许传波 程 芸 苗 红 刘俊杰 朱晓红

（1.中轻特种纤维材料有限公司，河北廊坊，065001；2.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102）

随着经济建设的发展和人民物质文化水平的不断提高，我国纸张的供需矛盾越来越突出。但近些年来，中美贸易战的持续升级，一方面加速了我国严格执行废纸进口限制政策，使得国内不断增加废纸浆的利用效率、提高木材使用率；另一方面国内木浆价格也随之升高，增加了纸产品的生产成本。2018 年全国纸浆消耗总量为9387 万t，木浆为3303 万t，占纸浆消耗总量35%，其中进口木浆占23%、国产木浆占12%[1]。但由于我国森林资源的匮乏，导致我国造纸行业中高质量纸品的生产一直受到制约。因此，加快国内速生材的开发和应用，是加速解决我国造纸木材原料不足、满足纸张各方面增长要求和应对世界快速变化最有效的方法。“十一五”开始我国提出了林浆纸一体化的发展趋势，造纸行业针对速生针叶材（落叶松、马尾松等）和速生阔叶材（杨树、桉树等）开展了大量研究。

日本落叶松在19 世纪末引入我国，具有很多优点。相较于其他木材，其生长速度更快，一般15 年就可以成材；在与其他木材相同的造林技术下，其成活率更高，最高可达99.4%；具有很强的抗早期落叶病性；相较于我国本土的落叶松而言，日本落叶松容易无性繁殖、开花结实早、适应范围更加广[2-4]。为了解决造纸行业原料短缺的问题，很多学者对日本落叶松制浆造纸的可行性进行了研究。结果表明，日本落叶松在制浆方面有其独有的优势，硫酸盐法制浆是最适宜的制浆方法[5-7]。日本落叶松作为一种针叶木树种，纤维平均长度高达2 mm，是抄造一些高强度纸张的重要纤维原料。此外，日本落叶松纤维的聚戊糖含量较高，制浆得率较高，并有利于改善纸浆性能。且日本落叶松的冷、热水抽出物和1% NaOH 抽出物含量均较低。一般来说，纤维原料抽出物含量越低，纸浆得率就会越高[8-10]。日本落叶松的这些特征表明其在制浆造纸行业具有很大的应用潜力。

研究人员一直对日本落叶松在造纸行业的应用给予了高度关注，尤其是日本落叶松本身特性对其应用的影响。本研究对6种不同树龄日本落叶松的物理性质及化学性能进行分析，同时对相同蒸煮条件下不同落叶松原料的制浆性能和所制备的纸浆物理强度进行比较，以评价日本落叶松作为纸浆材的最佳轮伐树龄，从而为造纸行业合理利用日本落叶松木材提供科学合理的依据。

1 实 验

1.1 材料与试剂

本研究所用日本落叶松原料购自湖北建始山林区的不同林场，6 种不同树龄的落叶松均从胸高（离地1.3 m 处） 取样，分别为9、12、14、17、21 和 29 年生。将这6种不同树龄的落叶松原料去皮后风干、削片、筛选，一部分进行纤维原料形态及化学成分的检测，一部分在硫酸盐法蒸煮条件下进行蒸煮实验，检测制浆性能以及化学纸浆的物理强度性能。

氢氧化钠，苯，浓硫酸，乙醇，冰醋酸，亚氯酸钠，盐酸，溴酸钠，溴化钠，过氧化氢，氯化钡，以上试剂均为分析纯，购于天津市化学试剂一厂。

1.2 实验仪器

KRK 蒸煮锅 （No.2615，KUMAGAI RRIKI KOGYO Co.,Ltd.）；筛浆机 （Packer-type seriner，L&W公司，瑞典）；电子天平（TX2202L，岛津公司，日本）；标准疏解机（T-100，AMC 公司，美国）；纤维形态分析仪（Fiber Test 912，L&W 公司，瑞典）；标准纸页成型器（RK-ZA-KWT，PTI 公司，奥地利）；耐破度测定仪（SE-180，L&W 公司，瑞典）；撕裂度测定仪（E-009，Fiber Test 912，L&W 公司，瑞典）；抗张强度测定仪（E-062，Fiber Test 912，L&W 公司，瑞典）；标准厚度仪（SE-051，L&W，瑞典）；MIT 耐折度仪 （E-071，Fiber Test 912，L&W 公司，瑞典）。

1.3 实验方法

1.3.1 日本落叶松化学成分分析

灰分含量的测定参照GB/T 2677.3—1993 进行；冷、热水抽出物含量的测定参照GB/T 2677.4—1993进行；1%NaOH抽出物含量的测定参照GB/T 2677.5—1993 进行；苯-醇抽出物含量的测定参照GB/T 2677.6—1994 进行；酸不溶木素（Klason木素）含量的测定参照GB/T 2677.8—1994进行；综纤维素含量的测定参照GB/T 2677.10—1995进行；聚戊糖含量的测定参照GB/T 2677.9—1994（二溴化法）进行。

1.3.2 日本落叶松纤维形态分析

将日本落叶松木片沿纵向切成火柴棍大小，放在沸水中多次煮沸排出空气，直至木条下沉。60℃的水浴条件下放置在体积比为1∶1 的冰醋酸-过氧化氢（35%）溶液中，直至纤维分散变白。最后使用L&W纤维形态分析仪测定纤维的长度、宽度与粗度。本研究中的纤维平均长度和平均宽度均为仪器给出的质均数值。

在测量纤维的壁厚及细胞腔直径时，用赫氏染色剂制片，采用投影显微镜，放大100倍，数出50根纤维，分别测出它们的宽度，计算出平均值。

壁腔比计算见式（1）。

1.3.3 日本落叶松纤维制得手抄片性能的分析

实验过程中对不同树龄的日本落叶松进行蒸煮，蒸煮条件为：用碱量20% （以Na2O 计）、硫化度25%、液比1∶4、最高温度170℃、升温时间90 min、保温时间150 min。

表1 不同树龄日本落叶松纤维的化学成分分析

制浆特性的测定指标主要包括粗浆得率、细浆得率、筛渣率、纸浆卡伯值、蒸煮废液残碱含量和pH值。

（1）粗浆得率：取一定量平衡水分后的粗浆放入105℃的烘箱中干燥6～8 h 并称取质量。蒸煮后绝干粗浆质量与蒸煮前绝干原料质量之比即为粗浆得率。

（2）筛渣率和细浆得率：将粗浆在纤维疏解机疏解15000 转，使纤维分解；随后用平板筛浆机（筛缝0.3 mm）进行筛浆。截留于筛板上的粗渣绝干质量和蒸煮前绝干原料质量之比即为粗渣得率；绝干细浆质量与蒸煮前绝干原料质量之比则为细浆得率。

（3）蒸煮残碱量和pH 值测定：取硫酸盐法蒸煮黑液50 mL 置于500 mL 容量瓶中，加入10%氯化钡溶液70 mL，加蒸馏水到刻度，摇匀后静置1 天，澄清后取上层清液50 mL，用0.1 mol/l 盐酸标准溶液滴定至pH 值为8.3 终止（以PHS-3C 酸度计指示），并计算残碱量。

（4）纸浆卡伯值测定：参照Tappi标准T 236 cm—85测定。

对蒸煮后得到的细浆按照Tappi标准T 248 cm—85将纸浆打浆至45°SR（浆浓10%）。按照GB/T 24324—2009抄造手抄片，定量为60 g/m2，干燥后备用。

将手抄片置于恒温恒湿室平衡24 h后再进行物理性能检测。手抄片的各项物理性能检测均按国家标准方法进行。

2 结果与讨论

2.1 不同树龄的日本落叶松纤维化学成分及纤维形态分析

2.1.1 不同树龄日本落叶松纤维的化学成分分析

表1 为不同树龄日本落叶松纤维的化学成分分析。从表1可以看出，不同树龄的日本落叶松化学成分含量不一样，灰分含量随着树龄的增加而减少；酸不溶木素含量随着树龄的增加而增加；冷水抽出物、热水抽出物、1% NaOH 抽出物含量随树龄的增加而增加，通常在木材制浆过程中抽出物的含量与纸浆得率是成反比关系，树龄为17 年的日本落叶松抽出物的含量相对较低，综纤维素含量最高，聚戊糖含量也相对较高。聚戊糖的含量高有利于改善浆料的性能，可以产生更多纤维间的氢键结合，提高成纸机械强度。因此，17 年树龄的日本落叶松纤维化学成分对制浆更有利。

2.1.2 不同树龄日本落叶松的纤维形态分析

纤维形态是植物纤维原料最重要的特征之一，包括纤维的长度、宽度、长宽比、粗度以及壁腔比等指标。实验对不同树龄日本落叶松的纤维形态进行了测定，结果如表2所示。

图1 为不同树龄对纤维形态的影响。如图1（a）所示，日本落叶松的纤维平均长度随着树龄的增加而增加，在17～29年期间纤维的平均长度增加缓慢，纤维平均宽度的增加趋势与长度趋势一样（见图1（b）），虽然纤维长度能够直观地衡量纤维原料的好坏，是最基本、最重要的形态指标，但用长宽比衡量纤维的特性更有意义。一般纤维的长宽比越大，获得的纸张抗张强度和撕裂度越好，越适宜做造纸原料。从图1（c）可以看出，纤维的长宽比在17 年之前增长速率比较快，在17 年之后增加缓慢。纤维的粗度可以很好地评价纸浆的质量，还可以预测纸浆在纸机上适应性以及纸张印刷的性能[11]。通常，纤维粗度大于0.3 mg/m 的浆料生产出来的纸张比较粗糙，平滑度比较低，纸张的松厚度相对比较大；小于0.1 mg/m的纸张平滑度较好，同时纸张的裂断长、耐折度、耐破度相对较高。从图1（d）可以看出，日本落叶松的纤维粗度在0.13～0.19 mg/m 之间，说明日本落叶松是一种较为优良的制浆原料；日本落叶松树龄越大，粗度越大，对制浆造纸越有利，在17 年时达到较大值，之后纤维的粗度变化不大。

表2 不同树龄日本落叶松的纤维形态

壁腔比反映了纤维的柔软性，壁腔比越小说明纤维越柔软，在成纸时单根纤维容易发生形变，纤维之间的接触面积就会增加，结合力会增强；反之，壁腔比大的纤维较挺硬，抄造纸张时纤维的结合程度相对较小，成纸强度较差[12]。如图1（e）所示，日本落叶松树龄越小，纤维壁腔比越小，纤维相对较柔软，有利于纤维结合性能的提升，树龄小于17 年的日本落叶松纤维的壁腔比相对变化较小，树龄超过17年后其纤维壁腔比增长相对较快。

因此，综合日本落叶松的纤维长宽比、壁腔比等指标，选择树龄为17年的日本落叶松制浆更优。

2.2 日本落叶松树龄对浆料性质的影响

日本落叶松的化学组成、纤维形态与其生长年龄有一定的关系，所以浆料在性能上也会相应的有一些差异。制浆得率在一定程度上反映了制浆原料的纤维含量，而卡伯值则反映的是纸浆中残余木素的含量。表3 为不同树龄的日本落叶松制浆后的浆料性质。从表3 可以看出，随着树龄的增加，蒸煮后浆料的卡伯值也随之增加，即树龄的增加会导致脱木素程度的降低，从而会增加蒸煮的难度。6 种不同树龄的日本落叶松蒸煮后所得到的粗浆得率在38%～44%之间，细浆得率在36%～43%之间，17 年树龄的粗浆得率和细浆得率相对较高，对应的制浆性能相对较好。

图1 不同树龄对纤维形态的影响

表3 不同树龄日本落叶松硫酸盐制浆后的浆料性质

图2 日本落叶松树龄对酸不溶木素含量和卡伯值的影响

图3 日本落叶松树龄对苯-醇抽出物含量和残碱量的影响

图4 日本落叶松树龄对纤维长宽比及纸张抗张指数的影响

图2 为日本落叶松树龄对酸不溶木素含量和卡伯值的影响。从图2可以看出，树龄越大，日本落叶松木材中酸不溶木素的含量越高，其制备浆料时卡伯值越高，此外，图3 为日本落叶松树龄对苯-醇抽出物含量和残碱量的影响。从图3可以看出，17年树龄的日本落叶松苯-醇抽出物含量最低，此树龄下蒸煮时黑液残碱量高，耗碱量少。由此可见，日本落叶松在17年树龄时制浆效果最好。

将蒸煮得到的浆料先用PFI磨在10%浆浓下打浆至相同的打浆度（45°SR），然后用标准纸页成型器抄造手抄片。手抄片在恒温恒湿室平衡24 h后，进行物理性能检测，结果如表4所示。

从表4 可以看出，随着树龄的增加，手抄片的紧度不断下降，这主要是因为树龄小的落叶松，其纤维细胞腔大，纤维柔软，在成纸时纤维结合紧密；相反，树龄大的落叶松，其纤维细胞壁厚，纤维挺硬，纤维间结合较差，成纸紧度较小。从表4 还可以看出，在树龄17 年时，日本落叶松的耐破指数、撕裂指数、耐折度都相对较高。这主要是因为这几个指标都是由纤维自身的强度和纤维之间的结合强度共同决定的，树龄小的日本落叶松纤维较柔软，纤维之间的结合更加紧密，结合位点增多，结合强度较大，但由于树龄小的日本落叶松纤维长度较短，纤维本身的强度不高，不利于成纸物理强度的提高；而树龄大的日本落叶松纤维其长度虽然较长，但纤维不柔软，限制了纸张物理强度的提升。图4 为日本落叶松树龄对纤维长宽比及纸张抗张指数的影响。从图4 可以看出，在17 年树龄之后日本落叶松的纤维长宽比增加幅度减小，同时由于纤维壁腔比的增加导致浆料的抗张强度下降。综上所述，树龄为17 年的日本落叶松纤维更适于制备出优良的造纸浆料。

3 结 论

本研究对6 种不同树龄日本落叶松的物理性质及化学性能进行分析，同时对相同蒸煮工艺条件下不同日本落叶松原料的制浆性能和纸浆物理强度进行比较。

3.1 日本落叶松灰分含量随着树龄的增加而减少，在17 年树龄时其综纤维素含量和聚戊糖含量较高，木素含量相对较低，因此17 年日本落叶松用于制浆较理想。

3.2 日本落叶松树龄越大，纤维的平均长度越长、粗度越大，纤维的长宽比、壁腔比在17 年树龄时达到较高值，17 年树龄之后增加速率降低，综合时间成本而言，17 年树龄的日本落叶松物理形态对于成浆性能有利。

3.3 17 年树龄的日本落叶松制浆的细浆得率为42.9%，卡伯值为25.9%，残碱量为8.14 g/L，制得手抄片的强度性能分别为：抗张指数81.4 N·m/g，耐破指数6.71 kPa·m2/g，撕裂指数13.7 mN·m2/g，耐破度294次。因此，17年树龄的日本落叶松相较于其他树龄能更好地满足纸浆质量的要求。