日本落叶松(Larix kaempferi)具有生长迅速、适应范围广、病虫害少、可无性繁殖和造林成活率高等特点(马常耕, 1992)。自19世纪末引入我国以来, 一直受到林业研究者的普遍关注和重视。日本落叶松在我国的生长速度普遍比本土落叶松快，显示出了巨大的生产力和广幅的生态适应性，其人工林在速生丰产林中所占比例较大，而且在辽宁、湖北、河南和甘肃等地区进行大面积试验种植的日本落叶松也已经成林，亟待寻找新的应用领域(马常耕等, 1990；马常耕，1992；贺眉寿, 1994；董健等，1994)。因此，合理经济地利用日本落叶松对我国造纸工业和林业的发展以及促进林纸一体化的进程都有着十分重要的意义。

本研究分别对12、15和23年生3种不同树龄甘肃小陇山林区日本落叶松的化学组成和硫酸盐法制浆性能的差异进行了比较，分析了日本落叶松用于制浆造纸的较适宜树龄，其结果可为日本落叶松在制浆造纸工业领域的应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 原料与试样制备

试验原料由中国林业科学研究院提供，为2003年3月在甘肃小陇山林区砍伐的3种不同树龄(12、15和23年生)日本落叶松, 其胸径分别为8.5 cm、11~12 cm和16~18 cm。每个树龄取样3株，每株树取树木中部胸高处圆盘作为试样进行分析。将原料去皮后风干、削片，平衡水分后供制浆试验用。同时, 选取有代表性的试样用Willey磨粉碎，取40~60目间的木粉，平衡水分后供进行原料的化学组成分析用。

1.2 仪器与设备

气相色谱仪：日本岛津GC-7890型；电热回转式蒸煮锅：容积15 L，内装4个容积2 L的小罐；PFI磨：芬兰制造标准磨浆机；Rapid Köthen纸页成形器：德国制造，电热真空干燥，抄造ϕ200 mm圆形纸页；L & W筛浆机：筛板筛缝0.3 mm；纸浆标准疏解机：英国；纸浆物理强度测定仪器：L & W公司纸张抗张强度仪、耐破度仪、撕裂度仪、耐折度仪等。

1.3 试验方法 1.3.1 原料化学组成的分析

各项分析均按照国家标准方法(国家轻工业局质量标准处, 1999；石淑兰等，2003)进行。水分的测定参照GB/T 2677.2-1993；灰分含量的测定参照GB/T 2677.3-1993；水抽出物含量的测定参照GB/T 2677.4-1993；1%NaOH抽出物含量的测定参照GB/T 2677.5-1993；苯-醇抽出物含量的测定参照GB/T 2677.6-1994；综纤维素含量的测定参照GB/T 2677.10-1995；酸不溶木素含量的测定参照GB/T 2677.8-1994；酸溶木素含量的测定参照GB/T 10337-1989 (紫外光谱法)；聚戊糖含量的测定参照GB/T 2677.9-1994(二溴化法)。

1.3.2 糖类组成的分析

采用糖醇乙酸酯化气相色谱法(GB/T 12032-1989)，用日本岛津GC-7890型气相色谱仪进行测定。

1.3.3 蒸煮

采用硫酸盐法进行蒸煮，选用不同用碱量和硫化度，液比为1:4，升温至110 ℃进行小放汽，然后升温至170 ℃后，分别保温为2、2.5或3 h。蒸煮结束后，测定废液残余化学药品量；浆料经洗涤、疏解和筛浆(筛板筛缝为0.3 mm)，测定纸浆得率、筛渣率和细浆卡伯值。

1.3.4 磨浆与抄片

浆料在浆浓度10%条件下经PFI磨磨浆至40°SR，在Rapid Köthen纸页成形器上抄造成定量为60 g·m^-2的手抄片。

1.3.5 纸浆物理性能的测定

手抄片各项物理性能均按照国家标准方法(国家轻工业局质量标准处, 1999)进行测定。

2 结果与讨论 2.1 不同树龄日本落叶松化学组成的比较

造纸植物纤维原料的化学组成是决定该原料制浆造纸性能优劣的重要因素。植物纤维原料的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木素，少量组分是灰分、有机溶剂抽出物、果胶质、丹宁与色素等。

造纸植物纤维原料的化学组成分析项目包括：灰分、冷水和热水抽出物、1%NaOH抽出物、有机溶剂抽出物(苯-醇抽出物)、木素(酸不溶木素与酸溶木素)、综纤维素(包括纤维素与半纤维素之和)、聚戊糖等含量。这些分析结果可以表征植物原料中主要化学成分和次要化学成分的含量(石淑兰等，2003)。对甘肃小陇山培植的3种不同树龄日本落叶松原料的化学组成分析结果列于表 1。

从表 1可以看出，日本落叶松的灰分含量不大(0.2%~0.3%)，且随着树龄的增加略有降低。冷水抽出物、热水抽出物、1%NaOH抽出物含量均随着树龄的增大而增加，各种抽出物含量的增加, 预示着制浆时得率降低。

日本落叶松的主要化学组分木素的含量在27%左右; 综纤维素含量(表征纤维素和半纤维素之和)为70%左右; 聚戊糖含量为12%~13%。随着树龄的增长，酸不溶木素含量略有增加，综纤维素含量略有降低。日本落叶松属针叶木，因此其酸溶木素含量很低，仅0.3%左右，且不随树龄而变化。

从不同树龄日本落叶松的化学组成特征来看，15和23年生日本落叶松的热水抽出物、1%NaOH抽出物、木素、综纤维素和聚戊糖含量均相差不大；而12年生日本落叶松的热水抽出物、1%NaOH抽出物和木素含量较低，综纤维素和聚戊糖含量较高，上述化学组成特征对制浆造纸是有利的。

2.2 不同树龄日本落叶松糖类组成的比较

首先将原料试样制备成糖醇乙酸酯化挥发性衍生物，然后进行气相色谱分析得出碳水化合物中各种单糖的相对含量和绝对含量(国家轻工业局质量标准处，1999；石淑兰等，2003)。不同树龄日本落叶松糖类组成的气相色谱分析结果列于表 2。

从表 2可以看出，日本落叶松原料的半纤维素组成主要是聚甘露糖类，其甘露糖含量占11%~13%。12与15年生日本落叶松碳水化合物中, 各糖类组成比较接近，它们的葡萄糖、阿拉伯糖和聚木糖含量较23年生日本落叶松要高，而甘露糖和半乳糖含量较低。总碳水化合物含量随着树龄的增大有所降低。日本落叶松系落叶松属, 其阿拉伯糖-半乳糖含量较一般针叶木材高, 因此导致原料的水抽出物和1%NaOH抽出物含量较高(高龄的落叶松更高), 制浆时也会导致纸浆得率偏低。

2.3 日本落叶松硫酸盐制浆工艺参数的影响研究

硫酸盐法制浆是采用氢氧化钠和硫化钠为蒸煮化学药剂的制浆方法，影响制浆质量的主要工艺参数为用碱量、硫化度、液比、最高蒸煮温度、保温时间等。以15年生日本落叶松为原料，研究了各种工艺参数对蒸煮结果的影响，优化了日本落叶松硫酸盐法蒸煮的最佳工艺条件。

2.3.1 用碱量的影响

在硫化度25%、液比1:4、蒸煮最高温度170 ℃、保温时间2.5 h的条件下，进行了15年生日本落叶松不同用碱量的硫酸盐法蒸煮试验，结果如表 3所示。

由表 3可以看出，在用碱量18%~22%范围内，随着用碱量的增加纸浆卡伯值逐渐降低，黑液残碱逐渐增加，筛渣率下降，细浆得率保持在40%以上。当用碱量由18%增加到20%时，纸浆卡伯值降低了10；当用碱量为21%时，纸浆卡伯值又降低了4.6；而当用碱量继续增大到22%时，纸浆卡伯值只降低了0.8。可见当用碱量大于21%时，增加蒸煮用碱量对纸浆卡伯值的降低影响很小。因此，确定日本落叶松硫酸盐法蒸煮的最佳用碱量(Na₂O计)为21%。

2.3.2 硫化度的影响

在用碱量(以Na₂O计)21%、液比1:4、最高温度170 ℃、保温时间2.5 h的条件下，选用不同的硫化度对15年生日本落叶松进行硫酸盐蒸煮，以考察硫化度对日本落叶松硫酸盐法制浆的影响，蒸煮结果列于表 4。

由表 4可知，其他蒸煮条件相同时，在硫化度为22%~28%范围内，随着硫化度的增加，浆料的卡伯值略有降低，原料脱木素程度有所提高。因此，在兼顾环境影响和制浆效果的前提下选择适宜的硫化度为25%。

2.3.3 保温时间的影响

在用碱量(Na₂O计)21%、硫化度25%、液比1:4、最高温度170 ℃条件下，对15年生日本落叶松进行了不同保温时间对硫酸盐法蒸煮影响的研究，结果见表 5。

如表 5所示，日本落叶松硫酸盐法蒸煮中，随着保温时间的增加，纸浆卡伯值降低。当保温时间由2 h增加到2.5 h时，纸浆卡伯值降低的幅度比较大，由28.1降低到23.1，降低了5.0；而当保温时间继续增加到3 h时，纸浆卡伯值降低的幅度明显减小，仅降低了0.6。另外，当保温时间由2 h增加到2.5 h时，筛渣率和细浆得率降低，而当保温时间大于2.5 h时，其变化较小。综合考察卡伯值、纸浆得率和筛渣率的变化规律，确定2.5 h是最佳保温时间。

2.4 不同树龄日本落叶松制浆特性的比较

在日本落叶松的生长过程中，其化学组成和纤维特性都会随着树龄的增大出现一定规律性的变化，所以在制浆性能上也会存在一些差异。对12、15和23年生3个不同树龄日本落叶松，在相同的蒸煮条件[用碱量(Na₂O计)21%、硫化度25%、液比1:4、最高温度170 ℃]下，进行了硫酸盐法蒸煮试验。表 6中列出了不同树龄日本落叶松在3个不同保温时间(2、2.5和3 h)下的蒸煮结果。

由表 6可以看出，在相同蒸煮条件下，不同树龄日本落叶松的制浆性能存在比较明显的差异。随着树龄的增大，硫酸盐纸浆的硬度(卡伯值)增高，也就是说，随着树龄的增大，蒸煮难度也在增加，木材的脱木素程度变差。同时，黑液残碱也随着树龄的增大而逐渐减少，从而可以说明树龄较大的日本落叶松的耗碱量也较大。3种树龄日本落叶松蒸煮的细浆得率在40%~43%, 15年生日本落叶松的纸浆得率较高。

2.5 不同树龄日本落叶松纸浆强度的比较

研究了不同树龄日本落叶松硫酸盐纸浆的物理性能差异。先将未漂硫酸盐纸浆用PFI磨打浆至相同的打浆度(40°SR)，然后用标准纸页成型器抄造成定量为60 g·m^-2的手抄片，并按照国家标准方法进行浆张物理性能的测定。不同树龄日本落叶松硫酸盐浆在浆浓度10%下的打浆情况如表 7所示，手抄片的物理性能测定结果列于表 8中。

由表 8可以知，日本落叶松原料的树龄对其纸浆的物理性能有一定的影响。树龄较小的12年生日本落叶松纸浆的抗张指数、耐折度和伸长率都大于其他2个树龄的纸浆，但撕裂指数则以15年生较高。总体来说, 15和23年生日本落叶松硫酸盐浆的物理强度指标比较接近。不同树龄日本落叶松纸浆物理性能的差异与它们的纤维长度和纤维间的结合强度有关。

对不同树龄日本落叶松纤维形态的分析结果(谢新良等，2004)表明, 采用Kajaani FS-100纤维分析仪测定的12、15和23年生日本落叶松的二重重均纤维长度分别为2.90、3.57、3.24；长宽比分别为57.8、76.6、73.8。这说明12年生日本落叶松正处于生长期，纤维长度尚较短，而15年生日本落叶松的纤维平均长度和长宽比均较大，因而其纸浆的撕裂强度较高。

3 结论

日本落叶松的木素含量为27%；综纤维素含量为70%~71%；聚戊糖含量为12%~13%；灰分含量为0.3%。不同树龄日本落叶松的化学组成存在一定的差异, 随着树龄的增长，冷水、热水抽出物和1%NaOH抽出物含量增加；综纤维素含量略有降低。从化学组成特征分析，12年生日本落叶松对制浆造纸应用性能更为有利。

日本落叶松碳水化合物组成分析结果表明：阿拉伯糖和半乳糖含量较一般针叶木高, 这一特点与兴安落叶松(Larix gmelinii)、长白落叶松(Larix olgensis)相似, 这是造成日本落叶松原料的水抽出物和1%NaOH抽出物含量较高, 以及制浆得率较低的主要原因。

通过对日本落叶松硫酸盐法蒸煮工艺参数的优化研究，确定最佳蒸煮工艺条件为：用碱量(Na₂O计)21%、硫化度25%、保温时间2.5 h、最高温度为170 ℃、液比1:4。在此条件下蒸煮所得纸浆的粗浆得率为42.6%, 纸浆卡伯值为22。

试验选用的3种不同树龄日本落叶松硫酸盐制浆性能的比较结果表明：随着树龄的增大，蒸煮性能呈现下降趋势，蒸煮耗碱量随之增加，纸浆硬度增高。树龄较小的12年生日本落叶松硫酸盐法制浆性能优于树龄较大的日本落叶松；15年生日本落叶松的制浆得率和浆张的撕裂强度较高；23年生日本落叶松的制浆性能相对较差。综合考虑树木的生长周期和成材率等因素, 选用12和15年生日本落叶松制浆造纸是适宜的。