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【竹柳科技】竹柳材性、纤维质量及制浆性能的研究

中国竹柳树网 竹柳树网 青泓福农林科技 时间:2015-08-05 08:35:21 热度: 加入收藏

 

 中国柳树   时间:2014年12月04日   来源:网络整理

 

竹柳科技竹柳材性纤维质量及制性能的研究】

 

   【中国竹柳树网讯】薛崇昀 贺文明 聂怡 穆军 (中国制浆造纸研究院,北京100020)
摘要:对竹柳的材性特点、纤维质量及制浆性能进行了研究。研究结果表明:竹柳的木材密度在0.384~ 0.443g /cm3范围;竹柳的灰分、冷热水抽出物和1%NaOH抽出物含量高于速生杨木但比杂交构树低,,Klason木素和多戊糖含量与速生杨木相当,但是纤维素含量比速生杨木低3%。


竹柳的纤维平均长度为0.84mm、平均宽度为21.44um。采用硫酸盐法制浆,打浆后竹柳的裂断长为9.44km,撕裂指数4.11mN·m2/g。


关键词:竹柳,材性,纤维质童,制浆性能


Abstract: The wood properties, fiber quality and pulping performance of bamboo-willow were investigated. The results show the wood density of bamboo-willow is 0.384~0.443g/cm3; the ash content, the contents of cold water and hot water and 1% NaOH extractives of bamboo-willow are higher than that of fast-growing poplar, but lower than that of crossbred paper mulberry. 


The Klason lignin and pentosan content of bamboo-willow are equivalent to that of fast-growing plplar, but the cellulose content of bamboo-willow is 3% lower than that of fast-growing poplar. The average fiber length of bamboo-willow is 0.88mm and the width 21.44um. After kraft pulping, the breaking length of bamboo-willow was 9.44km, and the tear index was 4.11mNm2/g.
Key words: bamboo-willow; wood property; fiber quality; pulping performance
中图分类号:TS72J .2

 

文献标志码:A
文章编号:1007-9211(2009)15-0060-04
 
    竹柳是经选优选育及驯化出的一个柳树品种,其形态、侧枝、密植性与竹子相似,故而取名为竹柳。竹柳属杨柳科(Salicaceae)柳属,乔木,树干通直,树高可达23m。树皮幼时绿色,光滑。腋芽萌发力强,分枝较早,侧枝与主干夹角30~45°。树冠较窄呈塔形,分枝均匀,侧枝较细,竹柳易繁殖速生且造成活率高。


    为了促进竹柳的多元化发展及这一速生纤维资源的合理利用,我们对竹柳的材性、纤维质量及制浆造纸的可行性进行了研究。


1 试验


1.1   试验原料
    试验原料为切除顶冠的一年生竹柳,原料干形通直,树皮为深绿色且易剥除,树干直径在50~60mm范围。


1.2 植物组织结构分析
    在竹柳胸高处截取1cm*1cm*2cm的木条。在80℃下,用丙三醇:乙醇=1:1的溶液浸泡至原料软化,将软化后的原料做生物切片,选取有代表性的原料切片进行染色,通过显微镜、投影仪观察和拍摄原料的植物组织结构。


1.3原料密度测定
    原料密度采用直线法进行测定,试样相邻互成直角尺寸为20mm*20mm*20mm。在试样各相对面的中心位置,用测量尺分别侧取弦向、径向和顺纹方向的尺寸,准确至0.01mm,称重准确至0.01g。


1.4化学成分分析
    按《GB/T 2677.1-1996造纸原料分析用试样的采取》取样,用磨料机磨料,将磨成的料粉用振动筛筛10min,截取能过40目筛但留于60目筛的料粉,装入带有磨口的广口瓶中,平衡水分后供原料化学成分分析使用


1.5 纤维质量分析
    采用Kajaani FS-100纤维分析仪测定原料的纤维长度、纤维粗度,纤维长度分布频率及0.2mm以下细小纤维百分含量,该法是对原料中的全部组分进行统计。采用显微镜法测定原料的纤维长度、纤维宽度、纤维腔径和细胞壁厚,该法仅对原料中的纤维细胞进行测量,其它细杂组分不计入测定结果。


1.6 制浆性能分析
    采用硫酸盐法对一年生竹柳进行制浆试验,对成浆得率、Kappa值、浆张物理性能等指标进行测定。纸张浆张强度指标按相关标准测定。


2     结果与讨论


2.1   竹柳木材密度和自然白度


    木材密度是造纸原料的重要参考依据,可用于计算原料的堆积容量、预测原料的物理性能和制浆性能,其计算和表示方法如下:
      P=G/V
    式中:P—木材密度,g/cm3或kg/m3
      G—木材质量,g或kg
      V—木材体积,cm3或m3


    对造纸工业而言,木材密度大于0.75g/cm3,材质过于坚硬,化学制浆过程中药液难以浸透,机械制浆过程中磨浆电耗高,木材密度小于0.35g/cm3,吨浆木材消耗量增加,制浆设备的生产能力下降。因此,造纸工业一般选择木材密度在0.35~0.65 g/cm3范围内的树种扩大种植及推广应用。


木材密度通常由树种、木材构造、含水率和抽出物含量等因素决定。在纸浆性能方面,木材密度可以反映纤维直径和细胞壁厚度比值的大小,而纤维直径与细胞壁厚度的比值又决定了纤维的测向可压缩性,测向可压缩性关系到纤维的压溃帚化性能,纤维压溃及帚化程度直接关系到纤维间的结合程度,最终对成纸的紧度、强度、光学及表面性能均产生一系列的影响


因此通过分析测定原料的木材密度,可以为制定制浆工艺和预测化学浆的锅体产量提供依据,还可以在同一卡伯值条件下估算粗浆得率,预测成纸的紧度、表面粗糙度、耐破度、抗张强度、耐折度和撕裂度等成纸性能。竹柳的木材密度测定结果列于表1。

 

 

 以基本密度、气干密度和15%含水率的气干密度三个表示方式测定的竹柳木材密度符合制浆工业对木材密度的要求。竹柳材质白度较高,木粉自然白度为59.53%。根据竹柳木材密度和材质白度分析,该原料适宜做高得率化学机械浆。


2.2   竹柳的化学成分


造纸原料的化学成分对制浆工艺和成浆特性有重要的影响。一般认为,有机溶剂抽出物的多少可以反映原料中脂肪、树脂、蜡类物质、色素、单宁以及多酚类黄酮化合物的含量,这些物质是除木素外纸浆颜色的另一发色源。实践证明,有机溶剂抽出物多的原料成浆颜色深、可漂性差。竹柳化学成分测定结果列于表2,将三年生速生杨木和一年生杂交抅树的化学成分一并给出以便于进行比较。

 

 

    由表2测定结果可知,一年生竹柳的冷热水抽出物、1%NaOH抽出物高于杨木,但比一年生的杂交抅树低;灰分、苯醇抽出物低于杨木和杂交抅树,这说明竹柳原料中脂肪、树脂、蜡类物质、色素、单宁及不皂化物含量均比杨木和杂交抅树低;Klason 木素含量略高于杨木和杂交抅树,但硝酸-乙醇纤维素比杨木低3%,可以预测以竹柳为原料制化学浆其成浆得率与杨木相当。


2.3   竹柳的纤维质量


植物纤维原料的纤维形态是对纤维的长度、宽度、长宽比、壁腔比、非纤维细胞含量等指标的综合评价。纸浆的强度包括纤维自身的内在强度和纤维与纤维之间的结合强度两个方面。纤维长度不仅与纸张的撕裂度成线性关系,还与纸张的抗张强度、耐破度、耐折度和印刷表面强度密切相关。一般而言,较长的纤维代表较高的成浆质量。


纤维细胞壁厚度主要影响纤维的柔韧性、细胞壁薄、腔大的纤维扁塌柔软、成纸结合强度好,而纤维细胞壁厚、腔小的纤维粗糙挺硬、成纸结合强度较低,但厚壁类的长纤维成纸松厚度高、吸收性能好。采用显微镜法测定竹柳的纤维长度和宽度,测定结果如表3所示

 

 

  采用Kajaani FS-100测定纤维长度、0.2mm以下细小纤维百分含量、纤维长度分布频率及纤维粗度等指标,测定结果如表4、表5所示。

 

 

 

 竹柳纤维质量显微镜法测定结果表明:一年生竹柳纤维平均长度为0.84mm,优于一年生杂交抅树(纤维平均长度为0.58mm),与三年生速生杨木的纤维质量基本相当。如果进行最佳轮伐期试验,估计三年生的竹柳纤维质量会优于相同生长期的速生杨木。


竹柳属于阔叶散孔材范畴,植物组织结构横切面如图1所示。存在于纸浆中的细胞主要有木纤维、导管和木射线细胞,如图2所示。

 

 

木纤维有两种显色形态:一种木纤维的木素含量较低与碘氯化锌染色后呈兰紫色,另一种木纤维的木素含量想对较高,与碘氯化锌染色后呈深蓝色。两种木纤维形态均呈中间宽大,端部尖削的纺锤状,部分细胞壁上有明显的网状结构。导管形状为杨木型导管,管壁上有规则的纹孔,在导管的一端呈楔形开口,另一端为舌状尾部。木射线细胞多为长方形和楔形,胞壁上有纹孔,细胞周边有不规则的齿状。


 造纸工业通常采用劳氏系数(Runkel)来表示壁腔比的大小,即Runkel=2*细胞壁厚/腔径。一般认为Runkel小于等于1的纤维原料较适宜制浆造纸。竹柳纤维细胞腔径和细胞壁厚的测定结果如表6所示。 

 

 纤维细胞平均腔径为9.57um,细胞壁厚度仅为3.42um,壁腔比0.72。纤维较为柔软,与速生杨木相当。


2.4竹柳制浆性能试验
    本次试验采用化学法制浆,主要蒸煮工艺条件确定为:硫化度25%,最高温度170℃,升温120min,保温120min,液化比为1:5.5。在此基础上重点研究蒸煮用碱量对成浆得率的影响,并对成浆卡伯值进行测定,测定结果如表7所示。

 

 

    用Valley打浆机对纸浆进行打浆抄纸,并检测其纸张物理性能,测定结果如表8所示。

 

 以用碱量16%的制浆条件为例,一年生竹柳硫酸盐法制浆的粗浆得率为46.7%,其成浆Kappa值为17.2,在此硬度范围完全能够满足制漂白浆的要求。在打浆度为46°SR时,对本色硫酸盐浆进行抄纸,测定浆张撕断长达到9.44km,说明竹柳成浆的纤维间具有较好的结合强度,表现出较高的抗张强度和耐折度,由于竹柳纤维长度分布均匀,纤维细胞壁薄、壁腔大,纤维柔软且可塑性强,故而成纸的撕裂度和耐破度也相对较好。因此,可以初步评价竹柳可作为速生纸浆材有计划地种植及合理地开发利用。


3    结论


3.1竹柳是一种经选优选育及驯化的柳树品种,材质色浅且密度适中,木粉自然白度达到59.53%。木材密度在0.384~0.443g/cm3范围,符合制浆工业对木材密度的要求,竹柳可以作为纸浆材合理地种植并开发利用。


3.2竹柳化学成分中灰分、冷热水抽出物、1%NaOH抽出物含量高于速生杨木但比杂交抅树低,多戊糖、Klason木素含量与速生杨木相当,但硝酸-乙醇纤维素含量比速生杨木低3%。因此推荐竹柳原料采用高得率制浆方法更为适宜。


3.3竹柳纤维平均长度为0.84mm,平均宽度为21.44um,长宽比为39,60%的纤维组分在0.5~1.0mm的长度范围内。纤维细胞平均腔径为9.57um,细胞壁厚度仅为3.42um,壁腔比0.72.纤维较为柔软,优于速生杨木。
 
参考文献:
[1]王菊华.中国造纸原料纤维特性及纤维图谱[M].北京:中国轻工业出版社.1999.
[2]薛崇昀,贺文明,等.棕榈丝制浆造纸的可行性研究[J].中国造纸,2006,25(1):9.
[3]薛崇昀,贺文明,等.人工种植抅树的材性特点及制浆性能研究[J].中国造纸,2006,25(9):1

 


速生丰产柳林林下植被多茂密


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