木材细胞壁力学性能与细胞壁组分和构造的相关性研究

细胞壁是木材的承载结构,是木材最主要的组成和利用部分。基于细胞水平的微观研究,主要分析了木材细胞壁力学性能与其组分及微观构造的相关性,分别从细胞壁木质素、半纤维素、纤维素和微纤丝角四个方面阐述了其对细胞壁刚性、硬度、弹性模量、抗拉强度和断裂伸长率等微观力学性能的影响。并且依据目前细胞壁力学性能的研究现状,对今后的研究方向提出了展望。建议今后加强分子层面机理研究并加强细胞壁力学与实际应用的关系探究。     

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。     

基因工程对林木生长表型与细胞壁组分及构造的影响研究

通过基因工程技术培养出木质素含量低、纤维素含量高和糖转化效率高以及优质的木材,对于将其定向应用于制浆造纸、生物炼制、木质建筑及装饰材料方面具有重要的研究意义。文章详细阐明了木质素和纤维素基因调控技术对转基因林木生长表型、细胞壁化学组分含量及其微区分布、组织细胞形态及细胞壁超微构造影响的研究进展,并对转基因林木今后的重点发展方向进行了展望,以期为我国定向培育优质速生人工林提供理论依据。     

林地施肥对Ⅰ-214杨木材性质的影响

本文系统地研究了林地施肥与Ⅰ-214杨木材性质的关系。其结果:林地施肥后,木材纤维的长度、宽度、壁厚及化学组成的α-纤维素的数均值呈上升趋势;木材细胞次生壁S_2层的微纤丝角由19.4度减至18.3度,纤维素的相对结晶度由54.5％增加为56.3％;木材的物理力学性质诸项指标,虽互有高低,经方差分析验证,尚未达到差异显著水平;化学机械浆(CMP)制浆特征和浆张的物理性质,除多量施肥的化学预处理后得率(89.2％)稍高外,其他各项指标相近。     

林地施肥对Ⅰ-214杨木材性质的影响*

本文系统地研究了林地施肥与Ⅰ-214杨木材性质的关系。其结果:林地施肥后,木材纤维的长度、宽度、壁厚及化学组成的α-纤维素的数均值呈上升趋势;木材细胞次生壁S₂层的微纤丝角由19.4度减至18.3度,纤维素的相对结晶度由54.5%增加为56.3%;木材的物理力学性质诸项指标,虽互有高低,经方差分析验证,尚未达到差异显著水平;化学机械浆(CMP)制浆特征和浆张的物理性质,除多量施肥的化学预处理后得率(89.2%)稍高外,其他各项指标相近。     

落羽杉种源木材微纤丝角和纤维形态的变异

对16个落羽杉种源的14年生人工林木材微纤丝角和木材纤维形态进行测定.结果表明:1)16个种源落羽杉木材微纤丝角存在显著差异,微纤丝角变化在29.9～35.8°之间.从径向变化看,落羽杉胸径处木材微纤丝角在髓心处最大,由髓心向外逐渐减小;从纵向变化看,微纤丝角在基干处最大,随树木高度的增加而逐渐减小.2)16个落羽杉种源木材的纤维长度和宽度均存在显著差异,纤维长度的变化在1 764.84～2 900.08 μm之间,纤维宽度的变化在28.48～51.21 μm之间,纤维长宽比的变化在42.79～82.12之间.落羽杉胸径处木材纤维形态的径向变化为纤维长度和纤维宽度从髓心到树皮逐渐增加,纵向变化规律为纤维长度和纤维宽度在树干基部较小,随树高的增加而逐渐增加.3)落羽杉木材微纤丝角与木材纤维长度呈极显著的负相关关系,与木材的纤维宽度和纤维长宽比呈一定的负相关,木材纤维长度与木材纤维宽度呈显著的正相关.4)16个落羽杉种源依据木材微纤丝角和木材纤维长度2个木材材性指标可以分为4类:第Ⅰ类,木材的微纤丝角较大,木材纤维长度中等;第Ⅱ类,微纤丝角和木材纤维长度均处于中等水平;第Ⅲ类,微纤丝角较小,木材纤维长度较长;第Ⅳ类,木材纤维长度较短,微纤丝角中等.综合考虑微纤丝角和木材纤维长度,2号和30号种源可作为纤维工业原料用材的优良种源.     

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。     

伴生树种对人工林酸枣材性的影响

对不同伴生树种人工林酸枣木材物理力学性质和化学组分的测定和比较分析,结果表明:伴生树种马尾松和杉木提高了酸枣人工林木材密度、干缩系数、差异干缩和力学强度及其波动性,且杉木的影响大于马尾松;伴生树种马尾松和杉木对酸枣人工林木材物理性质影响不显著,杉木对酸枣人工林木材除弦面硬度和冲击韧性外的其它力学强度指标的影响极显著或显著,而马尾松对酸枣人工林木材力学强度指标均影响不显著;马尾松降低了酸枣人工林木材抽出物含量、纤维素含量和木素含量,提高了酸枣人工林木材戊聚糖含量,而杉木影响正好相反。     

应用X射线衍射-(002)衍射弧法——测定木材纤维次生壁的微纤丝角

木材主要由纤维组成~(**)。在针叶树材中占整个木材体积的90～95％~([9]),阔叶树材占50—80％~([9])。纤维胞壁的层次结构对木材的性质和工业加工、利用有很大影响。纤维胞壁是由构造和物理、化学性质不同的许多层次组成,常包括初生壁(P)、次生壁(S)和相邻两细胞间的胞间质。初生壁微纤丝排列无定向。次生壁是胞壁主要部分,含大量纤维素,具强度向异性。它分为外(S_1)、中(S_2)及内(S_3)三层;其中S_2层最厚,约占全壁厚度70％以上,是构成胞壁的主体。微纤丝环绕细胞轴呈螺旋状排列。微纤丝(或纤丝)角是指S_2层中微纤丝和细胞轴之间所构成的角度~([4,8,14])。     

湿热-压缩处理木材的纤维素晶体结构变化

分别采用不同径向压缩率(25%和50%)并结合不同蒸汽处理温度(140、160℃和180℃)对人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)进行湿热-压缩处理,然后利用X-射线衍射法(XRD)研究了湿热-压缩处理对木材纤维素微纤丝角、结晶度及微晶宽的影响规律。结果表明:湿热-压缩处理木材纤维素微纤丝角无明显变化,结晶度和微晶宽均增大。结晶度增幅介于28%~38%,不同压缩率和蒸汽处理温度对纤维素结晶度影响无显著差异。随着蒸汽处理温度的增加,微晶宽逐渐增大,在180℃蒸汽处理条件下达到最大值。     

天然纤维微/纳米纤丝改性家具涂料的可行性

纤维素是木材及农作物秸秆的主要组分,约占木材及农作物秸秆质量的50%,在纤维细胞壁中起骨架作用.其化学性质和超分子结构对材料性质和加工性能有重要影响.纤维素微/纳米纤丝是利用物理或化学方法从天然纤维中分离出来的,因为在分离过程中一部分无定形区被破坏,结晶区相对增加,使分离出来的微/纳米纤丝具有较高的刚性.本文简要叙述了天然纤维微/纳米纤丝的分离方法及其作为家具用涂料改性剂的可行性.     

杨树微纤丝角的变异及其与木材性质的相关关系

微纤丝角为细胞次生壁S2层微纤丝排列方向与细胞主轴所形成的夹角,与木材的物理性质、力学性质和化学性质都有着直接的关系。应用x射线衍射法测定了7个杨树无性系(14株样木)胸径处各年轮的微纤丝角,并对应分析和测定了各年轮的木材基本密度、纤维长度、纤维宽度和纤维素含量。研究结果表明,杨树微纤丝角在年轮间存在显著差异,其径向变异规律为从髓心向外以微纤丝角逐渐降低,年轮间的平均微纤丝角在7.8旱?8褐洌荒静幕久芏取⑾宋ざ取⑾宋矶群拖宋睾吭谀曷旨湟泊嬖谙灾钜臁O喙胤治霰砻鳎⑾怂拷怯肽静幕久芏取⑾宋ざ取⑾宋矶群拖宋睾看嬖谙灾母合喙毓叵??0.01),相关系数分别为-0.450、-0.586、-0.516和-0.660。回归分析结果表明,多项式方程可较好地描述杨树微纤丝角与所测定的木材性质的关系,相关系数均在-0.45以上(n=125)。本文的研究结果认为,在今后针对杨树材性改良的育种计划中,微纤丝角是一个重要的选育和改良指标。图3表3参34。     

枝节木材结构与性能研究进展

枝节是指枝条、在树干肥大生长过程中枝条基部被卷入树干木质部的节以及树干上枝条去掉后形成的节疤,是树木结构与功能的重要组成部分;但由于枝节木材对产品性能产生的不利影响,其研究与利用受到限制。随着仿生学的发展,枝节木材以其复杂而有序的组织构造、连接方式及高强韧、耐腐朽等特性,作为一种特殊结构材料逐渐引起国内外学者的关注。众多研究表明,枝节木材天然形成的组织构造和连接方式具有许多人工材料无法企及的优势,加强枝节木材结构与性能研究,既有望打破其以往利用受限的境地而开拓全新的应用领域,又可为研发高性能的新型仿生材料提供有益启发和科学依据。本研究从枝节木材的构造、化学抽提物、物理性质和力学性质4方面概述枝节木材结构与性能的研究现状。首先分别阐述枝节木材在宏观观测水平下的构造特征以及枝节木材构造随外界环境变化做出自适应性调整的智能性表现;其次围绕节疤中化学抽提物对树木的保护功效,重点从节疤化学抽提物对树木防腐和树木自然整枝2方面的影响效果进行归纳;然后总结枝节木材与树木干材在密度、干缩性等物理性质及变化规律方面的比较研究;最后阐述枝节木材的力学性质与材料基质、构造排布和功能特性间的相关关系及其应力均布特性的相关研究。同时,本研究还阐述与枝节木材相关的工程材料及结构的仿生实例,以及枝节木材相关研究对仿生设计的一些启示。鉴于枝节部位木材的特殊性及其研究的复杂性,目前人们对枝节木材结构与性能的认识相对薄弱,关于枝节木材细胞水平的精细构造、主要化学成分及各项物理和力学性质等方面的研究报道相对较少且未深入全面。基于此,本研究在前人对枝节木材结构与性能研究现状的基础上提出几点建议:加强对枝节木材宏观和微观各层次构造特性及其在不同生长状态下的调节变化机制研究;探究纤维素、半纤维素、木质素及抽提物等化学成分在枝节木材中的含量和微区分布并探明化学成分配置情况与枝节木材韧性、连接强度等性质的相关关系;开展枝节部位木材密度、水分等物理量的变化规律及其内因的研究;阐明枝节木材精细结构参数对其物理力学性质的影响机制,构建枝节木材精细构造、化学组成等结构参数与物理力学性质的数学模型。     

木材微纤丝角两种测试方法的对比研究

木材微纤丝角是木材各项性质中最重要的指标之一,它的大小对木材的解剖、物理、力学性能和化学性能有着很大的影响。笔者使用两种方法测定分析了杉木的微纤丝角,为研究者选择合适的实验方法提供依据。分别利用X射线衍射法和偏振光显微镜法得到杉木的木材微纤丝角及其变异规律,并对这两种方法进行分析比较,结果表明：（1）X射线衍射法测定速度快,代表性强,适用于大量试样的变异研究,但对实验仪器要求高。（2）偏振光显微镜法测定速度较慢,但实验仪器成本相对较低,适合实验室试样的少数测定。     

泡桐无性系CO20木材性质与利用研究

在四川省资中县集约栽培的试验林内采集了泡桐无性系CO20和泡桐各五株进行了多项试验研究。证实了泡桐无性系CO20的木材纤维长度、微纤丝角和纤维素的相对结晶度优于泡桐;综纤维素、α-纤维素以及木材物理力学的主要性能指标低于泡桐。制浆得率低。浆张物理性能接近或燬过两种相思树木材指标。     

银杏木材微纤丝角及其与生长轮密度相关模型的建立

通过对银杏木材微纤丝角的径向变化及其与生长轮密度相关性质的研究 ,结果表明 ,银杏木材平均微纤丝角为 1 8.5°,生长轮内早材微纤丝角较大 ,晚材较小 ;生长轮间沿径向呈减小趋势。木材微纤丝角与生长轮年龄、生长轮宽度、生长轮密度之间有较密切关系 ,建立了 5个相关模型 ,为银杏用材林的定向培育和木材加工利用提供依据     

微纤丝制取设备的总体设计及制取原理分析

木材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，结合木材细胞组成特点，采用高速旋转式磨削粉碎方法制取微纤丝，设计出制取微纤丝设备的整机，其包括主机部分、润滑系统、冷却系统、蒸汽发生装置和电控系统等，针对制取微纤丝主机部分进行重点介绍，并对原料破坏细化过程，制取微纤丝的原理进行分析说明。研究结果表明，微纤丝抽取工艺是采用木材锯末作为加工原料，将木材锯末放入通入蒸汽的进料漏斗进行蒸煮，高温高压蒸煮2h后，将蒸煮好木材锯末借助高温高压的蒸汽送入主机部分的研磨室内进行高速旋转研磨，在研磨室内进行激烈的研磨剪切和撞击细化，得到微纤丝。本项研究还分析论证制取微纤丝的可行性，为今后实验台的加工制造和微纤丝制取提供理论依据。     

提高木材尺寸稳定性的方法

1　木材尺寸不稳定的原因木材中的水分可分为自由水和吸着水 ,自由水存在于木材的大毛细管系统中 ,它的增减对木材尺寸稳定性无影响 ;吸着水存在于组成细胞壁的微纤丝、大纤丝之间所构成的微毛细管系统内。木材主要由纤维素、半纤维素和木素组成 ,在纤维素和半纤维素分子上存在     

基于扫描热显微镜的木材细胞壁导热特性

【目的】基于扫描热显微镜(STh M)对木材细胞壁横切面和径切面进行扫描,研究木材微观尺度的导热特性,以获得木材细胞壁微观组成和构造对导热特性的影响机制。【方法】使用钻石刀对北美红栎试样进行显微切片以获得足够光滑的试样表面,制备符合扫描热显微镜和显微拉曼光谱测试要求的试样。采用扫描热显微镜的热传导对照模式对北美红栎纤维细胞区进行扫描成像。【结果】STh M测试结果表明,STh M探针在横切面对木材细胞壁进行扫描时,细胞壁胞间层和角隅区域的STh M探针电流强度明显低于S2层,即细胞壁胞间层和角隅区域的导热能力显著低于S2层;而在径切面,STh M探针扫描后细胞壁S2层和胞间层及角隅区域的探针电流差异不明显,即S2层、胞间层和角隅区域的导热能力未表现出明显差异。显微拉曼光谱测试结果表明,相比S2层,胞间层和角隅区域拉曼谱图中归属木质素的特征峰强度相对归属纤维素的特征峰明显要强。选用归属木质素的1 520~1 680 cm-1波数范围对细胞壁进行拉曼成像,成像结果显示木质素在细胞壁胞间层和角隅区域含量高。【结论】木材细胞壁S2层、胞间层和角隅区域的导热能力在横切面表现出明显差异,而在径切面差异不明显。木材细胞壁在横切面表现出S2层导热能力强的原因,主要是由细胞壁不同壁层的空间构造特征差别造成的。S2层纤维素含量高,纤维素结构单元微纤丝排列接近平行于细胞轴向,由此在横切面施加热量后热量在S2层顺纹传递,而胞间层和角隅区域木质素含量高,在此两区域化学成分排列呈无序状态,因而表现出S2层导热能力强。当STh M探针从径切面施加给细胞壁热量后,热量在S2层中的传递近似垂直于微纤丝,即热量从横切面的顺纹传递转变为横纹传递,由此造成横切面S2层导热能力强的条件消失,进而在径切面S2层与胞间层和角隅区表现出的导热能力基本一致。STh M技术揭示了木材细胞壁中纤维定向排列结构对细胞壁不同壁层导热性能的影响,该技术可以有效用于研究木材微观导热性能与结构。     

中国主要人工林树种幼龄材与成熟材有人工林与天然林木材性 …

本文对中国１０种人工林和４种天然林的幼龄材与成熟材及４个树种的人工林木材与天然林木材的构造特征，化学性质，物理性质，力学性质的３３项材性指标差异进行了比较研究。结果表明，在幼齿林与成熟材之间，在统计上表现差异显著性的为幼龄材比成熟材生长轮宽，管胞列数多，管胞短，直径小，微纤丝角大，密度小，径向干缩法，差异干缩大，流体扩散性高，抗弯强度，抗弯弹性模量，顺纹抗压强度，径面顺纹抗剪强度，径面抗劈力和冲击