人工林杨树正常木和应拉木材性与制浆造纸性能关系及其模型研究

论文摘要

本文以正常生长和偏心生长欧美杨107杨（简称为107杨）木材为研究材料,首先研究两种生长状态部分木材材质指标的的径向变异模式和整体趋势;其次,分别对正常生长杨树中的正常木和偏心生长中的应拉木进行化学组成和制浆造纸性能研究,分析了其化学组成、制浆性能和纸张性能的径向变异模式和整体趋势,并对正常木和应拉木进行了全面比较,再次,以正常木和应拉木的材性和制浆造纸性能径向变异为基础,分析材性与制浆性能和纸张性能之间的关系,并建立了多重线性回归模型。此外,通过对两种生长状态下立木表面轴向生长应变和内部残余轴向应变的研究,分析了生长应变的不同高度、不同周向位置、不同径向位置的变异模式和整体趋势,并结合生长性状和木材性质,分析它们之间的关系。研究得出结果具体如下:1.人工林杨树正常木木材材性研究从木材解剖特性来看,欧美杨107杨是一种非常优良的制浆造纸原料。径向变异研究得出:木射线比量从髓心向外缓慢上升;导管比量从髓心向外略有下降;纤维比量从髓心向外开始保持不变,到第4年轮后开始迅速下降;纤维长度、纤维宽度、长宽比、胞腔径的径向变异整体趋势是从髓心向外开始迅速增长到一定位置后速度开始放缓;壁腔比的整体径向变异趋势是从髓心缓慢下降,达到第4年轮后开始迅速攀升到树皮;微纤丝角的整体径向变异趋势如开口下乡的抛物线,顶点在第4年轮。方差分析的结果表明不同单株、不同年轮之间纤维形态各指标的变异都较大,并且这种影响程度在各指标之间不一致。年轮对导管比量和纤维比量影响显著,对木射线比量影响不显著。从木材化学组成来看,欧美杨107杨同样也是一种非常优良的制浆造纸原料。其径向变异研究得出:纤维素含量和a-纤维素含量径向变异整体趋势是从髓心向外逐渐增加,在第6年轮处曲线趋于平稳;综纤维素含量和1%氢氧化钠抽提物含量整体趋势都是开口向下的抛物线,顶点也都在第5年轮处;苯醇抽提物含量从髓心向外迅速降低;相对结晶度整体径向变异趋势是开口向下的抛物线,顶点在第5年轮和第6年轮之间。方差分析表明化学组成在不同单株和不同年轮之间存在着显著的差异。欧美杨107杨的基本密度偏低,有利于制浆造纸。欧美杨107杨正常木基本密度径向变异的整体趋势线为开口向上的抛物线。方差分析表明木材基本密度在不同单株和不同年轮之间存在着显著的差异。欧美杨107杨生长应变研究显示:立木表面轴向生长应力在树干外围的不同周向位置之间比较的差异不显著,但在不同高度中差异显著。生长拉应力值越大,纤维双壁厚越小,此外随着生长拉应力的增加,轴向的全干干缩率下降。欧美杨107杨内部残余轴向生长应变的整体趋势图如开口向下的抛物线,其顶点在髓心位置处。2.人工林杨树应拉木木材性质研究应拉木在各单株、各年轮之间的分布具有很强的不均匀性。应拉木纤维长度、纤维宽度、长宽比以及木射线比量与正常木之间差异不明显,而微纤丝角度、导管比量要低于正常木,双壁厚、壁腔比要高于正常,且差异在不同水平上显著。偏心生长的欧美杨107杨应拉木区和对应木区木材解剖特性径向变异研究得出:应拉木区木射线整体径向变异模式是从髓心向外以一定速度下降;导管比量从髓心向外一直保持持续增长的趋势:纤维比量在第1（2）年轮和第4年轮之间基本保持不变,随后才有微弱的下降。应拉木区中和对应木区中的纤维长度径向上整体基本为持续增长的趋势;纤维宽度、壁腔比、双壁厚从髓心开始保持较缓速度增长;腔径在第1（2）年轮和第4年轮之间基本保持不变,随后开始缓慢上升;长宽比径向变异的整体趋势如开口向下的抛物线,其顶点位置在第5年轮处;应拉木区中的微纤丝角径从髓心向外逐渐降低;对应木区的微纤丝角度整体径向变异趋势如开口向下抛物线,且第4年轮是抛物线的顶点。各解剖特性在不同单株和不同年轮比较中得出的结果存在不同点,纤维长度、宽度、双壁厚、微纤丝角、胞腔径均显示出较大差异性,而长宽比却没有差异。木材组织比量中只有应拉木区中的纤维比量在不同单株和不同年轮中差异显著。应拉木的纤维素含量和a-纤维素含量远高于正常木得到的数值,木材相对结晶度略高于正常木,因此木素含量和1%氢氧化钠抽提物含量相对应的较低,而综纤维素含量基本没有变化。不同单株和不同年轮之间的化学组成和相对结晶度都存在较大差异性。应拉木区密度要高于正常木木材基本密度。应拉木区基本密度的整体径向变异趋势为:从髓心向外保持平稳,从第4年轮后呈现迅速上升的趋势,一直到树皮。不同单株和不同年轮对应拉木区木材基本密度的影响显著。偏心生长立木生长应力周向变化趋势为,整个树干外围主要生长应力形式主要以拉应力为主,并且倾斜树干最上部或弯曲树干最凸处的生长应力为拉应力的最大值,倾斜最下部或弯曲树干最凹处的生长应力为拉应力最小值或部分单株出现了压应力。不同单株、不同周向位置之间的生长应变差异性较大,而同一单株不同高度之间差异不明显。立木表面轴向生长应变与木材材质之间关系研究得出,生长应力拉应力越大,双壁厚、壁腔比、轴向全干干缩率、径向全干干缩率、弦向全干干缩率均显著增加,纤维宽度和腔径显著减少。偏心生长木材内部残余轴向生长应变的径向变异整体模式如开口向下的抛物线,顶点在髓心处,从散点图来看,应拉木区树干外围若干年轮的应变值要小于对应木区相对应的年轮,说明应拉木区树干外围的生长拉应力大于对应木区相对对应的位置。3人工林杨树正常木和应拉木制浆造纸性能研究在正常木制浆条件实验中,欧美杨107杨的制浆性能处于中等水平,制浆得率从髓心向外迅速增加,到第6年轮后是出现微弱下降。卡泊值整体趋势是如开口向上的抛物线,卡泊值从髓心向外开始逐渐降低,到第4年轮时出现最低值,随后逐渐上升。根据制浆性能关系相关木材性质和制浆造纸性能的径向变异模式和整体趋势,本文欧美杨107杨纸浆林的轮伐期要长于6年。不同单株对制浆得率的影响不显著,而对卡泊值的影响显著;年轮对制浆得率的影响显著,而对卡泊值的影响不显著。抗张指数的径向变异整体变化趋势为从髓心向外逐渐增加,到第5年轮后开缓慢下降;撕裂指数在生长轮初期主要还是保持一个较为平稳的缓慢上升的状态,到第4、5年轮之间保持基本不变,随后在第6年轮后迅速攀升;耐破指数的径向变异整体趋势与抗张指数较为类似,从髓心向外迅速增加至第5年轮,随后开始缓慢下降。本文认为如果以纸张性能最大化目标,欧美杨107杨纸浆林最佳轮伐期要不能超过5年。因此,综合制浆性能和纸张性能的径向变异结果,木文认为欧美杨107杨纸浆林的最佳轮伐期应该6-7年。不同年轮之间和不同单株之间各纸张性能指标均差异显著。与正常木相比可以明显看出,应拉木制浆得率较高,纸浆卡泊值较低。不同单株之间制浆得率和卡泊值的差异不显著;年轮对制浆得率的影响显著,而对卡泊值的影响不显著。从应拉木纸张性能检测性能可以看出,应拉木制作的纸张抗张指数和耐破指数较正常木来说要差的多,但是撕裂指数差别不大。不同年轮之间应拉木各纸张性能指标除耐破指数外均差异显著,应拉木单株之间的各项纸张性能指标均差异显著。随着打浆转数的提高,应拉木纸浆打浆度开始迅速提高;随着打浆转数的提高,应拉木纸张抗张指数和耐破指数首先增加迅速,随后速度趋于平缓;应拉木纸张撕裂指数随着打浆转数的提高先是出现微弱的提高,然后撕裂指数开始下降。12000转后,应拉木纸张抗战指数和耐破指数已经被提高到与正常木较为相同的水平,但是整体上看仍然会低于正常木纸张,此外,打浆转数的增加对应拉木纸张性能提高具有一定的上限,过高的打浆转数对纸张性能有所损耗。4.人工林杨树正常木和应拉木木材性质与制浆造纸性能关系及模型研究在正常木木材性质与制浆性能相互关系得出:木材化学组成的综纤维素含量（Χ1）、纤维素含量（Χ3）、a-纤维素含量（Χ4）、木材相对结晶度（Χ8）、1%氢氧化钠抽提物含量（Χ6）之间存在显著的正相关关系,与苯醇抽提物含量（Χ7）和木材基本密度（Χ9）之间也存在显著的负相关关系或负偏相关关系（年轮数为控制变量,下同）,与半纤维素含量（Χ2）、木射线比量(Χ10)之间关系不显著。卡泊值与木素含量（Χ5）、木材基本密度、导管比量(Χ11)存在显著的正相关关系,与纤维比量(Χ12)之间的负相关关系也显著。在应拉木木材性质与制浆性能相互关系得出:制浆得率与纤维素含量、a-纤维素含量、综纤维素含量、木材结晶度、木材密度、纤维比量、年轮数、含胶质纤维比例指标之间存在显著的正相关关系;与1%氢氧化钠抽提物含量、木素含量、苯醇抽提物含量存在显著的负相关关系。卡泊值与a-纤维素含量之间存在显著的负相关关系,与其余指标相关性均不显著。采用主成分分析提取所有与制浆性能相关材性指标的主成分,再利用主成分对分别对正常木、应拉木和整体木材制浆得率和卡泊值进行多重线性回归,得到材质指标对制浆得率和卡泊值的经验回归模型。正常木材性与制浆性能线性回归模型:制浆得率（%）=0.615χ1-0.583χ2+1.23χ3+1.203χ4-0.380χ5+1.380χ6-0.357χ7+0.790χ8-0.050χ9-0.231χ10+0.139χ11+0.074χ12+140.438（**）卡伯值=0.146χ1-0.292χ2+0.095χ3+0.114χ4+0.620χ5-0.398χ6-0.106χ7+0.017χ8+0.070χ9-0.022χ10+0.890χ11-0.670χ12+17.962 （ns）应拉木木材性与制浆性能线性回归模型:制浆得率=0.1924χ1-0.5096χ2+2.5002χ3+4.2296χ4-0.7326χ5+1.0323χ6-.01054χ7+1.8616χ8+0.021χ9-0.1664χ10-08759χ11+1.0424χ12+163.9981（***）卡泊值=1.2136χ1+0.0784χ2-1.2501χ3-2.5502χ4+0.4884χ5+0.2997χ6-0.062χ7-1.074χ8-0.008χ9+0.1976χ10+0.5968χ11-0.7923χ12+23.1694 （ns）材性与制浆性能整体线性回归模型制浆得率=2.703χ1-1.880χ2+5.846χ3+5.085χ4-2.3912χ5-0.108χ6-0.632χ7+3.177χ8-0.019χ9-0.191χ10+2.415χ11+0.678χ12-100.4062（***）卡泊值=-0.5456χ1+3.3528χ2-3.7χ3-3.1188χ4+2.2736χ5+1.3283χ6+0.144χ7-1.9228χ8-0.016χ9-0.371χ10+1.6744χ11-1.1951χ12-100.4062（***）在正常木木材性质与制浆性能相互关系得出:抗张强度与纤维长度（Χ1）、纤维宽度（Χ2）、纤维长宽比（Χ3）、胞腔径（Χ4）、纤维比量(Χ10)、木材结晶度(Χ11)之间存在正的显著相关性或偏相关性,与木材基本密度(Χ12)、双壁厚（Χ5）、壁腔比（Χ6）、导管比量（Χ9）之间的负相关系数或偏相关系数均显著,与微纤丝角（Χ7）、木射线比量（Χ8）之间相关性不显著。耐破指数与纤维宽度,胞腔径显著正相关;与双壁厚和壁腔比之间的显著负偏相关。撕裂指数与双壁厚、纤维长度、纤维长宽比、壁腔比、木材基本密度的正相关关系显著。由于应拉木木材性质与纸张性能受到了应拉木存在的不均匀性影响,无法得出显著的相关性,因此也未进行多重线性回归模型研究。材质指标对制浆得率和卡泊值的经验回归模型为:正常木材性与纸张性能线性回归模型:抗张指数=340.524χ1+2.037χ2+10.627χ3+1.714χ4+0.109χ5-0.011χ6-0.311χ7+2.794χ8-3.864χ9+3.993χ10+1.260χ11-0.0313χ12+2288.786（**）撕裂指数=57.962χ1+0.244χ2+1.837χ3-0.071χ4+0.258χ5+0.018χ6-1.246χ7+0.121χ8-0.222χ9+0.099χ10+0.034χ11+0.913χ12+355.325（**）耐破指数=1359.080χ1+8.259χ2+41.131χ3+8.366χ4-0.707χ5-0.158χ6+11.176χ7-4.422χ8-7.256χ9+11.061χ10+7.039χ11-0.136χ12+8643.946（ns）材性与纸张性能整体线性回归模型:抗张指数=0.184χ1+0.056χ2+0.122χ3+0.257χ4-0.212χ5-0.218χ6+0.054χ7-0.067χ8-0.080χ9+0.097χ10-0.154χ11-0.099χ12+74.046（***）撕裂指数=0.140χ1+0.097χ2+0.105χ3-0.004χ4+0.079χ5+0.039χ6+0.034χ7+0.060χ8+0.024χ9-0.213χ10+0.055χ11+0.014χ12+10.987（*）耐破指数=0.100χ1-0159χ2+0.042χ3+0.238χ4-0.202χ5-0.210χ6+0.073χ7-0.042χ8-0.046χ9+0.057χ10-0.156χ11-0.139χ12+451.240（***）

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 我国人工纸浆林发展背景、现状、建设目标和主要问题
• 1.2.1 我国木材资源现状
• 1.2.2 我国纸浆产业和纸浆原料资源现状
• 1.2.3 "林纸一体化"发展战略
• 1.2.4 我国人工纸浆林建设现状、目标及主要问题
• 1.3 木材制浆造纸和木材性质与制浆造纸性能关系
• 1.3.1 我国木材制浆造纸现状
• 1.3.2 木材制浆造纸方法
• 1.3.3 我国木材原料制浆造纸性能研究现状
• 1.3.4 木材性质与制浆造纸性能关系
• 1.3.4.1 木材化学组成与制浆造纸性能关系
• 1.3.4.2 木材纤维性能与制浆造纸性能关系
• 1.3.4.3 木材其它性质与制浆造纸性能关系
• 1.3.4.4 木材性质与制浆造纸性能之间的数理关系研究
• 1.3.5 木材原料制浆造纸性能的影响因素
• 1.4 我国杨树资源和人工林杨树培育以及加工利用现状
• 1.4.1 我国杨树资源
• 1.4.2 我国主要杨树人工林品系简介
• 1.4.3 我国人工林杨树木材制浆造纸性能研究
• 1.4.4 我国人工林杨树木材人造板加工利用
• 1.5 应拉木木材性质及加工利用研究
• 1.5.1 应拉木的存在
• 1.5.2 应拉木与正常木木材性质比较
• 1.5.3 应拉木对木材加工利用的影响
• 1.6 生长应力及其与木材性质之间的关系
• 1.6.1 生长应力的存在及其形成机理
• 1.6.2 生长应力的分布
• 1.6.3 生长应力与木材性质之间的关系及其对木材加工利用的影响
• 1.7 本研究的主要内容、目的和意义
• 1.7.1 本研究的主要内容
• 1.7.2 本研究的目的和意义
• 第二章 人工林杨树正常木木材性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试材采集和划分
• 2.2.1.1 试材采集
• 2.2.1.2 试材划分
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.2.1 立木表面轴向生长应变测试方法
• 2.2.2.2 伐倒木内部残余轴向生长应变测试方法
• 2.2.2.3 应拉木与非应拉木区分方法
• 2.2.2.4 木材解剖特性测试方法
• 2.2.2.5 木材物理性能测定方法
• 2.2.2.6 木材主要化学组成的测定
• 2.2.3 数据统计分析方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 正常木与应拉木区分及应拉木剔除
• 2.3.2 正常木木材解剖特性研究
• 2.3.2.1 正常木木材构造分子组织比量及其径向变异研究
• 2.3.2.2 正常木木材纤维形态特性及其径向变异研究
• 2.3.3 正常木材化学组成研究
• 2.3.3.1 正常木木材化学组成均值
• 2.3.3.2 各单株正常木木材化学组成径向变异模式
• 2.3.3.3 正常木木材化学组成径向变异整体趋势及其形成原因分析
• 2.3.3.4 不同单株、不同年轮各化学组成双因素方差分析
• 2.3.4 正常木材物理性质研究
• 2.3.6 正常木材生长应变的研究
• 2.3.6.1 正常木立木表面轴向生长应变研究
• 2.3.6.2 正常木立木表面轴向生长应变与生长形状、木材性质之间的关系
• 2.3.6.3 正常木伐倒木内部残余轴向生长应变研究
• 2.4 结论与讨论
• 第三章 人工林杨树应拉木木材性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试材采集和划分
• 3.2.1.1 试材采集
• 3.2.1.2 试材划分
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.2.1 立木表面轴向生长应变测试方法
• 3.2.2.2 伐倒木内部残余轴向生长应变测试方法
• 3.2.2.3 应拉木与非应拉木区分方法
• 3.2.2.4 木材解剖特性测试方法
• 3.2.2.5 木材物理性能测定方法
• 3.2.2.6 木材主要化学组成的测定
• 3.2.2.7 木材相对结晶度的测定和计算方法
• 3.2.3 数据统计分析方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 偏心生长木材中应拉木区分效果
• 3.3.2 偏心生长木材解剖特性研究
• 3.3.2.1 应拉木区中木材构造分子组织比量及其径向变异研究
• 3.3.2.2 偏心生长木材中木材纤维形态及其径向变异研究
• 3.3.2.3 应拉木区应拉木存在比例与木材解剖特性之间的相关关系
• 3.3.3 偏心生长应拉木区木材基本密度及其径向变异研究
• 3.3.4 应拉木化学组成和相对结晶度研究
• 3.3.5 偏心生长木材生长应变研究
• 3.3.5.1 偏心生长木材立木表面轴向生长应变研究
• 3.3.5.2 偏心生长木材立木表面轴向生长应变与相关木材材性之间的关系
• 3.3.5.3 偏心生长木材伐倒木残余轴向生长应变及其径向分布
• 3.4 结论与讨论
• 第四章 人工林杨树正常木和应拉木制浆造纸性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.2.1 制浆蒸煮及制浆性能测定方法
• 4.2.2.2 打浆方法及打浆度测定
• 4.2.2.3 手抄纸制作
• 4.2.2.4 纸张性能检测
• 4.2.3 数据统计分析方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 正常木制浆造纸性能研究
• 4.3.1.1 正常木制浆条件正交实验结果
• 4.3.1.2 正常木制浆性能及其径向变异研究
• 4.3.1.3 正常木纸张性能及其径向变异研究
• 4.3.2 应拉木制浆造纸性能研究
• 4.3.2.1 应拉木制浆条件正交实验结果
• 4.3.2.2 应拉木制浆性能及其径向变异研究
• 4.3.2.3 应拉木纸张性能及其径向变异研究
• 4.3.2.4 不同打浆条件对应拉木纸张性能的影响及其原因
• 4.4 结论与讨论
• 第五章 人工林杨树正常木和应拉木木材性质与制浆造纸性能关系及其模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 正常木材性指标与制浆造纸性能关系及其模型
• 5.3.1.1 正常木材性指标与制浆性能关系及其模型
• 5.3.1.2 正常木材性指标与纸张性能关系及其模型
• 5.3.2 应拉木材性指标与制浆造纸性能关系及其模型
• 5.3.2.1 应拉木材性指标与制浆性能关系及其模型
• 5.3.2.2 应拉木材性指标与纸张性能关系及其模型
• 5.3.3 107杨木材材性指标与制浆造纸性能整体关系模型研究
• 5.3.3.1 木材材性指标与制浆性能关系模型
• 5.3.3.2 木材材性指标与纸张性能关系模型
• 5.4 结论与讨论
• 第六章 总结论
• 6.1 人工林杨树正常木木材性质研究
• 6.2 人工林杨树应拉木木材性质研究
• 6.3 人工林杨树正常木和应拉木制浆造纸性能研究
• 6.4 人工林杨树正常木和应拉木木材性质与制浆造纸性能关系及模型研究
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 在读期间发表研究论文列表
• 在读期间主持、参加科研项目情况