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。