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。     

木材普通蠕变和机械吸湿蠕变研究概述

木材是一种具有不同细胞类型的天然纤维复合材料,其细胞壁的壁层结构与化学组分具有多样性。在静态恒定应力作用下,木材形变随时间延长而逐渐增大,即产生蠕变。木材蠕变是影响木制品和工程构件质量以及结构设计安全性的一个关键特性。根据木材中的水分状态,木材蠕变可以划分为"含水率平衡态时的普通蠕变"和"含水率非平衡态时的机械吸湿蠕变"。本文分别阐述了木材普通蠕变和木材机械吸湿蠕变的现象和特点;围绕木材的普通蠕变,归纳了木材组织结构、含水率、温度和应力水平等因素的影响;针对木材的机械吸湿蠕变,重点从分子水平、细胞壁层结构、物理老化等方面解释其发生机制,并论述微纤丝角、化学组分、含水率和温度等因素对机械吸湿蠕变的影响。此外,本文还总结了应力/应变本构方程和Kelvin-Voigt模型模拟木材蠕变的研究进展,分别概述了普通蠕变和机械吸湿蠕变的数值模拟过程及其应用。木材蠕变特性受其自身复杂的组织构造和环境条件的影响,且各因素之间又存在一定程度的交互作用,使得木材蠕变的研究仍有较多方面尚未涉及。建议今后的研究重点从以下4个方面展开:1)针对木材正交各向异性的构造特点,采用不同的载荷类型和形变模式进行组合测试,系统表征木材的正交异向蠕变特性;2)解明湿热条件下,水分、温度以及二者的交互作用对木材组分以及蠕变行为的影响,探索温湿度场中蠕变柔量与泊松比的同步实时测定;3)明确单根纤维(管胞、木纤维细胞)的机械吸湿蠕变行为规律,并确定木材组分,尤其是半纤维素在木材机械吸湿蠕变中的作用机制,从分子水平上解释氢键作用对木材机械吸湿蠕变的影响机制;4)构建能够充分解释木材蠕变特性内在机制和外在影响的蠕变模型。     

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.     

木材细胞壁与木材力学性能及水分特性之间关系研究进展

阐述了木材细胞壁微纤丝角、结晶度、纹孔和化学组分等对木材力学性能的影响规律,针对木材的水分特性重点归纳了纹孔和抽提物对木材渗透性的影响机制,并对未来细胞壁微观研究发展趋势进行了总结,旨在为木材细胞壁相关研究提供借鉴。     

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。     

热解条件对橡木组成结构与纳米压痕测试结果的影响

以阔叶材橡木为对象,研究热解过程中木材组成结构与微观力学性能的转变特征。分别使用傅里叶红外光谱技术(FTIR)、X射线衍射技术(XRD)和纳米压痕技术(NI)分析热解过程中木材化学组成成分、微纤丝结构和细胞壁微观力学性能的转变。研究结果表明,热解温度达到325℃时木材化学组成与微纤丝结构都发生了显著转变,木材化学成分中的纤维素和半纤维素已基本裂解完毕,木质素结构仍有存在,且已有碳素材料特征峰出现;对应XRD图谱分析,由于纤维素的热解,325℃时细胞壁微纤丝构造引起的衍射峰已经消失。NI研究发现热解温度达到300℃时,橡木纤维细胞壁微观力学性能变化显著,弹性模量从未热解处理的(16.6±1.39)GPa下降至(5.78±0.30)GPa。细胞壁硬度与未热解处理木材的(0.46±0.045)GPa相比,当热解温度为250℃和300℃时,硬度值略有上升,分别为(0.54±0.049)和(0.52±0.024)GPa;同时发现300℃热解后木材细胞壁弹性模量和硬度数值的分散度变小,认为是因细胞壁组成与结构变得均一化所造成。     

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。     

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。     

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])。     

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。     

基于生长轮的杉木早材黏弹性

【目的】比较不同生长轮木材早材黏弹性,探讨全干密度、管胞胞壁率、微纤丝角等因子与木材黏弹性之间的关系,从细胞水平理解木材黏弹行为的作用机制。【方法】以人工林杉木为研究对象,采用X射线剖面密度仪、ZEISS Imager A1显微镜、X射线衍射仪、动态力学分析仪(DMA 2980)分别测定第3、6生长轮(心材)以及第14、18生长轮(边材)早材的全干密度、管胞胞壁率、微纤丝角、弹性模量、贮存模量和损耗模量。【结果】1)边材(第14、18生长轮)的全干密度比心材(第3、6生长轮)略高,4个生长轮管胞胞壁率无明显差异,微纤丝角随树龄增加呈减小趋势。2)早材的弹性模量、贮存模量和损耗模量均随树龄增加而增大,微纤丝角与弹性模量、贮存模量、损耗模量呈显著负相关关系。3)在本研究测量温度范围内(-120～120℃),4个生长轮早材均出现2个力学松弛过程:一是在10℃附近的α力学松弛过程,关于其分子运动归属目前尚无统一定论;二是在-40℃附近的β力学松弛过程,是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动引起的。不同生长轮之间的力学损耗峰温度几乎无差异。4)随测量频率(1、2、5和10 Hz)增加,β力学松弛过程的损耗峰温度移向高温方向,α力学松弛过程的损耗峰温度并不随测量频率增加而改变,即无频率依存性。5)与位于边材区域(第14、18生长轮)的早材相比,位于心材区域(第3、6生长轮)的早材发生力学松弛过程所需的表观活化能均较大,可能是由于杉木心材相较于边材有更多的抽提物,抽提物的沉积限制细胞壁中分子链段运动所致。【结论】微纤丝角是影响不同生长轮内早材刚度和阻尼的关键因子,心材与边材表观活化能的差异可能是抽提物沉积所致。     

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。     

泡桐属木材的微纤丝角和结晶度

8种泡桐木材纤维次生壁S_2层的微纤丝角平均为12.52°;纤维素相对结晶度平均为46.4%。从这两项指标来看,南方泡桐和泡桐(白花泡桐)木材具有较为优良的材质。12年生毛泡桐木材的S_2层微纤丝角由髓往外,随着树龄的增加而角度增大,而纤维素相对结晶度则减少。     

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。     

针叶树木材细胞力学及纵向弹性模量计算——纵向弹性模量的理论模型

本文是关于针叶树木材弹性特性研究的理论分析。设定针叶树木材细胞主要由管胞和射线组成 ,根据管胞和射线细胞的解剖构造特征 ,建立了两端劈尖、矩形截面、中空的管胞模型与长方体状、中空的射线细胞模型。沿用MP层 (胞间层 初生壁 )内与 3S层 (次生壁的S1、S2、S3层 )内力学性质相同 ,而MP与 3S层间力学性质相异的假定 ,利用管胞和射线细胞模型 ,导出了管胞和射线细胞纵向弹性模量的计算公式。同时 ,根据管胞和射线细胞在针叶树木材中的排列规律 ,结合线形弹性体串并联的特性 ,进一步给出了计算针叶树木材试件宏观纵向弹性模量的方法。本项研究从木材细胞的结构和弹性特性出发 ,分析研究针叶树木材的宏观弹性行为 ,一方面可以获得关于针叶树木材弹性特性的认识 ,另一方面可以用于针叶树木材纵向弹性模量的计算和预测。     

三聚氰胺—甲醛与木材的交联作用

为了研究木材压密化处理过程中交联试剂与木材的作用机理，以大青杨木材为试样，分离制得综纤维素、纤维素、α－纤维素、木质素和半纤维素，并分别与三聚氰胺－甲醛反应，测定了不同化学组分与交联剂作用的活性顺序及其分布。结果表明：三聚氰胺－甲醛与大青杨木材细胞壁组分的反应活性顺序为：木质素＞半纤维素＞综纤维素＞α－纤维素＞纤维素。还采用红外光谱（ＩＲ）对交联作用前后的综纤维素、纤维素和木质素的化学结构变化进行了分析，从而定性确定了交联化处理木材的主要官能团变化。关键词     

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     

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。     

热处理升温速率对柞木微观结构和物理力学性能的影响

升温速率对木材热处理的产品性能和反应机制都会产生显著影响,对生产实践操作也具有重要作用,但相关研究十分缺乏。以柞木为试样,在常压过热蒸汽条件下以5,10,15,20和25℃/h的升温速率分别升温至200℃进行热处理。分析处理材的主要化学组分和结构,并测试其主要物理力学性能,探索升温速率对处理材结构和性能的影响,为木材热处理技术的优化应用提供参考。结果表明：热处理升温速率对柞木化学组成和结构都具有显著影响。细胞壁半纤维素含量随升温速率的减小而下降,而木素的相对含量则随着升温速率的减小而提高,纤维素含量受热处理影响很小,但微纤丝结构发生明显变化。不同升温速率水平下热处理柞木的主要性能也呈规律性变化。热处理后柞木的静态与动态弹性模量均有所增加,且都随着升温速率的下降先增大后减小,与微纤丝结晶度的变化趋势高度一致。热处理后柞木的吸湿性随升温速率的减小而逐步下降,并与半纤维素浓度的变化密切相关。综上可见,升温速率是调节热处理柞木性能的有效工艺参数,但试材性能的变化与升温速率之间并非都是线性关系,应根据木材热处理的主要性能需求,结合生产效率和安全性等综合因素确定木材热处理的升温速率。     

基因工程改良木材性质研究进展

随着我国木材产量难以满足日益增长的木材需求,人工林在缓解国内木材市场供需矛盾上发挥着越来越重要的作用。我国人工林面积居世界首位,但木材性质较差,限制了其应用范围,培育性质优良的人工林木材具有重要意义。利用基因工程技术可以从源头有效提高人工林木材的性质,进而提高木材质量,在有限林地上实现资源的高效利用。本文综述基因工程技术对人工林木材化学、构造及其物理力学性质的影响,以期为人工林木材性质基因工程改良的研究和应用提供参考。基因工程改良对木材化学组成的影响主要体现在木质素含量和木质素单体比例、纤维素和半纤维素及其他化学成分的变化上,选择不同的目的基因将对木材化学组成产生不同的影响,其中利用基因工程降低木材木质素含量的研究最为活跃。基因工程改良对木材构造的影响主要体现在细胞形态和微纤丝取向的变化上,现有研究表明通过基因工程改良能有效提高人工林木材纤维质量,进而提高纸浆质量,而且基因工程改良还会对木材微纤丝角产生影响;木材细胞形态和微纤丝角的改变会引起材性的变化,为通过基因定向改变木材细胞形态或微纤丝角,进而达到人工林木材材性改良的目的提供了思路。基因工程改良对木材的物理力学性质也具有显著影响,已有研究发现多种目的基因可对木材密度、干缩湿胀率和木材强度等产生影响。目前,有关人工林木材性质基因工程改良的研究仍处于初级阶段,尚有一些问题需要进一步解决,建议今后的研究重点可从以下3方面展开:1)转基因植株细胞壁的物质形成受到精细的时空调节,因此应考虑时间和环境因素对基因工程改良木材所造成的影响,深入研究基因工程改良木材优良性质的稳定性,探索有利于基因稳定表达的培育环境和措施;2)虽然基因工程改良会对木材化学、构造及其物理力学性质等造成影响,但是木材性质经同一种基因改良后变化程度有差异,因此有必要寻找能稳定遗传的基因并提高基因表达水平的方法;3)基因工程改良木材基础性质的研究还远远不足,需要重点研究基因工程改良人工林木材化学组成、构造及其物理力学性质等方面的变化,寻找能稳定改善木材性质的基因,建立一个完整可靠的基础数据库。