构树木质部的纤维形态、化学组成及制浆性能

构树木质部的纤维形态、化学组成及制浆性能 构树木质部的纤维形态、化学组成及制浆性 能 经济林研究2007,25(4):45—49 构树木质部的纤维形态,化学组成及制浆性能 牛敏,高慧,张利萍 (安徽农业大学林学与园林学院,安徽合肥230036) 摘要:根据构树的纤维形态和化学组成以及制浆性能的摸索性试验,评估构树制浆 的可行性,制定出适 合构树制浆的硫酸盐蒽醌法,并对此法设计L.(3)正交试验.得到结论如下:构树的 综纤维素含量为 82.O9%,Klason木素含量为18.57,纤维平均长度为863bcm,长宽比为51.3,壁腔比 为0.37,由化学组成 和纤维形态来看,构树是比较适宜制浆的;影响构树制浆得率和卡伯值的主要因素 是用碱量,其次是保温时 间,硫化度影响最小.制浆的最佳条件是:18的用碱量,90min的保温时间和24的硫化度. 关键词:构树;纤维形态;化学组成;制浆 中图分类号:TS721.1;TS743+1文献标识码:A文章编号:1003—8981(2007)04--0045—05 FiberMorphology,ChemicalCompositionsand PulpingPropertiesofXyleminBroussonetiapapyrifera NIUMin,GAOHui,ZHANGLi—ping (SchoolofForestry&LandscapeArchitecture,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei23 0036) Abstract:ThefeasibilityofBroussonetiapapyriferdpulpingwasevaluated,basedonfiber morphology,chemicalcompositionsandpulpingpropertiesinthispaper.AndtheKP—AQ methodsuitingforpulpingwasmadeout.TheL9(3)orthogonalexperimentwasplaned.The resultswereasfollows:Theholocellulosecontentwas82.09,theKlasonlignincontentwas 18.57%,theaveragelengthoffiberswas863p.m,thelength—widthratiowas51.3,andthe ratioofcellwallthicknesstocavitydiameterwas0.37,SOitwasfeasibleforBroussonetia papyriferatopulp;thealkalicontentwasprimaryinfluencingfactorofpulping,thenextwas retentiontime,thelastwassulfidity,andthebestconditionsofpulpingwere18alkali content,retentionlasting90minutesand24sulfidity. Keywords:Broussonetiapapyrifera;fibermorphology;chemicalcomposition;pulping 构树Broussonetiapapyrifer别名楮树,谷树皮,奶树皮,楮桃皮,纸桑,沙纸树,造纸树 等,遍产于云南,四 川,贵州,湖北,福建等省….构树属桑科Moraceae,构属Broussonetia,直立落叶乔木 或灌木,树高可达16in[2]. 该属全世界共有5种,分布于亚洲东部及太平洋岛屿.我国有3种,即构树,小构树 B.kazinokiSieb.和藤构 B.kaempferiSieb.[33. 构树生命力很强,对立地条件要求不高,在含盐0.4%以下的土地和深山荒地均能 旺盛生长,是我国生长 十分广泛的一种野生植物?.构树对二氧化硫,氯和氟化氢等有毒气体和烟尘有较 强的抗性,还是防风治沙改 良生态环境的好树种.构树全身是宝,是重要的经济树种,树皮是生产特种纸的好 原料;树皮表层的黑皮壳可用 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: 2007—08—05 安徽农业大学创新团队资助. 牛敏(1982一),女,安徽合肥人.硕士研究生,专业方向为木材材性与加工利用. 高慧(1966一),女,安徽六安人.副教授,硕士,主要从事制浆造纸方面的研究. 46经济林研究第25卷 于蚊香的生产;树叶可供制皂,入药和生产饲料及保健品等]. 构皮作为造纸原料由来已久,从蔡伦发明造纸术就已开始使用.国内已有很多专家对构皮制浆有较深入的 研究,如刘义龙,聂青,王德汉,文琼菊,聂勋载,张志芬,范金辉等人.但关于构树树干木质部的制浆性能 的研究尚未见报道.笔者从其纤维形态,化学组成和制浆造纸的角度探讨构树作为植物纤维原料的利用价值, 以期为进一步研究该树种提供理论基础. 1材料和方法] 1.1材料 试验材料构树主干的木质部部分采于安徽农业大学校内,树龄约12a,此地降水丰富,日光照射量充足,处 于温热带,非常适合树木生长.原料的制备参照《中国轻工业汇编))GB/T2677.1-1993. 1.2方法 1.2.1纤维形态的测定 纤维形态测定参照GB/T10336—1989.采用10的铬酸和10的硝酸按1:1混合离析试样后,在放大 100倍的投影仪下测定纤维长度,测定数目是200根.另外选取横切面切片,在装有目镜测微尺的光学显微镜 下测定纤维宽度,细胞腔径和双壁厚. 1.2.2化学组成的测定 原料中水分,灰分,抽出物,木质素,聚戊糖和综纤维素含量的测定按照《中国轻工业标准汇编))GB/ T2677.(2—10)一1993进行. 1.2.3制浆 将试样劈成火柴棒状,选尺寸合格的试样平衡水分后,测出含水率,然后用于蒸煮试验.蒸煮设备为容积 15L的电热回转式蒸煮锅,内装4个小罐,每罐容积1.5L,以水为加热介质在小罐内进行蒸煮试验. 2结果与分析 2.1构树的纤维形态 制浆造纸对原材料的要求主要反映在纤维长度,宽度,弦向胞腔径及径向双壁厚等因素上,并以长宽比(长 度/宽度)和壁腔比(径向双壁厚/弦向胞腔径)作为衡量纸张性能的重要因子[1".纤维长度大,可以提高纸页 的撕裂度,抗张强度,耐破度和耐折度.纤维宽度直接影响到纤维的长宽比.细胞壁薄而腔大的纤维柔软性 较好,相互问易于结合,纸张结合强度较大;细胞壁厚腔小的纤维比较挺硬,彼此结合力差,纸张结合强度较小. 一 般认为,长宽比大于56是优良的造纸原料,长宽t:LJI',于30的纤维不适宜造纸,壁腔t:LJI',于1的为较好的制 浆原料. 由表1可知,构树纤维长度一 般在73,2740,am之问,纤维平均 长度为863,am,接近小黑杨;而长 宽比为51.3,高于小黑杨;壁腔比 为0.37,低于小黑杨.这表明构树 表1构树的纤维形态 的纤维在制浆造纸过程中较小黑杨更易扁塌,破裂,具有更好的交织能力,纤维之间能形成较好的结合力,成纸 的物理强度较高. 在考虑纤维长度的影响时,只看纤维平均长度是不全面的,还须注意其不均一性,不均一性常用频率分布 图表示,由图l可知,构树的纤维长度符合正态分布,纤维长度主要集中在0.5,1.1mm之间,这一部分占总 量的90,即构树纤维的均整性很好.均整性好的纤维,交织均匀,使纸面具有合适的 孔隙度. 因此,不论是纤维长度,长宽比,壁腔比,还是纤维的均整性,构树都表现出较好的纤 维形态学特性,可作为 制浆造纸的原料. 第4期牛敏等:构树木质部的纤维形态,化学组成及制浆性能47 120 100 80 <_ \ 掰60 籁 4O 20 0 \f . /: -一Jrll _——II \ l皿 <100100~300300~500500~700700~900900,11001100,13001300, 1500>1500 纤维长度/lam —i—i纤维个数+百分比 图1构树纤维长度的分布 2.2构树的化学组成 纤维素和半纤维素的含量直接影响了浆得率,含量越高,浆得率越高,纸浆的强度也越大珀].根据资料,典 型的阔叶树木材综纤维素含量为747/5,由表2可知,构树综纤维素含量高出阔叶树木材含量约8.09%.因 此从化学组成来看,构树是较好的制浆原料. 表2构树和小黑杨的化学组成 化学制浆的目的是脱除木质素,一般选木质素含量较低的原料为好.由表2可知,构树的Klason木素含量 为18.57%,相对小黑杨低得多,所以较容易制浆且分解木素所需化学药品量比小黑杨低;聚戊糖含量为 29.62%,较小黑杨高,说明构树木质部打浆较容易,可以使纸的物理性能大大改善,而且还能降低打浆时间和 所需的动力. 2.3制浆性能的分析 2.3.1硫酸盐一蒽醌法制浆正交试验 因为蒽醌(AQ)具有保护碳水化合物,提高得率,促进脱木素反应的作用,选用蒽醌作为制浆助剂.结合构 树的化学组成和纤维形态的特点,根据前期的制浆试验,制定出本试验的工艺条件为:每组试验构树绝干材 50g,液比1:4.5,蒽醌用量0.1,最高温度165.C,以用碱量(以NaO计),硫化度,保温时间为3因子在3 水平下进行L.(3)正交试验l2. 表3正交试验结果 用碱量/硫化度/保温时间/min卡伯值得率/残碱/(g?L) 19.26 17.98 15.12 14.86 13.33 16.28 12.19 15.98 13.6O 55.3O 52.98 53.29 52.55 51.43 53.53 49.99 5O.O8 50.90 22.91 21.19 2O.19 16.79 15.96 19.10 7.82 14.75 13.99 十括号内为该水平的代表字母. 如?加0 叭一?啪?啪?? 姒加勰加222 A66B88COO加加 盟. 经济林研究第25卷 2.3.2极差分析与方差分析 极差反映因子对指标影响的程度,极差 越大影响越大.按照制浆要求(得率高,卡伯 值低)来分析,可以排出3因子对得率和卡伯 值影响的主次顺序均是:x>x.>x(见表 4).X因子的极差最大,即用碱量随水平波 动时对制浆的得率和卡伯值的影响都最大, 是主要影响因素.其次是X.(保温时间)和 Xz(硫化度). 从表4可以看出,得率的优化条件是x (A)x.(A)x(A),即用碱量越低,保温时间 越短得率越高.这是因为用碱量增大和保温 时间增加,都会促进原料中碳水化合物的降 解,从而导致得率降低.而硫化度对得率的影 响不大.从表4还可以看出,卡伯值的最优条 件为(C)(C).(C),即用碱量越大,碱 性越强,木素分解越完全;保温时间越长,脱 木素越多,卡伯值越小;在试验范围内,28 硫化度时的卡伯值最低,是因为在蒸煮液中 除NaOH的强碱作用外,还有NaS电离后 表4试验结果极差分析 十A,B,c代表水平见表3;x1一用碱量;X2一硫化度;x3一保温时间. 表5试验结果方差分析 十P<O.01时,影响极显着;0.01<P<O.1时.影响较显着;P>0.1时.影响 不显着[2. 的s,和水解后的产物HS一的作用.而且s一和HS一比NaOH中的OH一具有 更强的亲核作用.当a一醚键断开 后,s立即接在活跃的a一碳原子上,防止了0t位置上的缩合反应.正是它们强烈的 亲核作用,使得NaOH溶液 中比较稳定的酚型芳基醚键也迅速地几乎全部裂解,使木素大分子逐步裂解引. P值的大小可以判断变异来源对结果影响的程度,即显着水平.由表5可知:X(用碱量),X.(保温时间) 对得率的影响较显着,x(硫化度)对得率的影响不显着.从表中还可看出,X(用碱量)和X.(保温时间)对卡 伯值的影响极显着,x(硫化度)对卡伯值的影响较显着. 综合得率和卡伯值的极差分析和方差分析,用碱量选用X(B),保温时间选用X.(B),而硫化度的含量决 定着木素分解的程度,同时还影响浆料的洗涤,漂白以及气味,所以选用X(B).即选用18的用碱量,90min 的保温时间和24的硫化度作为构树制浆的最佳工艺条件. 3结论 (1)gJ树纤维细胞的长宽比为51.3,纤维长度为863m,壁腔比为0.37,从纤维形态来看,构树适宜制浆. (2)构树的综纤维素含量为82.O9,Klason木素含量为18.57,灰分含量为1.16,苯醇抽提物含量为 1.57,热水抽提物含量为3.76,冷水抽提物含量为2.84,聚戊糖含量为29.62o/,1NaOH抽提物含量 为19.89.由化学组成看,构树适宜制浆. (3)影响制浆得率和卡伯值的主次因子依次是用碱量,保温时间和硫化度.构树硫酸盐一蒽醌法制浆的最佳 工艺条件为:18的用碱量,90min的保温时间和249/5的硫化度. 参考文献 [1]刘晓渡,陈克利,陈海燕,等.滇四三种构皮化学成分,纤维形态与制浆性能的初步研究EJ2.西南造纸,2005,34(3):8—10. E2]陈有民.同林树木学EM]北京:中国林业出版社,1988:336337. E3]张秀实,吴征镒,曹子余.IfI围植物志?第23卷(第1分册)[M].北京:科学出版社,1998:23. L4j薛崇昀,贺文明,张睿玲.人工种植构树的材性特点及制浆性能研究[J].中国造纸,2006,25(1):1一j. [5]聂勋载.再谈一种新型的速生丰产的优质造纸原料构树[J].湖北造纸,2004,(1):67. 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