大麻秆芯的物理性质和化学组分

唐晓莉，马灵飞

（浙江农林大学 工程学院，浙江 临安311300）

大麻Cannabis sativa属大麻科Cannabaeeae，俗名汉麻、寒麻、线麻、花麻等，英文名hemp，其品种有150个左右，主要分布在亚洲和欧洲。中国主产区为黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、山东及安徽等省。2005年，世界大麻的栽培面积约为5.2万hm2，产量约为6.7万t；其中中国约为1.0万hm2，2.6万t［1］。近些年来，由于脱胶纺纱工艺的重大突破和低毒雌雄同株大麻新品种培育推广，使人们开始重新认识和肯定大麻纤维及种子的工业用途。世界各国纷纷修订农业政策，废除大麻种植禁令，恢复大麻生产。中国大麻种植面积也在大幅度提高，根据国家产业发展计划，到2020年，全国大麻种植面积将达到67.0万hm2。近年来，人们对森林剩余物资源以及农作物剩余物资源等生物材料资源的综合高效利用分析研究越来越重视［2－3］。大麻全秆由韧皮部、秆芯部、髓部等组成，其中大麻的韧皮部占全秆质量的20%左右，由于可直接用于纺织加工，附加值较高，而大麻秆芯占全秆质量的70%～80%［4］，因此，研究大麻秆芯的物理性能和化学组分，对大麻的综合利用具有积极的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用大麻秆芯从山东肥城购得。将180 cm长度的大麻秆芯分成上部、中部、下部3个部位，从下至上60 cm处为下部，60～120 cm为中部，120～180 cm为上部。

由于大麻秆芯为空心材料，参考GB/T 1928－2009木材物理力学性质试验方法总则，从大麻秆芯上取样，尺寸为5 mm（宽）×20 mm（高）×t mm（秆芯壁厚），上部、中部、下部各取30个，从30株不同大麻秆芯上共取下90个作为大麻秆芯壁试样。另外，保持大麻秆芯空心形状取样，长度为10 mm，上部、中部、下部各取30个，从30株不同大麻秆芯上共取下90个作为大麻秆芯试样。以上试样分别用于尺寸、密度、干缩率和吸水率的测定。

大麻秆芯的化学组分测定包括综纤维素、酸不溶木素、（冷水、热水、10 g·kg－1%氢氧化钠、苯醇）抽出物、水分和灰分等指标。取不同的10株大麻秆芯，分为上、中、下3个部分，即各部分为10个样品，在植物粉碎机中粉碎混合，筛取40～60目的大麻秆芯粉（约500 g）为试样，分袋存储备用。

1.2 试验方法

参考《GB/T 1933－2009 木材密度测定方法》《GB/T 1932－2009 木材干缩性测定方法》和《GB/T 1934.1－2009木材吸水性测定方法》对大麻秆芯的上部、中部和下部进行密度、干缩率和吸水率的测定。

综纤维素依据 《GB/T 2677.10－1995造纸原料综纤维素含量测定》，酸不溶木素依据 《GB/T 2677.8－1994造纸原料酸不溶木素含量的测定》，冷水、热水抽出物依据 《GB/T 2677.4－1993造纸原料水抽出物含量的测定》，苯醇抽出物依据《GB/T 2677.6－1994造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》，10 g·kg－1氢氧化钠抽出物依据《GB/T 2677.5－1993造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量的测定》，灰分依据《GB/T 2677.3－1993造纸原料灰分的测定》，水分依据《GB/T 2677.2－1993造纸原料水分的测定》进行测定。

2 结果与分析

2.1 尺寸

大麻秆芯端面形状可近似为方形中空。从表1可见，大麻秆芯的外宽为8.33 mm，内宽为4.26 mm，双壁厚为4.07 mm。秆壁率［5］用来表示毛竹竹壁相对厚度，这里秆壁率=双壁厚/外宽×100%，用来表示大麻秆芯壁相对厚度，大麻秆芯的杆壁率随高度增加而变小，平均秆壁率为46.74%，具有较大的空腔。

表1 大麻秆芯尺寸数据Table 1 Dimension data of hemp core

2.2 密度

从表2可见，大麻秆芯壁的密度和秆芯整体的密度均为下部最小，中部次之，上部最大，即随高度增加密度增大。但前者上下差异较大，后者差异相对较小。大麻秆芯壁的气干密度为0.240 g·cm－3，秆芯整体密度为0.193 g·cm－3，大麻秆芯整体密度较大麻秆芯壁的密度小，因此能保持大麻秆芯的空心状态，是更理想的低密度人造板原料。参考木材物理性质五级分级法［6］，大麻秆芯气干密度比木材的小级更小。

2.3 干缩率

干缩性是木材所含水分在纤维饱和点以下时，其尺寸或体积随含水率降低而缩小的性质，也是衡量木材优劣的重要指标之一。根据体积干缩率5级分级法［6］，由表3和表4大麻秆芯体积气干干缩率为7.29%～13.25%，属于中小级，说明大麻秆芯的尺寸稳定性较好。大麻秆芯干缩的各向异性主要是由大麻秆芯的构造特点造成的，干缩率大小为纵向＜径向＜弦向，与木材干缩的各向异性特点相似，且大麻秆芯的干缩性变异性较大，特别是保持空心状态时的干缩性变异性更大。

表2 大麻秆芯和秆芯壁的密度Table 2 Density of hemp core and core wall

表3 大麻秆芯壁的干缩率Table 3 Shrinkage ratio of hemp core wall

表4 大麻秆芯的干缩率Table 4 Shrinkage ratio of hemp core

2.4 吸水率

大麻秆芯的吸水率与防腐、防虫药剂的浸注，制浆造纸工业的蒸煮和油漆、胶合、着色等都具有密切的关系。大麻秆芯是多孔性材料，其微观构造和理化性能与木材很相似，因此大麻秆芯同样具有吸水率。

图1是不同部位大麻秆芯壁的吸水率，大麻秆芯壁吸水率在开始的6 h可达243.82%，24 h吸水率达317.94%，40 d后可达563.46%，是秆子本身质量的5.6倍。

图2是不同部位大麻秆芯的吸水率，大麻秆芯吸水率在开始的6 h可达220.79%，24 h吸水率达299.91%，40 d后可达530.79%，将近秆芯质量的5.3倍。

从图1和图2可以看出，大麻秆芯壁和秆芯的吸水率都为上部最大，中部次之，下部最小，即随高度增加吸水率增大。将全干的大麻秆芯放入水中，开始吸水速度很快，到12 d后，吸水速率减慢，逐渐趋于平缓。

2.5 化学组分

大麻全秆由韧皮部、秆芯部和髓部3个部分组成，其中大麻的韧皮部占全秆质量的20%左右，由于可直接用于纺织加工，附加值较高，而大麻秆芯占全杆质量的70%～80%，它的纤维素少，木质素等杂质多，如何提高大麻秆芯的附加值是极有价值的研究。

图1 秆芯壁吸水率与时间的关系Figure 1 Relationship between time and hemp core wall

图2 整秆芯吸水率与时间的关系Figure 2 Relationship between time and hemp core

纤维素质量分数的高低对制浆得率的多少起决定性的作用，它是衡量造纸性能的一个重要指标。一般认为植物纤维原料的纤维应在400.0 g·kg－1以上［7］。国内外关于大麻秆芯化学性能的研究，主要是比较大麻韧皮纤维和木质芯部纤维之间化学组分的差异以及对制浆性能的影响。笔者着重研究大麻秆芯不同部位化学组分的变化，结果见表5。从表5可见，大麻秆芯的不同部位化学组分变化规律不显著，各化学组分与其他文献研究结果相近。

表5 大麻秆芯化学组分Table 5 Chemical composition of hemp core different parts

3 结论

大麻秆芯端面形状近似为方形中空，尺寸数据为：外宽8.33 mm，内宽4.26 mm，双壁厚4.07 mm，秆壁率46.74%，秆壁率随高度的增加而减小；大麻秆芯壁的密度较秆芯整体密度大，且均为下部最小，中部次之，上部最大，即随高度增加，密度增大。大麻秆芯干缩的各向异性主要是由大麻秆芯的构造特点造成的。大麻秆芯壁干缩率比大麻秆芯的大，干缩率大小为纵向＜径向＜弦向，与木材干缩的各向异性特点相似。大麻秆芯壁的吸水率到12 d后趋于稳定，40 d后的平均值可达563.46%，大麻秆芯整体的吸水率规律也与秆芯壁一致，40 d后的平均值可接近530.79%，吸水率较木材大。

大麻秆芯的综纤维素质量分数为 799.1 g·kg－1，木素质量分数为 191.6 g·kg－1，灰分为 14.8 g·kg－1；抽出物包括热水抽提、冷水抽提物、苯醇抽提物和10 g·kg－1氢氧化钠抽提物质量分数分别为56.6，42.6，57.2 和 308.1 g·kg－1。

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