AFM技术观察慈竹纤维和薄壁细胞断面微纤丝聚集体特征

【目的】利用原子力显微镜(AFM)研究竹材纤维细胞和薄壁细胞纤维素微纤丝聚集体的分布规律,为竹纤维及竹材的加工利用提供理论支持。【方法】通过对脱木素处理的竹材进行树脂包埋及钻石刀修块抛光,制备出可以在AFM下进行表征的样品,利用AFM的Tapping模式对竹材纤维细胞和薄壁细胞中纤维素微纤丝聚集体进行观察。【结果】通过AFM对处理的样品进行定位扫描可以得到高度图和相图,一个维管束内不同位置纤维细胞的高度图和相图都显示出多层结构,且细胞壁层数及各壁层厚度因细胞在竹材中所处位置不同而改变;一个维管束内不同位置细胞壁的相图显示高亮度的物质分布密度不同,从细胞壁内侧到细胞壁外侧都呈不均匀分布,且各壁层相邻的位置处高亮度的物质比较密集;一个竹纤维细胞壁的相图中显示各层高亮度物质大小差异不大,而一个竹薄壁细胞壁中各层高亮度物质差异比较大。【结论】利用AFM的Tapping模式对竹材细胞壁进行观察,需要对样品进行适当处理,不仅操作相对同分辨率的手段简单,而且还可以进行定位观察,除了能够获得传统手段得到的细胞壁多壁层结构外,还能获得纤维素微纤丝聚集体的分布,是一种便捷、有效的手段;竹纤维细胞和竹薄壁细胞中纤维素微纤丝聚集体在其胞壁的横截面上都呈随机的无序排列;纤维素微纤丝聚集体在一个细胞壁各层内的分布密度不同,并且在壁层与壁层相邻的位置密度明显大于壁层内的密度,这一现象在薄壁细胞内表现得更明显;纤维素微纤丝聚集体的尺寸在一个纤维细胞各壁层内差异不大,但在薄壁细胞中差异较大。     

不同生长期毛竹材细胞壁力学性能与微纤丝角

【目的】以不同生长期的毛竹材纤维细胞壁为研究重点,在纳米尺度下分别表征不同竹龄毛竹材纤维细胞壁的结构特征和力学性能,阐明成熟毛竹材纤维细胞壁的结构特征和力学性能与幼龄竹和过熟竹的差异,为竹材的科学采伐和竹材分级、改性及重组研究与合理利用提供理论依据。【方法】采用滑走显微制片法观察毛竹材横切面显微结构并精准确定其纳米压痕测试部位,应用纳米压痕技术结合非包埋制样法对0.5年幼龄毛竹、4.5年成熟毛竹和10.5年过熟毛竹材纤维细胞壁力学性能进行研究;利用广角X-射线散射法结合高斯拟合算法对不同竹龄毛竹材纤维细胞壁的微纤丝角进行测算。【结果】毛竹材竹肉横切面显微结构表明,毛竹主要由薄壁组织细胞和维管束组成,维管束由导管和包裹着导管周围的厚壁纤维细胞组成;对其厚壁纤维细胞壁的纳米压痕测试结果表明,3个生长发育期的毛竹材细胞壁力学性能指标有较大不同,其中0.5年幼龄毛竹材的细胞壁弹性模量和硬度最小,分别为10.7 GPa和0.358 GPa,4.5年成熟毛竹材的细胞壁弹性模量和硬度均为最大,分别为19.6 GPa和0.498 GPa,10.5年过熟毛竹材的细胞壁硬度和弹性模量居二者之间,分别为17.6 GPa和0.445 GPa;微纤丝角测试结果同样表明不同生长发育期毛竹材细胞壁的微纤丝角不同,其中0.5年幼龄毛竹材微纤丝角最大,为13.5°,4.5年成熟毛竹材微纤丝角度最小,为8.43°,而10.5年过熟毛竹材微纤丝角介于二者之间,为11.9°。【结论】生长期对毛竹材纤维细胞壁力学性能和微纤丝排列均有影响,幼龄毛竹材纤维细胞壁力学性能与成熟毛竹材纤维细胞壁力学性能有较大差别,随着竹龄增大达到成熟期时,毛竹材纤维细胞壁力学性能达到最大,但毛竹材并不是生长期越长其细胞壁力学性能越好,而是随着竹材老化其力学性能呈下降状态。处于成熟期的毛竹材其纤维细胞壁微纤丝排列与主轴的夹角呈较小状态,也决定了其具有较优的力学性能。依据3个竹龄毛竹材纤维细胞壁力学性能和微纤丝角测量结果,本研究在细胞壁水平阐明了毛竹材在成熟期时其微观力学性能优于幼龄毛竹材和过熟毛竹材。     

外力作用下竹材不同尺度的断裂行为及机制

【目的】聚焦于探究在顺纹劈裂和径向横纹压缩力作用下，竹材在宏观、组织和细胞等不同尺度的断裂行为，剖析外力作用下竹材断裂机制，为竹材新技术、新工艺、新产品开发提供理论依据。【方法】以毛竹为研究对象，对其施加顺纹劈裂和径向横纹压缩作用，利用场发射扫描电镜（FESEM）观察维管束和薄壁组织及导管、纤维和薄壁细胞的断裂形貌和裂纹扩展路径，结合纳米压痕仪测量纤维和薄壁细胞2类细胞壁的微观力学强度，探索竹材在顺纹劈裂和径向横纹压缩力作用下不同尺度的断裂破坏特性。【结果】竹材在顺纹劈裂力作用下，宏观上呈顺纹劈裂破坏，断裂形貌近乎为直线状；在组织层面，维管束中纤维鞘和薄壁组织中沿顺纹劈裂，维管束中导管的细胞壁呈撕裂破坏；在细胞层面，纤维和大部分薄壁细胞为胞间层破坏，有少数薄壁短细胞的细胞壁被撕裂。竹材在径向横纹压缩力作用下，宏观上呈压溃破坏，在顺纹方向形成系列不规则裂纹；在组织层面，维管束受到明显破坏，纤维鞘中形成不规则裂纹，导管的细胞壁被压溃，薄壁组织呈阶梯状分层破坏；在细胞层面，与顺纹劈裂力的破坏模式相似，纤维和大部分薄壁细胞为胞间层破坏，不同的是裂纹在部分薄壁短细胞交接处会发生转向，沿径向拓展，...     

基于拉曼光谱技术的竹材细胞壁化学组分分布

【目的】研究竹纤维单细胞中重要化学组分的分布,揭示竹纤维细胞壁中化学组分的分布规律。【方法】以6年生毛竹为研究对象,取竹壁中部竹材,制成超薄切片,利用高分辨率激光共聚焦拉曼显微镜对纤维细胞进行原位光谱采集,通过光谱成像技术分析毛竹纤维单细胞中重要化学组分的分布。【结果】S型木质素和G型木质素广泛分布于细胞壁各壁层中,而H型木质素则主要分布在细胞外缘。羟基肉桂酸的分布与H型木质素类似,也主要存在于细胞外缘的壁层中。纤维素在细胞壁宽壁层中的分布相对稳定,且比窄壁层具有更高的分布密度;从细胞外围向细胞内部,木质素的分布密度总体呈下降趋势,在复合胞间层、细胞腔周围以及各壁层之间的交界处还具有相对较高的分布密度,形成局部聚集分布。【结论】竹纤维细胞壁径向方向具有不同的化学组成,纤维素、木质素以及羟基肉桂酸在不同壁层之间具有不同的分布密度。     

维管束分布及结构对竹材宏观压缩性能的影响

深入研究竹材宏观压缩性能的影响因素。以散生竹毛竹,丛生竹慈竹、花竹、绿竹为研究对象,分别测试基本密度、维管束分布密度、纤维鞘组织比量、纤维形态及比例等关键特征数据,建立特征数据与竹材宏观压缩性能的关系并分析其对宏观压缩性能的影响。结果表明:1)散生竹毛竹,丛生竹慈竹、花竹、绿竹四种竹材维管束的分布密度、形态及组成差异较大,毛竹维管束的尺寸明显小于丛生竹,丛生竹均含游离纤维股且多为薄壁纤维;2)4种竹材宏观压缩应力—应变曲线相近,但力学性能存在明显差异;3)基本密度、维管束分布密度、厚壁纤维组织比量与竹材顺纹压缩性能正相关,且基本密度的相关性最高。基本密度是评价竹材顺纹抗压强度和压缩模量最可靠的物理因素。不同竹种维管束的分布密度主要影响竹材抗压强度,对压缩模量影响较小。维管束内厚壁纤维的组织比量也是影响竹材抗压强度和压缩模量的重要结构因素,厚壁纤维组织比量越大,压缩性能越好。     

超声空化对竹材微观结构及淀粉颗粒的影响

为提高竹材的渗透性,运用超声空化作用处理毛竹,研究了超声处理工艺对竹材质量损失率和微观构造及竹材淀粉的影响.结果表明:随着超声功率的增加和处理时间的延长,竹材的质量损失率增加；经过超声处理后,竹材薄壁细胞和厚壁细胞都没有明显的破坏现象,薄壁细胞壁变薄,薄壁细胞里充满的淀粉粒大量消失.SEM分析表明超声后竹材细胞内壁上附着有龟裂的物质,说明超声处理明显提高了竹材的渗透性,使淀粉颗糊化后流出,促进了竹材内淀粉的去除.     

竹材受不同败坏真菌危害的宏观和微观变化

采用扫描电镜技术(SEM)观察研究各种不同真菌败坏竹材的宏观和微观变化。结果表明:霉菌的菌丝和孢子团仅聚集在竹材表面,不能进入竹材内部,不会破坏竹材的内部结构或影响内部颜色变化;变色菌不仅在竹材的表面聚集,还深入到竹材内部使其内外都发生青色、褐色或黑色等颜色变化,但对竹材的质量没有大的影响;腐朽菌不仅侵入竹材内部,还造成竹材明显质量损失。变色菌和腐朽菌侵入竹材的过程为:菌丝由外部细胞壁纹孔侵入竹材内部,沿着后生木质部导管、原生木质部和薄壁组织细胞壁之间的孔隙蔓延,填充到竹材的维管束中。腐朽菌密粘褶菌降解竹材的过程为:穿过细胞壁的菌丝在周围的胞壁上形成孔洞,孔洞逐步扩展,各孔洞连成片,最终导致组织的破损和崩解。竹材组织受褐腐菌侵染发生降解的顺序是:先是木质部导管细胞壁,而后基本薄壁组织细胞壁,最后是纤维。     

榆科的比较解剖

木材榆科的次生木质部是各不相同的,但下列特征是全体共有的。管状分子由舌状到扁舌状,管间纹孔式互列,纹孔外形为椭圆形到圆形,木纤维具单纹孔到略具缘裂缝状纹孔,通常在轴薄壁细胞和射线薄壁细胞和管状分子之间有单测复纹孔式,管孔多角形到圆形:维管射线为单列的、双列的和多列的;全部树种的射线细胞均为薄壁     

3种鸡翅木木材的各类细胞属性

对非洲崖豆木、白花崖豆木和铁刀木的各类细胞形态进行观察,并测定分析其各类细胞的属性。结果表明:三者的相同之处:以鼓形和圆柱形导管为主,一部分导管端口变窄,单穿孔,导管纹孔为互列纹孔;木纤维细胞略弯曲,纺锤形为主,兼含其他类型,细胞壁甚厚,纹孔小而稀少;木射线为同型,部分木射线的端部细胞略高;轴向薄壁组织串含2~4个细胞,叠生;有分室含晶细胞,通常内含一粒六边形结晶体。不同之处:非洲崖豆木的鼓形导管远少于圆柱形导管且尺寸为3个树种之最大,白花崖豆木和铁刀木的鼓形导管和圆柱形导管的数量略等且含树胶多;铁刀木的部分射线薄壁细胞含晶砂;铁刀木含3~4个细胞的轴向薄壁组织串稀少。     

毛梾次生木质部的解剖学研究

该文以毛株的树根、树干和树枝次生木质部为研究对象,采用石蜡切片法对其解剖学特性进行研究,结果表明:毛株是散孔材,单管孔和复管孔并存,呈径列星散状分布,射线类型为异型射线;薄壁组织傍管型和离管型均有;树干和树枝导管具梯状穿孔板,管壁有具缘纹孔,多呈纺锤形;树根导管多呈圆柱形或鼓形,单穿孔,部分导管含有侵填体.毛株解剖结构...     

3种华南商用藤材的解剖特性

藤材的解剖结构与藤材性能及其加工利用密切相关.研究藤材的基本解剖特性,对于藤材的归类、开发利用和加工改性等具有重要的指导作用.藤材的商业化取决于以下因素:可及性、直径、节间长度、颜色以及加工特性,这些都基于藤材的基本特性,主要是解剖构造(Walter,1996).商业藤材一般具有以下特征(Walter,1996):1)藤茎的维管束分布均衡,在横截面上,纤维占20%～25%,输导细胞占15%,基本薄壁细胞占30%～35%;2)纤维帽尺寸相等,纤维长度一致,多层结构细胞壁;3)基本薄壁组织细胞小而且壁厚多层.维管束分布密度及纤维成分与输导成分的比例,纹孔、导管孔径的大小,对藤茎的坚韧程度影响都很大,纤维含量可作为藤茎坚硬度的指标,至于韧性还得考虑到纤维细胞的数量与输导组织成分的比例状况,特别是大型导管孔径的大小等,这些都是选择优良品种的主要依据(腰希申等,1998).     

人工兴安落叶松次生木质部的解剖学研究

运用木材解剖图像分析系统和显微照相的方法对人工兴安落叶松次生木质部的解剖结构进行研究,结果表明:落叶松具正常树脂道和受伤树脂道两种类型,前者常见于晚材。落叶松生长轮内的早晚材在干和枝内急变,在根内缓变。早材管胞呈六边形至多边形,胞壁常见单列具缘纹孔,偶见对列具缘纹孔;晚材管胞多呈矩形,胞壁鲜见具缘纹孔,通常为单列具缘纹孔。落叶松木射线同时具有单列木射线和纺锤形木射线两种类型,纺锤形木射线中仅含一枚纵行树脂道。纵行管胞与木射线交叉形成的纹孔场为云杉型。从根到干再到枝,管胞逐渐细化,管胞长度逐渐减小,木射线分布由密到疏。     

水煮处理对毛竹物理力学性能的影响

为了揭示水煮处理对毛竹物理力学性能的影响,研究不同水煮处理时间(4、8、24、48h)对毛竹力学性能、吸水膨胀率和吸水率的影响。结果表明:毛竹的力学性能随着水煮处理时间的延长而逐渐降低,经过48 h水煮处理,静曲强度和弹性模量分别降低了40.24%和43.65%。经过4 h水煮处理,毛竹薄壁组织细胞腔中的淀粉发生糊化,在细胞壁上形成淀粉膜,并堵塞纹孔,同时细胞壁中半纤维素降解、木质素解聚,使得毛竹的吸水率和吸水膨胀率降低;随着水煮处理时间的延长,细胞腔中的淀粉逐渐被降解或溶出,且半纤维素的降解加剧,木质素中的β-O-4键被破坏,从而使竹材的力学性能降低、吸水膨胀率和吸水率增大,造成竹材材质劣化。     

弯曲过程中竹材薄壁细胞的形态变化

【目的】从微观层面探索竹材的弯曲性能,观察细胞在弯曲过程中的形态变化,为竹材弯曲机制的研究和开发利用提供依据。【方法】以竹篾为研究对象,采用循环加载-卸载方式,在电镜下观察弯曲过程中竹篾拉伸层薄壁细胞的形态变化。通过分析循环加载过程中细胞长轴和短轴的变化、拉伸层薄壁组织的应变变化、拉伸层薄壁细胞长轴和短轴的应变变化以及拉伸层薄壁细胞回弹率的变化,比较不同加载状态下薄壁细胞的变形。【结果】竹篾弯曲过程中,随着载荷增加,在试样未被破坏前,受拉层薄壁细胞在水平方向上被拉伸,在短轴方向上有轻微压缩。同一循环周期下,卸载后薄壁细胞的长轴和短轴均发生回弹。当试样弯曲变形时,相邻薄壁细胞的细胞壁产生褶皱变形。在试样破坏前,薄壁细胞长轴和短轴发生的最大应变分别为1. 03%和0. 71%,薄壁组织长轴发生的最大应变为0. 72%,薄壁细胞长轴和短轴的回弹率分别为30. 96%和5. 93%。【结论】采用Image-Pro Plus软件对细胞进行分析,可直接观察细胞变形。在弯曲过程中,竹篾拉伸层薄壁细胞长轴变长,短轴变短。加载到相同位置时,竹篾受拉层薄壁细胞在长轴方向上的应变大于短轴,长轴的回弹率比短轴高,薄壁细胞长轴方向的弹性较好。     

竹材纹孔结构及表征方法研究进展

竹子是世界上生长最快的植物之一,竹秆节间组织由轴向系统的细胞组成,细胞壁上的纹孔结构是节间组织至关重要的物理通道。竹材纹孔既是竹子生长发育时期的物质运输路径,也是竹材加工利用过程中的关键影响因子,因而对竹材纹孔进行深入系统的研究具有非常重要的意义。目前对于竹材纹孔的结构和功能等相关研究很少,相比木材纹孔的研究状况而言,竹材纹孔研究显得较薄弱。笔者在综述竹材纹孔生物形成、基本结构和化学组成以及类型等主要特征的基础上,总结了竹材自身特性以及物理、化学和生物类处理手段对纹孔结构的影响,并对纹孔研究方法和创新方向进行了归纳,分析了竹材纹孔研究中存在的问题和未来的发展前景,以期为解析竹子生理生态功能和实现竹类资源高效利用提供参考。     

对防腐处理前后遭细菌侵蚀的木材超微构造研究

用透射电镜观察了隧道式细菌在未经防腐剂处理的素材和处理过的木材[欧洲白桦(Betula pendula),欧洲赤松(Pinus silvestris)和挪威云杉(Picea abies)]中形成的腐朽现象,研究了细菌入侵木材细胞壁的过程。侵蚀是从木材细胞腔内开始,通过S_3层后,细菌在细胞壁的S_1层、S_2层及胞间层内移动并且分裂,引起木材细胞壁的降解。还观察了隧道式细菌、隧道的形态和超微结构。本研究表明具缘纹孔和单纹孔的纹孔膜比纹孔缘对细菌活动更有抗性。细菌可以侵入低浓度防腐剂(0.5％Tanalith NCA)处理过的木材,表明细菌具一定解毒能力。     

毛竹维管束的截面形态及变异规律

竹材由维管束和基本组织组成,维管束是其主要承重单元,也是连接微观到宏观性能的重要环节。利用激光共聚焦显微(LCSM)技术准确地测定毛竹不同部位维管束面积,并研究内、外层维管束的面积变异规律。结果表明:毛竹维管束的面积为0.0383～0.2462mm2;毛竹维管束从竹青到竹黄按截面形态可分成内层和外层,两部分差异明显;外层维管束面积随维管束形态的增大大体呈增加趋势,而内层维管束面积变化趋势不明显。     

基于热消散技术的毛竹林蒸腾耗水估算

【目的】试验不同长度热消散探针(TDP)测量毛竹液流的可行性,分析年龄对立竹液流的影响,并据此对立竹液流进行尺度扩展,估算桂北毛竹林的蒸腾耗水,为区域毛竹林的生态水文效应研究和指导关键生态功能区植被结构调整提供依据。【方法】显微镜观察毛竹输水结构在竹壁上的径向分布。基于热消散方法,用5 mm和10 mm长度的TDP探针对1～2年生立竹和3龄以上立竹的基部液流进行连续测量,并同步测定环境因子。【结果】维管束在毛竹竹壁上不均匀分布,竹壁外侧维管束小而密,导管分化不完全,竹壁内侧维管束大而疏,导管分化完全,直径较大。10 mm TDP探针测得的液流密度显著高于5 mm探针,其平均液流密度是5 mm探针的4.03倍。在生长旺季的7月,基于10 mm TDP探针测量的1～2年生立竹正午液流密度显著高于3龄以上立竹,而在早上和傍晚二者基本相同。1～2年生立竹液流的平均日通量在测量生长季内均高于3龄以上立竹,二者的平均日液流通量分别为51.15和33.80 g·cm^-2 d^-1。以立竹年龄和基径作为液流尺度扩展依据估测的桂北毛竹林日蒸腾耗水量在观测生长季内为0.01～0.72 mm·d^-1,平均日蒸腾耗水量为0.31 mm·d^-1。【结论】10 mm长度的TDP探针较5 mm探针更适宜用于毛竹液流的测量。1～2年生立竹比3龄以上立竹具有更高的液流密度和日液流通量,因此年龄是毛竹液流由立竹到林分尺度扩展时除立竹直径外另一个必须要考虑的因素。     

紫外线照射对毛竹茎秆细胞壁超微结构及色泽变化的研究

应用光学显微镜、扫描电子显微镜和色度计 ,研究了毛竹竹材表面经紫外线照射后细胞壁的破损程度 ,具木质素组织分解深度以及颜色变化等规律。结果表明 :经紫外线照射后 ,在竹材横切面上 ,纤维细胞壁的分解始于次生壁各层连接处 ,接着是细胞角隅处和复合中层 ,最后纤维细胞壁全部被分解消失。薄壁组织细胞壁的复合中层先被分解 ,随后细胞壁分解变薄、坍塌和消失。竹秆壁表面的分解 ,最初从表皮细胞的短细胞开始 ,然后扩展到其它表皮细胞。根据木质素的显色反应显示 ,紫外线照射竹材样品 4 0d时 ,薄壁组织比纤维组织分解得更深 ,其中前者为 5 90 μm ,而后者只有 1 4 6μm。另外 ,经紫外线照射后的竹材样品 ,其横切面上的颜色和亮度变化最大 ,径向切面次之 ,竹秆壁表面变化最小。本文还讨论了经紫外线照射后 ,竹材中具薄壁组织比纤维组织分解更深的原因 ,以及样品 3个面上颜色和亮度变化的机制     

黄花落叶松木材超微结构及其对渗透性的影响

本文详细地介绍了黄花落叶松木材超微结构特征及其对木材渗透性的影响,心材和边材管胞具缘纹孔的超微结构及其在不同部位和不同处理方法中的变化;晚材管胞具缘纹孔超微结构的变化;细胞壁各层次中的微纤丝及其周围的基质和结壳物质等的渗入或沉积性状。同时还针对黄花落叶松木材渗透性差,及一些晚材具缘纹孔少闭塞或不闭塞的原因,从木材的超微结构特点进行了较详细的探讨。