三個廣西速生鄉(xiāng)土闊葉樹種制漿造紙性能研究

作者：李智，胡拉，應廣東，徐慧蘭，吳東山，陳虎，顏培棟，王躍，何水淋，陳杏娟，楊章旗來源：《中國造紙》日期：2025-04-28人氣：20

我國是世界上最大的紙及紙板生產國和消費國，2023年，我國紙及紙板的生產量和消費量分別為12 965萬和13 165萬t，生產量約占全球總量的30%。制漿造紙行業(yè)是典型的資源密集型產業(yè)，林漿紙一體化是促進行業(yè)低碳化、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，而原料的持續(xù)穩(wěn)定供應是實現(xiàn)產業(yè)高質量發(fā)展的重要前提。我國的再生紙漿已基本實現(xiàn)自給自足，但品質較高的木漿對外依存度高，2023年進口木漿占比達54.4%，紙漿林原料缺口大。廣西地區(qū)林地資源豐富、水熱條件優(yōu)越，具有約占全國林地總面積5%的林地，木材產量占全國40%以上，因此，廣西地區(qū)紙漿林的開發(fā)利用是實現(xiàn)我國漿紙原料本土化的關鍵舉措之一。目前，桉樹是廣西木漿生產的主要來源，但在可持續(xù)發(fā)展要求下，桉樹人工林木材的產量短期內難以繼續(xù)擴大，且制漿造紙行業(yè)還將長期面臨人造板行業(yè)的原料競爭^[3-4]。因此，制漿造紙用新原料樹種的開發(fā)利用已勢在必行。

米老排（Mytilaria laosensis）、黑格（Albizia odoratissima）和大葉櫟（Castanopsis fissa）是廣西適生范圍廣、生長速度快的主要鄉(xiāng)土闊葉樹種。米老排具有干形直、材質優(yōu)和抗性強等特性^[5]；黑格屬于固氮樹種，與其共生的根瘤菌具有固氮功能，能起到改良土壤的作用^[6]；大葉櫟具有樹干通直、萌芽力強和適應性強等特點，木材品質優(yōu)良，樹皮和殼斗可提取栲膠，是廣西優(yōu)先開發(fā)的鄉(xiāng)土樹種之一^[7]。早在20世紀90年代展開的研究表明，6~24年生米老排是優(yōu)良的制漿造紙原料^[5, 8]。同時，相關木材性質分析表明，23年生米老排的纖維長度、長寬比和壁腔比分別為2.01 mm、78.68和0.79^[9]，黑格側枝的纖維長度、壁腔比和柔性系數分別為0.61 mm、0.75和59.8^[10]，33年生大葉櫟的纖維長度為1.17 mm^[11]，表明這3個樹種的木材纖維品質均處于較好和優(yōu)良等級區(qū)間內?，F(xiàn)有研究已初步證實，米老排、黑格和大葉櫟是較優(yōu)的制漿造紙原料，但受限于造林規(guī)模、林分蓄積量等因素，尚未實現(xiàn)其規(guī)?；瘧谩＝陙?，速生鄉(xiāng)土樹種在遺傳多樣性分析、子代遺傳評價及選擇等方面均取得較大進步，選育的4年生黑格優(yōu)良家系的平均胸徑和樹高分別達11.47 cm和11.25 m，為優(yōu)質紙漿林培育奠定了良好基礎，但尚缺少現(xiàn)有原料制漿造紙適用性的系統(tǒng)研究。

因此，本研究選取5~15年生的米老排、黑格和大葉櫟人工林為研究對象，以尾巨桉（Eucalyptus grandis × E. urophylla）為對照，通過對比分析不同林齡樣木的木材密度、纖維形態(tài)、制漿特性及造紙性能，綜合評價不同原料的制漿造紙適用性，為3個速生闊葉樹種在造紙領域的應用提供重要依據。

1 實驗

1.1　實驗原料與試劑

米老排、黑格和大葉櫟樣木，分別取自廣西國有派陽山林場、廣西國有雅長林場、橫州市鎮(zhèn)龍林場的人工林林分。每個樹種選取4~5個不同林齡的樣木參與實驗，每個林齡選取1~3株樣木。作為對照的尾巨桉為7年生，取自廣西國有派陽山林場。樣木基本信息見表1。

表1 樣木基本信息

Table 1 General information of sample trees

樹種	編號	林齡/年	胸徑/cm	樹高/m
米老排	ML-5	5	7.1	6.0
	ML-8	8	10.1	9.7
	ML-12	12	20.9	19.5
	ML-13	13	15.6	15.3
	ML-14	14	20.4	21.6
黑格	AO-6	6	6.5	8.9
	AO-10	10	13.9	12.3
	AO-12	12	16.3	16.7
	AO-15	15	17.4	14.5
大葉櫟	CF-6	6	13.0	12.1
	CF-8	8	18.5	18.1
	CF-11	11	17.5	15.7
	CF-13	13	15.8	15.7
	CF-15	15	17.6	17.7
尾巨桉	E-7	7	20.7	25.2

氫氧化鈉、硫化鈉、鹽酸、硫酸、高錳酸鉀、碘化鉀、氯化鋇，均由國藥集團化學試劑有限公司提供；硫代硫酸鈉，由天津奧普升化工有限公司提供。以上試劑均為分析純。

1.2　實驗儀器與設備

纖維分析儀（MORFI Neo，法國），實驗蒸煮器（TD1-15，容積15 L，咸陽通達輕工設備有限公司），抗張強度測定儀（L&W 066，瑞典），耐破度測定儀（BSM-1600，中建材智能自動化研究院有限公司），紙張撕裂度儀（DCP-SLY1000，四川長江造紙儀器有限責任公司），耐折度測定儀（Tinius Olsen MIT#1VS，美國）。

1.3　實驗方法

1.3.1　原料的采集與處理

在林地將樣木伐倒后，全部截成長度為1.3 m的木段，選取近梢部1~2個木段去皮、切片，用于纖維形態(tài)測定及制漿造紙實驗。在最頂端的木段大頭處截取厚度約5~10 cm的圓盤用于測定木材基本密度。

1.3.2　木材基本密度測定

依據GB/T 1927.5—2021《無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第5部分：密度測定》將圓盤加工成20 mm×20 mm×20 mm的木塊，測定木材基本密度。

1.3.3　纖維形態(tài)測定

選取具有代表性的木片試樣，沿縱向切成火柴棍大小的木條，利用雙氧水/冰醋酸離析法制得木材纖維懸浮液，用纖維分析儀測定纖維長度、寬度和粗度。

1.3.4　蒸煮實驗

采用硫酸鹽法制漿，蒸煮工藝參照本公司現(xiàn)用生產工藝，結合多次蒸煮實驗，最終確定蒸煮條件為液比1∶3.5、硫化度28%。纖維分析表明，米老排的纖維長度較大（>1.5 mm），因此選用較高的用堿量（以NaOH計，下同，22%），而其余樹種用堿量為21%。將各組試樣的木片與蒸煮液均勻混合，裝入電熱回轉式蒸煮器中，先將溫度升至120 ℃，進行小放氣，排出蒸煮器內的空氣，消除假壓，之后繼續(xù)升溫至160 ℃，保溫時間180 min。

反應結束后，將漿料充分洗滌，采用平板篩分儀（篩縫寬度0.15 mm）篩選去除未煮開的纖維束類雜質，測定篩后的木漿得率，即為細漿得率。獲得的細漿經平衡水分后，分別按照GB/T 1546—2018《紙漿卡伯值的測定》和GB/T 1548—2016《紙漿銅乙二胺（CED）溶液中特性粘度值的測定》，測定木漿的卡伯值和黏度。

1.3.5　打漿抄片及紙張物理強度測定

按照GB/T 29287—2012《紙漿實驗室打漿 PFI磨法》對篩后木漿進行打漿實驗，打漿至游離度為(400±10) mL后，用TAPPI抄片器抄片，紙張定量為60 g/m²。紙張的撕裂指數、耐破指數、抗張指數和耐折度等物理強度指標，按照文獻[15]中的方法進行測定。

采用坐標綜合評定法計算物理強度指標的綜合得分值（S_i）^[16]，計算步驟如下。

1）將觀測值列成原始數據矩陣，以（A_ij）表示。

2）將每列中的數據與該列數據中的最大值作商，即A_ij/A_max，得出相應矩陣數據的相對值，該結果稱為“矩陣坐標（|a_ij|）”。

3）第i個數據點到標準點距離P_i按式(1)計算，按照相同的重要程度，設定撕裂指數、耐破指數、抗張指數和耐折度的權重系數（K）分別為25、25、25和25。

P_{i} = \sqrt[]{\sum_{i = 1}^{n} K (1 - a_{i j})^{2}}

（1）

4）按照式(2)計算矩陣中各數據點到標準點間距離的和（S_i）。

S_{i} = \sum_{i = 1}^{n} P_{i}^{2}

（2）

2 結果與討論

2.1　木材基本密度和纖維形態(tài)

不同林齡樣木的木材基本密度和纖維形態(tài)如表2所示，圖1為3個鄉(xiāng)土闊葉樹種的纖維形態(tài)分布情況。綜合考慮制漿能耗和設備生產能力，制漿造紙企業(yè)一般選擇木材基本密度0.35~0.65 g/cm³的樹種作為較優(yōu)原料^[17]。由表2可知，除CF-8的基本密度略低于0.35外，各試樣的基本密度均在0.35~0.65 g/cm³范圍內，表明5~15年生的3個速生闊葉樹種均適于制漿造紙。黑格的木材基本密度為0.442~0.586 g/cm³，高于米老排（0.399~0.482 g/cm³）和大葉櫟（0.342~0.526 g/cm³），作為紙漿林培育時在木材干物質量生產上具有明顯優(yōu)勢。與桉木相比，AO-10、AO-12、AO-15及CF-15的木材基本密度高出1.2%~12.7%，而其余樣木基本密度低7.3%~34.2%。隨著林齡增加，木材基本密度整體呈上升趨勢，與黑木相思、火炬松等其他樹種的研究結果相一致。

表2 不同林齡米老排、黑格和大葉櫟的木材基本密度和纖維形態(tài)

Table 2 Wood basic density and fiber morphologies of Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima, and Castanopsis fissa of different ages

原料	木材基本密度/（g·cm^-3）	纖維長度/mm	纖維寬度/μm	長寬比	纖維粗度/（mg·100 m^-1）
ML-5	0.399	1.59	27.4	58.0	18.60
ML-8	0.408	1.70	31.6	53.8	23.88
ML-12	0.408	1.56	35.7	43.7	29.30
ML-13	0.482	1.53	35.7	42.9	28.31
ML-14	0.429	1.56	34.7	45.0	27.76
AO-6	0.442	1.10	16.9	65.1	8.66
AO-10	0.535	0.82	15.6	52.6	8.00
AO-12	0.564	0.93	16.8	55.4	9.03
AO-15	0.586	0.89	17.8	50.0	9.84
CF-6	0.405	0.88	23.2	38.0	14.02
CF-8	0.342	0.86	22.5	38.2	12.56
CF-11	0.473	0.97	20.7	46.9	11.00
CF-13	0.416	1.02	22.0	46.4	12.26
CF-15	0.526	0.93	21.9	42.5	12.73
E-7	0.520	0.73	15.4	47.4	7.12

注纖維長度和寬度均為加權平均數。

圖1 不同林齡米老排、黑格和大葉櫟的纖維形態(tài)分布圖

Fig.1 Distribution diagram of fiber morphologies for Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima, and Castanopsis fissa of different ages

纖維形態(tài)是決定紙張物理強度的重要指標。由表2可知，3個闊葉樹種的纖維長度為0.82~1.70 mm，均超過桉木（0.73 mm）；長寬比為38.0~65.1，均滿足造紙原料纖維長寬比大于35的基本要求。因此，從纖維基本形態(tài)考慮，3個樹種均適于制漿造紙。

此外，由表2和圖1還可知，3個樹種相比，米老排的纖維平均長度（1.59 mm）分別較黑格和大葉櫟高69.1%和71.0%，纖維長度分布較為集中，纖維平均粗度（25.57 mg/100 m）分別是黑格和大葉櫟的2.9和2.0倍，纖維明顯較長、較粗；黑格纖維的平均寬度（16.8 μm）分別比米老排和大葉櫟低49.1%和24.0%，纖維寬度分布較集中，長寬比（55.8）分別較米老排和大葉櫟高14.6%和31.6%，粗度（8.88 mg/100 m）與桉木接近，纖維形態(tài)更為細小。

對于3個速生鄉(xiāng)土闊葉樹種而言，纖維形態(tài)隨林齡的變化在不同樹種間存在差異。隨著林齡的增大，米老排和黑格纖維的長寬比呈降低趨勢，而纖維粗度則呈上升趨勢；米老排的纖維寬度呈上升趨勢；大葉櫟的纖維長度和長寬比均呈上升趨勢；其余指標呈波動式變化，且變化幅度相對較小。此外，不同林齡樣木的纖維長度和寬度的分布狀況整體上無明顯差異。

2.2　制漿特性

不同林齡樣木所制備木漿的基本性能如表3所示。由表3可知，各組樣木的細漿得率為40.7%~54.2%，均超過40%，3個闊葉樹種屬于細漿得率較高的制漿原料，其中黑格木漿和大葉櫟木漿的平均細漿得率分別為48.6%和47.1%，與對照樣桉木漿（47.5%）接近；米老排木漿的細漿得率略低，平均值為43.6%。黑格木漿的殘堿量（10.0~13.8 g/L）和卡伯值（18.0~21.4）均較高，其平均值分別比其他2個樹種及桉木高出33.6%~108.6%和5.9%~19.6%，表明黑格木材蒸煮比較困難，木質素不易被脫除^[22]。大葉櫟木漿的黏度（1 066~1 237 mL/g）較高，黑格木漿的黏度（892~987 mL/g）較低，而米老排木漿的黏度（947~1 093 mL/g）與桉木漿接近。

表3 不同林齡米老排、黑格和大葉櫟木漿的基本性能

Table 3 Properties of pulps from Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima， and Castanopsis fissa of different ages

原料	細漿得率/%	殘堿量/（g·L^-1）	黏度/（mL·g^-1）	卡伯值
ML-5	44.7±1.6	10.1±0.85	1067±78	15.3±0.8
ML-8	45.3±1.1	9.9±0.80	1093±67	16.0±0.8
ML-12	40.7±1.7	7.2±0.35	981±52	19.4±1.2
ML-13	43.7±1.3	10.1±0.71	947±55	17.1±0.8
ML-14	43.4±1.0	8.0±0.47	1081±48	17.7±1.0
AO-6	54.2±2.1	13.8±1.13	964±67	18.0±1.3
AO-10	48.1±1.5	13.5±1.05	987±56	19.4±1.2
AO-12	47.3±1.2	10.0±0.85	892±51	20.8±1.9
AO-15	44.6±1.0	11.1±1.04	901±70	21.4±1.9
CF-6	47.1±1.3	5.2±0.32	1224±81	19.5±1.0
CF-8	49.0±1.2	8.6±0.29	1092±73	17.8±1.0
CF-11	46.2±1.1	5.2±0.42	1066±62	16.4±1.1
CF-13	47.2±1.0	5.1±0.34	1237±75	20.8±1.3
CF-15	45.9±0.9	4.9±0.52	1229±49	19.3±1.2
E-7	47.5±1.2	6.1±0.41	1022±66	16.6±1.0

由表3還可知，隨著林齡的增加，米老排木漿和大葉櫟木漿的細漿得率整體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，均在8年生時達到最大值45.3%和49.0%，該變化趨勢與落葉松木漿的相關研究結果一致^[22]，在一定程度上反映了制漿原料的纖維含量。AO-6的細漿得率（54.2%）遠高于其余3組黑格試樣，這主要是因為其木材基本密度較其余試樣低了17.4%~24.6%（表2），從而導致成漿效率更高。米老排、黑格和大葉櫟木漿的最小卡伯值對應林齡分別為5、6和11年，此時木漿中殘余木質素較少，表明生長早期形成的木材，其脫木質素程度較高，蒸煮效率較高。

2.3　紙張性能

不同林齡闊葉木漿所制備紙張的物理性能如圖2所示。由圖2可知，盡管米老排纖維長度遠大于黑格和大葉櫟（表2），但其紙張的整體強度指標未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，表明除了纖維長度外，纖維結合力、纖維本身的強度和纖維在紙張中的排列也會影響紙張整體強度^[23-24]。不同林齡米老排所制紙張的撕裂指數整體上與桉木所制紙張接近，變化規(guī)律不明顯，ML-13所制紙張撕裂指數最大（8.71 mN·m²/g）。隨著林齡的增加，米老排所制紙張的耐破指數、抗張指數和耐折度變化基本一致，整體呈下降趨勢，5年生米老排所制紙張的強度指標數值最高，其耐破指數、抗張指數、耐折度分別為7.14 kPa·m²/g、110 N·m/g和2 108次，而13年生米老排所制紙張的強度指標數值最低。綜合比較，以5年生米老排為原料所制紙張的整體強度指標較好。

圖2 不同林齡米老排、黑格和大葉櫟紙張物理性能

Fig. 2 Physical properties of the paper from Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima， and Castanopsis fissa of different ages

由圖2可知，對于大葉櫟而言，11~15年生大葉櫟所制紙張的平均撕裂指數（7.77 mN·m²/g）較6~8年生大葉櫟所制紙張高20.9%，主要是由于6~8年生木材的纖維明顯較短（表2），而纖維長度是影響紙張撕裂度的重要因素之一。大葉櫟所制紙張的耐破指數、抗張指數和耐折度的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為6~13年生大葉櫟所制紙張的強度指標接近，耐破指數、抗張指數、耐折度平均值分別為6.84 kPa·m²/g、103 N·m/g和1 780次，而15年生大葉櫟所制紙張的強度指標較前者分別低22.5%、18.9%和76.5%。綜合各項指標，11和13年生大葉櫟所制紙張的整體物理強度較優(yōu)。

由圖2還可知，不同林齡黑格相比，6年生黑格所制紙張的撕裂指數、抗張指數和耐折度均最高，分別為8.91 mN·m²/g、101 N·m/g和1 556次，耐破指數（6.70 kPa·m²/g）也較高，僅略小于12年生黑格所制紙張（6.86 kPa·m²/g）。6年生黑格所制紙張具有較優(yōu)的物理強度，這與其較大的纖維長度和長寬比（表2）相符。10年生黑格所制紙張的耐破指數、抗張指數和耐折度均最小，分別較最大值低17.6%、10.3%和72.2%。12年生黑格所制紙張的撕裂指數最小，比最大值低24.9%。隨著林齡的增加，黑格所制紙張的撕裂度、抗張強度和耐折度均呈下降趨勢，而耐破指數變化較小。綜合考慮各項強度指標，以6年生黑格為原料所制紙張的強度優(yōu)勢較為明顯。

基于坐標綜合評定法獲得的紙張物理強度綜合得分（S_i）如圖3所示。研究表明，綜合得分值越小，表明綜合物理強度越高。由圖3可知，各組試樣的綜合得分值（0.59~19.91）均小于桉木（21.25），表明3個速生闊葉樹種均可作為造紙行業(yè)的新原料。不同林齡的試樣相比，ML-5、ML-12、AO-6、CF-6、CF-8、CF-11和CF-13的綜合得分值明顯較低，紙張物理強度較優(yōu)；ML-13、AO-10和CF-15的綜合得分值較高，紙張物理強度較低，與上述分析中的結論基本一致。綜上所述，以3個闊葉樹種生長早期形成的木材為制漿造紙原料，制備的紙張物理強度較優(yōu)，表明其適于培育短輪伐期紙漿林。

圖3 基于坐標綜合評定法獲得的不同林齡米老排、黑格和大葉櫟紙張物理強度得分值

Fig.3 Results from coordinate integrative assessment of physical properties of the paper from Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima， and Castanopsis fissa of different ages

3 結論

本研究以5~15年生米老排、黑格和大葉櫟為研究對象，7年生尾巨桉為對照，通過對比分析不同樹種和林齡樣木的木材密度、纖維形態(tài)、制漿特性及造紙性能，綜合評價不同原料的制漿造紙適用性。

3.1　3個速生闊葉樹種的木材基本密度為0.342~0.586 g/cm³，纖維長度為0.82~1.70 mm，纖維長寬比為38.0~65.1，細漿得率為40.7%~54.2%，基于坐標綜合評定法獲得的紙張物理強度得分值（0.59~19.91）小于桉木（21.25），均為較優(yōu)的制漿造紙原料。

3.2　不同樹種相比，米老排的纖維長度（1.53~1.70 mm）較大，但米老排所制紙張整體強度指標未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢；黑格的木材基本密度（0.442~0.586 g/cm³）較大，殘堿量（10.0~13.8 g/L）和卡伯值（18.0~21.4）較高；大葉櫟的木漿黏度（1 066~1 237 mL/g）較高，大葉櫟所制紙張整體強度較優(yōu)。

3.3　不同林齡樣木相比，5年生和12年生米老排、6年生黑格以及6~13年生大葉櫟的制漿造紙性能較優(yōu)，而13年生米老排、10年生黑格以及15年生大葉櫟所制紙張整體強度較低，表明3個速生闊葉樹種適于培育短輪伐期紙漿林。

文章來源：《中國造紙》 http://xwlcp.cn/w/zw/24523.html

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1 實 驗

1.1 實驗原料與試劑

1.2 實驗儀器與設備

1.3 實驗方法