扫描热显微镜技术在生物质微观特性研究中的应用

为了探讨生物质材料微观导热性能,以红橡和稻草为研究对象,使用扫描热显微镜技术(SThM)研究2种生物质材料细胞壁层级的微观传热特性及微观结构特性。研究结果表明,SThM的热传导模式可以对生物质细胞结构进行较好的扫描成像,2种生物质细胞壁在横切面的导热特性近似,即细胞壁的胞间层(CML)导热性能明显低于S2层导热性能,电流值相差1μA左右。     

亚氯酸盐预处理杉木细胞壁木质素溶解机理研究

为了探究亚氯酸盐预处理过程中植物细胞壁木质素的区域化学溶解机理,采用紫外-可见光光谱与共聚焦拉曼显微光谱,对杉木管胞细胞壁在不同预处理时间亚细胞区域木质素分布规律及其含量变化进行了研究。结果表明:亚氯酸盐预处理杉木细胞壁木质素的溶解总体上分为4个阶段,木质素少量溶解(Ⅰ),反应溶液缓慢渗透到样品内部(Ⅱ),快速脱除内部大量木质素(Ⅲ),反应平衡阶段(Ⅳ)。尽管杉木细胞壁各层,细胞角隅(CC)、胞间层(CML)及次生壁(SW)都具有木质素的存在,但木质素在细胞壁不同形态区域中的分布具有明显的不均一性,因此在亚氯酸盐预处理过程中细胞壁不同形态学区域木质素的脱除速率不同,大量脱除木质素阶段(8~10 min)时呈现CCCMLSW的规律。     

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。     

三倍体毛白杨纤维形态学参数及木质素微区分布的研究

利用显微镜技术对三倍体毛白杨(triploidofPopulustomentosaCarr.)各部位的纤维形态学参数进行了测定。发现其纤维平均长度较长,长度分布均一,纤维的长度、宽度、壁厚等项指标最优值都集中在中部,梢部最差。用扫描电子显微镜(SEM)、SEM EDXA、透射电镜观察(TEM)技术重点研究了三倍体毛白杨超微结构及木质素的微区分布,结果表明超微结构属典型的分层结构,细胞壁分为胞间层(ML)、初生壁(P)、次生壁外层(S1)、次生壁中层(S2)、次生壁内层(S3),特点是S1层较薄、S2层厚、S3层很薄甚至不明显。木质素在各形态区中的分布是不均一的,其密度大小依次为细胞角隅(CC)>复合胞间层(CML)>次生壁中层(S2)。     

紫外线照射对毛竹茎秆细胞壁超微结构

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40d时，薄壁组织比纤维组织分解得更深，其中前者为590μm，而后者只有146μm。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。     

金丝楸木材化学成分的不均一性

【目的】研究金丝楸木材化学成分在纵向不同高度及径向心、边材中的含量和组成特点,为金丝楸木材加工利用提供科学依据。【方法】分析金丝楸木材纵向不同高度心、边材苯醇抽提物、聚糖和木质素含量,采用细胞壁全溶法结合二维异核单量子核磁共振(2D HSQC NMR)技术对相应部位的原生木质素分子结构进行表征。【结果】金丝楸木材边材苯醇抽提物含量高于心材,且心材中靠近树心部分的苯醇抽提物含量高于靠近边材部分。心、边材苯醇抽提物化学成分存在差异,但不同高度相同径向区域苯醇抽提物含量及其成分差异较小且并未随树高不同体现出特定变化规律。边材木质素含量低于心材,但心、边材木质素含量在树高方向上无明显变化规律。金丝楸木材木质素为典型G/S型木质素,纵向不同高度区域木质素大分子结构基本一致,但心材木质素分子结构中β-5'连接的相对含量高于边材。木聚糖是金丝楸木材半纤维素的主要组分。边材聚糖相对含量高于心材,但心、边材聚糖含量并未随树高不同体现出特定变化规律。【结论】金丝楸木材径向心、边材化学成分含量及相应成分分子结构具有规律性差异,边材向心材过渡过程中主要变化为木质素成分的积累和发色物质的生物合成。木材纵向不同高度相应区域中各化学成分含量也存在一定差别,但并未随树高不同发生规律性变化。木材纵向不同高度相同径向区域中各组分的化学成分和分子结构基本一致。对金丝楸木材进行加工利用时,应重点关注其径向方向的化学成分含量和性质差异。     

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     

应力波在树木径切面内的传播速度模型

【目的】研究应力波在不同树木径切面内传播速度的变化情况,建立传播速度模型,以期进一步认识应力波在树木径切面内的传播规律及其影响因素,为树木内部缺陷的三维成像技术提供理论依据。【方法】首先通过理论分析,建立应力波在树木径切面内的传播速度模型;然后以浙江农林大学植物园内8类有代表性的树种(香樟、枫香、乐昌含笑、鹅掌楸、响叶杨、悬铃木、松树、白杨)为试验材料,在样本径切面上,采用Arbotom应力波木材无损检测仪测量与径向成不同角度方向的应力波传播时间,计算不同角度方向上的应力波传播速度,并对健康样本径切面内沿方向角θ的应力波速度vθ和径向应力波速度v0的比值vθ/v0与方向角θ之间的关系进行回归分析。【结果】应力波在健康香樟样本径切面内的传播速度随方向角的增大而增大,径向传播速度最小,其原因是当应力波在树木内部沿径向传播时,传播方向与树木纤维方向垂直,受到细胞壁边界的阻碍较多,传播速度较慢;而随着方向角的增大,应力波传播方向与树木纤维方向逐渐平行,受到细胞壁边界的阻碍变少,传播速度逐渐增加。枫香、乐昌含笑、鹅掌楸、响叶杨4种树种的健康样本在相同方向角上的应力波传播速度大小不同,但其变化规律与香樟活力木相同。对健康样本试验数据的拟合结果为vθ/v0≈kθ2+1(0≤k≤1),k值取决于被测树木的物理力学参数。在所建立的回归模型中,决定系数R2均大于0.92,表明模型具有较高的拟合优度。在有缺陷的悬铃木样本试验中,径切面上方向角为-20°~-50°的应力波传播路径经过缺陷区域,其余传播路径均位于健康区域内。当应力波传播路径位于径切面的健康区域时,传播速度随方向角的变化趋势满足一元二次函数模型;但当应力波经过径切面的缺陷区域时,传播速度明显降低,不再符合正常情况下的传播速度模型。针对松树和白杨原木试样,人工设计了空洞缺陷,并对产生空洞前后的原木径切面的应力波传播速度进行了对比。最后,基于建立的径切面内应力波传播速度模型,设计了一种树木内部缺陷四向交叉检测方法,该方法能够较准确地检测木材内部缺陷的位置。【结论】在健康树木的径切面上,方向角θ与vθ/v0之间满足一元二次函数关系vθ/v0≈kθ2+1(0≤k≤1),对不同树种的检测结果均表明了该模型的有效性;进一步的试验证明了该速度模型对于树木内部缺陷检测具有很好的指导作用。     

弱酸改性对高温热处理杉木结构及性能的影响

为改善高温热处理木材的力学性能,采用亚硫酸钠/亚硫酸浸渍改性杉木,对木质素结构进行磺化修饰,以促进木质素在高温热处理过程中的迁移与重新分布。在高湿高压的环境下对改性杉木进行高温热处理,通过场发射扫描电子显微镜分析热处理前后杉木细胞壁表面微观构造,通过共聚焦激光扫描显微镜确定木质素在细胞壁中的半定量分布,测量了不同热处理条件下杉木的热稳定性、表面润湿性和抗弯性能。研究表明:热处理会破坏杉木细胞壁微观构造,细胞壁表面会出现球状或鳞片状熔融体,而经过亚硫酸氢根磺化改性后进行热处理的杉木细胞壁破坏程度减少,且细胞壁表面为分布更均匀的球状熔融体;亚硫酸氢根磺化处理以及高湿度使木质素玻璃化温度与熔点降低,亲水性增强,在热处理过程中木质素从浓度较高的细胞角和复合胞间层向细胞壁内侧迁移,并在细胞壁各壁层均匀分布,增加了微纤丝间的黏结强度;改性后的杉木经热处理后,静曲强度及弹性模量均高于未改性处理材。     

微波处理对辐射松吸声性能的影响

【目的】采用高强度微波对辐射松进行改性处理,探究不同微波功率、处理时间和木材纹理方向对辐射松吸声性能的影响,以提高木材的附加价值、拓展木材的应用领域。【方法】将新采伐的辐射松生材干燥至含水率40%～60%,在不同微波功率(100、120和140 kW)与处理时间(20和30 s)组合条件下处理辐射松木方,获得微波处理材。采用传递函数法测量微波处理材径切面和弦切面的法向吸声系数,探讨不同处理条件下辐射松吸声性能的变化规律,借助光学显微镜和扫描电子显微镜观察辐射松的解剖构造和微波处理前后的微观结构形貌。【结果】微波处理材与对照材相比,密度和含水率显著下降,不同处理条件下辐射松吸声性能均有不同程度提升,吸声系数提高4.79%～201.9%,平均吸声系数最高达0.320;不同条件下微波处理材的吸声系数在1 000 Hz以下的低频范围内变化不显著,吸声系数呈先上升后下降的趋势,在1 000 Hz左右出现吸声低谷,在1 000 Hz以上差异显著,吸声系数随频率升高呈上升趋势;微波功率越大、处理时间越长,处理材吸声性能越好,吸声系数曲线上升趋势越大;处理材弦切面的吸声系数比径切面高9.6%～29.6%,对照材径切面的吸声系数在1 000 Hz以上低于对照材弦切面,在1 000 Hz以下高于对照材弦切面;辐射松弦切面相较于径切面存在丰富的单列木射线和少量纺锤形木射线,微波处理材轴向管胞壁和胞间层出现裂缝,管胞上纹孔膜消失,木材孔隙率和相邻孔隙之间的连通性增加,声波在木材内部传播可更大概率地与孔隙壁摩擦,增加声能损耗从而达到更好的吸声效果;微波功率、处理时间和木材纹理方向与吸声系数的相关性分别为0.519、0.637和0.705,3个变量对吸声系数均有中等程度影响,其中木材纹理方向对吸声性能的影响最大。【结论】辐射松未处理材弦切面和径切面的平均吸声系数分别为0.167和0.106,吸声性能不佳;微波改性处理是提高木材吸声性能的有效方法,但会导致木材微观结构破坏,最佳微波处理工艺为微波功率140 kW、处理时间30 s、木材纹理方向选择弦切面;微波处理材的吸声系数最高达0.320,属于吸声材料范畴。     

动态测试木材的泊松比

【目的】根据悬臂板一阶弯曲振形给出动态测试木材泊松比的方法,测试西加云杉木材试件径切板顺纹、横纹的泊松比和横切面横纹试件的泊松比;对西加云杉木材试件的测试结果,分析用悬臂板试件测量一阶弯曲频率,代入到悬臂梁的公式推算出弹性模量的精度;同时用低碳钢板的动态测试试验来验证动态测试木材泊松比方法的正确性,为在木建筑、家具、木材加工等行业中对木材力学性能测定研究工作提供借鉴。【方法】根据动力学原理,利用 YD-28A 型四通道动态电阻应变计和 CRAS 振动及动态信号采集分析系统等测试仪器,以敲击方式激励悬臂西加云杉木材、低碳钢试件的自由振动,通过滤波处理保留其基频振动,记录并显示基频振动的横向应变和纵向应变的衰减振波曲线,并从同一时刻的横向应变峰值与纵向应变峰值比值得泊松比。【结果】横向应变振波曲线的正(负)峰值对应于纵向应变振波曲线的负(正)峰值,说明横向应变振波曲线与纵向应变振波曲线的相位差为180°或横向应变与纵向应变是反向的;通过低碳钢板验证试验,从其振波曲线第一通道和第二通道读出峰峰值,计算它们的比值后取平均值,得低碳钢泊松比的测量值μ=0.28,符合其规范值为0.25～0.28的要求;西加云杉木材的径切面顺纹泊松比μLR与径切面横纹泊松比μRL测量值之比为10.6,即径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级;用悬臂梁公式推算的弹性模量值比实际弹性模量值偏小0.7%。【结论】根据悬臂板的一阶弯曲振形测试泊松比的动态方法是行之有效的,具有快速、简便、精度高的优点;西加云杉试件的径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级,体现了木材的各向异性;用悬臂板云杉试件测得的一阶固有频率,代入到悬臂梁理论公式推算的弹性模量值具有足够精度。     

木材胶合界面微观结构样品制备新方法——激光烧蚀技术

【目的】分析激光烧蚀技术对木材胶合界面样品表面及微观结构的影响,为木基复合材料样品微观结构检测等相关领域研究提供一种简单可行的样品制备方法。【方法】以柳杉木材/脲醛树脂(UF)胶合界面和柳杉木材/聚醋酸乙烯酯(PVAc)胶合界面为研究对象,采用切片制样和激光烧蚀2种方法对样品进行处理,利用扫描电镜观察处理后的样品表面及微观结构。【结果】切片制样过程中的机械切割使得样品表面出现毛刺和刀痕,细胞形态发生变化甚至破碎。柳杉/UF样品胶层发生断裂,并且胶层附近的管胞出现破碎现象,既不利于观察胶层形态,也不利于检测胶黏剂与木材细胞壁之间的结合。柳杉/PVAc样品胶层有撕扯现象,但对于观察和分析界面结构的影响程度不大。激光烧蚀样品表面出现一些木材或胶黏剂小颗粒溅射的痕迹,尤其以胶黏剂区域和晚材区域较为明显。除划痕缺陷外,激光烧蚀还会导致部分离胶层一定距离的早材管胞破碎且有碎屑残留在细胞腔内,但这些缺陷并不影响胶合界面微观结构的观察,如胶黏剂在木材细胞中的分布、胶层区域的形貌以及胶黏剂与细胞壁之间的界面相容性等。激光烧蚀方法还适用于研究不同压力下胶合界面微观缺陷的变化规律,随着压力增加,柳杉/UF胶合界面上的胶层孔洞以及胶黏剂与木材细胞壁之间的缝隙数量逐渐减少,尺寸逐渐减小,但当压力增至1.2 MPa时,木材细胞壁开始出现细微裂纹,胶黏剂与细胞壁之间也开始出现裂隙。【结论】与切片制样方法相比,激光烧蚀方法不需任何预处理,并且对样品尺寸没有限制,所耗时长与样品尺寸及其密度呈正比,适用性广,可为其他木基复合材料胶合界面微观结构的研究提供技术支持。     

木材细胞壁结构及其流变特性研究进展

木材流变学主要研究木材在应力/应变、温度、湿度等条件下与时间因素有关的变形规律和机制,以研究木材的黏弹性为主要内容。木材发生形变时,其实质承载结构是细胞壁,细胞壁的壁层构造和化学组分对其黏弹行为有显著影响,深入了解木材细胞壁结构及黏弹性质对于实现木纤维/塑料复合材料和制浆造纸工艺的高效设计具有重要意义。本文围绕木材细胞壁S2层超微构造和细胞壁化学组分2个方面对细胞壁结构进行阐述,归纳S2层微纤丝角和化学组分对木材细胞壁黏弹行为的影响规律,并从分子水平上解释其作用机制,总结动态力学分析技术和纳米压痕技术在研究木材细胞壁结构与黏弹性之间关系上的具体应用。木材细胞壁的黏弹性受壁层构造的复杂性、化学组分的多样性和外部环境条件等多种因素影响,并且各因素之间存在一定的交互作用。因此,建议今后从以下几个方面开展研究:1)解明木材细胞生长过程中的微纤丝取向、纤维素结晶区与非结晶区比例的分子控制机制;2)阐明木材细胞壁次生壁Matrix的空间组织排列方式、纤维素聚合体与Matrix之间相互作用的力学行为表达;3)揭示木材细胞壁中半纤维素的含量、种类以及木质素类型对细胞壁黏弹性的影响机制;同时将环境外因(温度、湿度)和载荷类型(静态/动态、拉/压/弯)纳入研究体系,系统揭示"湿-热-力"协同作用下木材细胞壁的机械吸湿蠕变行为规律和响应机制;4)联合运用多种测试技术手段,并引入相关学科的研究方法及理论模型,如有限元法及复合材料的研究方法,构建可以解释木材细胞壁黏弹特性的物理和数学模型。     

水溶性乙烯基单体改性木材尺寸稳定性提高机制

【目的】分析水溶性乙烯基单体改性前后木材极性基团数量和细胞壁结构变化,揭示水溶性甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)和N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)原位共聚改性木材尺寸稳定性提高机制,为该改性技术优化发展提供理论基础。【方法】采用动态水蒸气吸附和接触角表征水溶性乙烯基单体改性前后木材极性基团数量和表面极性变化,利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射、压汞法和氮气吸附系统研究改性剂在木材中的分布、细胞壁润胀、细胞壁两相结构以及孔隙变化情况。【结果】在相对湿度0%～95%环境下,HEMA和NMA改性材的平衡含水率明显低于未改性材;当相对湿度达95%及以上时,改性材的平衡含水率超过未改性材。利用H-H模型拟合分析浸水处理后改性材与未改性材的吸湿曲线发现,改性材原有极性基团数量有所下降但并不显著。接触角测试表明,改性材的表面极性大于未改性材,残留单体去除后改性材的表面极性弱于未改性材,残留单体可抑制木材疏水性能的改善。SEM观察结果显示,改性后细胞壁显著增厚,且细胞间隙减少。拉曼光谱分析得出,改性剂均匀分布于细胞壁中,结合SEM结果可知改性剂能够顺利进入细胞壁并润胀细胞壁。X射线衍射分析表明,改性材未出现新的晶体结构,且改性材的结晶度相对于未改性材变化较小。压汞法和氮气吸附测试表明,改性材的孔隙率相对于未改性材出现较显著下降,改性剂可成功填充细胞壁孔隙。【结论】HEMA和NMA改性木材可有效提高其尺寸稳定性,改性剂对细胞壁的充分润胀、加固及对细胞壁孔隙的填充作用是木材尺寸稳定性提高的主要原因。     

茶秆竹细胞壁解剖特性以及木质素微区分布

对12个月的茶秆竹进行细胞壁解剖特性和木质素微区分布的研究,运用光学显微镜、激光共聚焦扫描显微镜以及颜色反应鉴定木质素的存在,利用组织化学染色方法及其可见光显微分光光度计半定量测定竹材纤维、薄壁组织和导管细胞壁各微区的木质素含量。12个月时细胞壁全部木质化,木质素在各组织中均有分布,其含量因组织类型及其细胞壁微区不同而有差异。从组织化学染色及可见光吸收光谱图的吸收峰值,说明细胞壁各微区中存在愈创木基(G)和紫丁香基(S)2种木质素组成单元。竹壁径向和纤维帽不同位置的木质素含量未有明显的规律性变化。纤维次生壁具有薄厚层交替的多层结构,薄层木质素含量大于厚层。     

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。     

动态测定木材泊松比μ_(LT),μ_(LR)和μ_(RT)的电测法

【目的】给出动态测试木材泊松比的理论依据,提出一种简单易行且能提高测试精度的动态测试木材泊松比μLT,μLR和μRT的方法。【方法】从木材的应力-应变关系(胡克定律)和悬臂板一阶弯曲模态的应力、应变分析2方面阐述动态测试木材泊松比的原理和方法。对轻木、云杉、欧洲赤松、白蜡木、山毛榉5个树种木材,将其长宽比为6,5,4,3的弦切面、径切面和横切面制成悬臂板试件,应用ANSYS程序shell63单元计算其在一阶弯曲模态下的应变和应力,并通过应力、应变分析及平面应力状态下的应力-应变关系得到动态测定木材泊松比的应变花粘贴位置;同时采用静态试验验证动态测试泊松比的正确性。【结果】悬臂木板作一阶弯曲振动时,板内横向应变εy与纵向应变εx之比随距其悬臂端距离的增加而上升;横向应力σy与纵向应力σx之比在整个板内都很小,随距悬臂端距离的增加从正值下降到负值,存在一个σy等于零的位置,在此位置上横向应变与纵向应变之比的绝对值不仅等于泊松比值,而且等于ANSYS计算时输入的泊松比值,以此确定动态测试木材泊松比的应变花粘贴位置。【结论】动态测定木材泊松比μLT,μLR和μRT的十字应变花粘贴位置取决于悬臂板内横向应力σy等于零的位置。对于弦切面的悬臂板,十字应变花粘贴位置与板宽长比和板材密度有关;对于径切面和横切面的悬臂板,其十字应变花粘贴位置仅与板长宽比有关;瞬态激励测量应变花的横向应变和纵向应变频谱,一阶弯曲频率的横向应变与纵向应变的线性谱幅值之比得到泊松比的动态测量值;虽然木材的横向应力与纵向应力之比在其整个悬臂板内都很小,但因木材主向弹性模量相异很大,故在测试木材泊松比时不容忽视其横向应力σy与纵向应力σx的比值;动态测试木材泊松比方法的正确性得到轴向拉伸和四点弯曲等静态试验的验证,且木材泊松比动态测试值的分散性相对于静态测试值有所改善。     

木材多尺度结构差异对其破坏影响的研究进展

木材多尺度结构主要包括纳米级高分子结构、微米级细胞壁多层结构和毫米级生长轮结构。纳米级高分子结构中三大素(纤维素、半纤维素和木质素)性质各异,微米级细胞壁多层结构中细胞壁各层三大素含量和微纤丝角不同,毫米级生长轮结构中细胞类型、大小和排列方向存在差异,这些结构差异均会导致多尺度结构单元之间的力学性质各异。木材破坏过程主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展,裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定。本研究综述木材不同尺度单元间的结构和力学性质差异,并分析结构差异对木材破坏的影响。同时,提出今后有关木材多尺度结构差异对其破坏影响研究的几点建议:1)深入解译木材微纳结构的性质差异,研究木材三大素的排列取向规律以及木材不同化学组分对外部载荷的响应差异,揭示壁层内三大素的变形机制;研究细胞壁各层化学组分分布以及微纤丝取向不同导致的力学性能差异,分析外载荷作用下各壁层之间存在的应力传递规律; 2)研究不同载荷作用下木材生长轮结构和细胞壁结构的裂纹萌生和扩展规律,精准定位木材破坏过程中不同尺度结构的裂纹萌生位置,区分裂纹在不同木材组织内部扩展时破坏断面的细胞破坏模式; 3)借助有限元分析等理论方法,研究木材不同尺度单元间结构差异对木材生长轮结构和细胞壁结构上应力分布规律和应力集中位置的影响,揭示木材多尺度结构差异对木材破坏的影响机制。     

拉曼光谱在木质素研究中的应用进展

随着人类对环境污染和资源危机等问题认识的不断深入,开发利用廉价、可再生、可降解的天然高分子材料日益受到重视。木质素是总量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料,是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石化资源,木质素及其分子结构研究备受关注。木质素主要由愈创木基(G)、紫丁香基(S)和对羟基苯基(H)3种基本结构单元组成,其存在不仅能够增强植物细胞壁的机械强度,同时也能够防止微生物对细胞壁的侵害,使木质化的植物直立挺拔,不易腐朽。在植物细胞壁中,木质素和半纤维素以共价键形式结合,构成木质素-碳水化合物复合体,其与纤维素微纤丝交联在一起,形成了一个复杂的三维网络结构,这一结构被认为是植物细胞壁天然的抗降解屏障。在生物炼制过程中,木质素在木质纤维原料细胞壁中的分布特点直接影响生物质的转化效率,因此,在原位状态下研究植物细胞壁木质素分子结构、微区分布以及细胞壁水平的溶解规律具有重要意义。在传统湿部化学中,定性或定量研究木质素分子结构普遍采用的是磨木木素和克拉森木素,这2种方法都需要对木质素样品进行物理或化学预处理,不可避免地会改变木质素样品天然状态下的分子结构。尽管传统的光学和电子显微技术能够提供木质素的微区分布信息,但是样品通常需要染色处理,且制样过程繁琐。相比较而言,显微拉曼光谱技术因其无损、快速、高分辨率和高灵敏度等特点在研究大分子结构、区域化学等方面具有得天独厚的优势。本文首先对G、S、H型木质素模型物拉曼光谱特征峰及这些结构单元在生物质原料中的特征峰进行归属,并简要介绍影响木质素拉曼光谱的因素,在此基础上综述该技术在植物细胞壁木质素微区分布和生物质预处理过程中木质素溶解规律等方面的研究进展,最后对该技术在木质素研究领域的发展方向进行展望,以期为植物生理学和生物炼制研究领域,尤其是设计高效的生物质预处理工艺提供新思路和新方法,进而拓宽该技术在生物大分子研究中的应用范围。     

日本落叶松木质部发育相关基因筛选及其共表达网络构建

【目的】鉴定日本落叶松木质部发育相关基因,构建核心基因与木质部发育相关基因的共表达网络,为后期开展日本落叶松木材形成相关研究提供参考。【方法】对日本落叶松木质部、韧皮部和针叶3个组织进行二代和三代转录组测序,利用R软件的DEseq2包筛选木质部相对韧皮部和木质部相对针叶的差异表达基因,通过整合2组差异基因获得木质部特异表达基因,借助GO、KEGG及BLASTN等生物信息学分析手段探索基因功能,利用WGCNA分析构建木质部特异表达基因共表达网络。【结果】共获得2 596个木质部特异的高表达和低表达基因;GO分析结果显示这些基因在代谢过程、细胞过程、定位膜、细胞、细胞组件、催化活性、位点结合和转运活性等分类中显著富集; KEGG分析结果显示这些基因在淀粉和蔗糖代谢、类黄酮生物合成和代谢途径通路中显著富集,在苯丙烷代谢途径及淀粉和蔗糖代谢途径中分别富集到38个和196个基因;鉴定出木材形成相关基因,包括木质素合成相关基因PAL4、CCR1、C4H、HCT、COMT1、PER12、PER52、CYP98A3、LAC12和LAC17等,纤维素和半纤维素合成相关基因DEC、CEL1、Csl、CTL2和SPS3等; 2 596个木质部特异的高表达和低表达基因经WGCNA分析后筛选出与木质部发育相关基因关联度较高的17个核心基因。【结论】筛选的日本落叶松木质部发育相关基因参与半乳甘露聚糖合成、木葡聚糖合成、纤维素微纤丝形成、细胞壁纤维素合成、次生细胞壁形成过程、纤维伸长过程、调控合成木质素的碳代谢流、木质素生物合成及降解、木质素单体聚合、木质素单体甲基化和细胞程序化死亡等木材形成相关生物学过程;在共表达网络中筛选出的17个核心基因可作为今后研究的重点来探索其在木材形成过程中的具体功能。