利用红外成像和纳米压痕测试技术研究热处理落叶松管胞性能

以我国主要用材树种日本落叶松木材为研究对象,采用物理改性方法真空热处理技术对其材质进行改良。利用场发射扫描电子显微镜和傅里叶变换红外成像显微镜研究不同热处理条件(160～240℃温度范围,处理4 h)下落叶松木材晚材管胞细胞壁形态、化学组分结构和分布的变化规律,并结合纳米压痕测试系统研究热处理木材细胞壁力学性能变化趋势。结果表明：木材热处理过程中,随着热处理温度的升高,晚材管胞细胞壁出现裂纹并增加;半纤维素发生降解,细胞壁红外成像中半纤维素相对高浓度分布区域逐渐减少,木质素高浓度分布区域呈现先增加后降低的趋势,表明该过程中木质素发生了热解并进行了重新分布。木材细胞壁压痕弹性模量和硬度随着真空热处理温度的增加呈先增大后降低的趋势,其中当热处理温度为200℃时,压痕弹性模量和硬度相比素材分别增大54.57%和45.69%,达到最大值,该变化规律与木材细胞壁中木质素分布变化趋势相吻合。以上研究结果有助于深入理解真空热处理木材性能的变化,为真空热处理改性木材工艺优化提供理论依据。     

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。     

高温热处理对UF树脂改性杉木吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响

以脲醛(UF)树脂改性杉木为研究对象,采用高温过热蒸汽对其进行热处理,系统研究了热处理温度和时间对UF树脂改性杉木吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响规律。结果表明:与杉木对照材相比,UF树脂改性杉木吸湿性降低,耐湿尺寸稳定性提高;高温热处理能降低UF树脂改性杉木的吸湿性,提高其耐湿尺寸稳定性;与热处理时间相比,高温热处理温度对UF树脂改性杉木的吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响更大,随着热处理温度的升高,UF树脂改性杉木的平衡含水率、弦向湿胀率、径向湿胀率和体积湿胀率均呈先下降后升高的趋势;与杉木对照材相比,热处理UF树脂改性杉木的平衡含水率、弦向、径向湿胀率和体积湿胀率最大分别降低了39.00%、62.02%、69.89%、59.99%;与未经热处理的UF树脂改性杉木相比,热处理UF树脂改性杉木的平衡含水率、弦向、径向湿胀率和体积湿胀率最大分别降低了28.71%、53.42%、65.85%、54.32%。     

速生杉木改性技术研究进展

杉木是我国重要人工速生林树种,但存在诸多天然缺陷,限制了其在众多领域的应用。通过对近年来杉木改性相关研究工作进行总结归纳,将杉木改性研究分为密实化处理、高温热处理、防腐处理、染色与阻燃处理、无机纳米材料改性处理五个方面,介绍了各类处理的改性方法、改性机理以及改性后的材性变化,探讨了速生杉木改性的发展方向,以期为杉木改性的进一步研究提供参考。     

高温热处理对UF树脂改性杉木力学强度的影响

本研究以脲醛(UF)树脂改性杉木为研究对象,采用高温过热蒸汽对其进行热处理,系统研究了热处理温度和时间对UF树脂改性杉木力学强度的影响规律。结果表明:与杉木对照材相比,UF树脂改性杉木力学强度显著提高;高温热处理使杉木浸渍材的力学强度降低;随着温度升高和时间延长,杉木浸渍材的抗弯弹性模量和强度、顺纹抗压强度和横纹抗压比例极限应力均呈明显下降趋势;经热处理后,UF改性杉木抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度最大分别可降低11.4%、65.1%和17.3%,横纹全部弦向和径向抗压比例极限应力最大分别可降低60.9%和59.6%,横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力最大分别可降低36.5%和56.5%。     

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。     

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。     

杉木-纳米CaCO_3复合材料结构表征及其复合机理分析

用SEM和TEM观察与表征该复合材料的微观结构,表明改性物质纳米粒子在杉木中的结合方式与单纯加入有机高分子或无机微米粒子有很大差别,并发现凝胶中的纳米CaCO3粒子多数以纳米尺度分布在木材细胞壁上,部分则沉积在木材中的纳米空间;基于二元复合理论,结合XRD和EDXA等,分析了其复合机理,结果表明:纳米CaCO3可与杉木木材形成良好的复合;纳米CaCO3与木材组分既有原位复合,但主要是其表面的大量不饱和残键以及游离羟基与杉木木材细胞壁主要组分—纤维素和半纤维素上的羟基形成化学结合。     

高温热处理对木材吸湿性和尺寸稳定性的影响

在4个不同温度和时间水平下,对人工林杉木木材进行高温热处理,研究了处理温度和时间对木材吸湿性和尺寸稳定性的影响规律。结果表明:高温热处理可以显著降低木材平衡含水率、吸水率和体积膨胀率,提高尺寸稳定性;随着处理温度的增加和处理时间的延长,杉木平衡含水率、吸水率和体积膨胀率降低;与处理时间相比,处理温度对平衡含水率、吸水率和体积膨胀率的影响程度更大。在本研究范围,与对照材相比,通过高温热处理可以使杉木平衡含水率降低17.73%~66.74%,吸水率降低33.99%~64.00%,体积膨胀率减少36.7%~69.30%。     

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。     

真空高温热处理对思茅松木材化学成分和颜色的影响

在真空条件下(真空度为0.08MPa),热处理温度分别为160、170、180、190、200℃,热处理时间分别为1、2、3、4h的工艺条件下对思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis)木材进行高温热处理,采用CIE L~*a~*b~*法对热处理木材的颜色参数值进行测定与化学分析,并对其失重率进行了分析。研究结果表明:1)在热处理温度200℃、热处理时间4h工艺条件下真空高温热处理思茅松木材,失重率只有2.14%。2)随着热处理温度的升高和处理时间的延长,思茅松木材的明度L~*降低,总体色差△E~*增大;思茅松木材半纤维素和纤维素相对含量降低,木质素相对含量增加。3)细胞壁成分的降解导致了化学成分的改变,使得木材的颜色发生变化。     

沙浴热处理杉木及其物理力学性能研究

以杉木为材料,通过沙浴和气相介质进行热处理,检测其炭化木材物理、力学性能和颜色等,借助XRD和FTIR分析不同热处理方法致木材性能差异的原因,以期探索沙浴炭化木材的可能性。结果表明:当热处理温度和时间相同时,沙浴热处理试件尺寸稳定性高于气相介质热处理;处理温度为220℃,时间4 h时,两种介质处理试件的尺寸稳定性均达到了最好状态,其中气相介质热处理杉木弦向线湿胀率最小为1.885%,比未处理材降低35.45%,沙浴热改性处理杉木弦向线湿胀率最小为1.923%,比未处理材降低36.16%。沙浴热改性处理杉木木材强度折损较气相介质热改性处理材更多。热处理温度和时间相同时,气相介质处理材颜色变化小于沙浴热改性处理材。热改性处理导致杉木材结晶特性和三素成分发生变化,其中沙浴热处理导致杉木材中半纤维素发生明显降解。     

热处理温度对杉木脱油率及精油组分相对含量的影响

在对人工林杉木进行高温热处理的基础之上,采用常压水蒸气蒸馏法对杉木热处理材中的精油含量进行了测定,并采用气质联用仪对未处理材和经过160、220℃处理材的精油组分进行了分析。研究结果表明:当热处理温度分别为120、140、160、180、200、220℃时,所对应的杉木脱油率分别为0.855%、13.516%、16.189%、39.156%、41.063%、58.739%;热处理温度对杉木精油主要组分的相对含量有较大影响,其中α-柏木烯、柏木醇的相对含量分别由未处理时的5.4104%和69.2391%变化到220℃时的45.482 5%和31.089 5%。     

基于拉曼光谱分析的热处理松木吸湿机理研究

木材热处理可以显著降低木材的吸湿性,是提高其尺寸稳定性的有效改性方法。以南方松热处理材和对照材为试材进行动态水蒸气吸附试验,并借助拉曼光谱对两种试材的化学组分进行比较,探索热处理对木材吸湿性能的改性机理。结果表明:在本试验条件下,热处理不仅降低了木材的吸湿量,也改变了其吸湿特性,表现为热处理材平衡含水率变化率的降低和吸湿滞后性的增强。在实际应用中,这表明热处理材即使在环境湿度变化较大的情况下也能保持较好的尺寸稳定性。拉曼光谱分析表明,木素的结构变化是热处理材形成其吸湿特性的主要内在原因之一。热处理后木素在细胞壁中的相对含量有所上升,结构发生了重组,使木材细胞壁结构变得更加稳固而缺乏弹性,对木材的吸湿和平衡起到了阻滞作用。     

竹材木质素在细胞壁中的微区分布

对12个月的毛竹和茶秆竹进行了木质素微区分布的研究,实验运用光学显微镜和激光共聚焦扫描显微镜鉴定了木质素的存在,并且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?薄壁组织和导管的细胞壁各微区木质素含量。毛竹竹茎各组织细胞壁各微区的木质素含量均大于茶秆竹相应部位的。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不同微区而有差异,其结构中存在愈创木基(G)和紫丁香基(S)两种木质素组成单元。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,薄层的木质素含量大于厚层的。     

木材细胞壁增强改性研究进展

物理化学改性能够提高木材物理力学性能,主要源于改性剂对木材细胞壁的物理化学作用。因此,从某种意义上讲,木材改性主要是指木材细胞壁的增强改性,通过物理化学等手段,可以有效促进改性剂进入细胞壁,从而增强细胞壁。而近年来先进分析技术在木材改性领域的应用,能够更直观更准确地对木材细胞壁性能变化及改性剂分布进行表征。然而,木材细胞壁增强改性研究仍然存在许多问题,需要更系统更深入的研究。主要从物理增强、化学增强以及纳米技术的应用等方面对木材细胞壁增强改性最新研究进展进行了总结,对存在的问题进行了分析,并对今后的研究方向与可能的突破进行了展望。     

疏水改性对杉木微观力学性能的影响

为提高木材尺寸稳定性,利用烷基烯酮二聚体对杉木进行疏水改性处理,同时运用纳米压痕技术分析评价疏水处理对木材纳米力学性能的影响.结果表明,当处理剂的质量分数为5％、处理时间为30 min时,疏水效果最好,同时最节约成本;疏水处理会降低杉木S2层细胞壁的弹性模量,当处理剂质量分数为5％时影响较小;杉木S2层细胞壁蠕变值会随处理剂质量分数和处理时间的增加呈现上升的趋势.     

磷素对杉木幼苗耐铝性的影响机制

【目的】在南方酸性红壤中,低磷和铝毒是制约杉木人工林产量的重要因子。通过研究不同磷水平处理下,铝胁迫对杉木幼苗生理生化指标的影响规律,从而为阐明杉木适应自然环境中低磷富铝土壤机制提供基础数据,为我国酸性土壤杉木人工林的可持续经营和生产管理提供科学依据。【方法】设置0,0.16,0.32 mmol·L-13个浓度梯度的预培养,并在Al3+(0.1 mmol·L-1)和无Al3+(0 mmol·L-1)的环境中进行模拟胁迫试验,分析不同供磷处理下铝胁迫对杉木幼苗的抗氧化酶活性等生理指标、元素吸收、根系各元素亚细胞分布规律以及透射电镜-X-射线能谱(TEM-EDS)下Al在各细胞器的分布的影响机制。【结果】Al3+导致杉木幼苗体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和丙二醛(MDA)等生理指标异常,随着供磷程度的增加,上述生理异常现象均得到有效的缓解。此外,随着供磷水平的增加,杉木幼苗根系中Al含量显著降低,而K、Mg、Zn和P的含量明显增加,叶片中Al、Mg、Ca和K的含量显著上升。TEM-EDS分析发现杉木幼苗根系细胞壁是铝聚集的主要场所,磷素能够促使铝向液泡转运,并在液泡当中沉积为黑色不溶颗粒。对根系亚细胞进一步分析发现,Al和P主要分布在杉木幼苗根系的细胞壁组分中,随着供磷水平的增加,根系细胞壁组分中的Al和P比例显著下降,而在可溶组分中显著增加,这说明P与Al同时向液泡转运,此外,K和Mg也出现类似的规律。【结论】铝胁迫对杉木幼苗根系的毒害作用较大,磷素的增加主要通过改变杉木幼苗细胞内抗氧化酶活性以及Ca、K、Mg和Zn的吸收和转运,并增加Al向液泡转运,降低Al在杉木根系细胞壁组分中的富集,以维持根系细胞壁的正常结构和功能,从而缓解Al对杉木幼苗造成的膜脂过氧化作用,降低Al对杉木幼苗的损伤。     

杉木幼龄材与成熟材木质素的化学官能团和化学键特征研究

采用有机元素分析、红外光谱、质子核磁共振波谱对从杉木幼龄材和成熟材中提取的磨木木质素的化学官能团和化学键特征进行了研究。结果表明 :杉木幼龄材和成熟材木质素的经验式分别为C9H8 73O2 57(OCH3) 0 84 和C9H9 0 1 O2 2 4 (OCH3) 0 90 ;杉木幼龄材木质素的芳香环结构主要由愈疮木基组成 ,而在成熟材中除愈疮木基外还有紫丁香基基团存在 ;杉木成熟材的木质素中具有较多的芳香族化合物 ;杉木木质素结构中的主要键型为 β -O - 4键、β- 5键、β- β键和 β- 1键 ,且成熟材木质素中各种键型的数量均高于幼龄材。     

家具用速生材浸渍改性与高温热处理研究进展

论述了近年来速生材改性,尤其是浸渍改性和高温热处理改性的研究进展。根据家具用材基本要求提出了家具用速生材改性原则和方向,提出家具用速生材改性必须建立一套评价体系,根据不同产品和不同零部件的用材要求提升相应的性能。探讨了目前常规浸渍热处理改性的发展现状和存在的问题,并提出了家具用速生材组合改性思路和改性优化方案。在满足基本性能要求的基础上将浸渍改性与高温热处理无缝衔接,通过工艺流程上的改进和工艺参数的调整,缩短浸渍处理与高温热处理之间的过渡时间,为实现其大规模应用提供技术支持。