三个广西速生乡土阔叶树种制浆造纸性能研究

作者：李智，胡拉，应广东，徐慧兰，吴东山，陈虎，颜培栋，王跃，何水淋，陈杏娟，杨章旗来源：《中国造纸》日期：2025-04-28人气：17

我国是世界上最大的纸及纸板生产国和消费国，2023年，我国纸及纸板的生产量和消费量分别为12 965万和13 165万t，生产量约占全球总量的30%。制浆造纸行业是典型的资源密集型产业，林浆纸一体化是促进行业低碳化、可持续发展的重要途径之一，而原料的持续稳定供应是实现产业高质量发展的重要前提。我国的再生纸浆已基本实现自给自足，但品质较高的木浆对外依存度高，2023年进口木浆占比达54.4%，纸浆林原料缺口大。广西地区林地资源丰富、水热条件优越，具有约占全国林地总面积5%的林地，木材产量占全国40%以上，因此，广西地区纸浆林的开发利用是实现我国浆纸原料本土化的关键举措之一。目前，桉树是广西木浆生产的主要来源，但在可持续发展要求下，桉树人工林木材的产量短期内难以继续扩大，且制浆造纸行业还将长期面临人造板行业的原料竞争^[3-4]。因此，制浆造纸用新原料树种的开发利用已势在必行。

米老排（Mytilaria laosensis）、黑格（Albizia odoratissima）和大叶栎（Castanopsis fissa）是广西适生范围广、生长速度快的主要乡土阔叶树种。米老排具有干形直、材质优和抗性强等特性^[5]；黑格属于固氮树种，与其共生的根瘤菌具有固氮功能，能起到改良土壤的作用^[6]；大叶栎具有树干通直、萌芽力强和适应性强等特点，木材品质优良，树皮和壳斗可提取栲胶，是广西优先开发的乡土树种之一^[7]。早在20世纪90年代展开的研究表明，6~24年生米老排是优良的制浆造纸原料^[5, 8]。同时，相关木材性质分析表明，23年生米老排的纤维长度、长宽比和壁腔比分别为2.01 mm、78.68和0.79^[9]，黑格侧枝的纤维长度、壁腔比和柔性系数分别为0.61 mm、0.75和59.8^[10]，33年生大叶栎的纤维长度为1.17 mm^[11]，表明这3个树种的木材纤维品质均处于较好和优良等级区间内。现有研究已初步证实，米老排、黑格和大叶栎是较优的制浆造纸原料，但受限于造林规模、林分蓄积量等因素，尚未实现其规模化应用。近年来，速生乡土树种在遗传多样性分析、子代遗传评价及选择等方面均取得较大进步，选育的4年生黑格优良家系的平均胸径和树高分别达11.47 cm和11.25 m，为优质纸浆林培育奠定了良好基础，但尚缺少现有原料制浆造纸适用性的系统研究。

因此，本研究选取5~15年生的米老排、黑格和大叶栎人工林为研究对象，以尾巨桉（Eucalyptus grandis × E. urophylla）为对照，通过对比分析不同林龄样木的木材密度、纤维形态、制浆特性及造纸性能，综合评价不同原料的制浆造纸适用性，为3个速生阔叶树种在造纸领域的应用提供重要依据。

1 实验

1.1　实验原料与试剂

米老排、黑格和大叶栎样木，分别取自广西国有派阳山林场、广西国有雅长林场、横州市镇龙林场的人工林林分。每个树种选取4~5个不同林龄的样木参与实验，每个林龄选取1~3株样木。作为对照的尾巨桉为7年生，取自广西国有派阳山林场。样木基本信息见表1。

表1 样木基本信息

Table 1 General information of sample trees

树种	编号	林龄/年	胸径/cm	树高/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
大叶栎	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

氢氧化钠、硫化钠、盐酸、硫酸、高锰酸钾、碘化钾、氯化钡，均由国药集团化学试剂有限公司提供；硫代硫酸钠，由天津奥普升化工有限公司提供。以上试剂均为分析纯。

1.2　实验仪器与设备

纤维分析仪（MORFI Neo，法国），实验蒸煮器（TD1-15，容积15 L，咸阳通达轻工设备有限公司），抗张强度测定仪（L&W 066，瑞典），耐破度测定仪（BSM-1600，中建材智能自动化研究院有限公司），纸张撕裂度仪（DCP-SLY1000，四川长江造纸仪器有限责任公司），耐折度测定仪（Tinius Olsen MIT#1VS，美国）。

1.3　实验方法

1.3.1　原料的采集与处理

在林地将样木伐倒后，全部截成长度为1.3 m的木段，选取近梢部1~2个木段去皮、切片，用于纤维形态测定及制浆造纸实验。在最顶端的木段大头处截取厚度约5~10 cm的圆盘用于测定木材基本密度。

1.3.2　木材基本密度测定

依据GB/T 1927.5—2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法第5部分：密度测定》将圆盘加工成20 mm×20 mm×20 mm的木块，测定木材基本密度。

1.3.3　纤维形态测定

选取具有代表性的木片试样，沿纵向切成火柴棍大小的木条，利用双氧水/冰醋酸离析法制得木材纤维悬浮液，用纤维分析仪测定纤维长度、宽度和粗度。

1.3.4　蒸煮实验

采用硫酸盐法制浆，蒸煮工艺参照本公司现用生产工艺，结合多次蒸煮实验，最终确定蒸煮条件为液比1∶3.5、硫化度28%。纤维分析表明，米老排的纤维长度较大（>1.5 mm），因此选用较高的用碱量（以NaOH计，下同，22%），而其余树种用碱量为21%。将各组试样的木片与蒸煮液均匀混合，装入电热回转式蒸煮器中，先将温度升至120 ℃，进行小放气，排出蒸煮器内的空气，消除假压，之后继续升温至160 ℃，保温时间180 min。

反应结束后，将浆料充分洗涤，采用平板筛分仪（筛缝宽度0.15 mm）筛选去除未煮开的纤维束类杂质，测定筛后的木浆得率，即为细浆得率。获得的细浆经平衡水分后，分别按照GB/T 1546—2018《纸浆卡伯值的测定》和GB/T 1548—2016《纸浆铜乙二胺（CED）溶液中特性粘度值的测定》，测定木浆的卡伯值和黏度。

1.3.5　打浆抄片及纸张物理强度测定

按照GB/T 29287—2012《纸浆实验室打浆 PFI磨法》对筛后木浆进行打浆实验，打浆至游离度为(400±10) mL后，用TAPPI抄片器抄片，纸张定量为60 g/m²。纸张的撕裂指数、耐破指数、抗张指数和耐折度等物理强度指标，按照文献[15]中的方法进行测定。

采用坐标综合评定法计算物理强度指标的综合得分值（S_i）^[16]，计算步骤如下。

1）将观测值列成原始数据矩阵，以（A_ij）表示。

2）将每列中的数据与该列数据中的最大值作商，即A_ij/A_max，得出相应矩阵数据的相对值，该结果称为“矩阵坐标（|a_ij|）”。

3）第i个数据点到标准点距离P_i按式(1)计算，按照相同的重要程度，设定撕裂指数、耐破指数、抗张指数和耐折度的权重系数（K）分别为25、25、25和25。

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

（1）

4）按照式(2)计算矩阵中各数据点到标准点间距离的和（S_i）。

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

（2）

2 结果与讨论

2.1　木材基本密度和纤维形态

不同林龄样木的木材基本密度和纤维形态如表2所示，图1为3个乡土阔叶树种的纤维形态分布情况。综合考虑制浆能耗和设备生产能力，制浆造纸企业一般选择木材基本密度0.35~0.65 g/cm³的树种作为较优原料^[17]。由表2可知，除CF-8的基本密度略低于0.35外，各试样的基本密度均在0.35~0.65 g/cm³范围内，表明5~15年生的3个速生阔叶树种均适于制浆造纸。黑格的木材基本密度为0.442~0.586 g/cm³，高于米老排（0.399~0.482 g/cm³）和大叶栎（0.342~0.526 g/cm³），作为纸浆林培育时在木材干物质量生产上具有明显优势。与桉木相比，AO-10、AO-12、AO-15及CF-15的木材基本密度高出1.2%~12.7%，而其余样木基本密度低7.3%~34.2%。随着林龄增加，木材基本密度整体呈上升趋势，与黑木相思、火炬松等其他树种的研究结果相一致。

表2 不同林龄米老排、黑格和大叶栎的木材基本密度和纤维形态

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）	纤维长度/mm	纤维宽度/μm	长宽比	纤维粗度/（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

注纤维长度和宽度均为加权平均数。

图1 不同林龄米老排、黑格和大叶栎的纤维形态分布图

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

纤维形态是决定纸张物理强度的重要指标。由表2可知，3个阔叶树种的纤维长度为0.82~1.70 mm，均超过桉木（0.73 mm）；长宽比为38.0~65.1，均满足造纸原料纤维长宽比大于35的基本要求。因此，从纤维基本形态考虑，3个树种均适于制浆造纸。

此外，由表2和图1还可知，3个树种相比，米老排的纤维平均长度（1.59 mm）分别较黑格和大叶栎高69.1%和71.0%，纤维长度分布较为集中，纤维平均粗度（25.57 mg/100 m）分别是黑格和大叶栎的2.9和2.0倍，纤维明显较长、较粗；黑格纤维的平均宽度（16.8 μm）分别比米老排和大叶栎低49.1%和24.0%，纤维宽度分布较集中，长宽比（55.8）分别较米老排和大叶栎高14.6%和31.6%，粗度（8.88 mg/100 m）与桉木接近，纤维形态更为细小。

对于3个速生乡土阔叶树种而言，纤维形态随林龄的变化在不同树种间存在差异。随着林龄的增大，米老排和黑格纤维的长宽比呈降低趋势，而纤维粗度则呈上升趋势；米老排的纤维宽度呈上升趋势；大叶栎的纤维长度和长宽比均呈上升趋势；其余指标呈波动式变化，且变化幅度相对较小。此外，不同林龄样木的纤维长度和宽度的分布状况整体上无明显差异。

2.2　制浆特性

不同林龄样木所制备木浆的基本性能如表3所示。由表3可知，各组样木的细浆得率为40.7%~54.2%，均超过40%，3个阔叶树种属于细浆得率较高的制浆原料，其中黑格木浆和大叶栎木浆的平均细浆得率分别为48.6%和47.1%，与对照样桉木浆（47.5%）接近；米老排木浆的细浆得率略低，平均值为43.6%。黑格木浆的残碱量（10.0~13.8 g/L）和卡伯值（18.0~21.4）均较高，其平均值分别比其他2个树种及桉木高出33.6%~108.6%和5.9%~19.6%，表明黑格木材蒸煮比较困难，木质素不易被脱除^[22]。大叶栎木浆的黏度（1 066~1 237 mL/g）较高，黑格木浆的黏度（892~987 mL/g）较低，而米老排木浆的黏度（947~1 093 mL/g）与桉木浆接近。

表3 不同林龄米老排、黑格和大叶栎木浆的基本性能

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

原料	细浆得率/%	残碱量/（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还可知，随着林龄的增加，米老排木浆和大叶栎木浆的细浆得率整体呈现先上升后下降趋势，均在8年生时达到最大值45.3%和49.0%，该变化趋势与落叶松木浆的相关研究结果一致^[22]，在一定程度上反映了制浆原料的纤维含量。AO-6的细浆得率（54.2%）远高于其余3组黑格试样，这主要是因为其木材基本密度较其余试样低了17.4%~24.6%（表2），从而导致成浆效率更高。米老排、黑格和大叶栎木浆的最小卡伯值对应林龄分别为5、6和11年，此时木浆中残余木质素较少，表明生长早期形成的木材，其脱木质素程度较高，蒸煮效率较高。

2.3　纸张性能

不同林龄阔叶木浆所制备纸张的物理性能如图2所示。由图2可知，尽管米老排纤维长度远大于黑格和大叶栎（表2），但其纸张的整体强度指标未表现出明显的优势，表明除了纤维长度外，纤维结合力、纤维本身的强度和纤维在纸张中的排列也会影响纸张整体强度^[23-24]。不同林龄米老排所制纸张的撕裂指数整体上与桉木所制纸张接近，变化规律不明显，ML-13所制纸张撕裂指数最大（8.71 mN·m²/g）。随着林龄的增加，米老排所制纸张的耐破指数、抗张指数和耐折度变化基本一致，整体呈下降趋势，5年生米老排所制纸张的强度指标数值最高，其耐破指数、抗张指数、耐折度分别为7.14 kPa·m²/g、110 N·m/g和2 108次，而13年生米老排所制纸张的强度指标数值最低。综合比较，以5年生米老排为原料所制纸张的整体强度指标较好。

图2 不同林龄米老排、黑格和大叶栎纸张物理性能

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

由图2可知，对于大叶栎而言，11~15年生大叶栎所制纸张的平均撕裂指数（7.77 mN·m²/g）较6~8年生大叶栎所制纸张高20.9%，主要是由于6~8年生木材的纤维明显较短（表2），而纤维长度是影响纸张撕裂度的重要因素之一。大叶栎所制纸张的耐破指数、抗张指数和耐折度的变化趋势基本一致，表现为6~13年生大叶栎所制纸张的强度指标接近，耐破指数、抗张指数、耐折度平均值分别为6.84 kPa·m²/g、103 N·m/g和1 780次，而15年生大叶栎所制纸张的强度指标较前者分别低22.5%、18.9%和76.5%。综合各项指标，11和13年生大叶栎所制纸张的整体物理强度较优。

由图2还可知，不同林龄黑格相比，6年生黑格所制纸张的撕裂指数、抗张指数和耐折度均最高，分别为8.91 mN·m²/g、101 N·m/g和1 556次，耐破指数（6.70 kPa·m²/g）也较高，仅略小于12年生黑格所制纸张（6.86 kPa·m²/g）。6年生黑格所制纸张具有较优的物理强度，这与其较大的纤维长度和长宽比（表2）相符。10年生黑格所制纸张的耐破指数、抗张指数和耐折度均最小，分别较最大值低17.6%、10.3%和72.2%。12年生黑格所制纸张的撕裂指数最小，比最大值低24.9%。随着林龄的增加，黑格所制纸张的撕裂度、抗张强度和耐折度均呈下降趋势，而耐破指数变化较小。综合考虑各项强度指标，以6年生黑格为原料所制纸张的强度优势较为明显。

基于坐标综合评定法获得的纸张物理强度综合得分（S_i）如图3所示。研究表明，综合得分值越小，表明综合物理强度越高。由图3可知，各组试样的综合得分值（0.59~19.91）均小于桉木（21.25），表明3个速生阔叶树种均可作为造纸行业的新原料。不同林龄的试样相比，ML-5、ML-12、AO-6、CF-6、CF-8、CF-11和CF-13的综合得分值明显较低，纸张物理强度较优；ML-13、AO-10和CF-15的综合得分值较高，纸张物理强度较低，与上述分析中的结论基本一致。综上所述，以3个阔叶树种生长早期形成的木材为制浆造纸原料，制备的纸张物理强度较优，表明其适于培育短轮伐期纸浆林。

图3 基于坐标综合评定法获得的不同林龄米老排、黑格和大叶栎纸张物理强度得分值

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 结论

本研究以5~15年生米老排、黑格和大叶栎为研究对象，7年生尾巨桉为对照，通过对比分析不同树种和林龄样木的木材密度、纤维形态、制浆特性及造纸性能，综合评价不同原料的制浆造纸适用性。

3.1　3个速生阔叶树种的木材基本密度为0.342~0.586 g/cm³，纤维长度为0.82~1.70 mm，纤维长宽比为38.0~65.1，细浆得率为40.7%~54.2%，基于坐标综合评定法获得的纸张物理强度得分值（0.59~19.91）小于桉木（21.25），均为较优的制浆造纸原料。

3.2　不同树种相比，米老排的纤维长度（1.53~1.70 mm）较大，但米老排所制纸张整体强度指标未表现出明显优势；黑格的木材基本密度（0.442~0.586 g/cm³）较大，残碱量（10.0~13.8 g/L）和卡伯值（18.0~21.4）较高；大叶栎的木浆黏度（1 066~1 237 mL/g）较高，大叶栎所制纸张整体强度较优。

3.3　不同林龄样木相比，5年生和12年生米老排、6年生黑格以及6~13年生大叶栎的制浆造纸性能较优，而13年生米老排、10年生黑格以及15年生大叶栎所制纸张整体强度较低，表明3个速生阔叶树种适于培育短轮伐期纸浆林。

文章来源：《中国造纸》 https://www.zzqklm.com/w/zw/24523.html

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1 实 验

1.1 实验原料与试剂

1.2 实验仪器与设备

1.3 实验方法