薄壳山核桃人工林木材的化学性质1)

米 沛 徐 斌 潘新建

(安徽农业大学，合肥，230036) (黄山市林业科学研究所)

薄壳山核桃人工林木材的化学性质1)

米 沛 徐 斌 潘新建

(安徽农业大学，合肥，230036) (黄山市林业科学研究所)

以30年生薄壳山核桃人工林木材为对象，对其化学成分及其变异规律进行研究，并运用X射线衍射法对纤维素结晶度进行测定分析。结果表明：薄壳山核桃木材中，苯醇抽提物质量分数为1.92%，1% NaOH抽提物质量分数为16.14%，Klason木质素质量分数为23.80%，综纤维素质量分数为82.77%，α-纤维素质量分数为45.20%，硝酸乙醇纤维素质量分数为48.83%，灰分质量分数为0.74%，纤维素结晶度为38.64%。薄壳山核桃木材的化学组分轴向变化株间保持一致，其中，苯醇抽提物、1% NaOH抽提物、灰分、木质素的质量分数轴向递增，α-纤维素、硝酸乙醇纤维素、综纤维素的质量分数轴向递减；纤维素结晶度在轴向上呈先增后减趋势，从大到小依次为中部、基部、梢部。

薄壳山核桃；人工林木材；化学性质；X射线衍射法

Three 30-yearCaryaillinoensisplantation woods were studied on the chemical components and their variation pattern. The cellulose crystallinity was determined by X-ray diffraction spectrum. InCaryaillinoensis, the contents of the benzene-alcohol extracts, 1% NaOH extracts, klason lignin, holocellulose,α-cellulose, nitric acid-ethanol cellulose and ash were 1.92%, 16.14%, 23.80%, 82.77%, 45.2%, 48.83% and 0.74%, respectively. The cellulose crystallinity was 38.64%. Besides, the variation trend of chemical components along axial direction among different samples kept consistent, where the contents of benzene-alcohol extracts, ash, 1% NaOH extracts and lignin increased progressively, while those ofα-cellulose, nitric acid-ethanol cellulose, and holocellulose decreased progressively. The cellulose crystallinity increased firstly and then declined. The sequence of cellulose crystallinity from great to small was middle part, stem base and tip.

木材的性质决定了木材的经济价值，直接影响到木材的加工和利用[1]，遗传因素、生长条件以及营林措施等不同造成木材材性普遍存在着差异。随着人们生活水平的提高，人们对木材利用的等级和质量以及树种的特殊性有了更多的要求，木材的利用也从单纯的建筑用材向建筑、装潢、家具等多元化用材转变[2]。但是依靠现有的人工林速生材和进口木材不足以满足市场的需求，这使得人们必须去寻找新的木材来源。经济林作为我国的五大林种之一，占地面积巨大，其“三剩物”——更新剩余物、修剪剩余物、加工剩余物能产生数量庞大的木质资源，可以缓解木材市场供需的矛盾。前人对人工经济林木材性质的研究结果表明，多种经济林树种可以作为经济用材两用林，这为木材的来源提供了新的方向[3]。

薄壳山核桃[Caryaillinoensis(Wangenn．) K． Koch]又名美国山核桃、长山核桃，胡桃科山核桃属落叶乔木，原产美国南部和墨西哥北部，其树形高大，果实价值高，生长速度快，种植3 a后即可产果，5 a可丰收，有良好的经济效益[4]。中国于19世纪末开始引种薄壳山核桃，当时由西方传教士、外交使节等人士从美国带入种子，作为观赏树种种植在港口、码头和教堂周围。20世纪20年代，中国正式从美国引进该树种，但仍以城市绿化为主[5-6]。近年来，随着生活水平的提高，国内对薄壳山核桃进行了大面积推广种植。然而国内外对薄壳山核桃进行的研究主要集中于品种介绍、栽培措施、病虫害防治等方面，研究重点偏向于它的果实效益，对于其木材价值一直没有系统的研究，忽略了它优良的材用价值。实际上其木材坚韧，纹理细密，不易伸缩和翘裂，常被用作优良的雕刻、家具用材，柯病凡先生曾对同属的山核桃[CaryacathayensisSarg.][7]材性进行过研究。为更好地开发利用薄壳山核桃的价值，做到材尽其用，对其材性研究就显得尤为必要。鉴于此，笔者对薄壳山核桃的化学性质进行研究，探索其主要化学组分及变化规律，为合理利用该种经济用材两用林提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试样采集和试材制作

试样采自黄山市林科所屯溪所部。本试验3株样木系1985年实生苗造林，单行，株距6 m，试样最大树高20 m，胸径40 cm，为中等以下树木。种子来源于黄山市博村林场，亲本是1948年引自美国原产地种子繁殖的大树，样木系其二代，1982年播种。

样木伐倒后，参照GB/T 2677.1—1993，分别在其基部、中部、上部处各锯取2～3块厚2～3 cm的圆盘，待其风干后，去皮并切成小薄片，充分混合。按四分法均匀取样品木片约2 kg，并用FZ102微型植物粉碎机打磨成细末，过筛，截取40≤粒径<60目的细末，存放至室温后，贮存于1 000 mL具有磨砂玻璃塞的广口瓶中，备化学成分分析使用[8]；另取木片50 g，用TL2010组织研磨仪打磨成过200目筛左右的细末，贮存备X射线衍射试验分析使用[9]。

1.2 木材化学成分测试

测试时采用平行样检验以确保试验的准确性，水分质量分数按照GB 2677.2—1993规定的方法进行；灰分质量分数按GB 2677.3—1993规定的方法进行；1% NaOH抽提物质量分数按GB 2677.5—1993规定的方法进行；苯醇抽提物质量分数按照GB 2677.6—1994规定的方法进行；木质素质量分数采取按照GB/T 2677.8—1994规定的方法进行；综纤维素质量分数按照GB/T 2677.10—1995规定的方法进行；α-纤维素质量分数按GB/T 744—1989和我国纺织行业标准FZ/T 50010.4—1998规定的方法进行；硝酸乙醇纤维素质量分数按照硝酸—乙醇法进行[10-11]。

1.3 纤维素相对结晶度(X-RD)测定

用X射线衍射分析仪对薄壳山核桃纤维素结晶度进行测定[12-15]。

所用仪器：北京普析通用仪器有限责任公司XD-2系列衍射仪。

实验条件：Cu靶NF型(λ=1.540 56 nm)，电压36 kV，电流20 mA。

2θ扫描：将处理过的细木粉均匀平铺于深1 mm的铝槽中，应做到木粉表面尽量平整。扫描区间为10°～40°,速率为1(°)/min。根据衍射图谱强度，采用Segal法计算相对结晶度在扫描曲线(图1)2θ=22°附近有(002)极大峰值，2θ=16°附近有极小峰值，则结晶度的计算公式为：

Cr=((I002-Iam)/I002)×100%。

Cr为相对结晶度；I002是(002)晶格衍射角的极大强度,即结晶区的衍射强度；Iam是2θ=16°时非结晶背景衍射的散射强度。

图1 X-RD测纤维素结晶度数据图

2 结果与分析

2.1 薄壳山核桃纤维素结晶度

纤维的物理化学性质都与结晶度有着密切的关系[16]，在制浆造纸工业中，纤维素结晶度的大小是反映蒸煮过程脱木质素程度以及半纤维素溶出的一项重要指标。

从表1可以看出，3株树的纤维素相对结晶度在树干纵向位置上的变化规律是一致的，由下而上都是呈先增后减趋势，从大到小依次为中部、基部、梢部。这是因为结晶度作为描述纤维素超分子结构的一个重要参数,不仅与木质素、纤维素和半纤维素质量分数密切相关还与木材内部生长机理[17]、构造分子之间的差异[18]有关，薄壳山核桃由于树体、冠幅较大，树干基部应拉木比重可能大于树干，而梢部幼龄材占据比重较大，细胞木质化仍在进行，因此导致纤维素结晶度呈先增后减趋势。第3株树纤维素结晶度较其他两株低，笔者分析是样本自身原因所致，该株树在立木阶段受蛀干害虫危害过，取样时部分虫眼甚至少量排泄物对结果产生了一定影响。

表1 薄壳山核桃不同位置纤维素结晶度

2.2 薄壳山核桃化学组分轴向变异规律

2.2.1 抽提物质量分数轴向变化

制浆造纸中通常称苯醇抽提物为树脂，树脂含量高时，有可能形成“树脂障碍”，对浆产量、蒸煮药品用量、纸张漂白和纸张成本都产生不利影响，生产纤维板时会影响胶黏剂的吸着与固化[19]。1% NaOH抽提物质量分数的高低对人造板生产有一定影响，当其质量分数较高时，给人造板制造带来的问题是热压过程中低中级碳水化合物易分解，产生淀粉胶，使板材抗水性差并易粘板[20]。由表2和表3可以看出，3株薄壳山核桃木材的苯醇抽提物和1% NaOH抽提物质量分数变化基本一致，均呈轴向递增趋势。其中，苯醇抽提物质量分数不高，均值在2%左右，相对大多数阔叶树材较低，从这一点看，其对制浆产生影响较小；1% NaOH抽提物质量分数均值在16%左右，相对较低，对人造板生产影响较小。

表2 薄壳山核桃不同位置苯醇抽提物质量分数的变化

表3 薄壳山核桃不同位置1% NaOH抽提物质量分数的 变化

树号1%NaOH抽提物质量分数/%基部中部梢部平均值113．7814．7217．7315．41214．0316．0416．9115．66316．7917．1318．1217．35

2.2.2 木质素质量分数轴向变化

木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高分子聚合物，它是纤维素的黏合剂，可以增强植物体的机械强度[21]。在木质素的作用下，树木的细胞不停地进行木质化，从而支撑树木的生长，在同一树木中，梢部的木质素质量分数最大，因为其木质化程度最剧烈。而木质素根据试验方法又分为酸溶和酸不溶两种，本实验所用的为酸不溶木质素，即Klason木质素。如表4示，3株薄壳山核桃木材的Klason木质素质量分数轴向变化规律基本一致，都呈轴向递增趋势。

表4 薄壳山核桃不同位置Klason木质素质量分数的变化

2.2.3 综纤维素质量分数轴向变化

综纤维素是指纤维原料中碳水化合物的全部,包括纤维素和半纤维素,决定了制浆造纸得率和纸制品的质量[22]。资料显示，典型阔叶树材综纤维素质量分数一般为74%，本研究分析的山核桃综纤维素质量分数高达82.77%,高出阔叶木材8%～9%，因此可以认为山核桃是较好的制浆原料。由表5可见，3株薄壳山核桃木材的综纤维素质量分数都很高，变化规律基本一致，都是呈轴向递减趋势。

表5 薄壳山核桃不同位置综纤维素质量分数的变化

2.2.4 纤维素质量分数轴向变化

测定纤维素的方法很多,有间接法和直接法两类,间接法操作繁杂，耗时长；直接法中的硝酸乙醇法操作简便,耗时短,所需装置简单，最能被人们认可[23]，而α-纤维素是有国家标准制法的，更具有权威性，两者可以相互补充。表6与表7中，虽然制法不同，但3株薄壳山核桃木材的纤维素质量分数变化是基本一致的，均呈轴向递减趋势。由于虫蛀分解了部分纤维素，因而第3株树的纤维素质量分数偏低。

表6 薄壳山核桃不同位置硝酸乙醇纤维素质量分数的变化

表7 薄壳山核桃不同位置α-纤维素质量分数的变化

2.2.5 灰分质量分数轴向变化

灰分主要是钾、钠、钙的无机盐类，它对生产普通纸张影响不大，但如生产绝缘纸浆和精制浆，则要求灰分质量分数越低越好[24]。从表8可以看出，3株薄壳山核桃木材的灰分质量分数变化基本一致，均呈轴向递增趋势，虽然数值略有差异，但其值均小于1%，属于优质范围。

表8 薄壳山核桃不同位置灰分质量分数的变化

3 结论

薄壳山核桃木材化学组成为：苯醇抽提物质量分数1.92%，1% NaOH抽提物质量分数16.14%，Klason木质素质量分数23.80%，综纤维素质量分数82.77%，α-纤维素质量分数45.20%，硝酸乙醇纤维素质量分数48.83%，灰分质量分数0.74%。

薄壳山核桃木材化学成分株间轴向变化规律一致，即：1% NaOH抽提物、苯醇抽提物、灰分和木质素的质量分数呈轴向递增趋势，α-纤维素、硝酸乙醇纤维素、综纤维素的质量分数呈轴向递减趋势。

X射线衍射法纤维素结晶度范围为29.70%～44.90%，均值为38.64%，株间轴向变化趋势一致，自基部向上先增后减，从大到小依次为中部、基部、梢部。

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Chemical Properties of Plantation Wood inCaryaillinoensis/

Mi Pei, Xu Bin(Anhui Agricultural University, Hefei 230036, P. R. China); Pan Xinjian(Huangshan Institute of Forestry)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-79～82

Caryaillinoensis; Plantation wood; Chemical properties; X-ray diffraction spectrum

1) 国家自然科学基金项目(31270599)资助。

米沛，男，1991年1月生，安徽农业大学林学与园林学院，硕士研究生。

徐斌，安徽农业大学林学与园林学院，副教授。E-mail:xubin@ahau.edu.cn。

2013年8月11日。

S781

责任编辑：戴芳天。