全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (4) : 436～440
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0420436205
不同年龄构树皮的纤维、化学特性与制浆性能研究
廖声熙 , 李　昆 3 , 杨振寅 , 张春华
(中国林业科学研究院资源昆虫研究所 ,云南 昆明　650224)
摘要 :对金沙江干热河谷不同年龄构树皮的化学、纤维特性与制浆性能进行研究。结果表明 ,构皮纤维长、木素含量
低 ,纤维素含量高 ,纤维形态好 ,易于成浆。随着年龄的增大 ,低龄构皮化学组分稍有增大 ,但至 6—7 a,灰分和木素
含量增大 ,纤维素和硝酸 2乙醇纤维素含量明显下降 ,不利于成浆 ; 1%Na0H抽提物一直呈缓慢上升趋势 ,第 6—7年
达到最高 ;构皮纤维长度、长宽比及长纤维比例都随年龄的增长而增加 , 3—5 a增至最大 ,第 6年后呈快速下降趋
势。2—4年生构皮手抄片有较高的结合强度和耐折度 , 5—7 a后趋于稳定。因此 ,优质构皮纤维原料最佳收获期
为 2—5 a,综合经济效益考虑 ,纤维原料人工林培育最佳周期为 2—3 a。
关键词 :金沙江 ;构树皮 ;树龄 ;化学组成 ;纤维形态 ;成浆性能
中图分类号 : S789 文献标识码 : A
收稿日期 : 2006201212
基金项目 : 国家林业局退耕还林科技示范点关键技术研究项目 ;云南省 ’十五 ’科技攻关项目 (2001NG55) ;国家林业局重点科技推广项目
(200320492L49)
作者简介 : 廖声熙 (1973—) ,男 , 贵州黎平人 ,助理研究员 ,硕士 ,主要从事森林生态、森林经理、林业遥感研究工作.3 通讯作者
Influence of Age on Chem ica l Com ponen ts, F iber M orphology and
Pulp ing Properties of B roussone tia papyrifera Bark
L IAO Sheng2xi, L I Kun, YANG Zhen2yin, ZHANG Chun2hua
(Research Institute of Resources Insects, CAF, Kunm ing　650224, Yanan, China )
Abstract: Chem ical compositions, fiber characteristics and pulp ing p roperties of B roussonetia papyrifera bark at different a2
ges were researched in hot2valley of J insha R iver. The results showed that the paper mulberry bark has the characteristics of
long2fiber, lower lignin content, higher holocellulose and well fiber shapes and is suitable for pulp ing。W ith the growing of
trees, the chem ical compositions of the lower aged bast increase slightly. But to 6—7 years trees, the pulp ing p rocess are
hampered for the glucose and lignin increased obviously while fiber and HNO3 - C2 H5 OH content decreased sharp ly. 1%
NaOH extractives increased gradually and came up to the maximum when the tree was 6—7 years old. The fiber length, ra2
tio of fiber length to width and fiber p roportion increased with the growing of trees, com ing up to the maximum when the
tree was 3—5 years old , then declined obviously at the 6 th year. 2—4 years old trees have better strength and folding en2
durance and became stable at 5 th —7 th years. A s a result, the ideal material of the high2quality fiber comes from 2—5 years
old trees. Based on econom ic efficiency, 2—3 years fiber material p lantation rotation is p roposed.
Key words: J insha River; tree age; B roussonetia papyrifera bark; chemical compositions; fiber morphology; pulp ing property
构树 ( B roussonetia papyrifera (L. ) Vent. ) 为桑科
(Moraceae)构树族 (B roussonetieae)直立落叶乔木 ,该
属全世界共有 5种 ,分布于亚洲东部及太平洋岛屿。
我国有 3种 ,即构树、小构树 (B roussonetia kazinoki Sieb.
et Zucc)、藤构 (B roussonetia kaem pferi Sieb) [ 1 ] ,构树在
我国分布范围广 ,生长快 ,适应性强 ;树皮、树杆、树叶、
第 4期 廖声熙等 :不同年龄构树皮的纤维、化学特性与制浆性能研究
花果都可以利用 ;构树果可生食 ,亦可酿酒 ,有补肾、壮
筋骨、健胃消肿之功效。树皮、白色汁液均可入药 ;构
树叶蛋白质含量丰富 ,且安全无毒 ,属优良的木本蛋白
质饲料 ,亦可供保健食品添加剂之用 [ 2 ]。金沙江干热
河谷鹤庆段构树资源丰富 ,是构皮主产区和西南电池
隔膜纸生产及云南手工造纸中心之一。当地群众有在
田埂、地边种植构树 ,每年采收构皮出售 ,不但有效遏
制了金沙江干热河谷的水土流失 ,还成为当地农户增
收致富的经济来源。
构树韧皮因木素含量少 ,纤维长 ,色泽白 ,强度大 ,
是最古老、最优质的造纸原料之一 ,也是我国出口的传
统产品。构皮培育周期短 ,资源丰富 ,在全国均有分
布 ,仅陕南 ,鄂西山区年产量 10万 t[ 3 ]。
国内对构皮制浆造纸性能做了较为详细的研
究 [ 4～12 ] ,其韧皮是优质的造纸长纤维原料 ,常用于制造
打字蜡纸、引线抄纸、电池隔膜纸、云母带原纸等特种
长纤维高档纸张 ,经济价值极高。但对不同年龄构皮
制浆性能研究方面鲜有报道。因此 ,作者于 2003—
2005年对 1—7年生构树皮化学成分、形态特性及制浆
造纸性能进行了分析测定 ,旨在确定采收的最佳时间 ,
利用与保护并重 ,改善经营管理 ,为干热河谷植被恢复
和构树资源定向培育提供理论依据和实践指导。
1 材料和方法
1. 1 材料采集
试材采集地为云南省鹤庆县中江乡金沙江干热河
谷 ,地理位置 25°51′～26°42′N, 100°5′～100°25′E,海
拔 1 200～1 300 m,年平均温度 20. 3 ℃,极端最高气温
33. 4 ℃,极端最低温 - 8. 2 ℃, ≥10 ℃年积温 6 931. 0
℃。年平均降水量 683. 0 mm,年平均相对湿度 65% ,
土壤类型主要有黄壤和红壤。2004—2005年 3月砍收
护埂林 1—7年生构树样木 ,剥皮阴干 ,按 GB l927—9 l
标准的规定进行取样 , 备用。试样的制备方法见
文献 [ 13 ]。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 原料的化学成分分析 水分、灰分、冷水抽出
物、热水抽出物、苯醇抽出物、1% NaOH抽出物、木
素、多戊糖、综纤维素、硝酸乙醇纤维素等指标测定 ,
除硝酸乙醇纤维素测定采用《制浆造纸分析与检
测 》(2003)中的测定方法外 [ 14 ] ,其余均采用国标进
行 操 作 [ 15 ]。分 别 按 GB /T267712—1993、GB /
T267713—1993、GB /T267714—1993、GB /T267715—
1993、GB /T267716—1994、GB /T267718—1994、GB /
T267719—1994、GB /T2677110—1995标准进行。
1. 2. 2　纤维形态分析 采用《中国造纸原料纤维特
性及显微图谱 》所述纤维长度、宽度、细胞壁厚度及
细胞腔直径的测定方法 [ 16 ]。
1. 2. 3　制浆试验方法 制浆性能综合评价的构皮
采用硫酸盐法进行制浆。在实验过程中 ,控制相同
的蒸煮工艺条件 ,对所得纸浆进行相关指标的测定。
蒸煮工艺条件 :装锅量 150 g原料 (绝干 ) ;用
碱量 18% (NaOH计 ) ;硫化度 25% ;液比 1∶5;蒸
煮最高温度 155 ℃;升温时间 60 m in;保温时间
180 m in。硬度采用 GB /T1546—1989标准测定 ;得
率采用《制浆造纸分析与检测 》中纸浆得率的测定
方法 [ 14 ] 。
1. 2. 4　抄纸及纸的物理性能测定 分别取 2. 0 g绝
干浆 ,用剪刀均匀切断 ,分 2次进行疏解 ,每次各取 1
g左右 ,在疏解器中加水 550 mL,疏解 2 m in后 ,利用
快速凯塞成型系统抄造纸样。将纸样经恒温、恒湿
处理后 ,根据《中国轻工业标准汇编 ———造纸卷 》标
准 ,进行定量、厚度、抗张强度、撕裂度、耐破度、耐折
度等物理性能的测定 [ 14, 16 ]。
2 实验结果
2. 1 不同年龄构皮原料化学组成比较
从表 1可以看出 ,各年龄构皮原料的化学组分
之间变化呈一定的规律性。灰分随着年龄的变化规
律不明显 ;冷水抽提物、热水抽提物及苯醇抽提物随
着年龄的增加逐渐增加 ,至 3—4 a时达到最高 ,然后
呈下降趋势。1%Na0H溶液除能溶解冷水和热水溶
出的物质外 ,还能溶出部分木素、聚戊糖、聚己糖等 ,
从一定程度上反映出不同原料碱法制浆得率的高
低 , 1%Na0H抽提物一直呈缓慢上升趋势 ,可能因为
取样误差 ,第 5年略有下降 ,第 6—7年达到最高 ,可
以看出年龄增长会影响其制浆得率。聚戊糖含量随
年龄的变化均呈规律性增长 ,变幅不大 ,这对制浆有
利。木素的含量随年龄的增加而稍有增加 ,规律不
明显 ,至第 7年时比第 6年突然增长了近 3615% ,反
映出随着年龄的增大构皮木质化程度加深 ,降低了
它的制浆造纸性能。
734
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
表 1　不同年龄构皮纤维化学成分 %
年龄 / a 水分 灰分 冷水抽出物 热水抽出物 苯 2醇抽出物 1%NaOH抽出物 多戊糖 木素 综纤维素 硝酸 2乙醇纤维素
1 8. 20 5. 28 15. 74 18. 93 6. 97 46. 19 9. 68 6. 52 67. 94 43. 00
2 8. 26 6. 72 12. 71 15. 84 5. 81 44. 62 12. 04 8. 58 68. 70 42. 33
3 8. 22 5. 44 16. 57 21. 65 8. 11 47. 84 9. 96 6. 68 67. 59 43. 33
4 9. 21 5. 08 20. 79 21. 62 6. 71 47. 36 9. 89 6. 75 64. 92 44. 28
5 8. 44 4. 56 20. 45 20. 65 4. 50 45. 97 9. 34 5. 12 69. 45 46. 25
6 8. 22 4. 81 18. 01 19. 48 7. 21 50. 25 10. 02 7. 03 64. 53 40. 10
7 7. 85 7. 87 12. 29 16. 54 6. 01 49. 20 10. 86 11. 07 63. 38 38. 19
纤维素和综纤维素含量的高低直接影响了浆得
率的高低 ,含量越高 ,浆得率越高 ,纸浆的强度也越
大 [ 17 ] ,综纤维素和硝酸 2乙醇纤维素随年龄的增加而
增加幅度不大 , 1—5年生构皮纤维含量差异不显著 ,
至 6—7 a时开始下降 ,下降幅度比最高值 (第 5年 )
降低了 8. 7%和 17. 4%。良好的造纸用纤维原料要求
含纤维素高 ,木质素少 ,灰分和抽出物含量少 ,从不同
年龄构皮的化学组成特征来看 ,建议造纸最好不用 6
a以上构皮 , 2—4 a构皮有利于制浆造纸。
2. 2 不同年龄构皮纤维形态分析结果
纤维形态与纸张的性能有密切联系 ,决定纤维
生产浆料质量 [ 16 ]。一般来说 ,纤维越长 ,纸张的强
度越大。对不同年龄构皮的纤维形态进行比较 ,结
果见表 2,构皮 1年生纤维平均长度达到 8. 6 mm,其
随年龄的增加而增加 ,第 4年增加至最大 ,然后呈快
速下降趋势。因此 ,要获得优质构皮纤维原料 ,其理
想收获期为第 3—5年 ,以第 4年为最佳。构皮纤维
宽度变化不大。纤维原料的长宽比较大有利于提高
纸的强度等指标 ,构皮纤维长宽比变化趋势与长度
变化一致 ,数值都在 455以上 ,还是 4年生的最大。
综合来看 ,构皮的纤维较长 ,纤维平均长 813～1114
mm,纤维比较均匀 , 1年生构皮即可达到 816 mm,在
较短生长时间内达到成熟期水平。从纤维长度和长
宽比看 ,作为优质造纸原料 , 3—5年生的构皮原料
品质最好。
纤维壁腔比对纸张的性能有重要影响 ,细胞壁
薄而腔大的原料的纤维更具柔软性 ,相互间易于结
合 ,抄制的纸张结合强度较大。从表 3可见 ,构皮管
胞胞壁厚度为 4166～5166μm ,腔径为 2139～3112
μm ,壁腔比为 3114～4174,具有较好的纤维形态。
构皮纤维胞壁厚度随年龄增加变化不大 ,腔径则随
年龄增加逐渐变小 ,以 3年生为最大 , 7年生的最
小 ,而壁腔比与之相一致。一般来说 ,细胞壁愈小 ,
壁腔比值愈大 ,则愈适于制浆造纸。可以得出 3年
生构皮为最佳造纸原料 ,其次为 1、2、4年生构皮 ,总
之 ,年龄大的构皮壁腔比值越大 ,越不利于制浆。
表 2 不同年龄构皮纤维长度、宽度、长宽比
年龄 / a
长度 /mm
最小 最大 一般 平均
宽度 /μm
最小 最大 一般 平均
长宽比
1 4. 6 13. 2 7. 2～10. 0 8. 6 9. 8 34. 2 14. 7～22. 0 18. 8 457
2 4. 6 15. 2 6. 7～9. 8 8. 5 9. 8 36. 7 14. 7～22. 0 18. 7 455
3 3. 6 16. 6 7. 0～10. 7 9. 0 7. 3 26. 9 12. 2～22. 0 16. 8 535
4 6. 7 19. 6 8. 8～13. 0 11. 4 9. 8 29. 4 14. 7～22. 0 18. 3 623
5 5. 9 17. 2 8. 3～11. 9 11. 3 12. 2 29. 4 14. 7～22. 0 18. 9 598
6 4. 4 17. 1 6. 8～10. 4 8. 8 7. 3 44. 0 12. 2～22. 0 17. 1 515
7 3. 3 17. 5 6. 2～9. 8 8. 3 7. 3 26. 9 14. 7～22. 0 17. 6 472
表 3 不同年龄构皮纤维细胞壁厚、细胞腔径、壁腔比
年龄 / a
壁厚 (W ) /μm
最小 最大 一般 平均
腔径 ( d) /μm
最小 最大 一般 平均
壁腔比
(2W /d)
1 0. 90 10. 29 3. 97～7. 76 5. 40 0. 72 7. 20 1. 81～4. 33 3. 03 3. 56
2 2. 17 9. 57 3. 61～5. 78 4. 66 0. 72 7. 22 1. 44～3. 61 2. 59 3. 60
3 1. 45 8. 70 3. 64～6. 00 4. 90 0. 72 7. 27 1. 82～4. 36 3. 12 3. 14
4 1. 81 8. 13 4. 33～6. 32 5. 01 1. 81 7. 22 1. 81～3. 97 2. 80 3. 57
5 1. 64 9. 54 3. 64～6. 54 4. 98 0. 36 10. 20 1. 09～3. 64 2. 40 4. 17
6 1. 09 8. 55 3. 64～6. 18 4. 93 0. 36 6. 55 1. 45～3. 64 2. 45 4. 02
7 2. 17 10. 46 4. 33～7. 04 5. 66 0. 72 6. 49 1. 44～2. 89 2. 39 4. 74
834
第 4期 廖声熙等 :不同年龄构树皮的纤维、化学特性与制浆性能研究
2. 3 不同年龄构皮纤维长度分布频率
纤维长度是衡量植物纤维原料优劣最重要的指
标之一 ,纤维长度的分布对纸张的撕裂度、抗张强
度、耐破度、耐折度等纸张强度指标有着较大的影
响。从表 4可以看出 ,构皮的纤维长度分布最为集
中 ,主要分布于 7～13 mm,点总数的 8310% ,造纸性
能比较好 ,长度小于 5 mm的纤维仅占 111% ,而大
于 13 mm的占 5. 4% ,因此 ,就纤维平均长度和纤维
长度分布频率而言 ,构皮纤维达到了特优原料纤维
的标准。
构皮纤维随着年龄增大纤维逐渐生长变长 ,占
主要的 7 ～ 9 mm 范围内纤维比例由 2 年生的
5115%逐渐减少到第 3—5年的 2418% ,到第 6—7
年又增加到了 4313% ;在较长纤维 (11～13 mm )范
围内纤维比例 1—3年生平均为 618% ,到第 4—5年
迅速增加至 2918% ,第 6—7年又降到了 610% ;其
中 ,从第 3年开始 ,长纤维比例明显增加 , 9～11 mm
纤维从 2年生的 2215%猛增至 3610%。从以上看
出 ,年龄 3—5 a时为构皮纤维成熟期 ,纤维长度达
到最大 ,分布比较集中 ,可认为是构皮纤维长度的最
佳收获时期。而第 2年构皮的纤维均匀度最高 ,较
适合于制浆。
表 4 不同年龄构皮纤维长度分布频率 %
年龄 / a
纤维长度 /mm
≤5 5～7 7～9 9～11 11～13 13～15 15～17 ≥17
1 110 910 5110 3410 410 110 010 010
2 115 1410 5115 2215 815 210 015 010
3 110 1115 3910 3610 810 310 110 010
4 010 015 1415 3015 3715 1115 410 115
5 010 210 2110 4710 2210 515 210 015
6 115 1410 3915 3415 615 215 110 015
7 310 2115 4710 2115 515 115 010 010
平均值 111 1014 3716 3213 1311 318 112 014
214 不同年龄构皮纤维成浆性能评价
表 5, 6即是不同年龄构皮样品蒸煮试验和成浆
物理性能评价的结果。在相同蒸煮工艺条件下 ,不
同年龄构皮样品纸浆得率和硬度存在明显差别。纸
浆的硬度表示纸浆中还原性物质 (主要是残余木素
的含量 )的多少 ,硬度的高低可说明纤维原料成浆难
易程度。因此 , 3—6年生构皮较易成浆 , 1、2、7年生
构皮相对较难成浆。成浆的得率决定产品成本 ,是
衡量原料使用价值的主要综合评价指标之一。2—5
年生得率较高 , 1年生得率最低 ,其次 6—7年生 ,说
明年龄小和年龄大的构皮硬度较高 ,得率较低 ,其漂
白浆不易打浆且强度较低。因此 ,综合硬度和得率
两方面看 , 3—5年生构皮具有较优的制浆性能 ,其
次为 2、6年生构皮 , 1、7年生构皮稍差。
表 5　不同构皮未漂浆硬度、得率及残碱
年龄 / a 硬度 /Kappa值 残碱 / ( g·L - 1 ) 得率 /%
1 22108 2120 43140
2 21132 2169 46171
3 18169 3153 47139
4 11123 2144 44174
5 14170 2149 48112
6 16179 3115 44171
7 21155 3109 43163
表 6 不同年龄构皮硫酸盐浆手抄片物理性能检测
年龄 / a 定量 /( g·m - 2 )
厚度 /
mm
紧度 /
(m2 ·g - 1 )
抗张指数 /
(N·m·g - 1 )
撕裂指数 /
(mN·m2 ·g - 1 )
耐破指数 /
( kPa·m2 ·g - 1 )
耐折度
(918 N) /次
1 6014 0118 0132 2011 2212 118 33
2 6117 0116 0138 3311 2611 217 79
3 6210 0117 0137 3118 2118 216 82
4 6513 0121 0130 1819 3111 114 43
5 7113 0121 0134 1316 1710 112 16
6 5810 0117 0135 2615 2018 210 29
7 6114 0117 0136 2919 1913 211 69
据表 6结果方差分析 ,不同年龄所抄纸样的物
理性能指标存在显著差异 ,年龄不同对纸张的物理
性能影响较大。在实验室条件下 ,因为从纸张的匀
度出发而进行的切断较难控制 ,不能充分完成超长
934
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
纤维的打浆 ,从而所抄造的纸远不能充分反映构皮
这类原料的强度性能特点 [ 18 ]。如果从年龄对纸张
物理性能的影响进行分析 ,除 1年生外 ,年龄 2—3 a
手抄片有着较高的结合强度 (有较高的抗张和耐破
强度 ) ,与其他树种一样 ,低年龄构皮纤维细胞壁较
薄 ,纤维柔软 ,有利于成纸的结合。撕裂强度决定于
纤维的平均长度和纤维的结合力 ,以及纤维本身的
强度。撕裂强度会随年龄的增大而稍稍增加 ,但
5—7 a后趋于稳定。耐折强度主要决定于纤维本身
的强度 , 2—4年生构皮手抄片耐折度最高。
3 结果与讨论
构树韧皮具有纤维长、强度大 ,木素含量低 ,纤
维素含量较高的特点。1—7 a不同年龄构皮纤维长
度在 313～1916 mm之间 ,平均 9141 mm,纤维长宽
比为 522,为一般针叶树纤维长宽比的 6～10倍。在
实验室条件下 , 构皮纸浆得率 4518% , Kappa 值
1811,较一般针阔叶树易成浆 ,构皮纸浆耐破指数为
1187 kPa·m2 ·g- 1、撕裂指数 21199 mN·m2 ·g- 1、
耐折度 45次、抗张指数 23164 N·m·g- 1 ,因实验
室条件下不能充分完成超长纤维的打浆 ,撕裂指数
较高 ,耐破指数、耐折度偏低 ,所抄造的纸远不能充
分反映构皮这类原料的强度性能特点。构皮纤维
长 ,纤维素含量较高 ,具有良好的纤维形态等优良特
性 ,充分反映了它是纤维工业及造纸的优良原料。
分析表明 ,灰分和木素的含量随年龄的增加而
稍有增加 ,规律不明显 ,但第 7年的含量明显增大。
1%Na0H抽提物一直呈缓慢上升趋势 ,第 6—7年达
到最高。聚戊糖含量随年龄的变化均呈规律性增
长 ,变幅不大。综纤维素和硝酸 2乙醇纤维素随年龄
的增加而增加 , 1—5年生构皮纤维含量差异不显
著 ,至 6、7年生时开始大幅下降。构皮纤维平均长
度、纤维长宽比以及长纤维比例都随年龄的增长而
增加 ,至第 3—5 a增至最大 ,第 6年后呈快速下降趋
势。良好的造纸用纤维原料要求含纤维素高 ,木质
素少 ,灰分和抽出物含量少。从不同年龄构皮的化
学组成特征来看 , 2—5年生构皮灰分、抽提物含量
适中 ,木素、1%Na0H抽提物含量相对偏低 ,纤维素
含量较高 ,纤维长度、长宽比值大 ,壁腔比值小 ,得率
高 ,制浆造纸性能好。因此 ,要获得优质构皮纤维原
料 ,其理想收获生长周期为 2—5 a,考虑经济效益 ,
以 2—3 a为佳。
从年龄对纸张物理性能的影响看 ,除 1年生外 ,
2—3年生构皮浆有着较高的结合强度 (有偏高的抗
张和耐破强度 ) ,撕裂强度会随年龄的增大而稍微增
加 ,但 5—7 a后趋于稳定 ;耐折强度主要决定于纤
维本身的强度 , 2—4年生构皮耐折度最高 ,这与纤
维生长过程有关。从得率而言 , 2—5年生构皮得率
较高 , 1年生构皮得率最低 ,其次是 6—7年生构皮。
说明年龄太小和太大的构皮硬度较高 ,得率较低 ,其
漂白浆不易打浆且强度较低。因此 ,综合几方面测
定结果 , 2—5年生构皮具有较优的制浆性能 ,其次
为 6年生构皮 , 1、7年生构皮稍差。如果考虑培育
周期 ,经济投入产出比 ,以及当地构树生长量等因
素 ,建议收获 2—3年生构皮能有较好造纸性能和较
高经济收入。
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