【目的】以不同生长期的毛竹材纤维细胞壁为研究重点,在纳米尺度下分别表征不同竹龄毛竹材纤维细胞壁的结构特征和力学性能,阐明成熟毛竹材纤维细胞壁的结构特征和力学性能与幼龄竹和过熟竹的差异,为竹材的科学采伐和竹材分级、改性及重组研究与合理利用提供理论依据。【方法】采用滑走显微制片法观察毛竹材横切面显微结构并精准确定其纳米压痕测试部位,应用纳米压痕技术结合非包埋制样法对0.5年幼龄毛竹、4.5年成熟毛竹和10.5年过熟毛竹材纤维细胞壁力学性能进行研究;利用广角X-射线散射法结合高斯拟合算法对不同竹龄毛竹材纤维细胞

细胞壁纹孔是植物组织细胞间至关重要的结构通道。竹子茎杆节间细胞均呈纵向排列,纹孔是物质在细胞间横向输导和渗透的核心途径。系统深入地开展竹材细胞壁纹孔特征研究,对促进细胞壁结构和功能的深度诠释,竹资源的高附加值利用,以及仿生结构和材料设计等都具有重要的科学意义。然而,至今竹材纹孔相关研究成果积累十分稀少。本文系统研究竹材细胞壁纹孔的基本特征,为纹孔结构与功能相适性的相关探讨奠定理论基础,研究成果填补目前对竹材纹孔认识的空白。本文以常见经济竹种毛竹(Phyllostachys edulis(Carr.)J.H

【目的】研究轻木化学组成、纤维细胞壁分层结构和纤维素聚集态结构，探究其对力学性能的影响，为厘清轻木细胞壁超微结构与力学性能之间关系，提高其利用附加值奠定理论基础。【方法】将轻木与我国常见阔叶木树种杨木进行对比研究，采用水解法分析两者的化学组成；用透射电子显微镜、共聚焦拉曼显微镜等表征纤维细胞壁分层结构、微区化学和纤维素聚集态结构特征。【结果】轻木与杨木乙酰基质量分数分别为9.52%和5.61%。轻木纤维细胞壁S3层厚度占细胞壁总厚度的5.49%，比杨木的（3.86%）高。轻木纤维细胞次生壁中微纤丝角最大为30°，比杨木的（40°）小。轻木胞间层、S2层中微纤丝取向排列比杨木相应壁层更加规整。【结论】与杨木相比，轻木木聚糖的乙酰化程度、细胞壁分层结构、纤维素聚集态结构均有明显差异。轻木木聚糖的乙酰化程度更高，纤维细胞壁S3层厚度占细胞壁总厚度的比例更高，S2层中微纤丝角更小，胞间层和S2层中微纤丝排列更加规整。以上发现从化学结构和超微结构方面解释了轻木高强轻质的主要原因，为解译木材细胞壁化学组成和超微结构与力学性能关系以及轻木的高值化利用提供了重要的理论参考。

应用X-射线衍射法对实生苗和埋鞭2种造林方式的毛竹Phyllostachys pubescens各3个竹龄的竹材微纤丝角进行了测定分析,所选竹材各个竹龄细胞次生壁微纤丝角的径向变异规律都呈现下降或波动趋势,从竹青到竹黄存在显著差异。埋鞭和实生苗造林的竹材微纤丝角最大值分别为12.05°和10.97°,最小值分别为7.67°和8.24°,变化幅度均小于5°;其微纤丝角平均值分别为9.41°和9.71°,相差不大。2种方式的竹材微纤丝角随竹龄增加未呈现一致的规律性变化,竹龄对微纤丝角的影响显著。纵向微纤丝角从下到上没有明显规律,埋鞭的竹材下、中和上部的平均微纤丝角分别为9.64°,9.25°和9....

【目的】研究毛竹材细胞壁纹孔的形态、结构和分布排列等特征,揭示维管束组织细胞间的纹孔通道,为竹子生长发育机制的深入研究和竹材高效利用提供理论依据。【方法】毛竹竹条经树脂渗透、树脂固化、组织消化和清洗干燥等处理后,获得单个细胞铸型和空间范围内多个细胞连接的立体铸型网络。结合毛竹切片扫描电镜图像,研究导管、薄壁细胞和纤维细胞的纹孔特征以及细胞间纹孔对的连接和分布特点。【结果】毛竹后生木质导管纹孔具明显的纹孔缘结构,并呈较高的选择性分布,即靠近维管束几何中心位置一侧的导管壁上往往密集分布大量纹孔,而另一侧纹孔则十分稀少或基本没有。导管铸型上,纹孔口和纹孔膜分别为0. 9～2. 7μm和1. 1～3. 8μm;维管束内存在小导管且相互间以具缘纹孔对连接;维管束内薄壁细胞纹孔比基本组织中的数量多、孔径大,紧邻木质部导管的薄壁细胞,其纹孔分布尤为密集;纤维细胞上纹孔稀疏分布,纹孔小、纹孔道狭长,纤维状管胞上分布有具缘纹孔;维管束内细胞间由纹孔对进行横向和纵向连接,并进一步形成流体移动的空间网络。【结论】树脂铸型法可直接展现纹孔立体结构,客观反映特定流体在竹材内部的扩散或渗透路径,适用于毛竹材细胞壁纹孔特征的研究。

采用水溶性低分子质量酚醛树脂处理杉木试样,使用纳米压痕测试技术对其管胞细胞壁的弹性模量和硬度进行测试。结果表明:处理试样管胞细胞壁的平均弹性模量和硬度比对照试样分别增加了32.94%和32.93%。使用紫外显微分光光度计分析得知,处理试样管胞细胞壁的吸光度远高于对照试样,说明低分子质量的酚醛树脂能够扩散进入到纳米级孔隙的杉木管胞细胞壁S2层内,并最终引起细胞壁力学性质的增加。

选取4～6年生的毛竹Phyllostachys edulis材为原料,采用热压机对毛竹材进行高温快速热压处理,研究不同热处理温度(225, 250, 275, 300, 325, 350和375℃)下竹材物理力学性能的变化。结果表明:随着热处理温度的升高,竹材平衡含水率和气干密度明显下降(P体积干缩率的变化率>径向干缩率的变化率;当温度达到375℃时,弦向全干干缩率下降了86.81%,径向全干干缩率下降了83.60%,体积全干干缩率下降了83.95%,达各向的最大值。热处理温度升高,竹材顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均先增加后减少,其中,顺纹抗压强度在375℃时达最小值(63.78 MPa);抗弯强度在250℃时达最大值(151.00 MPa),在375℃条件下达最小值(61.85MPa);抗弯弹性模量在300℃时达最大值(10 487.44 MPa),在375℃时达最小值(7 071.14 MPa)。认为竹材接触式快速热处理工艺提升了竹材尺寸稳定性和力学性能。图4参27

【目的】应压木细胞壁S2层中的大微纤丝螺旋角(MFA)是树木管胞对力学环境适应性生长的结果，故它有其特别的力学功能。但目前人们还不了解S2层中大MFA对其抗压性能的增韧机理。基于应压木细胞壁S2层的超微结构所建立的复合材料力学模型，采用数值模拟方法研究应压木细胞壁S2层中MFA对其抗压韧性的影响并探究其中的力学机理，以及探索基于数值模型研究木细胞壁压缩韧性的建模与分析方法，为仿生材料设计奠定力学基础。【方法】首先将云杉木细胞壁S2层简化为连续微纤丝和基体组成的复合材料，并利用夹杂理论的自洽模型计算木细胞壁S2层基体的等效弹性常数。然后利用HyperWorks建立木细胞壁的纤维增强复合材料有限元分析模型，用Abaqus模拟不同MFA的应压木和正常木细胞壁S2层在压缩载荷下的力学行为，并用所得结果分析其MFA与抗压韧性的关系。在此基础上，对比是否考虑木细胞壁的S1、S2L和MP层对其受压力学行为的影响，并分析在应压木细胞壁数值模型中考虑各组分材料塑性行为的重要性。【结果】在压力作用下，当木细胞壁S2层的MFA增大时，其临界屈曲位移增大，临界屈曲压力先减小再增大。45°MFA应压木细胞壁S2层的临界压力与0°MFA正常木细胞壁S2层相当，但前者的临界屈曲位移是后者的3.57倍，屈曲失稳前的应变能是后者的2.95倍。在相同压力下，45°应压木细胞壁S2层微纤丝的von Mises应力低于0°正常木。由于单个应压木细胞壁S2层中螺旋状微纤丝所具有的压-扭耦合变形受到周边管胞对扭转变形的约束，其抗压刚度和抗压韧性得到增强。应压木细胞壁中的S1、S2L和MP层对其受压屈曲有显著的约束作用，完整应压木细胞壁的临界压力比只考虑S2层的临界压力增大37.6%。压力作用下木细胞壁的破坏模式为塑性屈曲，所以考虑木细胞壁各组分材料的塑性行为对准确地计算其抗压韧性十分重要，忽略其塑性行为会使其临界压力的计算结果增大2.97倍。【结论】在受压状态下，应压木细胞壁S2层中微纤丝的螺旋形貌改变了微纤丝与基体间的应力传递，使得S2层的基体承受更多的压应力，木细胞壁的破坏模式变为局部塑性屈曲。所以在压力作用下，尽管应压木细胞壁的抗压刚度随S2层MFA的增大而减小，但应压木细胞壁的临界屈曲位移随MFA的增大而显著地增大，从而增强了它的抗压韧性。当MFA为45°左右时，应压木细胞壁的抗压韧性最佳，此时不仅它的临界屈曲位移比正常木细胞壁S2层高两倍多，且它的临界屈曲压力也略高于后者。

利用纳米压痕仪对2种农作物秸秆纤维细胞壁的纳米力学性能进行研究。结果表明:麦秸纤维细胞壁纵向弹性模量高于稻秸纤维细胞壁纵向弹性模量,其数值分别为20.8和19.4GPa;2种秸秆纤维细胞壁硬度数值分别为0.65和0.50GPa。在纳米尺度下,秸秆纤维细胞壁纵向弹性模量低于多数阔叶树材,但高于针叶树材和再生纤维素纤维,其细胞壁硬度的平均值高于木材及再生纤维素纤维。

【目的】亚麻在快速生长期其韧皮纤维细胞发育在SP(the snap point)点上下端分别经历细胞伸长和次生细胞壁加厚2个不重叠时期。研究亚麻快速生长期不同组织、不同时期、不同器官中与细胞壁形成相关的β-半乳糖苷酶(Lu BGALs)、纤维素合酶(Lu CESAs)等家族基因的表达谱,探讨快速生长期亚麻韧皮纤维细胞细胞壁的发育模式,为改善亚麻纤维产量提供理论依据。【方法】以生长45 d的亚麻根、茎韧皮纤维、叶为材料,用透射电镜观察并测量茎韧皮纤维细胞细胞壁结构和厚度,采用实时荧光定量(q RT-PCR)

利用原子力显微镜(AFM)技术,研究超声处理及不同干燥方式对毛竹纤维初生壁微纤丝的影响。结果表明:经过不同预处理的毛竹纤维初生壁微纤丝都呈随机无序的交织状排列;与冻干初生壁微纤丝相比,气干的毛竹纤维初生壁微纤丝相互搭接得更紧密,纤丝之间的距离更小;超声处理增加了纤维粗糙度,并使得初生壁微纤丝暴露得更明显,超声处理提供了一个增加纤维表面润湿性和使竹纤维初生壁微纤丝更易被观察到的方法。因此,在利用AFM研究竹纤维微纤丝时,需要根据所要观察的目标特征来选择样品制备及预处理方式。

【目的】探究不同热解条件下竹纤维细胞和薄壁细胞中主要组分的热解规律，分析热解过程对固体残余量和挥发分组成的影响，为竹材热解转化为高品质气体燃料和炭材料提供理论参考和借鉴，为开发清洁高效的梯度炭化及物理活化工艺提供技术支撑。【方法】选取3年生毛竹，利用热重—红外联用分析仪（TG-FTIR）对竹粉、水选分离出的竹纤维和薄壁细胞以及化学法分离获得的细胞壁纤维素、半纤维素和木质素在10、20和30℃·min~(-1)升温速率条件下进行热解特性与气体相对含量的半定量分析。【结果】10℃·min~(-1)、N_2气氛条件下，竹粉、竹纤维细胞和薄壁细胞的主热解阶段发生在180～400℃之间，三者固体残余量分别为19.8%、21.3%和17.5%。竹纤维素、半纤维素和木质素的主热解阶段分别发生在250～400℃、190～365℃和100～500℃之间，纤维细胞和薄壁细胞中纤维素的固体残余量分别为9.9%和6.3%，半纤维素的固体残余量分别为20.2%和18.3%，木质素的固体残余量分别为30.4%和25.8%。热重—红外光谱分析表明，热解产生的气体主要由CO_2、CO和CH_4等组成。纤维素热解产物中含C=O和C—O—C等官能团化合物的相对含量最高为65.8%，半纤维素中CO_2的相对含量最高为42.7%，木质素气体产物中合成气（CH_4、CO）含量最高为27.6%。提高升温速率，纤维素热解产物中含C=O和C—O—C等官能团化合物和木质素中合成气的相对含量减少约5%，半纤维素中CO_2含量增加近10%。【结论】1）竹粉、不同类型细胞及其三组分的热解特性各异，其中薄壁细胞-纤维素的固体残余量最低，纤维细胞-木质素的固体残余量最高；2）竹粉、竹纤维和薄壁细胞及其3种主要组分的热解气体组成类型基本相同，但相对含量存在明显差异，纤维素主要热解气体产物为含C=O、C—O—C等官能团化合物，半纤维素主要热解产物为CO_2和含C=O官能团化合物，木质素主要热解产物为CO_2和含C—O—C官能团化合物；3）随升温速率增加，竹粉、不同类型细胞及其3种主要组分的TG/DTG曲线整体向高温一侧移动，热解气体产物的红外吸收峰强度增加，CO和含C=O官能团化合物的相对含量有所降低。

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...

为探究竹材壁厚度方向的梯度特性,以产于云南的龙竹Dendrocalamus giganteus和产于浙江的绿竹Dendrocalamopsis oldhami为研究对象,将它们沿竹壁厚度方向分为若干个轴单板层,通过万能材料力学试验机测得竹材的表观弹性模量及2个轴单板层的弹性模量,并用拉格朗日插值法推算出其余任意层的弹性模量。通过复合材料力学方法构建了竹材表观弹性模量和各个轴单板层弹性模量之间内在关系的力学模型;由构建的力学模型推算得到的竹材表观弹性模量与试验机上测得的弹性模量基本吻合。图3表2参10

以毛竹圆竹为研究对象,研究其力学性能的变异规律。结果表明:以圆竹为测试单元毛竹各项性能测试结果不同于以竹片为测试单元测得的结果,但是毛竹圆竹的各项力学性能在竹龄、竹秆部位上的变异规律和竹片力学性能的变异规律相似。随竹秆高度的增加,其纵向抗压强度、纵向抗剪强度、抗弯强度均呈增大趋势;4年生毛竹的力学性能总体优于6年生毛竹。