竹纤维细胞壁结构特征研究

【摘要】竹纤维细胞壁具有特有的壁层结构——初生壁和薄厚交替的多层次生壁复合而成的微纳米结构，这种结构赋予了纤维细胞刚性强、形态平直、性能稳定的特性，也是竹材优良宏观力学性质的基础。深入研究竹纤维细胞壁结构特征，不仅有助于认识竹子生长机制，而且对于发展竹类资源利用、生物能源转化以及仿生材料设计与制造等都具有重大的理论和现实意义。本研究以竹纤维细胞壁为研究对象，以其结构特征为主线，利用多种技术手段和方法以及先进的实验仪器，从竹纤维细胞壁多壁层结构的表征、竹纤维细胞壁微纤丝的排列与尺寸、竹纤维细胞壁半纤维素与纳米结构及竹纤维细胞壁力学性能的关系三个方面开展研究。在竹纤维细胞壁壁层结构的表征研究过程中，分别采用了场发射环境扫描电镜（FE-SEM）、透射扫描电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）对竹纤维细胞壁壁层结构进行表征，并利用AFM对竹纤维细胞壁横截面各壁层内纤维素微纤丝分布情况和壁层厚度进行测量。在竹纤维细胞壁微纤丝的研究中，主要利用AFM对不同处理的竹纤维细胞壁初生壁的纤维素微纤丝排列及大小变化进行表征；在研究半纤维素与竹纤维细胞壁纳米结构及拉伸性能的关系的研究中，主要采用傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和X-射线衍射技术（XRD）对竹纤维细胞壁纳米结构进行分析，同时，采用单根纤维拉伸技术在细胞壁水平上研究竹纤维细胞壁拉伸性能的变化。论文的主要结论如下：（1）在FE-SEM下能够观察冷热交替处理干燥竹材中竹纤维细胞壁的多层结构。在冷热交替处理过程中，竹黄的细胞壁层比竹青的细胞壁层更容易分层；在一个维管束内，各方纤维帽的外围细胞壁在受到冷热处理时更容易分层，便于观察细胞壁的多层结构；但FE-SEM观察冷热往复交替处理干燥的竹材这种方法只能作为一个定性的观察，不能准确地表征出竹纤维细胞壁的多壁层结构。AFM具有很高的分辨率，对尺寸比较小的竹纤维细胞壁各壁层模量表征很有效。竹纤维细胞壁各壁层的模量不同。相比TEM，采用AFM表征细胞壁多壁层结构，不仅制样便捷、能定位观察而且还能够获得样品与针尖的相互作用信息。此外，AFM还是一种研究竹纤维细胞壁的微纤丝结构特征、分布情况以及纤维素微纤丝聚集体尺寸的有效手段。（2）竹纤维细胞壁多壁层结构以及各壁层的厚度随着竹纤维所处的位置改变而变化；在竹纤维细胞壁和竹薄壁细胞的横截面，纤维素微纤丝聚集体排列形式都呈随机的无规律排列；一个细胞壁各壁层内的纤维素微纤丝聚集体的密度不同，并且在壁层与壁层相邻的位置纤维素微纤丝聚集体的密度明显大于壁层内纤维素微纤丝聚集体的密度。同时，这一现象在竹薄壁细胞横截面上表象的更明显；纤维素微纤丝聚集体的尺寸在一个竹纤维细胞壁中大小变化不大，而在薄壁细胞中变化较大。（3）在AFM下能够清晰观察到竹纤维细胞壁初生壁的微纤丝聚集体的排列以及测量微纤丝聚集体大小，竹纤维细胞壁初生壁的微纤丝呈随机无须的交织状排列。超声处理和不同干燥方式都影响微纤丝的排列，微纤丝聚集体之间的距离，纤维素微纤丝聚集体的大小，以及纤维表面粗糙度。采用冷冻干燥的细胞壁，其微纤丝的结构更接近原来的结构；超声处理增加了表面粗糙度并使得微纤丝暴露的更明显，这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。（4）逐步增加氢氧化钠溶液浓度抽提脱除半纤维素处理过程中，6%、8%氢氧化钠溶液处理时，木聚糖和葡甘露聚糖逐步降解，当氢氧化钠溶液增加到10%时，木聚糖和葡甘露聚糖被去除。当氢氧化钠溶液浓度进一步增加到15%和25%时，细胞壁中有纤维素Ⅱ生成。6%和8%氢氧化钠溶液处理对竹纤维表面纤维素微纤丝的排列及纤维素微纤丝聚集体的形态影响不大，纤维素微纤丝仍旧呈随机的无序的网状排列。当氢氧化钠溶液浓度增加到10%，竹纤维表面纤维素微纤丝排列和纤维素微纤丝聚集体的形态开始由松散的无序网状排列转变成较为紧密的排列。当氢氧化钠溶液的浓度增加到15%和25%时，竹纤维表面纤维素微纤丝排列和纤维素微纤丝聚集体形态完全转变，已无网状排列形态。6%、8%和10%氢氧化钠溶液脱半纤维处理不会影响纤维结晶类型，仍旧属于典型的纤维素Ⅰ晶型，纤维素的相对结晶度先提高后降低，纤维素晶体的平均厚度有小幅度减小。15%和25%氢氧化钠溶液处理使得纤维素晶体发生降解，然后重结晶，纤维素晶型发生了从Ⅰ到Ⅱ的转变，同时，纤维素的相对结晶度有很大的提高，但纤维素晶体的平均厚度减小。（5）纤维细胞壁内部结构因为半纤维素逐步脱除出现变化，在当氢氧化钠浓度增加到10%以后，纤维细胞壁表面纤维素微纤丝之间出现细小的孔洞，细胞壁内部壁层之间出现分层。分级抽提半纤维素后，竹纤维细胞壁的纵向拉伸强度和纵向拉伸模量都降低，但脱除半纤维的程度对拉伸强度影响不大，而且当氢氧化钠溶液浓度增加到15%和25%以后，拉伸模量急剧降低；6%和8%氢氧化钠溶液处理的纤维断裂伸长率几乎没有变化，当浓度增加到10%时，纤维的断裂伸长率增加明显，当浓度增加到15%和25%，纤维断裂伸长率急剧增加，是未经碱处理的3倍以上。逐步增加碱溶液浓度分级抽提半纤维处理过程中，竹纤维细胞壁断裂的形式存在明显差异，未经过碱处理和经过6%及8%氢氧化钠溶液处理的竹纤维，断口形状呈撕裂的刷子型，表现出较多的韧性断裂特性，10%氢氧化钠溶液处理的竹纤维，其断口呈斜齿状，断口粗糙，表现出韧性断裂减少，脆性断裂增加；15%和25%氢氧化钠溶液处理的竹纤维，其断口整齐，表面粗糙，表现出明显的脆性断裂特性。
【作者】陈红；
【导师】费本华；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】竹纤维细胞壁；壁层结构；纤维素微纤丝；原子力显微镜；半纤维素；纤维素；拉伸性能；

【参考文献】
[1]杨先越.国际税收协调发展趋势探索与我国对策研究[D].吉林财经大学,财政学,2014,硕士.
[2]李秀香.润滑油粘度对轴承振动的影响[J].轴承.1992(02)
[3]钱汪胜.重庆版《新华日报》通讯报道的变革路径研究（1938年-1947年）[D].安徽大学,新闻学,2014,硕士.
[4]周蓓蓓.马氏体时效不锈钢强韧化机理研究[D].哈尔滨理工大学,材料物理与化学,2012,硕士.
[5]雷雪娇.北约东扩后的俄罗斯国家安全战略[D].辽宁大学,国际关系,2012,硕士.
[6]王莹莹.当代大学生就业观研究[D].沈阳航空航天大学,思想政治教育,2013,硕士.
[7]王自正,赵双.把Z-80单板机改作PLC用[J].冶金自动化,1988,02:37-41.
[8]徐静茹.环境规制对技术创新影响分析[D].江西财经大学,产业经济学,2013,硕士.
[9]韩英魁.飞秒激光脉冲宽度测量的研究[D].天津大学,物理电子学,2004,硕士.
[10]韩文正.醋酸格拉替雷诱导的CD8~+调节性T细胞通过靶向致病性CD4~+T细胞来治疗小鼠炎症性肠病[D].浙江理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[11]黄如浩.矿业权评估中折现率确定问题的研究[D].石家庄经济学院,工商管理硕士,2014,硕士.
[12]李梦醒.大模场面积单模弯曲不敏感光纤的研究[D].北京交通大学,2014.
[13]王学锋,徐永兵,张荣.低维磁性耦合体系的新物性及电/光场调控进展[J].南京大学学报(自然科学),2014,03:309-319.
[14]赵小瑜.不同粒径纳米二氧化钛气管暴露对大鼠氧化应激和DNA损伤作用的研究[D].河北医科大学,卫生毒理学,2013,硕士.
[15]汪青.土壤和沉积物中黑碳的环境行为及效应研究进展[J].生态学报,2012,01:293-310.
[16]郑亚军.Ti(Cr,Al)SiC(O)N涂层及其表面改性硬质合金刀具性能研究[D].西南交通大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[17]李晶.贵金属珠、链类首饰自动加工工艺研究[D].中国地质大学,宝石学,2014,博士.
[18]姜偕富,徐文立.时滞系统关于时滞参数的自适应输出反馈控制[J].控制与决策,2004,09:988-993.
[19]文珠蓉.纸艺在海报形态设计中空间延伸性研究[D].西南交通大学,设计艺术学,2013,硕士.
[20]宁磊.双LD-双PSD深孔轴线直线度检测技术研究[D].中北大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[21]高利苹,李纾,时勘.从对框架效应的分析看风险决策的神经基础[J].心理科学进展,2006,06:859-865.
[22]马相坤.基于B/S模式的网络舆情管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[23]朱明棣.关于抢劫罪认定的若干问题[D].湘潭大学,刑法学,2003,硕士.
[24]徐凌宇.基于信源选择与序列提取的动态特征级信息融合模型及算法的研究[D].东北大学,2002.
[25]黄筱楠.印度软件行业的人力资本研究[D].云南财经大学,劳动经济学,2013,硕士.
[26]刘瑜婧.我国高校毕业生就业公平缺失的政府责任探究[D].东北大学,教育经济与管理,2010,硕士.
[27]陈庆梅.海马诱发电信号的分析系统及其应用[D].浙江大学,生物医学工程,2004,硕士.
[28]李琼艳.平面广告中图形语言研究[D].华中师范大学,设计学,2013,硕士.
[29]甘洋洋.径轴向环件轧制工艺优化与CAPP系统开发[D].山东建筑大学,材料加工工程,2013,硕士.
[30]黄辉.两汉诏令比较研究[D].华中师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[31]杨仕茹.当下中国的微博传播伦理问题研究[D].河北大学,新闻学,2014,硕士.
[32]郑夏琼.手性三唑类杀菌剂在超临界流体色谱中的对映体分离研究[D].浙江工业大学,2013.
[33]黄威.土地整治规划环境影响评价研究[D].吉林大学,土地资源管理,2013,硕士.
[34]吴飞.X公司发展问题诊断及对策[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[35]周超.基于内聚力模型的单晶铝裂纹扩展的数值模拟[D].华中科技大学,固体力学,2013,硕士.
[36]刘安祺.现阶段不应建立银行间互助存款保险体系[J].财经科学.2002(03)
[37]乔银锋.基于学习的WEB进化搜索算法研究[D].河北工业大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[38]刘鑫.基于超声的便携式轴承故障诊断系统[D].燕山大学,控制工程,2014,硕士.
[39]王华.纤维素热化学催化液化反应及微生物发酵综合利用[D].山西大学,植物学,2004,硕士.
[40]朱礼营,王玉振.混杂切换Hamilton系统的H_∞控制[J].控制与决策,2007,08:956-960.
[41]彭麦福.地震应急救援标识系统设计研究[D].首都师范大学,视觉传达设计,2014,硕士.
[42]幺海博.透水铺装控流截污试验及其设计应用研究[D].北京建筑大学,环境工程,2013,硕士.
[43]孙灵敏.解析后殖民主义视角下的《耻》[D].辽宁大学,英语语言文学,2012,硕士.
[44]叶菁.冠心病患者血浆MRP-8/14升高的临床意义[D].广州医科大学,心血管内科学,2014,硕士.
[45]张世华.舰船舱室装璜设计研究[J].舰船科学技术.1991(04)
[46]张友安,余名哲,吴华丽.基于自适应神经网络的分数阶混沌系统滑模同步[J].控制与决策,2015,05:882-886.
[47]陈洪.日本阪神高速道路的交通管理[J].上海建设科技.1996(02)
[48]胡伟光.民国前期中小学语文教育研究（1912-1927）[D].山东师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[49]张峥臻.体细胞与奶产量的关系及引起体细胞升高的病原菌的研究[D].南京农业大学,临床兽医学,2013,硕士.
[50]张虎,沈芒芒,颜继忠,童胜强.逆流色谱中多种洗脱模式的应用研究进展[J].中国现代应用药学,2014,05:628-634.