全 文 ：第 39 卷 第 2 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol． 39 No． 2
2011 年 2 月 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Feb． 2011
1)安徽农业大学创新团队基金项目。
第一作者简介:高慧，女，1966 年 6 月生，安徽农业大学林学与园
林学院，副教授。
收稿日期:2010 年 8 月 30 日。
责任编辑:戴芳天。
枫杨心材与边材硫酸盐法制浆性能的比较1)
高 慧 方 露 杨金鹏 肖付彬 宣鹏飞
(安徽农业大学，合肥，230036)
摘 要 以枫杨心材与边材为研究对象，分析比较它们的纤维形态、化学组成和制浆性能的差异。结果表明:枫杨
心材与边材的纤维平均长度分别为 817、958 μm，长宽比分别为 40． 50、43． 87，壁腔比分别为 0． 40、0． 36。心材与边材的综
纤维素质量分数分别为 83． 65%、81． 46%，木质素质量分数分别为 16． 10%、21． 36%，α 纤维素质量分数分别为
48． 25%、48． 82%，枫杨心材与边材均是优良的造纸用材。用碱量和保温时间是影响枫杨边材硫酸盐法制浆性能
的主要因素。在相同的制浆工艺条件下，枫杨边材浆料的卡伯值低于心材，得率和黏度高于心材，边材比心材更适
合用作造纸原料。
关键词 枫杨;心材;边材;化学组成;制浆性能
分类号 TS74
Difference in Kraft Pulping Properties Between Heartwood and Sapwood in Pterocarya stenoptera /Gao Hui，Fang
Lu，Yang Jinpeng，Xiao Fubin，Xuan Pengfei(College of Forestry and Gardening，Anhui Agricultural University，Hefei
230036，P． R． China)/ / Journal of Northeast Forestry University． － 2011，39(2)． － 40 ～ 42
A study was conducted to discuss the differences in fiber feature，chemical composition and pulping property between
heartwood and sapwood of Pterocarya stenoptera． Results showed that the fiber lengths in heartwood and sapwood were 817
and 958 μm，the length width ratios in heartwood and sapwood 40． 50 and 43． 87，and the wall lumen ratios 0． 40 and 0． 36
respectively． The contents of holocellulose in heartwood and sapwood were 83． 65% and 81． 46%，and the contents of lig-
nin 16． 10% and 21． 36%，and the contents of α-cellulose 48． 25% and 48． 82%，respectively． Both the heartwood and
sapwood of P． stenoptera are suitable to be used as pulping materials． Alkali charge and holding time are major influencing
factors on pulping properties of sapwood in P． stenoptera． Under the same technical conditions of pulping，the pulp of the
sapwood of P． stenoptera had lower Kappa number and higher yield and viscosity compared with that of the heartwood． The
sapwood is better than the heartwood as pulping materials．
Keywords Pterocarya stenoptera;Heartwood;Sapwood;Chemical compositions;Pulping properties
枫杨(Pterocarya stenoptera C． DC．) ，系胡桃科枫杨属，树
体高大、生长迅速，是我国特有的乡土造林和绿化树种之一，对
烟尘和二氧化硫等有毒气体有较强抗性，已被部分省列入重点
发展速生人工林树种［1 －2］，仅河南省现有枫杨就达到 12 860
hm2、蓄积量 190． 0万 m3。国内外对枫杨的生长培育研究得较
多［3 －4］，但未见有应用报道。目前，我国纸和纸板的生产总量
已超越美国，成为世界第一。但在原料结构中，木浆只占 23%，
其中国产木浆仅占 7%，原料进口依存度高达 44%［5］，是世界最
大的原生纸浆和废纸进口国，市场风险较大。寻找更多的木材造
纸原料，是解决中国造纸原料结构不合理问题的途径之一。
当树木生长到一定年龄后，树干逐渐形成色泽不同的两
部分组织，中心部位色泽较深，称为心材，靠近树皮的部位色
较浅，称为边材。心材与边材在应用上有何区别，这方面研究
报道很少，仅看到 Ana等人研究心材与边材对黑木相思木的
制浆性能的影响［6］、Sini 等研究对吸水性的影响［7］、Bonneau
等研究对干燥动力学的影响［8］。笔者以枫杨心材与边材的
的化学组成、纤维形态以及制浆性能为研究对象，探讨其资源
作为纸浆材使用的可行性，为枫杨人工林纸浆材的培育和利
用提供科学依据。
1 材料与方法
枫杨采自安徽农业大学林场，16 年生，胸径 24． 7 cm。在
1． 3 m处截取一段圆盘，心材所占直径为 11． 2 cm。
原料化学组成:按照国家标准 GB/T 744—1989(α 纤维
素)、GB/T 2677—1993(灰分、热水和 1% NaOH抽出物)、GB/
T 2677—1994(苯醇抽出物)、GB/T 2677—1995(综纤维素)、
GB/T 747—2003(酸不溶木质素)所述的方法进行分析［9］。
纤维形态测定:参照国家标准 GB /T 10336—1989，用冰
乙酸和双氧水按 m(冰乙酸)∶ m(双氧水)= 1∶ 1 比例混合
后将试样离析，在投影仪下测定 200 根纤维长度，取其平均
值。随机取 4 ～ 6 片横切面切片，置于带有目镜测微尺的高倍
显微镜下(放大倍数为 400倍)，用 XS2 － HS显微图像分析系统
进行测定，测纤维宽度、细胞腔径并通过相减算得纤维壁厚。
制浆:蒸煮设备为容积 15 L的电热回转式蒸煮锅，内装 4
个小罐，每小罐容积为 1 L，以水为加热介质在小罐内进行蒸
煮实验。纸浆卡伯值根据 GB /T 1546—2004 测定，纸浆黏度
采用毛细管黏度计法根据 GB /T 1548—2004 方法测定。
2 结果与分析
2． 1 枫杨心材与边材的纤维形态比较
木材的纤维长度、长宽比和壁腔比是影响造纸性能的三
大要素，纤维长度是衡量造纸原料质量优劣的一项重要指标，
与成纸的物理性能有直接关系，一般说，长纤维具有较好的强
度，尤其是撕裂度。由表 1 所示，枫杨边材的纤维平均长度比
心材增加了 17． 26%。
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，从纤维长度分布来看，枫杨边材与
心材的纤维长度都符合正态分布，其边材的纤维长度值大多
集中在 650 ～ 1 200 μm，占了总数的 95． 5%;心材的纤维长度
值大多集中在 540 ～ 1 140 μm，占总数的 98%，说明枫杨边材
DOI:10.13759/j.cnki.dlxb.2011.02.001
与心材纤维的均整性都很好，均整性好的纤维，交织均匀，使
纸面具有合适的孔隙度。
表 1 枫杨心材与边材的纤维形态
区域
纤维长
度 /μm
纤维宽
度 /μm
腔径 /
μm
双壁厚 /
μm
长宽比 壁腔比
边材 958 21． 86 16． 02 5． 84 43． 82 0． 36
心材 817 20． 18 14． 37 5． 81 40． 50 0． 40
由表1知，枫杨边材和心材的长宽比分别为43 ． 87、
40． 50，壁腔比分别为 0． 36、0． 40，纤维长宽比是影响纸张质量
的重要因子之一，通常纤细的纤维成纸强度好，纸页均匀致
密。一般认为壁腔比小于 1 的为很好的制浆原料，因为这种
纤维柔软性好，在外力的作用下易溃陷变形，彼此易于结合，
纸的耐破度、耐折度和抗拉强度就较大。由此看来，与其它阔
叶木相比，枫杨长宽比较大，而壁腔比较小，这些对提高纸张
强度都有利。
表 2 枫杨心材与边材的组织比量 %
区域 木射线比量 导管比量 纤维比量
边材 15． 33 6． 99 77． 69
心材 15． 04 5． 36 79． 60
鉴定植物纤维原料质量优劣，除考虑纤维细胞本身形态
特征以外，还应考虑非纤维细胞含量的高低。非纤维细胞含
量过多，会影响成纸质量，使纸的强度下降，不透明度下降，同
时给制浆造纸操作过程带来困难，如抄纸时易断头、粘辊，影
响抄纸车速的提高。由表 2 可以看出，枫杨边材的非纤维细
胞含量略高于心材。
总之，从纤维形态角度看，枫杨的心材和边材都是适合造
纸的，且边材的制浆性能优于心材。
2． 2 枫杨心材与边材的化学组成比较
木材化学组成的变异直接影响着木材的制浆性能，综纤
维素是纤维素和半纤维素的总和，纤维素和半纤维素的含量
越高，制浆得率越高［10］。典型的阔叶材综纤维素平均质量分
数为 74%［11］，由表 3 可知，枫杨心材与边材的综纤维素质量
分数分别为 83． 65%、81． 46%，均高出阔叶材的平均值，其边
材的综纤维素质量分数低于心材的，而边材的 α 纤维素质量
分数略高于心材的，也就是说，心材的半纤维素含量比边材的
高，半纤维素多，纤维在水中润胀性能好，有利于打浆，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。
化学制浆的目的是脱除木质素，木质素越少，化学制浆所
消耗的化学药品就越少。刘洪谔等分析 8 种杨木木质素平均
质量分数为 21． 54%［12］。由表 3 可知，枫杨心材与边材的木
质素质量分数分别为 16． 10%、21． 36%，均低于杨木的平均
值，其心材的木质素质量分数低于边材的。
从抽出物质量分数看，不论是热水、1% NaOH，还是苯
醇，心材均高于边材的，这意味着化学制浆时，心材消耗的化
学药品要多于边材的。
表 3 枫杨心材与边材的化学组成 %
区域
灰分质
量分数
抽出物质量分数
热水 1% NaOH 苯醇
木质素质
量分数
综纤维素
质量分数
α纤维素
质量分数
枫杨边材 0． 55 3． 02 17． 87 1． 12 21． 36 81． 46 48． 82
枫杨心材 0． 64 3． 34 19． 45 1． 45 16． 10 83． 65 48． 25
2． 3 枫杨心材与边材的制浆性能比较
2． 3． 1 边材的制浆性能
根据心边材的分布情况，边材的样品比心材多，所以选择
边材作为正交试验的研究对象，从而确定其最佳工艺条件，然
后在此条件下比较枫杨心材与边材的制浆性能。
表 4 枫杨边材的蒸煮正交试验结果
试验
号
A(用碱
量)/%
B(硫化
度)/%
C(保温
时间)/min
卡伯值
得率 /
%
1 14 21 60 28． 67 50． 03
2 14 24 90 25． 49 49． 76
3 14 27 120 20． 88 47． 50
4 16 21 90 19． 10 47． 23
5 16 24 120 14． 28 46． 36
6 16 27 60 20． 99 47． 98
7 18 21 120 12． 80 44． 63
8 18 24 60 15． 38 47． 02
9 18 27 90 15． 20 46． 43
硫酸盐法蒸煮主要工艺参数有用碱量、硫化度、液比、蒸
煮的温度和保温时间，针对枫杨的纤维形态和化学组成的特
点，选择用碱量、硫化度、保温时间为 3 因子在 3 水平下 L9
(34)列正交试验表，每组实验木材为 80 g，m(绝干原料)∶ V
(蒸煮总液体)= 1 t∶ 4． 5 m3，蒽醌的质量分数为 0． 1%，升温
时间 90 min，最高温度 165 ℃，用碱量均以 Na2O 计。每组做
平行实验重复两次，取平均值，实验结果见表 4。
表 5 枫杨边材的蒸煮正交试验极差分析
指标 因素 K1 K2 K3 极差
得 率 A 147． 29 141． 57 138． 08 3． 07
B 141． 89 143． 14 141． 91 0． 42
C 145． 03 143． 42 138． 49 2． 18
卡伯值 A 75． 04 54． 37 43． 38 10． 55
B 60． 57 55． 15 57． 07 1． 81
C 65． 04 59． 79 47． 96 5． 69
极差分析是对正交试验数据进行的一种直观分析，极差
越大，说明这个因素的水平改变对试验结果的影响越大。由
表 5 对得率和卡伯值的极差分析可知，都是用碱量的影响最
大，保温时间次之，硫化度影响最小。也就是说，用碱量是制
浆的主要影响因素，其次是保温时间的影响。从表 6 方差分
析结果看，用碱量和保温时间对得率的影响非常显著，用碱量
对卡伯值的影响非常显著，保温时间对卡伯值的影响显著。
极差分析的结果表明得率的优化条件是 A1B2C1，即 14%
的用碱量、24%的硫化度、60 min的保温时间。卡伯值的最优
条件为 A3B2C3，即 18%的用碱量、24%的硫化度、120 min 的
保温时间。最后在综合考虑得率和卡伯值后，选择 A2B2C2
为枫杨边材制浆的最佳工艺条件，即 16%的用碱量、24%的
硫化度、90 min的保温时间。
表 6 枫杨边材的蒸煮正交试验方差分析
指标 方差来源 离差平方和 F值
得 率 A 7． 207 74． 906＊＊
B 0． 171 1． 776
C 3． 870 40． 229＊＊
卡伯值 A 86． 132 63． 469＊＊
B 2． 517 1． 855
C 25． 513 18． 800*
注:F0．1(2，2)=9，F0．05(2，2)=19，＊＊表示极显著，* 表示显著。
2． 3． 2 心材与边材的制浆性能比较
按照边材的蒸煮正交试验后得出的最佳工艺条件，在相
同制浆条件下比较心材与边材的制浆性能，结果见表 7。可
14第 2 期 高 慧等:枫杨心材与边材硫酸盐法制浆性能的比较
以看出，在相同工艺条件下所制得的浆料，边材的卡伯值低于
心材，且得率和毛细管黏度高于心材。由化学组成知道，心材
的木质素质量分数低于边材，理论上讲，在相同的制浆条件
下，心材残余木质素的质量分数也应较边材少，但却与实际结
果相反。这说明在相同的制浆条件下，枫杨边材的木质素更
容易脱去，即枫杨的边材相对于其心材更适合作为制浆造纸
用材。
表 7 枫杨心材与边材制浆性能的比较
区域 卡伯值 得率 /% 纸浆黏度(毛细管黏度计测)/mL·g － 1
边材 19． 10 48． 21 813
心材 19． 35 47． 23 705
3 结论
从原料的纤维形态看，枫杨心材与边材的纤维平均长度
分别为 817、958 μm;心材与边材的长宽比分别为 40． 50、43． 87，
壁腔比分别为 0． 40、0． 36，枫杨心材与边材均适合造纸，边材
优于心材。
从原料的化学组成看，心材与边材的综纤维素质量分数
分别为 83． 65%、81． 46%，木质素质量分数分别为 16． 10%、
21． 36%，α纤维素质量分数分别为 48． 25%、48． 82%，枫杨心
材与边材均是优良的造纸用材。
影响枫杨边材硫酸盐法制浆得率和卡伯值的主次因子依
次是用碱量、保温时间、硫化度。用碱量和保温时间对得率的
影响非常显著，用碱量对卡伯值的影响非常显著，保温时间对
卡伯值的影响显著。
枫杨边材硫酸盐法制浆的优化工艺条件为:用碱量
16%，硫化度 24%，保温时间 90 min。
在相同的制浆工艺条件下，边材浆料的卡伯值低于心材，
得率和黏度高于心材，说明枫杨边材比心材更适合用作造纸
原料。因此，建议林木遗传育种学专家培育出心材比例较少
的枫杨树种，从而可进一步提高枫杨浆料的质量。
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