(shù)測(cè)量纖維的長(zhǎng)度，400倍放大倍數(shù)測(cè)其內(nèi)外徑。每年輪測(cè)定80張照片，研究其纖維形態(tài)及徑向變異規(guī)律并對(duì)兩樹種進(jìn)行比較研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維長(zhǎng)度

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

表2 纖維長(zhǎng)度頻率分布

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

表3 榿木與臺(tái)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(zhǎng)度分布在674.24～1865.65μm之間，平均值為1208.48μm；臺(tái)灣榿木的纖維長(zhǎng)度分布在633.31～1987.56μm之間，平均值為1258.89μm；臺(tái)灣榿木的纖維長(zhǎng)度要大于榿木的纖維長(zhǎng)度，方差分析顯示纖維長(zhǎng)度種間差異顯著。

圖1 纖維長(zhǎng)度頻率分布圖

在造紙工業(yè)上，平均長(zhǎng)度低于0.4 mm者不宜單獨(dú)用作造紙?jiān)希炼嘀荒芤蕴盍蠞{的形式少量配用；而平均長(zhǎng)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(zhǎng)度這項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，榿木纖維與臺(tái)灣榿木纖維的長(zhǎng)度均符合造紙工業(yè)的要求，適宜作為造紙材料。在實(shí)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(tái)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(tái)灣榿木、楓香(Liquidambarformosana)、和山黃麻(Tremaorientalis)四種速生樹種作原料，進(jìn)行硬質(zhì)纖維板比較實(shí)驗(yàn)，其中以臺(tái)灣榿木纖維板性能為最優(yōu)[9]。

圖2 纖維長(zhǎng)度徑向變異

從圖2可以看出，在徑向變化上，榿木與臺(tái)灣榿木人工林一樣，髓心處纖維長(zhǎng)度最短，隨著生長(zhǎng)輪數(shù)的增加，纖維長(zhǎng)度也隨之增加。除第一輪外，臺(tái)灣榿木纖維每輪都長(zhǎng)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(zhǎng)度的徑向變異仍為上升趨勢(shì)，還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)9年生的榿木與臺(tái)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(duì)紙性也有一定的影響。研究認(rèn)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(qiáng)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(tái)灣榿木的纖維寬度分布在14.55～39.44μm之間，平均值為25.33μm；臺(tái)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(jiàn)，逐年輪比較其纖維寬度，發(fā)現(xiàn)臺(tái)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(tái)灣榿木人工林纖維寬度都由髓心向樹皮隨生長(zhǎng)輪數(shù)的遞增而遞增。許多學(xué)者對(duì)纖維寬度的徑向變異進(jìn)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(rèn)為管胞寬度與長(zhǎng)度之間存在相關(guān)性；而闊葉材總的變化趨勢(shì)是適度增加，榿木人工林與臺(tái)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(jiàn)，逐年輪比較發(fā)現(xiàn)榿木的纖維雙壁厚每輪均大于臺(tái)灣榿木，平均為臺(tái)灣榿木的1.17倍。在徑向方向上，榿木與臺(tái)灣榿木人工林纖維雙壁厚的變異趨勢(shì)與纖維寬度的變異趨勢(shì)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(tái)灣榿木的增加幅度相對(duì)較小，遞增率4.14%～13.69%。

從纖維寬度及雙壁厚這兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)，臺(tái)灣榿木木纖維的胞壁薄于榿木，而腔卻大于榿木。因此，臺(tái)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(qiáng)度較高，因而榿木纖維更能提高紙張的撕裂強(qiáng)度。

2.3 纖維長(zhǎng)寬比的比較

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

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

由圖5可見(jiàn)，榿木纖維長(zhǎng)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(tái)灣榿木纖維長(zhǎng)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(tái)灣榿木人工林纖維的長(zhǎng)寬比都在總體上呈現(xiàn)出由髓心向樹皮隨生長(zhǎng)輪數(shù)的遞增而遞增的趨勢(shì)，規(guī)律性明顯，略有波動(dòng)。

有學(xué)者研究認(rèn)為，長(zhǎng)寬比值大，打漿時(shí)纖維就會(huì)有較大的結(jié)合面積，紙張撕裂指數(shù)高，成紙強(qiáng)度高；反之則不宜打漿，成紙強(qiáng)度低。一般而言，長(zhǎng)寬比大于35，就是適合于造紙的材料[13]。因此，從纖維長(zhǎng)寬比這項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，榿木人工林與臺(tái)灣榿木人工林纖維的長(zhǎng)寬比都是適于造紙工業(yè)的。

圖5 纖維長(zhǎng)寬比徑向變異

通過(guò)比較圖2和圖5可見(jiàn)，不論是榿木還是臺(tái)灣榿木，纖維長(zhǎng)寬比徑向變異曲線都與纖維長(zhǎng)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(duì)于纖維長(zhǎng)度徑向變異要平緩得多，因此，纖維長(zhǎng)寬比的徑向變異主要是纖維長(zhǎng)度變異的結(jié)果。有學(xué)者研究了纖維長(zhǎng)寬比與纖維長(zhǎng)度、寬度的關(guān)系，相關(guān)分析表明，纖維長(zhǎng)寬比與長(zhǎng)度在0.01水平下呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.984，是形態(tài)因子中最相關(guān)的一對(duì)，而長(zhǎng)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(tái)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(tái)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(jiàn)，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(tái)灣榿木纖維長(zhǎng)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(tái)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(tái)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(zhǎng)輪數(shù)的遞增而遞增的趨勢(shì)，規(guī)律性明顯，略有波動(dòng)。

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(rèn)為壁腔比小的纖維易于結(jié)合，紙張強(qiáng)度大；而壁腔比大的纖維難以結(jié)合，紙張強(qiáng)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?jiān)?；第二組：纖維壁腔比等于1(2W/L=1)者為中等造紙?jiān)?；第三組：纖維壁腔比大于1(2W/L>1)者為劣等造紙?jiān)稀?其中W-平均細(xì)胞壁厚度(μm)，L-平均細(xì)胞腔直徑(μm))。

因此，從纖維壁腔比這項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，榿木與臺(tái)灣榿木的纖維壁腔比均小于1，均為上等造紙?jiān)?。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(fù)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(zhǎng)寬比、纖維壁腔比均大于臺(tái)灣榿木，而纖維長(zhǎng)度、纖維寬度則小于臺(tái)灣榿木。根據(jù)方差分析，發(fā)現(xiàn)纖維長(zhǎng)度、纖維寬度、纖維雙壁厚以及壁腔比種間差異顯著，纖維長(zhǎng)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(lái)制造紙張或纖維板。