构属（Broussonetia），隶属于桑科（Moraceae），构树族，广泛分布在世界各地。构属植物具有纤维含量丰富、纤维素聚合度高、速生丰产等优点，其树皮常用于造纸，并有望作为大规模生产长寿命纸张的原料。因此，研究构属植物化学组成和纤维素的理化性质具有重要意义。此外，基于Kratky-Porod蠕虫状链模型测量纤维刚性的方法操作简单高效，可测量干湿纤维，成本较低，同时具有扎实的理论基础。然而，该方法在计算纤维持久长度时没有考虑纤维宽度的影响。实际上，即使是同一根纤维，在不同宽度下的持续长度也不相同，有必要对该方法进行改进，并深入探究纤维刚性的影响因素。
基于上述背景，复旦大学中华古籍保护研究院杨玉良院士课题组选取构属植物中楮树（Broussonetia kazinoki）、构树（Broussonetia papyrifera）、以及杂交构树（Hybrid paper mulberry）作为研究对象，从高分子聚合物的视角，分别研究了这三种原料白皮的化学组分与纤维特性。通过GPC对综（α）纤维素的分子量分布进行了表征，使我们能够更好地观察到各种组分对分子量变化的影响。详细探究了造纸工艺的关键环节碱性蒸煮过程中三种原料得率、木质素相对含量、白度和分子量的变化。改进了基于Kratky-Porod蠕虫状链模型测试纤维刚性的方法，使其更具适用性，进一步揭示了纤维素分子间氢键含量对纤维刚性的影响。化学组分分析结果显示，楮树和杂交构树综纤维素含量大于80 %，高于构树（66.8%）、三种原料的木质素含量均低于3%（表1）。GPC测试结果显示，半纤维素的存在会大幅度降低构浆分子量，特别是数均分子量（图1 a-b，表2）。XRD结果显示，综纤维素展现了纤维素Ⅰ型三个典型衍射峰，三种原料提取的综纤维素的结晶度中，楮树（68%），高于构树（61%）和杂交构树（53%）。α纤维素展现典型的纤维素Ⅱ型，楮树、构树和杂交构树中α纤维素的结晶度分别为63%、56%和52%，低于相应的综纤维素（图1 c-d，表2）。
表1 原料的化学组分。
图1 (a) 楮树、构树和杂交构树综纤维素的分子量分布; (b) 楮树、构树和杂交构树α纤维素的分子量分布; (c) 楮树、构树和杂交构树综纤维素的XRD图谱; (d) 楮树、构树和杂交构树α纤维素的XRD图谱。
表2 从BK、BP中提取的全新纤维素和α-纤维素的摩尔质量参数和结晶度。
在相同的碱性蒸煮时间下，与构树和杂交构树相比，楮树的得率和白度更高，相对木质素含量较低（图2），而构树分子量更高（表2）。用光学显微镜对在相同条件下制备的纸浆纤维性质进行了表征。三种原料制备的纸浆的长径比均大于400，其中构浆最大（433.86）。此外，改进后的测量纤维刚性的方法使其更具适用性（图3）。根据改进后纤维刚性计算方法得出构浆纤维的刚性最小（图4）。同时，纤维刚性随纤维素分子间氢键含量的增加而增大（图4）。总的来说，三种原料都是生产长寿命纸张的优良原料。
图2 碱性处理过程中纸浆的表征。(a) BK、BP和HPM纸浆得率;(b) BK、BP和HPM纸浆木质素相对含量;(c) BK、BP和HPM纸浆的白度。
图3 Kratky-Porod蠕虫链模型(a−c)和修正(d−f)模型在三种纸浆中的应用。
图4 纤维素的分子间氢键和纤维的刚性。
该工作即将发表在Chinese Journal of Polymer Science上。金姗姗博士研究生是该论文的第一作者，杨玉良院士和王思浓副研究员为通讯作者。
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原文信息：
Research on Bast Fiber Extracted from the White Bark of Three Species in the Genus Broussonetia
Jin, S. S.; Wang, S. N.; Huang, Y. Y.; Zhang, J. Y.; Liu, P.; Yu, H.; Zhang, H. D.; Yang, Y. L.
Chinese J. Polym. Sci. DOI: 10.1007/s10118-024-3102-z
原文链接：
https://www.cjps.org/en/article/doi/10.1007/s10118-024-3102-z/
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