小黑杨(Populus simonii × P.nigra)属杨柳科(Salix)杨属(Populus)，是青杨派与黑杨派的杂交品种，经过黑龙江、吉林、山西等地区复选、试种和推广，证明小黑杨适应性广泛，具有速生、抗寒、耐旱、抗病虫、树干通直圆满、材质洁白等优点(成俊卿，1985；中国林业科学院林业研究所，1958；王世绩，1995)。木材在形成过程中，一般分为幼龄材和成熟材，有关它们的细胞形态和物理力学性质方面的差异报道较多，一般认为幼龄材的物理力学性能比成熟材差，抗拉强度、弹性模量和抗弯强度均不同程度地低于成熟材(Panshin et al., 1980；Zobel et al., 1989；鲍甫成等，1998；骆秀琴等，2002；戴芳天等，2003；刘迎涛等，2005)。但是幼龄材和成熟材在制浆造纸方面是否存在差异至今未见报道。随着纸张需求量的增加以及短周期人工林的发展，如何合理利用小黑杨幼龄材和成熟材制浆造纸，对促进我国林纸一体化的发展有着重要意义。本文研究小黑杨木材幼龄材和成熟材的化学组成、纤维形态以及制浆性能，为小黑杨的工业化利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法 1.1 原料与试样制备

小黑杨采自山西省朔州市薛家庄林场，树龄为27~28年。按照国家标准GB/T 2677.1-1993，在同一块标准地共采集4棵，将基部、梢部和中部的25 cm木墩用剥皮刀把表皮全部剥尽，然后锯解成3~4 cm厚的圆盘，用电工刀分成熟材和幼龄材切成小薄片，充分混合，按四分法采取均匀样品木片约2 000 g。风干后，置入粉碎机中磨成细末，截取能通过40目而不能通过60目筛的样品。凉至室温后，贮存于1 000 mL带有磨砂玻璃塞的广口瓶中，用于化学组成的测定。另外将薄片劈成火柴棒大小，长×宽×厚为(30~40) mm×(6~7) mm×(3~5) mm，选择尺寸合格的试样备用, 经平衡水分后测定其含水率, 然后用于蒸煮试验(国家轻工业局质量标准处，1999)。

幼龄材参照木材构造特征测定后确定，小黑杨的幼龄期与成熟期的界限在10~12年，本试验规定12年以前为幼龄材，12年以后为成熟材。

1.2 试验方法 1.2.1 原料化学组成

按照国家标准GB/T 2677-1993、1994、1995所述的方法进行(国家轻工业局质量标准处，1999)。

1.2.2 纤维形态测定

参照国家标准GB/T 10336-1989测定。用10%的铬酸和10%的硝酸1:1混合后将试样离析，在投影仪下测定纤维长度。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纤维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。

1.2.3 制浆

蒸煮设备为容积为15 L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试验。卡伯值和聚合度分别根据GB/T 1546-1989和GB/T 1548-1989方法测定。

2 结果与讨论 2.1 木材的化学组成

木材是复杂的天然聚合物，其主要成分为纤维素、木质素和半纤维素，不均匀地分布于木材细胞和胞间层中；其次要成分有抽出物和灰分等(杨淑惠，2001)。木材组成的变异直接影响着木材的制浆性能。由表 1所示，小黑杨幼龄材和成熟材的苯醇抽出物平均含量分别为2.05%和1.43%，苯醇抽出物主要代表了木材中树脂、脂肪、蜡、可溶性单宁和色素等，其中树脂、脂肪容易与碱发生皂化反应而溶于水中，幼龄材苯醇抽出物含量高，意味着会增加碱法制浆时药品的消耗。小黑杨幼龄材和成熟材的木质素平均含量分别为20.82%和19.57%，木质素越多，制浆越困难，消耗的化学药品也越多。小黑杨幼龄材和成熟材的纤维素平均含量分别为50.52%和47.65%，纤维素含量高，制浆得率也高，这就意味着小黑杨幼龄材的制浆得率可能高于成熟材。小黑杨幼龄材和成熟材的综纤维素平均含量分别为77.26%和79.44%，综纤维素是纤维素和半纤维素的总和，也就是说，成熟材的半纤维素含量高于幼龄材，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。

由表 2所示，利用SPSS统计分析软件(黄海等，2001)，对小黑杨幼龄材和成熟材化学组成之间进行方差分析，结果表明：除了苯醇抽出物在0.05%水平上有显著差异外，其余化学成分差异都不显著。

2.2 木材纤维形态

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 3所示，小黑杨成熟材的纤维平均长度比幼龄材增加了5.01%。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，不均一性常用频率分布图表示。由图 1、2可知，幼龄材和成熟材的纤维长度分布符合正态分布，由图 1可以看出，小黑杨幼龄材纤维长度主要集中在500~1 100 μm，这一部分占总量的87.5%；由图 2可以看出，小黑杨成熟材纤维长度主要集中在600~1 100 μm，这一部分占总量的83.2%。

由表 3知，杨木幼龄材和成熟材的长宽比分别为37.45和36.32，壁腔比分别为0.38和0.39。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，此杨木长宽比偏小，但它的壁腔比也很小，这些对纸张强度都有影响。

2.3 木材制浆性能

选用用碱量、硫化度、保温时间为三因子在三水平下L₉(3⁴)列正交表，每组试验选用木材为80 g(绝干质量), 液比为1:4.5，蒽醌的用量为0.1%，升温时间90 min，最高温度165 ℃，用碱量均以Na₂O计。每组平行试验重复2次，取平均值。试验结果见表 4和表 7。

2.3.1 幼龄材制浆性能

极差大小反映该因子对指标影响的程度，极差越大影响越大。由表 5分析可知，对得率而言，A因子的极差最大，即表示用碱量随水平波动时对制浆的得率影响最大，是主要因素，其次是C保温时间，B硫化度对得率的影响最小。对卡伯值而言，保温时间的影响最大，是主要因素，其次是用碱量的影响，B硫化度对卡伯值的影响也最小。由表 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，保温时间对卡伯值的影响非常显著，用碱量对卡伯值的影响显著。因此由上面的分析可以得出, 在小黑杨幼龄材制浆过程中，用碱量和保温时间对浆料的卡伯值和得率影响很大，所以在制浆过程中要特别注意用碱量和保温时间的控制。在选择最佳工艺条件时应主要从这2个方面考虑。

极差分析的结果表明得率的优化条件是A₁B₁C₁，即14%的用碱量、20%的硫化度、30 min的保温时间。事实上保温时间越短，在碱性下纤维素降解少些, 得率相对高些。用碱量、硫化度直接决定了蒸煮液的碱性，那么碱性越低对纤维素损伤就越低，得率相对就高, 试验结果与理论相符。

从卡伯值极差分析的结果看，最优条件为A₃B₂C₃，即18%的用碱量、24%的硫化度、90 min的保温时间。保温时间长、用碱量高，脱木素就多，所以卡伯值小。从本试验看，硫化度也不是越高越好，虽然在硫酸盐蒸煮液中，由于S^2-和HS^-的强亲核作用，可以迅速地把木素大分子裂解变小融入蒸煮液中，加快脱木素的反应，但硫化度太大，会降低蒸煮液的碱性，反而阻碍了脱木素，故在硫化度为24%时卡伯值最低。

综合考虑得率和卡伯值后，选择A₂B₂ C₂为最佳的工艺条件，即16%的用碱量、24%的硫化度、60 min的保温时间。

采用SPSS多元统计法分析表 4数据，得到幼龄材纸浆卡伯值K、得率Y与各蒸煮参数之间关系式为：卡伯值K=29.816-0.763X₁-0.0296X₂-0.0606X₃, 回归方程的复相关系数R=0.977；得率Y=58.457-0.313X₁-0.0387X₂-0.0204X₃, 回归方程的复相关系数R=0.934。式中：X₁为用碱量，X₂为硫化度，X₃为保温时间。

2.3.2 成熟材制浆性能

由表 8分析可知，对得率而言，A和C极差最大，即表示用碱量和保温时间对制浆的得率影响最大，是主要影响因素，B硫化度对得率的影响最小。对卡伯值而言，用碱量的影响最大，是主要因素，其次是C保温时间，B硫化度对卡伯值的影响也最小。由表 9方差分析结果看，用碱量、保温时间和硫化度对得率的影响都不显著；用碱量和保温时间对卡伯值的影响非常显著，硫化度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A₁B₁C₁，即14%的用碱量、20%的硫化度、30 min的保温时间。从卡伯值极差分析的结果看，最优条件为A₃B₃C₃，即18%的用碱量、28%的硫化度、90 min的保温时间。

综合考虑得率和卡伯值后，选择A₂B₂ C₂为最佳的工艺条件，即16%的用碱量、24%的硫化度、60 min的保温时间。

采用SPSS多元统计法分析表 7数据，得到成熟材纸浆卡伯值K、得率Y与各蒸煮参数之间关系式为：卡伯值K=35.241-1.057X₁-0.0117X₂-0.0439X₃, 回归方程的复相关系数R=0.999；得率Y=59.658-0.413X₁-0.0375X₂-0.0258X₃, 回归方程的复相关系数R=0.944。式中：X₁为用碱量，X₂为硫化度，X₃为保温时间。

2.3.3 幼龄材和成熟材制浆性能的比较

将小黑杨幼龄材和成熟材在最佳制浆工艺条件下进行平行试验做制浆比较，其结果见表 10，条件为用碱量为16%，硫化度为24%，液比为1:4.5，蒽醌的用量为0.1%，升温时间90 min，保温时间为60 min，最高温度165 ℃，用碱量均以Na₂O计。

由表 10可以看出，小黑杨幼龄材的纸浆得率稍高于成熟材，这与它的纤维素含量稍高的结果相一致；卡伯值稍低于成熟材，可能与幼龄材中木质素容易脱出有关；制浆后幼龄材的浆料纤维平均长度和聚合度仍小于成熟材。

3 结论

1) 小黑杨幼龄材和成熟材的苯醇抽出物含量分别为2.05%和1.43%，木质素含量分别为20.82%和19.57%，纤维素含量分别为50.52%和47.65%，综纤维素含量分别为77.26%和79.44%，幼龄材和成熟材化学组成除了苯醇抽出物在0.05%水平上有显著差异外，其余化学成分的差异都不显著。

2) 小黑杨幼龄材和成熟材的纤维平均长度分别为798 μm和838 μm，长宽比分别为37.45和36.32，壁腔比分别为0.38和0.39。

3) 幼龄材制浆过程中，用碱量和保温时间对得率的影响非常显著；保温时间对卡伯值的影响非常显著，用碱量对卡伯值的影响显著。

4) 成熟材制浆过程中，用碱量和保温时间对卡伯值的影响非常显著，硫化度对卡伯值的影响显著。

5) 小黑杨幼龄材的纸浆得率稍高于成熟材，卡伯值稍低于成熟材，制浆后幼龄材的浆料纤维平均长度和聚合度仍小于成熟材。