大麻稈芯的物理性質(zhì)和化學(xué)組分

唐曉莉，馬靈飛

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安311300）

大麻Cannabis sativa屬大麻科Cannabaeeae，俗名漢麻、寒麻、線麻、花麻等，英文名hemp，其品種有150個(gè)左右，主要分布在亞洲和歐洲。中國主產(chǎn)區(qū)為黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、山東及安徽等省。2005年，世界大麻的栽培面積約為5.2萬hm2，產(chǎn)量約為6.7萬t；其中中國約為1.0萬hm2，2.6萬t［1］。近些年來，由于脫膠紡紗工藝的重大突破和低毒雌雄同株大麻新品種培育推廣，使人們開始重新認(rèn)識(shí)和肯定大麻纖維及種子的工業(yè)用途。世界各國紛紛修訂農(nóng)業(yè)政策，廢除大麻種植禁令，恢復(fù)大麻生產(chǎn)。中國大麻種植面積也在大幅度提高，根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，到2020年，全國大麻種植面積將達(dá)到67.0萬hm2。近年來，人們對(duì)森林剩余物資源以及農(nóng)作物剩余物資源等生物材料資源的綜合高效利用分析研究越來越重視［2－3］。大麻全稈由韌皮部、稈芯部、髓部等組成，其中大麻的韌皮部占全稈質(zhì)量的20%左右，由于可直接用于紡織加工，附加值較高，而大麻稈芯占全稈質(zhì)量的70%～80%［4］，因此，研究大麻稈芯的物理性能和化學(xué)組分，對(duì)大麻的綜合利用具有積極的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用大麻稈芯從山東肥城購得。將180 cm長(zhǎng)度的大麻稈芯分成上部、中部、下部3個(gè)部位，從下至上60 cm處為下部，60～120 cm為中部，120～180 cm為上部。

由于大麻稈芯為空心材料，參考GB/T 1928－2009木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法總則，從大麻稈芯上取樣，尺寸為5 mm（寬）×20 mm（高）×t mm（稈芯壁厚），上部、中部、下部各取30個(gè)，從30株不同大麻稈芯上共取下90個(gè)作為大麻稈芯壁試樣。另外，保持大麻稈芯空心形狀取樣，長(zhǎng)度為10 mm，上部、中部、下部各取30個(gè)，從30株不同大麻稈芯上共取下90個(gè)作為大麻稈芯試樣。以上試樣分別用于尺寸、密度、干縮率和吸水率的測(cè)定。

大麻稈芯的化學(xué)組分測(cè)定包括綜纖維素、酸不溶木素、（冷水、熱水、10 g·kg－1%氫氧化鈉、苯醇）抽出物、水分和灰分等指標(biāo)。取不同的10株大麻稈芯，分為上、中、下3個(gè)部分，即各部分為10個(gè)樣品，在植物粉碎機(jī)中粉碎混合，篩取40～60目的大麻稈芯粉（約500 g）為試樣，分袋存儲(chǔ)備用。

1.2 試驗(yàn)方法

參考《GB/T 1933－2009 木材密度測(cè)定方法》《GB/T 1932－2009 木材干縮性測(cè)定方法》和《GB/T 1934.1－2009木材吸水性測(cè)定方法》對(duì)大麻稈芯的上部、中部和下部進(jìn)行密度、干縮率和吸水率的測(cè)定。

綜纖維素依據(jù) 《GB/T 2677.10－1995造紙?jiān)暇C纖維素含量測(cè)定》，酸不溶木素依據(jù) 《GB/T 2677.8－1994造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》，冷水、熱水抽出物依據(jù) 《GB/T 2677.4－1993造紙?jiān)纤槌鑫锖康臏y(cè)定》，苯醇抽出物依據(jù)《GB/T 2677.6－1994造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測(cè)定》，10 g·kg－1氫氧化鈉抽出物依據(jù)《GB/T 2677.5－1993造紙?jiān)?%氫氧化鈉抽出物含量的測(cè)定》，灰分依據(jù)《GB/T 2677.3－1993造紙?jiān)匣曳值臏y(cè)定》，水分依據(jù)《GB/T 2677.2－1993造紙?jiān)纤值臏y(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 尺寸

大麻稈芯端面形狀可近似為方形中空。從表1可見，大麻稈芯的外寬為8.33 mm，內(nèi)寬為4.26 mm，雙壁厚為4.07 mm。稈壁率［5］用來表示毛竹竹壁相對(duì)厚度，這里稈壁率=雙壁厚/外寬×100%，用來表示大麻稈芯壁相對(duì)厚度，大麻稈芯的桿壁率隨高度增加而變小，平均稈壁率為46.74%，具有較大的空腔。

表1 大麻稈芯尺寸數(shù)據(jù)Table 1 Dimension data of hemp core

2.2 密度

從表2可見，大麻稈芯壁的密度和稈芯整體的密度均為下部最小，中部次之，上部最大，即隨高度增加密度增大。但前者上下差異較大，后者差異相對(duì)較小。大麻稈芯壁的氣干密度為0.240 g·cm－3，稈芯整體密度為0.193 g·cm－3，大麻稈芯整體密度較大麻稈芯壁的密度小，因此能保持大麻稈芯的空心狀態(tài)，是更理想的低密度人造板原料。參考木材物理性質(zhì)五級(jí)分級(jí)法［6］，大麻稈芯氣干密度比木材的小級(jí)更小。

2.3 干縮率

干縮性是木材所含水分在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，其尺寸或體積隨含水率降低而縮小的性質(zhì)，也是衡量木材優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。根據(jù)體積干縮率5級(jí)分級(jí)法［6］，由表3和表4大麻稈芯體積氣干干縮率為7.29%～13.25%，屬于中小級(jí)，說明大麻稈芯的尺寸穩(wěn)定性較好。大麻稈芯干縮的各向異性主要是由大麻稈芯的構(gòu)造特點(diǎn)造成的，干縮率大小為縱向＜徑向＜弦向，與木材干縮的各向異性特點(diǎn)相似，且大麻稈芯的干縮性變異性較大，特別是保持空心狀態(tài)時(shí)的干縮性變異性更大。

表2 大麻稈芯和稈芯壁的密度Table 2 Density of hemp core and core wall

表3 大麻稈芯壁的干縮率Table 3 Shrinkage ratio of hemp core wall

表4 大麻稈芯的干縮率Table 4 Shrinkage ratio of hemp core

2.4 吸水率

大麻稈芯的吸水率與防腐、防蟲藥劑的浸注，制漿造紙工業(yè)的蒸煮和油漆、膠合、著色等都具有密切的關(guān)系。大麻稈芯是多孔性材料，其微觀構(gòu)造和理化性能與木材很相似，因此大麻稈芯同樣具有吸水率。

圖1是不同部位大麻稈芯壁的吸水率，大麻稈芯壁吸水率在開始的6 h可達(dá)243.82%，24 h吸水率達(dá)317.94%，40 d后可達(dá)563.46%，是稈子本身質(zhì)量的5.6倍。

圖2是不同部位大麻稈芯的吸水率，大麻稈芯吸水率在開始的6 h可達(dá)220.79%，24 h吸水率達(dá)299.91%，40 d后可達(dá)530.79%，將近稈芯質(zhì)量的5.3倍。

從圖1和圖2可以看出，大麻稈芯壁和稈芯的吸水率都為上部最大，中部次之，下部最小，即隨高度增加吸水率增大。將全干的大麻稈芯放入水中，開始吸水速度很快，到12 d后，吸水速率減慢，逐漸趨于平緩。

2.5 化學(xué)組分

大麻全稈由韌皮部、稈芯部和髓部3個(gè)部分組成，其中大麻的韌皮部占全稈質(zhì)量的20%左右，由于可直接用于紡織加工，附加值較高，而大麻稈芯占全桿質(zhì)量的70%～80%，它的纖維素少，木質(zhì)素等雜質(zhì)多，如何提高大麻稈芯的附加值是極有價(jià)值的研究。

圖1 稈芯壁吸水率與時(shí)間的關(guān)系Figure 1 Relationship between time and hemp core wall

圖2 整稈芯吸水率與時(shí)間的關(guān)系Figure 2 Relationship between time and hemp core

纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)制漿得率的多少起決定性的作用，它是衡量造紙性能的一個(gè)重要指標(biāo)。一般認(rèn)為植物纖維原料的纖維應(yīng)在400.0 g·kg－1以上［7］。國內(nèi)外關(guān)于大麻稈芯化學(xué)性能的研究，主要是比較大麻韌皮纖維和木質(zhì)芯部纖維之間化學(xué)組分的差異以及對(duì)制漿性能的影響。筆者著重研究大麻稈芯不同部位化學(xué)組分的變化，結(jié)果見表5。從表5可見，大麻稈芯的不同部位化學(xué)組分變化規(guī)律不顯著，各化學(xué)組分與其他文獻(xiàn)研究結(jié)果相近。

表5 大麻稈芯化學(xué)組分Table 5 Chemical composition of hemp core different parts

3 結(jié)論

大麻稈芯端面形狀近似為方形中空，尺寸數(shù)據(jù)為：外寬8.33 mm，內(nèi)寬4.26 mm，雙壁厚4.07 mm，稈壁率46.74%，稈壁率隨高度的增加而減小；大麻稈芯壁的密度較稈芯整體密度大，且均為下部最小，中部次之，上部最大，即隨高度增加，密度增大。大麻稈芯干縮的各向異性主要是由大麻稈芯的構(gòu)造特點(diǎn)造成的。大麻稈芯壁干縮率比大麻稈芯的大，干縮率大小為縱向＜徑向＜弦向，與木材干縮的各向異性特點(diǎn)相似。大麻稈芯壁的吸水率到12 d后趨于穩(wěn)定，40 d后的平均值可達(dá)563.46%，大麻稈芯整體的吸水率規(guī)律也與稈芯壁一致，40 d后的平均值可接近530.79%，吸水率較木材大。

大麻稈芯的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 799.1 g·kg－1，木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 191.6 g·kg－1，灰分為 14.8 g·kg－1；抽出物包括熱水抽提、冷水抽提物、苯醇抽提物和10 g·kg－1氫氧化鈉抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為56.6，42.6，57.2 和 308.1 g·kg－1。

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