厚壁型巨龙竹秆材的材性特征分析

成聃睿， 史正军， 刘瑞华， 刘蔚漪， 郑志锋， 辉朝茂， 邓 佳

(1.西南林业大学 云南省高校生物质化学炼制与合成重点实验室，云南 昆明 650224; 2.教育部省部共建西南山地森林资源保育与利用重点实验室，云南 昆明 650224)

·研究报告——生物质活性成分·

厚壁型巨龙竹秆材的材性特征分析

(1.西南林业大学 云南省高校生物质化学炼制与合成重点实验室，云南 昆明 650224; 2.教育部省部共建西南山地森林资源保育与利用重点实验室，云南 昆明 650224)

研究厚壁巨龙竹秆材的化学成分、纤维形态及基本密度等材性特征。材性特征研究显示，厚壁型巨龙竹秆材中不同部位的基本密度、化学成分及纤维形态存在一定的差异。其平均基本密度为0.68 g/cm3，属中等密度材；化学组成平均为：综纤维素71.01%、木质素26.12%、多戊糖15.96%；其纤维的平均长度2.19 mm、宽度19.61 μm、长宽比值111、壁腔比值1.78。总体上看，厚壁型巨龙竹的基本密度适中、综纤维素含量较高、纤维形态较为优良，可以满足造纸工业对原料的基本要求。

厚壁型巨龙竹；基本密度；化学成分；纤维形态

巨龙竹(DendrocalamussinicusL.C.Chia et J.L.Sun)系禾本科牡竹属，是世界上秆型最为高大的竹种，其秆高可达30 m以上，径粗可达30 cm以上。其单位面积产材量比我国主要经济竹种毛竹高5～8倍，是推广前景广阔的优良经济竹种[1]。巨龙竹资源材质优良、用途广泛，是特大型秆材、特种工艺品、新型竹建筑、人造板、竹炭及其制品、竹浆及造纸等产品的极佳原料[2]。然而，目前巨龙竹资源的综合利用较少，有关其化学成分及纤维形态等材性特征的研究报道有限，近期有研究报道巨龙竹有薄壁和厚壁之分化[3]，薄壁型巨龙竹与厚壁型巨龙竹的主要区别在竹材的厚度不同，此外，厚壁型巨龙竹根部的竹节生出较多的气生根，而薄壁型巨龙竹较少。本研究选取厚壁型巨龙竹秆材作为实验材料，系统分析其化学成分、纤维形态及基本密度等材性特征，以期为巨龙竹资源的推广利用提供可靠的科学依据。

1 实 验

1.1 材料

厚壁型巨龙竹，于2014年5月采自云南省普洱市孟连县。选取正常生长、无病虫害的3年生竹株，去除梢和侧枝后，将竹秆均分为根部、中部、梢部3段，并分别削成竹片备用。分别取部分竹材用作纤维形态和基本密度的测定，其余用粉碎机粉碎。

1.2 分析测试方法

1.2.1 化学成分 采用粉碎机将具有代表性的根部、中部、梢部竹片分别进行粉碎，取粒径245～350 μm的竹粉，保存于1 L广口瓶中，备用。

巨龙竹的化学组成测试包括灰分、水分、综纤维素、1%氢氧化钠抽出物、冷水抽出物、热水抽出物、酸不溶木质素、酸溶木质素、多戊糖、乙醚抽出物和苯-醇抽出物等11项指标。各指标分别按照造纸原料分析方法国家标准(GB/T 742—2008，GB/T 2677.2—2011，GB/T 2677.10—1995，GB/T 2677.5—1993，GB/T 2677.4—1993，GB/T 2677.8—1994，GB/T 10337—2008，GB/T 2677.9—1994，GB/T 2677.6—1994)进行测定。

1.2.2 纤维形态 分别选取具有代表性的根部、中部和稍部竹片切成火柴杆状，然后用体积比1 ∶1的冰乙酸和双氧水溶液在试管中对竹条进行纤维解离，直至竹条变为白色，然后摇晃试管直至竹材纤维均匀散开分布在溶液里，最后用解离出来的纤维制作玻片，用显微镜测量纤维长度和宽度；另外选取上述3种竹片切成长2 cm、宽1 cm的竹块，然后用体积比1 ∶1的冰乙酸和双氧水溶液对竹块进行软化处理，等竹材软化后制作切片，用显微镜测量纤维细胞的腔径和壁厚。

1.2.3 基本密度 巨龙竹基本密度的测试方法参照GB/T 15780—1995。

2 结果与分析

2.1 化学成分测试

厚壁型巨龙竹秆材化学成分测定结果详见表1。

表1 厚壁型巨龙竹及其它造纸纤维原料化学成分Table 1 The chemical composition of Dendrocalamus sinicus and other fibrous raw materials %

2.1.1 灰分 由表1可知，厚壁型巨龙竹梢部的灰分最大，为4.99%，其原因是竹材稍部的纤维细胞比其它部位多，薄壁细胞相对较少，细胞壁的厚度相对较大，而灰分沉积在细胞壁中，故竹材梢部的灰分更大。厚壁型巨龙竹平均灰分为4.28%，高于其它几种参比竹材和木材原料，低于麦草的灰分含量。在化学法制浆过程中，若原料中的灰分过高，则不利于碱液的回收。厚壁型巨龙竹中的灰分在制浆造纸过程中不会产生较大的不良影响。

2.1.2 木质素 由表1可知，厚壁型巨龙竹梢部木质素含量略高于中部、根部，但各部位相差不大。厚壁型巨龙竹平均木质素含量适中，质量分数为26.12%，与其它参比原料相比，略高于毛白杨和麦草，低于慈竹、毛竹、马尾松和云南甜竹。在制浆过程中，纤维原料的木质素含量高，会造成蒸煮和漂白困难，化学药品用量大；若纸浆中的木质素残留量多，则容易引起纸张返黄[6]。

2.1.3 综纤维素 从纵向分布来看，厚壁型巨龙竹的综纤维素含量从根部到梢部未呈现出显著的变化趋势。厚壁型巨龙竹平均综纤维素质量分数71.01%，低于其它几种参比原料。综纤维素含量越高，则可能得到的纸浆得率越高[7]。

2.1.4 多戊糖 厚壁型巨龙竹各个部位多戊糖含量无明显差别，平均多戊糖质量分数15.96%，与其它纤维原料相比多戊糖含量适中。纸浆中的多戊糖含量是影响纤维打浆性能和纸张透明性的因素之一，多戊糖含量高利于打浆，纤维结合的机械强度也相应较好[8-11]。

2.1.5 抽出物 厚壁型巨龙竹中水抽出物从根部到梢部呈现出递减趋势，平均冷水抽出物质量分数5.52%、热水抽出物质量分数6.60%、1% NaOH抽出物质量分数为20.43%。纤维原料的乙醚抽出物主要成分为脂类化合物。乙醚抽出物含量过高会妨碍蒸煮，蒸煮不当可能会降低纸张强度[6]。苯-醇抽出物含量过高，对蒸煮时间、药品用量以及成纸的颜色都有一定负面影响。厚壁型巨龙竹的乙醚抽出物质量分数为0.34%，低于云南甜竹、毛竹和慈竹。苯-醇抽出物质量分数为3.73%，高于其它几种参比原料，由于苯-醇抽出物质量分数较高，在蒸煮时应适当增加时间及药品用量。

2.2 基本密度及纤维形态测试结果

2.2.1 基本密度 造纸原料的基本密度对制浆过程有较大影响。纤维原料的密度太小，会导致单位蒸煮器装锅量的下降，生产线产能的降低，但有利于制浆过程化学药液的渗透；反之，密度过大则有利于提高单位蒸煮器的装锅量，增加生产线的产能，但会造成原料在蒸煮过程中化学药液的渗透困难，因此，中等密度的纤维原料对制浆较为有利[12]。厚壁型巨龙竹梢部、中部和根部的基本密度分别为0.87、0.67和0.51 g/cm3，从根部到梢部呈递增趋势，其主要原因是，竹材梢部的细胞中纤维细胞较多而薄壁细胞较少，其细胞壁更厚，因此梢部的基本密度大，根部的纤维细胞比梢部少而薄壁细胞多，故根部的细胞壁薄，基本密度低。厚壁型巨龙竹平均基本密度为0.68 g/cm3，属中密度材，略低于毛竹[13]，略高于慈竹[12]，高于马尾松[14]。

2.2.2 纤维形态 造纸原料的纤维形态与纸张的性能密切相关，纤维长度及长宽比对纸张强度和质量有较大影响[15-16]。厚壁型巨龙竹的纤维形态测试结果如表2所示，从表2可以看出，厚壁型巨龙竹的纤维平均长度和宽度从根部至梢部逐渐降低，但纤维的长宽比逐渐增大；纤维的平均长度为2.19 mm，宽度19.61μm，长宽比值为111。和常见造纸纤维原料相比，厚壁型巨龙竹的纤维比云南甜竹(2.65 mm)[17]和马尾松(3.61 mm)[5]短，比其它参比原料长；纤维的长宽比值小于云南甜竹(174)，和毛竹(123)[5]、麦草(114)[5]接近，远大于马尾松(72)，较长的纤维长度有利于提高纸张的耐折度、抗张强度等强度性能[12]。

表2 厚壁型巨龙竹纤维形态Table 2 The fiber morphology of Dendrocalamus sinicus

壁腔比是细胞双壁厚与腔径的比值，是影响成纸性能的重要因素之一。一般来说，壁腔比小的纤维柔韧性好，在抄纸过程中有利于纤维的结合，成纸强度高、质量好[17]。从纵向上看，厚壁型巨龙竹梢部细胞壁最薄，腔径最大，壁腔比值为1.35，小于中部及根部。从整体上看，厚壁型巨龙竹壁厚6.25 μm，腔径7.00 μm，壁腔比值为1.78，小于毛竹(4.55)和麦草(4.16)，大于云南甜竹(0.38)和马尾松(1.05)。需要注意的是，壁腔比值是否小于1通常被用来判定造纸纤维原料的优劣[18]，因此，尽管厚壁型巨龙竹纤维壁腔比值远远小于毛竹和麦草，但总体来看，其柔韧性依然略显不足。

2.2.3 纤维长度的分布 在制浆造纸过程中，常根据纤维长度的分布来确定不同纸浆原料的相互配比[19-20]。厚壁型巨龙竹的纤维长度分布如表3所示。由表可知，厚壁型巨龙竹的纤维长度主要集中在1.5～3.0 mm之间，长度在2 mm以上的占56.6%，长度超过3 mm的纤维占15.2%。与其他参比原料相比，厚壁型巨龙竹纤维长度分布与毛竹相近，其长度在2.0 mm以上纤维比例小于云南甜竹(75.2%)[17]和马尾松(91.5%)[5]。总的来看，从纤维长度的分布来看，厚壁型巨龙竹符合制浆造纸对原料的基本要求。

表3 厚壁型巨龙竹纤维长度分布Table 3 Frequency distribution of fiber length of Dendrocalamus sinicus

3 结 论

3.1 厚壁型巨龙竹秆材的材性特征研究表明，竹材不同部位的基本密度、化学成分及纤维形态存在一定的差异。基本密度从根部到梢部呈现出递增趋势，梢部纤维更加细长，且壁腔比更小。厚壁型巨龙竹秆材的基本密度为0.68 g/cm3，属中密度材。

3.2 对厚壁型巨龙竹的化学成分分析分明，综纤维素质量分数较高，为71.01%，木质素质量分数为26.12%，多戊糖质量分数为15.96%。

3.3 纤维形态测试结果显示，厚壁型巨龙竹的纤维平均长度为2.19 mm，宽度为19.61 μm，长宽比值为111，壁腔比值为1.78，纤维形态较为优良；可以满足造纸工业对原料的基本要求。

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Properties of Bamboo Culm fromDendrocalamussinicus

CHENG Dan-rui1, SHI Zheng-jun1, LIU Rui-hua2, LIU Wei-yi2, ZHENG Zhi-feng1, HUI Chao-mao2, DENG Jia2

(1.University Key Laboratory of Biomass Chemical Refinery & Synthesis,Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2.Key Laboratory for Forest Resources Conservation and Use in the Southwest Mountains of China,Southwest Forestry University， Kunming 650224, China)

The basic density,component contents,and fiber morphology of bamboo culm (DendrocalamussinicusL.C.Chia et J.L.Sun) were analysed in this paper.The results indicated that these properties shown a certain amount of difference in different parts of bamboo culm.The basic density of the bamboo culm was 0.68 g/cm3,which was in the middle level among lignocellulosic biomass.In addition,the contents of holocellulose,lignin and pentosane were 71.01%,26.12% and 15.96%,respectively.The fiber length,fiber width,length/width ratio,and wall thickness/fiber lumen diameter ratio of the bamboo culm were 2.19 mm,19.61 μm,111 and 1.78,respectively.Overall,D.sinicusis one of qualified materials for pulping and papermaking due to its modest basic density,higher holocellulose content and better fiber morphology compared with other common fibrous raw materials.

Dendrocalamussinicus;basic density;chemical composition;fiber morphology

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.04.009

2014-10-29

国家自然科学基金资助项目(31260165)；林业科技成果国家级推广项目([2012]66)；云南省竹藤科学创新团队建设项目(2008OC001)

成聃睿(1990—)，男，四川成都人，硕士生，从事林产化工的研究工作

*通讯作者：邓 佳，讲师，博士，研究方向为森林培育与利用；E-mail:dengjia1983@163.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)04-0045-04