9年生纸浆材桤木与台湾桤木的纤维形态差异

姬 宁 潘 彪 王晶晶 刘 竹

(1.贵州省林业科学研究院 贵阳 550005；2.南京林业大学 南京 210007；3.张家港进出口检验检疫局江苏张家港 215600)

桤木(Alnuscremastogyne)，桦木科桤木属，又名水青冈、水冬瓜等，是我国西南地区优良的速生阔叶材之一[1]。其木材材质轻软，硬度适中，旋切加工性能良好，可用于人造板及家具表面装饰。还具有比重轻、壁腔比小和纤维长度大等优点，也是优良的纸浆纤维用材[2]。目前，国内已展开了桤木作为优良造纸材的改良研究以及桤木KP和TMP(CTMP)纸浆工艺、桤木浆与马尾松浆或脱墨浆配抄胶印新闻纸和胶印书刊纸以及纸质包装用品的研究[3]。

台湾桤木(Alunsformosana)是台湾高海拔地区最重要的先锋造林树种。相比较于其他桤木木材，台湾桤木纹理直、韧性好、干燥性能良好，是家具及木制品制造的优选树种。目前，已经有研究对台湾桤木木材、枝丫等作为原料生产中密度纤维板、刨花板和用于造纸等进行了探索[4]。

桤木和台湾桤木都是重要的植物纤维资源。木纤维对纸浆和纸制品的影响很大，是评价木材是否适合造纸的重要因素。为了能够更好地为纸浆材树种的材性改良提供理论依据和实践指导，本研究对9年生桤木与台湾桤木的纤维形态及其径向变异规律进行了比较研究。

1 材料和方法

1.1 试材的取制

试验材料取自福建来舟林场，选取桤木与台湾桤木各3株，具体采集记录见表1。在每株的胸高部位(树高1.3m处)各取一圆盘，厚度7～10cm，并在圆盘南北向取约4cm宽中心条为解剖性质研究对象。

表1 试材采集记录表

1.2 测定方法

桤木及台湾桤木为典型的散孔材，考虑到年轮内纤维长度的变异，因而在中心条南向每年轮的中间部分切取薄片作为试样。用富兰克林离析法将试样解离，用番红染色，制成临时试片。采用与计算机相联的Nikon Alphaphot-2 YS2型显微镜观察切片，用计算机Motic Image 软件拍照并测量，40倍放大倍数测量纤维的长度，400倍放大倍数测其内外径。每年轮测定80张照片，研究其纤维形态及径向变异规律并对两树种进行比较研究。

2 结果与分析

2.1 纤维长度

纤维长度是造纸用纤维形态中最重要的形态参数。它对于成纸性质具有很大影响，如较长的纤维长度可以获得较高的撕裂强度、抗拉强度和耐折强度[5～7]。

表2 纤维长度频率分布

如表2和图1所示，9年生桤木的纤维长度呈正态分布，主要集中在900μm～1500μm之间，占78.3%；9年生台湾桤木的纤维长度也呈正态分布，主要集中在900μm～1700μm之间，占84.49%。根据国际木材解剖学协会理事会1937年公布的木纤维长度分级标准，桤木与台湾桤木人工林的纤维均属于中等纤维。

表3 桤木与台湾桤木纤维形态比较

如表3所示，从整体上看，桤木的纤维长度分布在674.24～1865.65μm之间，平均值为1208.48μm；台湾桤木的纤维长度分布在633.31～1987.56μm之间，平均值为1258.89μm；台湾桤木的纤维长度要大于桤木的纤维长度，方差分析显示纤维长度种间差异显著。

图1 纤维长度频率分布图

在造纸工业上，平均长度低于0.4 mm者不宜单独用作造纸原料，至多只能以填料浆的形式少量配用；而平均长度大于5 mm者，一般难于抄出匀度较好的纸张，浆料容易浆凝，不利于造纸工业[8]。因此，从纤维长度这项指标来评价，桤木纤维与台湾桤木纤维的长度均符合造纸工业的要求，适宜作为造纸材料。在实际生产中，桤木木材已作为一种优良的漂白硫酸盐浆原料而被广泛使用。台湾桤木也在造纸工业和其他纤维工业发挥着巨大的作用，有学者以麻六甲合欢(Albizziafalcata)、台湾桤木、枫香(Liquidambarformosana)、和山黄麻(Tremaorientalis)四种速生树种作原料，进行硬质纤维板比较实验，其中以台湾桤木纤维板性能为最优[9]。

图2 纤维长度径向变异

从图2可以看出，在径向变化上，桤木与台湾桤木人工林一样，髓心处纤维长度最短，随着生长轮数的增加，纤维长度也随之增加。除第一轮外，台湾桤木纤维每轮都长于桤木，平均为桤木的1.45倍。由图2可发现，两树种纤维长度的径向变异仍为上升趋势，还没有达到稳定状态，可见9年生的桤木与台湾桤木仍处于幼龄材阶段。

2.2 纤维宽度与双壁厚的比较

纤维胞壁的厚薄和体积对纸性也有一定的影响。研究认为，壁薄腔大的纤维在外力作用下易溃陷变形，被压扁而呈带状，以增大纤维表面积，提高其结合力，纸的耐破度和抗拉强度较大[10]。

如表3所示，从整体上看，桤木的纤维宽度分布在13.19～42.91μm之间，平均值为24.23μm；台湾桤木的纤维宽度分布在14.55～39.44μm之间，平均值为25.33μm；台湾桤木的纤维宽度大于桤木的纤维宽度，方差分析显示纤维宽度种间差异显著。

图3 纤维宽度径向变异

由图3可见，逐年轮比较其纤维宽度，发现台湾桤木的纤维宽度每年都大于桤木，平均比桤木宽4.52%。在径向方向上，桤木与台湾桤木人工林纤维宽度都由髓心向树皮随生长轮数的递增而递增。许多学者对纤维宽度的径向变异进行了深入广泛的研究，结果表明：针叶树材径向变异有规律，即认为管胞宽度与长度之间存在相关性；而阔叶材总的变化趋势是适度增加，桤木人工林与台湾人工林均符合适度增加这一规律[11]。

图4 纤维双壁厚径向变异

由图4可见，逐年轮比较发现桤木的纤维双壁厚每轮均大于台湾桤木，平均为台湾桤木的1.17倍。在径向方向上，桤木与台湾桤木人工林纤维双壁厚的变异趋势与纤维宽度的变异趋势一致，均由髓心向树皮随年轮数的递增而递增，桤木的增加幅度较大，递增率1.11%～24.67%，台湾桤木的增加幅度相对较小，递增率4.14%～13.69%。

从纤维宽度及双壁厚这两项指标评价，台湾桤木木纤维的胞壁薄于桤木，而腔却大于桤木。因此，台湾桤木的纤维形态更有利于纸张成型及纤维成型和纤维交织，但由于壁厚腔小的纤维撕裂强度较高，因而桤木纤维更能提高纸张的撕裂强度。

2.3 纤维长宽比的比较

纤维长宽比为纤维长度总平均值与纤维宽度总平均值之比，是纤维长度和纤维宽度共同作用的结果[12]。它是评价纤维形态的重要指标，仅次于纤维长度。

如表3所示，从整体上来看，桤木的长宽比为25.95～99.58之间，平均值为51.62；台湾桤木的纤维长宽比为31.55～88.48之间，平均值为51.38；桤木的纤维长宽比大于台湾桤木，方差分析显示纤维长宽比种间差异不显著。

由图5可见，桤木纤维长宽比最小值出现在第1轮处，最大值出现在第7轮处。台湾桤木纤维长宽比最小值出现在第1轮处，最大值出现在第9轮处。在径向方向上，桤木与台湾桤木人工林纤维的长宽比都在总体上呈现出由髓心向树皮随生长轮数的递增而递增的趋势，规律性明显，略有波动。

有学者研究认为，长宽比值大，打浆时纤维就会有较大的结合面积，纸张撕裂指数高，成纸强度高；反之则不宜打浆，成纸强度低。一般而言，长宽比大于35，就是适合于造纸的材料[13]。因此，从纤维长宽比这项指标来评价，桤木人工林与台湾桤木人工林纤维的长宽比都是适于造纸工业的。

图5 纤维长宽比径向变异

通过比较图2和图5可见，不论是桤木还是台湾桤木，纤维长宽比径向变异曲线都与纤维长度的径向变异曲线极为相似。其根本原因在于纤维宽度径向变异相对于纤维长度径向变异要平缓得多，因此，纤维长宽比的径向变异主要是纤维长度变异的结果。有学者研究了纤维长宽比与纤维长度、宽度的关系，相关分析表明，纤维长宽比与长度在0.01水平下呈显著正相关，相关系数达0.984，是形态因子中最相关的一对，而长宽比与宽度相关不显著[11]。

2.4 纤维壁腔比的比较

纤维壁腔比即纤维双壁厚与腔径之比。如表3所示，从整体上看，桤木的壁腔比为0.14～1.63，平均值为0.60；台湾桤木的纤维壁腔比为0.19～1.37，平均值为0.45；桤木的壁腔比大于台湾桤木，方差分析显示纤维壁腔比种间差异显著。

图6 纤维壁腔比径向变异

由图6可见，桤木纤维壁腔比最小值出现在第1轮处，最大值出现在第8轮处。台湾桤木纤维长宽比最小值出现在第1轮处，最大值出现在第9轮处。桤木纤维壁腔比每轮均大于台湾桤木，平均为桤木纤维壁腔比的1.34倍。在径向方向上，桤木与台湾桤木人工林纤维的壁腔比都在总体上呈现出由髓心向树皮随生长轮数的递增而递增的趋势，规律性明显，略有波动。

资料显示，纤维壁腔比是造纸工业衡量纤维原料好坏的重要标准之一。它的大小影响纸张的性能：一般认为壁腔比小的纤维易于结合，纸张强度大；而壁腔比大的纤维难以结合，纸张强度低。就壁腔比的研究Runkel曾提出如下关系[14]：第一组：纤维壁腔比小于1(2W/L<1)者为上等造纸原料；第二组：纤维壁腔比等于1(2W/L=1)者为中等造纸原料；第三组：纤维壁腔比大于1(2W/L>1)者为劣等造纸原料。(其中W-平均细胞壁厚度(μm)，L-平均细胞腔直径(μm))。

因此，从纤维壁腔比这项指标来评价，桤木与台湾桤木的纤维壁腔比均小于1，均为上等造纸原料。有学者研究了纤维壁腔比与纤维壁厚的关系，相关分析表明，纤维壁腔比与纤维壁厚存在一定的正相关，与腔径存在一定的负相关。

3 结论

两树种9年生人工林纤维形态特征研究分析可知：桤木的纤维双壁厚、纤维长宽比、纤维壁腔比均大于台湾桤木，而纤维长度、纤维宽度则小于台湾桤木。根据方差分析，发现纤维长度、纤维宽度、纤维双壁厚以及壁腔比种间差异显著，纤维长宽比种间差异不显著。根据造纸工艺原理判断：两树种均属于优质的纤维原料，非常适合用来制造纸张或纤维板。