（木材科学与技术专业论文）沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响.pdf

摘要 如何合理高效的利用现有木质资源，已经成为人们普遍关注的问题。本文以西 北地区广泛生长的沙柳的树皮为试验对象，对沙柳树皮的纤维形态、化学成分以及 燕反应特征进行了研究。在上述研究的基础上利用全因子试验法，探讨了沙柳树皮 对刨花板性能的影响；试制沙柳树皮板，利用均匀设计法以及回归分析法研究其制 造工艺并建立各性能指标与试验因子之间的数学模型。全文各项指标的测定均采用 a s t m 标准， 通过试验和数据处理，得出了沙柳树皮纤维长度、宽度随平茬和树龄的变化规 律，结果表明沙柳树皮长度要比沙柳材的要长，宽度基本相同，沙柳树皮纤维长度 主要受平茬次数的影响；找出了沙柳树皮中灰分、冷热水抽出物为、i n a o h 抽出 物为，甲苯乙醇抽出物、酸不溶木素与平茬次数和树龄之间的关系，除酸不溶木素 外，其他成分均明显高于沙柳材，沙柳树皮的化学成分主要受平茬次数的影响；利 用t g 和d s c 法分析了沙柳树皮和沙柳材的反应热特征，确定了热解的温度范围： 研究了沙柳树皮量对于刨花板m o r 、m o e 、吸水厚度膨胀率、握钉力以及内结合强 度的影响，结果证明沙柳树皮量对于刨花板的各项性能指标影响显著，它的掺入降 低了刨花板的各项性能；对沙柳树皮板的研究表明，沙柳树皮板的各项性能与同类 树皮板的性能基本相近，建立的二次回归模型稳定，并利用回归方程求出了适宜的 沙柳树皮板制造工艺。 关键词：沙柳；树皮；刨花板；均匀设计 t h ep r o p e r t i e so fs a l i xb a r ka n di t se f f e c to nt h e p e r f o r m a n c e so fp a r t i c l e b o a r d a b s t r a e t i t i sah i g hf o c u s e dp r o b l e mb yp e o p l et h a th o wt ou t i l i z et h ew o o dr e s o u r c e r e a s o n a b l ea n dh i g hb e n e f i c i a l l y t h ep a p e ru s et h eb a r ko fs a l i xw h i c hi sr i c hp l a n t e di n i n n e rm o n g o l i aa st h el e s t m a t e r i a l s s t u d y o nt h ef i b e rc o n f i g u r a t i o n ，c h e m i c a l c o m p o n e n ta n dc h a r a c t e ro fh o t - r e a c t i o no fs a l i xb a r kb a s eo na b o v es t u d y , t h es a l i x b a r ke f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fp a r t i c t e b o a r dw a ss t u d i e dr e c u rt ow h o l eg e n ed e s i g n a n dw o r ko nt h ep r o c e s so fs a l i xb a r kb o a r d ，u s i n gu n i f o r md e s i g na n dr e g r e s s i o n a n a l y s i sa l g o r i t h m st os t u d yt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n de s t a b l i s ht h em a t hm o d e lo f t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h et e s t i n gg e n e a l lt h ep a r a m e t e r sw e r et e s t e di nt h ep a p e r u s et h es t a n d a r do f a m e f i c a ns y 吼e mo f t e s t i n ga n dm a t e r i a l ( a s t m ) t h r o t i s hr e s e a r c ha n da n a l y s i so fd a t a ，i tw a so b s e r v e dt h a tt h el e e g t ha n dw i d t ho f b a r kf i b e rv a r i e da c c o r d i n gt ot h el o pa n da g e ，t h er e s u l t ss h o wt h ef i b e ro ft h es a l i x b a r ki sl o n g e rt h a nt h es a l i xa n dw i d t ho ff i b e ra l m o s ts a m e ，f i b e rl e n g t ho ft h es a l i x b a r km a i n l yi n f l u e n c e db yt h et i m e so f l o pt h ea s hi ns a l i xb a r k 1 s o d i u mh y d r o x i d e s o l u b i l i t yi ns a l i xb a r k ，w a t e rs o l u b i l i t yi ns a l i xb a r k , e t h a n o l t o l u e n ei ns a l i xb a r k ， a c i d i n s o l u b l el i g n i ni ns a l i xb a r kc h a n g e dw i t ht h el o pa n da g ei sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d ， t h ec o m p o n e n to fs a l i xb a r ki sh i g h e rt h a ns a l i xe x c e p ta c i d - i n s o l u b l el i g n i n ，a n di t s h i g he f f e c t e db yt i m e so fl o p ；t h et ga n a l y s i sa n dd s ca n a l y s i si s b e e nu s e do nt h e s a l i xb a r ka n ds a l i xt os t u d yt h ec h a r a c t e ro ft h eh o t - a c t i o n ，a n dt h er a n go ft h e p y r o g e n a t et e m p e r a t u r ei sc o n f i r m ；t h eq u a m i t yo fs a l i xb a r ke f f e c to nt h em o r ，m o e ， s w e l l i n gi n2 4 hw a t e r , n a i lw i t h d r a wa n di n n e rs t r e e 【g t hw a sd e t e r m i n e d ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es a l i xb a r kn o t a b i l i t ye f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fb o a r da n dd r o p p e di t ；t h e p r o p e r t i e so ft h es a l i xb a r kb o a r di sn e a r l yt h eb o a r dp r o d u c tb yo t h e rb a r kr e s i d u e s ，i t w a se s t a b l i s h e dt h em u l t ir e g r e s s i o ne q u a t i o no fe a c hp r o p e r t i e sa n do p t i m i z e dt h e f i r i n gp r o d u c e c o n d i t i o no f s a l i xb a r kb o a r d k e yw o r d s ：s a l i n e , b a r k ；p a r t i c l e b o a r d , u n i f o r md e s i g n d ir e e t e db y ：p r o f w a n gx i m i n g ( p hd ) & f e n gl i q u n a p p li c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：h eo i n ( w o o ds c m c 扪 ( f o r e s t r y e n g i n e e r i n g c o l l e g e ，i n n e r m o n g o l i a a g r i e u r u r a l u n i v e r s i t y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内冢古农业大学硕士毕业论文 1 1 引言 据有关统计，8 0 年代我国人造板工业平均每年以1 5 的速度增长，9 0 年代平 均每年以2 5 的速度增长，远远高于国内同期g d p 增长率，2 0 0 4 年人造板总产量 达5 4 4 6 4 9 万立方米n 1 。然而森林资源远远不能适应这种需求，于是人们开始寻求 新的可替代的人造板加工原料。沙生灌木广泛生长在我国西部，具有平茬复壮的优 点，它在人造板行业的利用既缓解了西部地区的资源压力又保护了生态环境，于是 迅速的成为一种有相当竞争力的人造板用材。沙柳作为其中最主要的一种，从上世 纪9 0 年代开始，相继有十余家以沙柳为原料的生产企业在我区投产，年加工生产 刨花板和中密度板超过1 0 万多立方米，消耗沙柳1 4 万吨左右。但沙柳的树皮含量 很高，体积百分比约为2 5 4 n ，合理有效的利用这部分资源具有很大的现实意义。 结合沙柳平茬复壮的情况，本文首先对不同的平茬次数和树龄的沙柳树皮纤维形态 以及化学成分进行研究，研究了沙柳树皮和沙柳材的热反应特征。由于目前沙柳人 造板的制造过程中没有去皮的工序，而通过大量的研究表明树皮会导致刨花板物理 力学性能以及板面质量的下降，故本试验研究了沙柳树皮对刨花板性能的影响。在 以上研究的基础之上开发1 0 0 树皮量的刨花板，即沙柳树皮板。通过学者的研究 表明，树皮板的力学性能要低于木质人造板的，但是树皮板较木质板的绝缘性高， 热导率降低，甲醛释放量降低，而且还有抗腐朽，抗真菌和阻燃的优越性能，可做 地板、天花板、隔板等建筑材料以及装饰树皮板。本研究采用均匀设计法，利用回 归分析法建立方程，筛选出最优的方程，并在此基础上对沙柳树皮板的工艺参数进 行优化。 1 1 国内外研究现状 从上世纪九十年代，学者们就开始对于沙柳材的显微构造，化学成分以及沙柳 人造板进行研究，结果表明沙柳是一种很好的人造板用材阳 ，。对于沙柳树皮的研 究涉足很少。大量的研究表明，树皮的纤维长度以及化学成分因树种的不同而有一 定的差异，即使同一种树种不同的产地和树龄树皮的纤维长度和化学成分也不同。 树皮的化学成分包括浸出物和不溶成分，树皮的浸出物包括多种化学类型的化合 物，总量通常较木材的高，是木材的2 0 - - 4 0 ，可以粗略的划分为亲脂和亲水 物质两部分，它的存在对树皮的颜色、气味与滋味等多种性质和树皮的加工利用有 密切的关系；树皮的不溶成分，是指除去浸出物剩余部分一般仍保留原树皮量的 6 0 - 8 0 ，这部分主要由软木脂、木质素及碳水化合物等细胞壁的物质所组成。 总的来看，绝大多数树种的树皮呈现弱酸性，因此树皮容易腐朽和虫蛀。m b a l a b a n ( 2 0 01 ) 的研究显示橡树树皮中苯酚类物质较多，没有鞣花单宁，而原 花色素较多m ，。而且有研究表明，树皮的化学组成和化学性质与木材的解剖结构有 2 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 密切的关系，常因树皮组织不同而有差异，如崔艳霞( 1 9 9 4 ) 的研究表明白桦内、 外皮的化学组成有明显区别，内皮中的灰分、水抽出物、木质素、多戊糖和综纤维 素显著高于外皮，而外皮中的乙醚及苯醇抽出物比内皮高1 0 1 5 倍；外皮含有较 多的软木脂，而内皮几乎没有n ，。由于没有统一公认的树皮分析方法，因此树皮各 组织的化学组成或化学性质常因研究方法而异。树皮特征性的物质，如可溶性多酚 和软木质，影响了纤维素和综纤维素的含量的准确测定阳1 。g v a z q u e z ( 2 0 0 1 ) 的研 究证明不同的温度，氢氧化钠量以及固液比影响多酚的产量，刨花形态对多酚 的量也有很大的影响凹，。 热分析技术是在长期的科学实践基础上逐渐发展起来的。它是一种建立在物质 的热性质和温度测量等基础上的技术。1 8 8 7 年，l e c h a t e l i e r 利用升温速率变化曲 线来鉴定黏土。1 9 4 5 年，首批热天平生产。目前已有的熟分析技术分为9 类1 7 种， 可以测定质量、温度、热量、长度或体积、力学特性、声学特性、光学特性、电学 特性以及磁学特性，测定重量的主要有热重法，逸出气体检测等，测定热量的主要 有差示扫描量热法。热重法( t g ) 用于测量试样的质量变化与温度或时间关系的一 种技术，而差示扫描量热( d s c ) 法是在程序温度控制下测量物与参比物之间单位时 间的能量差( 或功率差) 随温度变化的一种技术。由于热分析技术能快速追踪木材受 热时发生的分解，基于木材的这种特性，学者们对此做了很多的研究。胡云楚等 ( 1 9 9 5 ) 将t g 和d t a 联用研究了4 种常用木材的曲线，获得了热动力参数，发现 各种木材在干燥阶段和煅烧阶段的热性质大致相似，而炭化阶段的热性质因木材的 化学成分的不同而不同“0 】孙才英( 1 9 9 8 ) 对杨木进行熟重分析( t g ) 及差示扫描量 热分析( d s c ) ，得出杨木热解的温度范围，并根据热重曲线和差示扫描热曲线计算 出了杨木热解的平均活化能n l 】旌海云等( 2 0 0 2 ) 对建筑装潢中几种常用板材变工 况的热解行为进行了热重分析( t g ) 和差分热重分析( d t g ) 研究，得出了各阶段的动 力学参数、表观活化能和频率因子c - “。对于木材热解的各个阶段的解释，主要有以 下几个观点，r b i l b a o 等( 1 9 9 7 ) 认为两步失重过程分别对应于两种主要可热解成 分的分解反应，一部分是由半纤维素和纤维素组成的混合物，而另一部分主要由木 质素构成，这两种成分各自在不同的分离的温度区间内发生分解反应n3 】而 j r e n a ( 1 9 9 8 ) 认为这是由一种成分在整个热解过程中分阶段失重所致n l 】 j j m o r f a o ( 1 9 9 9 ) 贝j j 认为是由三种成分：纤维素、半纤维素、木质素各自独立的在 整个温度区间内热解叠加造成b s ) 。对于树皮的热分析研究的也较多，胡淑宜( 1 9 9 9 ) 应用热分析法研究造纸厂树皮废渣的热分解过程。通过对热重曲线和差热曲线的解 析，可知树皮发热值和炭化物得率比木材高，树皮添加磷酸制取活性炭的炭活化过程 的热化学变化动态与木材相似n 。赵广播( 1 9 9 9 ) 利用t g 分析对3 种树皮的热解 性质进行了分析，最终得出了热解参数n ”。c f a i b r i d g e ( 1 9 7 5 ) 利用t g 松树皮的 内蒙古农业大学硕士毕业论文 3 热解性质进行了研究，结果发现温度从2 0 0 升到3 4 0 0 c 时，溶剂和粉末的大小对 t g 特征曲线的影响不大，而且建立了热动力方程n “。 目前的研究表明树皮比例超过1 0 ，就会大大降低刨花板的性能和尺寸稳定 性。树皮对于刨花板性能的影响主要表现在以下几点：静曲强度，研究表明随着 树皮量的增加，静曲强度呈直线下降趋势。周贤康( 1 9 9 6 ) 的文章中表明，柳杉刨花 板中树皮的掺入量对刨花板的静曲强度有很大的影响，当掺入量为1 5 时，静曲强 度下降5 - - 1 5 “”。张奕( 1 9 9 1 ) 的研究表明无论是山杨还是红杉石膏刨花板，其 静曲强度均随刨花板树皮含量的增加而下降，这是因为树皮本身的强度很低，在刨 花板制备过程中均被打磨成小块粉末从而降低了刨花的增强作用，但是如果固定木 刨花的用量，将树皮粉作为填料加入木刨花中，可使所制石膏刨花的静曲强度由于 密度上的略微上升而得以较大幅度的提高n 0 】甲醛释放量，前苏联学者对云杉和 松木两种树种做了不含树皮和含大量树皮的对比试验结果表明，含大量树皮的刨花 板，其甲醛释放量较低。人们还发现甲醛释放量随树皮含量的增加而降低并呈线性 关系。r o f f a e l ( 1 9 7 6 ) 的研究表明，树皮种类对树皮刨花板的甲醛释放量影响显著， 分别用云杉树皮和松树树皮制成的刨花板，其甲醛释放量大大低于用山毛榉树皮制 成的刨花板乜”；内结合强度，树皮量对于内结合强度也有不良的影响，周贤康 ( 1 9 9 6 ) 研究了树皮的掺入量对柳杉刨花板内结合强度的影响，掺入量为1 5 时， 内结合强度降低约3 0 ，这说明掺入树皮量对内结合强度有很大的影响，而且对于 柳杉来说要比静曲强度的影响更大，煮沸2 4 小时与浸水2 4 小时的结果相同，此外， 处理后的强度比常态下的强度的低，这可以认为是由于经水浸和煮沸处理，材质恶 化，掺入树皮的板材则降低更大n 9 | 胶合，吴宏唏( 2 0 0 1 ) 认为树皮对胶固化以 及施胶有严重的阻碍作用，松皮的p h 值为5 0 5 ，杂皮的p h 值为5 1 0 ，而树皮与 胶的固化时间却远远高于p h 值相近的木粉与胶混合物固化时间。可见，树皮对胶 固化的阻碍远远大于同p h 值的木材n “。徐咏兰( 1 9 9 5 ) 的专著中有以下论述，树 皮在生产过程中，由于其纤维含量极低，含有较多的抽提物，对纤维间的结合有一 定的阻碍作用乜。高志悦( 1 9 9 8 ) 对柠条刨花板研究后得出，柠条内皮含量较多， 占6 0 左右，内皮中韧皮纤维含量高，这种韧皮纤维细长而柔韧，呈卷曲状态， 施胶时，卷曲的内表面不易着胶，同时容易折迭结团，使板的强度降低。柠条树皮 中灰分含量较大，灰分中无机物s i o 。的含量较高，约占6 0 ，影响胶的润湿阻 碍脲醛树脂胶的胶合，降低刨花板的胶合性能，影响板的强度。所以在生产中，应 尽量除去树皮盥w ；吸水厚度膨胀率，由于树皮的吸水性较木材的要大些，所以可 以增加吸水厚度膨胀率，李凯夫( 2 0 0 0 ) 对白桦枝丫材制造的刨花板进行的研究表 明，随着板中树皮含量的增大，吸水厚度膨胀率明显增加，因此，控制树皮含量是制 造高质量刨花板的关键，以小于1 5 为宜旺。刑成( 1 9 9 4 ) 的研究表明，桑条刨花板 板吸水厚度膨胀率略高的原因是，桑是刨花中含有大量的树皮，其含量约3 0 ，树 4 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 皮吸水性相对木质部来说要大些妇b 】板面质量：刑得东( 2 0 0 0 ) 研究显示，由于 小叶桉树的树皮含量较大，在生产中又不能及时除去而影响产量，在经过铺装机生 产时在振动筛网上积聚较多的树皮纤维成团( 俗称纤维团) 而掉在板坯表面，由于树 皮纤维团停留时间过长，而使这部分的板面固化不良，严重影响板面质量，。总之树 皮对于刨花板的力学强度有着不同程度的负面影响，但是树皮的参入可以降低甲醛 释放量。如果将树皮量控制在一定的范围内的话，就可以有提高刨花板的质量。 虽然树皮在强度上低于木质部，但是经过研究者几十年的研究，制造树皮板是 可行的。总体来看，树皮板的力学性能要低于木质人造板的，为了解决这一问题， 研究者多数选择在树皮板中加入木质原料以提高板的力学性能。虽然树皮板有以上 的缺点，但是树皮板还有其优点，比如树皮板的绝缘性提高，热导率低，甲醛释放 量低，并且有报道它可以吸收甲醛和有害气体，而且还有抗腐朽，抗真菌和阻燃的 性能。树皮板主要有以下两种制造方法：无胶树皮板( 也称自结合树皮板) ：前苏 联学者利用云杉树皮制造无胶树皮板，结果表明，热压温度在2 0 0 。c ，压力为5 m p a 时，板的静曲强度为2 5 m p a 豳1 。加拿大的c h o w ( 1 9 7 5 ) 研究了花旗松树皮板，结果 表明采用2 5 0 。c 3 0 0 压制的板的强度和尺寸稳定性与施加4 5 的酚醛树脂胶 的木刨花板相接近，并建立了花旗松树皮板的热压参数乜。t h o u g h t o n ( 1 9 9 7 ) 的研 究表明在3 0 0 。c 可以压制出高密度的树皮板。通过大量的研究表明，无胶树皮板 的制造有两个过程：碎料的塑化或物理密实化和抽出物的聚合。而两个阶段主要由 温度决定。为了提高无胶刨花板的各项性能，可通过表面活化的方法来实现，研究 人员将花旗松和美国西部的侧柏树皮利用臭氧处理，在1 6 0 。c 下加压成板，板的密 度为0 9 1 0 9 c m 3 妇”。合成树脂胶树皮板：h y a m a u c h i ( 1 9 9 9 ) 以日本雪松为研究 对象，研究了不同刨花形态对树皮板的影响，结果表明长纤维的弹性模量最好哑，。 大量的研究表明，这种树皮板的压制过程中物理性能作用要比化学性能的作用大。 在树皮板中加入木刨花能够很多程度的改善树皮板的性能。m u s z y n s k i 和m c n a t t ( 1 9 8 4 ) 研究了刺槐刨花板芯层加入不同量的树皮，结果显示，加入6 2 5 树皮不 会影响板的性能，加入1 2 5 的树皮以后板的物理力学性能下降，但是甲醛释放 量以及吸水厚度膨胀率减小啪，。g o k a y ( 2 0 0 4 ) 对刨花板添加荆树树皮后对于刨花板 性能的影响进行了研究，结果表明添加树皮后，刨花板吸水厚度膨胀率和甲醛释放 量减小，其他性能都比不添加树皮时的好b m 。 1 2 研究的目的及意义 近几年我国人造板在以每年2 0 的增长率发展，据不完全统计，2 0 0 4 年人造板 总产量达5 4 4 6 4 9 万c m 3 。然而森林资源远远不能适应这种需求，据第六次全国森 林资源清查结果显示，我国现有森林面积1 7 5 亿h m 2 ，人工林保存面积0 5 3 亿h m 2 ， 蓄积量1 5 0 5 亿c m 3 ，而林分平均胸径仅1 3 8 c m e 蚓。在严峻的现实下，人们急需寻 内蒙古农业大学硕士毕业论文 5 求可替代的人造板用材，沙生灌木这种西北广泛生长的植物资源，有效的扩充了人 造板的用材资源。据2 0 0 2 年统计数据，灌木造林面积超过了1 5 0 0 万h m 2 3 6 】，而大 部分的沙生灌木具有平差复壮的特性，可实现资源的永续利用。沙生灌木中沙柳用 于人造板用材的最多。沙柳也属- - n 五年平茬一次的沙生灌木，平茬后的沙柳植株 径积增大，生物量明显增加，有研究表明，沙柳木质部的纤维形态和化学成分存在 树龄上的变异性，对于沙柳树皮的纤维长度、宽度以及化学成分随树龄以及平茬次 数的变化规律的研究，有助于今后对沙柳树皮合理有效的利用。据有关报道，沙柳 树皮本身也是一种药材，对沙柳的树皮主要化学成分的研究必然为今后的利用提供 一个基础。树皮这种天然纤维材料存在着热解作用，对沙柳树皮的热学特征对于树 皮类人造板的研究以及木材阻燃等都是非常重要的基础性工作。目前对于沙柳刨花 板的研究表明，沙柳刨花板的各性能已经达到了国家标准，但是由于在生产过程种 没有去皮的工序，会直接影响板的物理力学性质以及板面质量，研究树皮对刨花板 性能的影响的程度以及将树皮控制到一定的范围是生产实践中急待解决的问题。本 文首次研究沙柳树皮量对于刨花板性能的影响，为今后的工业生产提供一个依据。 由于木质资源的短缺，我国从5 0 年代末开始开发非木质人造板，如竹材、麦秸、 稻草、蔗渣等等人造板，而树皮板在国内的研究进展不大，但国外树皮板的研究已 经达到了一定的高度，部分已实现了树皮板的工业化生产。对于沙柳树皮板的研究 有效的补充国内树皮板研究，使其逐步向工业化发展，进而使树皮板向功能性板材 发展，比如吸音树皮板、隔热树皮板等，满足我国人造板的巨大需求。本试验对树 皮板的研究采用均匀设计，均匀设计于1 9 7 8 年由王元和方开泰提出，目的是解决 导弹弹道系统的指挥仪设计臼”。均匀设计是利用均匀性来挑选部分的水平组合，较 正交设计试验量大大的减少，这样有效了节省了人力物力，而且均匀设计也是电脑 仿真试验设计。经2 0 多年的发展和推广，已广泛的用于化工、医药、生物、食品、 军事、电子等诸多领域。在木材行业也得到了一些应用，但是目前还不多。 1 3 研究的内容 本文以沙柳树皮为研究对象，研究的主要内容如下： ( 1 ) 沙柳树皮纤维形态，研究不同平茬次数，不同树龄对沙柳树皮纤维长度和宽 度的影响； ( 2 ) 研究沙柳树皮化学成分随平茬次数以及树龄的变化规律； ( 3 ) 沙柳树皮和沙柳材的热特征，得到了沙柳树皮及沙柳材的热解过程参数； ( 4 ) 树皮量对沙柳刨花板性能的影响，考虑不同树皮含量，热压时间，热压温度 对刨花板m o r 、m o e 、吸水厚度膨胀率、握钉力以及内结合强的影响，得出沙柳树 皮对于刨花板各项性能指标的影响程度； ( 5 ) 对沙柳树皮板进行了研究，利用均匀设计法以及逐步回归法建立方程，筛选 6 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 最优的方程，并在此基础上对沙柳树皮板的工艺参数进行优化。 2 沙柳树皮纤维形态的研究 沙柳又名北沙柳、西北沙柳，学名s a l i xp s a m m o p h i l aw a n ge ty a b g ，是杨 柳科柳属灌木。广泛生长在西北地区，在我区伊盟境内主要分布在毛乌素沙地，其 次是库布齐沙带两侧边缘地带。沙柳需要三到五年平茬一次，平茬情况对于沙柳树 皮生长有一定的影响。本试验研究了沙柳树皮的纤维形态，目的是为了更有效合理 的利用沙柳树皮。 2 1 试验材料及仪器 2 1 1 试验材料 试材采自内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗新街治沙站。植株高1 1 - - 3 4 m ，根径 0 5 2 5 a m 。从试材的根部、中部、梢部三处截取约1 - - 2 c m 长的树皮，切成小条。 纤维形态的试验采用两因子三水平全因子试验，如表1 。 表1试验水平因子表 因素 承乎 树龄平茬次数 13未平茬 24 平茬一次 35 平茬两次 2 1 2 试验仪器 试管、恒温水浴锅、滴管、载玻片、盖玻片 2 2 纤维形态的研究方法 将沙柳树皮试样切成长约1 - - - 2 c m 的长条状。取数根放入试管中，注水至淹没 树皮为止，将试管放在水浴锅中加热煮沸至树皮下沉，然后倒出试管中的水，注入 3 0 的硝酸至淹没树皮，微热至产生黄色气体，再加入少量的氯酸钾，在水浴锅中 煮沸，待树皮膨大变白为止。倒出药液，待冷后冲洗数次。注入少量的水，震荡， 使树皮细胞分离成纤维，然后制片。测定纤维的长度，宽度以及壁厚。 2 3 结果与讨论 纤维形态包括纤维的长度、宽度、壁厚、腔径等基本形态指标外，还包括这些 内蒙古农业大学硕士毕业论文 7 指标组合而成的其它形态指标，通常有长宽比、壁腔比等。 表2沙柳树皮的纤维形态 从表2 可以看出，沙柳树皮的纤维长度为0 4 1 2 7 3 r a m ，平均长度为0 9 9 m m ， 按照国际解剖学会的规定0 9 1 , - - - , 1 6 m m 属中等长度的纤维，而且沙柳树皮的纤维长 度也属灌木树皮中较长的，主要与生长的地理环境和气候条件有关；宽度在4 9 4 2 8 2 4l - tm ，平均宽度1 1 4 7i li 1 1 ，纤维的宽度较其它灌木的略小些；长宽比的平均 值为8 6 1 1 。 表3纤维形态对比表 汰 平均长度m m平均宽度um平均壁厚1 ti n长宽比 原料名称 沙柳树皮 0 9 91 1 4 72 2 68 6 1 1 沙柳木质部 0 5 21 4 3 33 2 73 6 5 部分针叶材2 2 5 - 4 2 82 5 6 0 5 6 0 02 2 0 1 2 5 05 5 4 0 1 2 9 4 0 部分阔叶材0 4 7 2 9 21 4 4 0 3 0 0 02 4 2 5 3 02 0 9 0 9 1 6 0 棉杆皮 2 2 62 0 6 01 1 6 01 0 9 7 1 红麻皮 2 2 82 3 0 87 0 89 8 7 9 表3 为沙柳树皮与其它树种纤维形态的对比表，从表中可以看出沙柳树皮的纤 维长度较沙柳材以及部分阔叶材要大些，但远不及棉杆皮和红麻皮这些优质的造纸 原料。长而壁厚的纤维能生产出较好的人造板，虽然沙柳树皮的纤维长度较好，但 8 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 是壁薄，这就导致纤维的抗拉强度降低，不利于生产出高性能的人造板。但人造板 的质量不仅依赖于纤维的强度，更依赖丁纤维之间的交织结合强度，这就要看纤维 的长宽比，沙柳树皮的长宽比要好于部分针阔叶材，也远大于沙柳材的长宽比。从 沙柳树皮的强度来看，它不如沙柳材的，这会导致沙柳树皮板的强度下降，而且树 皮的混入会降低沙柳材刨花板的性能。但是总的来看还是可以用于人造用材的。 表4 纤维长度方差分析表 平茬 树龄 误差 总和 3 0 8 1 4 0 0 3 5 6 2 2 9 1 8 9 1 5 4 0 7 0 0 1 7 8 i 0 4 1 8 1 4 83 4 4 0 0 2 3 4 4 利用s a s 软件对纤维长度进行方差分析如表4 ，结果表明平茬次数对于纤维的长 度有很大的影响，而树龄对于沙柳树皮纤维长度影响不大。从表5 可以看出，平茬 次数和树龄对沙柳树皮的纤维宽度的影响不大。 1 2 0 1 1 0 昌i o o 醚 出o 9 0 媒 虫o 8 0 0 7 0 0 6 0 图1 纤维长度随平茬和树龄的变化图 内蒙古农业大学硕士毕业论文 9 目 割 悃 螂 鞋 图2纤维宽度随平茬和斜龄的变化图 茬两次 一次 从平茬以及树龄对纤维长度和纤维宽度的趋势图( 图1 图2 ) ，可以看出纤维 长度有一定的规律性，而纤维宽度没有明显的变化趋势。纤维的长度随着平茬次数 的增加而增大，平茬后四年生的纤维长度要长一些，这是由于五年咀后沙柳进入衰 老期，并且树皮细胞很容易受挤压而改变其形状，而平茬两次的纤维长度都较好。 对于纤维宽度，平茬两次三年生的最大。 囤3离析片中的细胞 1 0 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 沙柳树皮在离析的过程中，有部分的组织脱离，这层组织为浅黄色， 打散后为絮状，应该为周皮部分，已被冲洗去除。切片中的细胞的种类， 如图3 ，l 号图为韧皮纤维，细胞呈细长纺锤状，有些韧皮纤维中含有大量 的内含物，2 图为筛管，粗而壁薄，图3 为薄壁细胞经分裂成为串连的薄 壁组织束，在每一个细胞内含有单个结晶体。4 号图为扩大的薄壁细胞， 长度较纤维的要小。 2 4 小结 ( 1 ) 沙柳树皮纤维长度的范围为0 4 1 2 7 3 m m ，平均值为0 9 9 m m ，宽度为 4 9 4 - - - 2 8 2 4 l am ，平均值为1 1 4 7 um ，长宽比为8 6 1 1 ，可以用于人造板用材； ( 2 ) 沙柳树皮纤维的长度受到平茬次数的显著影响，树龄对它影响不大；沙 柳的平茬次数和树龄对于沙柳树皮的纤维宽度的影响不大； ( 3 ) 平茬后四年生的沙柳的纤维长度较长，并且平茬次数最好为两次。平茬 两次三年生的沙柳树皮纤维宽度最好； ( 4 ) 离析的切片中存在含结晶单体的薄壁细胞、扩大的薄壁细胞以及筛管。 3 沙柳树皮化学成分的研究 大量的研究表明，树皮的浸出物中很多具有重要生理活性和工业利用价值的珍 贵物质，但是浸出物的组成和数量受多种因素的影响，不同的树种浸出物不同，同 一种树种，也受到树龄，生长条件和试验方法等的影响。本试验探讨不同树龄和平 茬情况对于沙柳树皮中的化学成分的影响。 3 1 试验材料及设备 3 1 1 试验材料 试材采自内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗新街治沙站。植株高1 1 - - 3 4 m ，根径 o 5 - - 2 5 c m 。采伐后立即剥皮，风干，用揉碎机揉碎，粉碎，过筛，取能通过4 0 目的进行灰分和酸不溶木素的分析，取能通过4 0 目通不过6 0 目的树皮粉做苯醇、 i n a o h 以及冷热水抽出物。 3 1 2 试验设备 坩锅、回热炉、电子天平、干燥箱、索氏抽提器、冷凝器、滤纸、漏 斗、量筒、恒温水浴锅、锥形瓶、干燥器、烧瓶 3 1 3 试验试剂 甲苯、纯乙醇、9 5 乙醇、硫酸、氢氧化钠、乙酸、蒸馏水 内蒙古农业大学硕士毕业论文 1 1 表6 为树皮化学成分的结果表，一般来说木质部中的灰分含量较低，一般低于 l ，禾本植物中和树皮中的灰分含量较高，多数为2 5 ，灰分中包含多种呈 氧化态的矿物质元素，其中s i0 2 的含量较高，它的存在对于刨花板的胶合有不利的 作用。而沙柳树皮的灰分为5 2 2 ，也就是说沙柳树皮中s i 0 2 含量多，使得表皮 硬度高而湿润性差，严重的影响胶粘剂的胶合。冷水抽出物包括原料中的单宁、胶 质、糖类物质，热水抽出物较冷水多出淀粉类物质，沙柳树皮的冷水抽出物为1 3 8 4 ，热水抽出物高达1 7 7 6 ，水抽出物的大量存在对于人造板的性能有不良的影 响，而且会造成工业上的废水污染以及粘板现象。用热的1 n a o h 抽出的物质为低 分子量的碳水化合物，包括半纤维素和可降解的纤维素。这些抽出物的数量可以说 明真菌腐朽或是光、热、氧化腐朽的情况。l 氢氧化钠的抽出物越多，腐朽或降 解的情况越严重。从表中可以看出沙柳树皮的稀碱抽出物高达4 1 7 2 ，不利于板 12 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 材的耐水性却有利于腐朽。沙柳树皮的甲苯乙醇抽出物1 3 8 1 ，也就是说树皮中 可抽出的蜡、脂类、树胶、部分胶质以及一些水抽出物较多，这些物质的存在严重 的影响着气干和干燥，还影响到渗透性。酸不溶木素是木材用强酸处理以后，糖类 被水解，剩下的不溶性残渣为木素。由于一些木材的抽出物( 油类，树脂，脂类， 蜡，单宁，胶质，淀粉) 与木素不溶，经适当的溶解处理后，这些物质将首先被除 去。单宁含量高的木材，如橡树、栗子木、红杉等进行乙醇抽出是有必要的，但对 于大多数造纸用木材，如各种云杉、松木、杉木、铁杉、杨木等木材是没有必要的。 由于沙柳树皮的单宁含量较高，所以首先对其进行了乙醇的抽出，然后进行酸不溶 木素的测定，结果证明酸不溶木素的含量较低。 表7柳材和沙柳树皮化学成分对照表单位： 从表7 可以看出，沙柳材木材中约含有1 8 2 0 的酸不溶木素，而沙柳树皮中 木素的含量明显的小于木材木素的含量。这就导致有树皮混入的刨花板的强度降 低。沙柳树皮中的灰分有5 2 2 ，远大于沙柳材的3 2 ，也就是说其中的s i 0 2 含 量较木质部高，这就导致沙柳树皮板以及混有树皮的刨花板混胶困难以及胶的固化 困难。从此表中可以明显的看出沙柳树皮中的冷热水、1 氢氧化钠、甲苯乙醇的 抽出物都较高，最终影响板的物理力学性能以及板面质量。 浆 删 如 图4树皮化学成分随平茬次数的变化 口未平茬 口平茬一次 囵平茬两次 o 5 0 5 0 5 o 5 o 5 0 5 4 4 3 3 2 2 l 1 内蒙古农业大学硕士毕业论文 13 从随平茬次数的变化情况( 图4 ) 看出，平茬一次的冷热水、1 氢氧化钠、 甲苯乙醇的抽出物都较高，平茬两次的较低，而不管是平茬还是不平茬；沙柳树皮 的酸不溶木素含量都相差不大。 桨 删 抽 ；隅隅。隅隅隅 栌，i ， 图5树皮化学成分随树龄的变化 口三年 口四年 口五年 从图5 可以看出，沙柳树皮的化学成分随树龄没有明显的变化趋势。但是可以 看出三年生和四年生的化学成分基本相同。 3 4 小结 ( 1 ) 沙柳树皮的灰分为5 2 2 ，冷水抽出物为1 3 8 5 ，热水抽出物为1 7 7 6 ， 1 氢氧化钠抽出物为4 1 7 2 ，甲苯乙醇抽出物为1 3 8 2 ，酸不溶木素为4 7 4 。 除酸不溶木素外，沙柳树皮的化学成分都高于沙柳材的，这些抽出物严重的影响材 料润湿性以及胶粘剂的固化，在生产过程中导致粘板和污水的产生，另外对刨花板 的表面质量有严重的影响。 ( 2 ) 除酸不溶木素，平茬一次后沙柳树皮的化学成分都较高，而平茬两次的较低， 无论平茬几次酸不溶木素的含量基本相同；树龄对于各化学成分的影响没有明显的 规律性，不过树龄为三年和四年的基本相同。 4 热重分析 热分析是建立在物质热行为上的一类分析方法。木材在受热时会分解，产生失 重并释放出可燃性挥发产物。热分析能够跟踪物质受热过程中各种物理的、化学的 变化。本试验利用t g 和d s c 分析研究了沙柳树皮及沙柳材的热学特征。 14 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 4 1 试验材料及设备 4 1 1 试验材料 沙柳树皮和沙柳材均采自内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗新街治沙站。植株高 1 1 3 4 m ，根径o 5 , - - , 2 5 c m 。采伐后立即剥皮，将树皮和沙柳材分别风干，揉碎， 粉碎。 4 1 2 试验设备 t a 6 0 热分析仪：温度范围，室温6 0 0 0 ；测定范围，+ 4 0 m w ；加热 速度：0 + 9 9 9 0 c m i n ，日本岛津公司。 4 2 试验条件 t g 分析：试样质量，4 m g ；氛围，氮气介质；气体流量，4 0 m l m i n ；升温速 度，1 0 c m i n ； d s c 分析：试样质量，4 4 m g ；氛围，空气介质；气体流量，4 0 m l m i n ；升温 速度，1 0 c m i n 。 4 3 试验结果与讨论 4 3 1 沙柳树皮及沙柳材的t g 分析 图6沙柳树皮和沙柳材的t s a d t a 热解曲线 一为沙柳材为沙柳树皮 内蒙古农业大学硕士毕业论文 15 从图6 可以看出，沙柳树皮以及沙柳材的t g a d t a 曲线都可分为三个阶段，i ， 干燥阶段系水分蒸发，这是个吸热的过程，木质部的t g a 曲线有一个吸热峰，而树 皮的曲线有两个吸热峰。i i ，炭化阶段，t g 曲线减量速率明显加快，发生剧烈热分 解，此时树皮中的木质素、半纤维素和纤维素等化学组分受热分解放出c 0 2 、c o 、c h 4 木焦油等，同时放出反应热，减量速率大，并有明显放热效应。，木炭的煅烧阶段， 此阶段曲线减量速率减小，主要是由于氮气的保护下不容易形成强烈的燃烧。由于 树皮中的化学成分较复杂，所以大部分的，导致部分峰重叠，而木质部形成了明显 的放热峰。 表8 试样t g a dt a 曲线特征表 从两曲线的特征表( 表8 ) 可以看出，沙柳树皮和沙柳材的分解过程还是有区 别的，首先，在水分蒸发阶段，沙柳树皮存在两个吸热峰，主要是因为沙柳树皮中 的某些成分已经开始预炭化，而且树皮的失重率要大于沙柳材的。炭化阶段沙柳树 皮的失重率低于沙柳材的，而且炭化的起始温度低于沙柳材的。在煅烧阶段，沙柳 材的放热峰温度要高于沙柳树皮，残留在木炭中的左旋葡萄糖进一步缩聚发生芳构 化，同时也存在部分木炭氧化，放出大量热量。从终温残余物来看，沙柳树皮的要 大于沙柳材的，说明树皮中的无机成分要大于沙柳材的。 4 3 1 沙柳树皮和沙柳材的d s c 分析 从图7 沙柳树皮和沙柳材在空气环境下的d s c 热解曲线可以看出，沙柳材和沙 柳树皮之间有明显的区别。沙柳材在3 2 7 9 5 k 附近有一吸热峰，吸热量为1 2 5 3y g ， 而沙柳树皮在3 3 5 0 8 k 附近同样出现了一个吸热峰，吸热量为6 1 3 5 j g ，显然沙 柳树皮的吸热量要高出很多，不同的是沙柳树皮在4 0 8 5 7 k 处又出现一个吸热峰， 吸热量为7 7 8 5j g 。 1 6 沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响 图7 沙柳树皮和沙柳材的d s c 热解曲线 一为沙柳材 为沙柳树皮 沙柳树皮在8 2 1 2 4 k 处出现一个尖锐的放热峰，此时是沙柳树皮发生剧烈的分 解而导致放热，所放出的热量为2 6 0 k j g ，而沙柳材在6 2 4 8 4 到8 0 9 7 7 k 之间出 现一个热流峰，最大放热峰出现在7 9 4 1 l k ，所放出的热量是8 6 3 9 5 j g 。这是由 于沙柳材和沙柳树皮都在剧烈的燃烧，但是所放出的热量不同，沙柳树皮放出的热 量远大于沙柳材的，约是沙柳材的三倍，这主要是因为沙柳树皮中的成分比较复杂， 有有利于燃烧的成分存在。 4 4 小结 ( 1 ) 沙柳树皮以及沙柳材在氮气环境下的t g a d t a 曲线都可分为三个阶段，水分 蒸发阶段、炭化阶段和木炭煅烧阶段。在水分蒸发阶段，沙柳树皮存在两个吸热峰， 炭化阶段沙柳树皮的失重率低于沙柳材的，而且炭化的起始温度低于沙柳材的。在 煅烧阶段，沙柳材的放热峰温度要高于沙柳树皮。从终温残余物来看，沙柳树皮的 要大于沙柳材的。 ( 2 )