应压木细胞壁S_(2)层的微纤丝螺旋角对其抗压韧性的影响

【目的】应压木细胞壁S_(2)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性能。但目前人们还不了解S_(2)层中大MFA对其抗压性能的增韧机理。基于应压木细胞壁S_(2)层的超微结构建立复合材料力学模型,采用数值模拟方法研究应压木细胞壁S_(2)层中MFA对其抗压韧性的影响,可以探究其中的力学机理,并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,进而为仿生材料设计奠定力学基础。【方法】首先将云杉木细胞壁S_(2)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S_(2)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S_(2)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S_(1)、S_(3)(或S_(2)L,指的是S_(2)层与S_(1)层之间木质素和半纤维素含量高的区域)和MP层(P和ML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S_(2)层的MFA在0°~45°内增大时,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S_(2)层的临界压力与0°MFA正常木细胞壁S_(2)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°MFA应压木细胞壁S_(2)层微纤丝的von Mises应力低于0°MFA正常木。由于单个应压木细胞壁S_(2)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S 1、S_(2)L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S_(2)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S_(2)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S_(2)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S_(2)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S_(2)层高两倍多,且它的临界屈曲压力也略高于后者。

中山杉应压木的物理性质与拉伸性能

中山杉(Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’)作为一种速生树种,更易产生应压木,对其木材加工利用产生不利影响。以中山杉应压木为研究对象,对同一年轮应压木和对应木区域木材的密度、干缩率、微纤丝角、单根管胞拉伸性能及木薄片顺纹拉伸性能进行了系统分析,以揭示中山杉应压木物理与力学性能之间的内在关系。研究结果表明:中山杉应压木的微纤丝角显著增大,使得物理性质与力学性能出现较大的变化。其中,中山杉应压木的绝干、基本密度均显著大于对应木,和管胞截面积的变化一致;中山杉应压木和对应木的微纤丝角平均值分别为38.02°和30.01°;受微纤丝角增大的影响,应压木径向和弦向绝干干缩率分别为1.54%和2.96%,体积绝干干缩率为12.06%,均较对应木有所减小,而纵向绝干干缩率为5.97%,较对应木有所增大。应压木单根管胞以及应压木木薄片的抗拉强度较对应木均显著减小,其中微纤丝角的变化显著影响了木薄片的顺纹抗拉强度。综上所述,中山杉应压木的微纤丝角对其干缩率存在较大的影响,与对应木相比其对纵向干缩率影响最大,同时,微纤丝角的变化显著影响了其顺纹拉伸性能。

杉木应压木木质部细胞形态特征及主要代谢成分表征

为探讨主要代谢成分与应压木形成的关系,以拉弯诱导形成的杉木应压木为材料,在明确其重要显微特征、木质素含量的基础上,运用气相色谱质谱联用系统(GC-MS)对主要代谢成分进行了鉴定和相对表达丰度分析。结果表明:杉木应压木管胞多以椭圆形呈现,且管胞壁明显增厚。应压木管胞平均长度和宽度分别为1 347.34和20.18μm,均显著小于对应木;平均壁腔比为0.43,显著大于对应木。应压木木质素的相对含量较对应木增加21.9%。在3个拉弯时期皆可鉴定出18种代谢成分,其中有机酸5种、单糖4种、二糖3种、醇类和氨基酸各2种、无机酸和内酯类各1种。时期Ⅰ应压木中果糖和葡萄糖含量与对应木差异不大,但这2种化合物含量均随拉弯时间延长呈现下降趋势,且时期Ⅱ、Ⅲ在应压木中的含量显著小于对应木,符合应压木纤维素含量下降的事实。应压木中与木质素合成相关的莽草酸含量呈上升趋势,其在时期Ⅲ应压木中的含量显著高于对应木,这解释了应压木中木质素含量明显多于对应木的现象。

云南松人工林正常木与应压木物理力学性质比较

对云南松人工林正常木和应压木的物理力学性质及其差异进行了分析。结果表明:云南松应压木基本密度、气干密度和全干密度分别比正常木大0.060 6g·cm-3、0.046 0g·cm-3和0.050 4g·cm-3,呈极显著差异;云南松应压木全干和气干顺纹干缩值分别比正常木干缩值大5.65和3.92倍,较易发生干燥缺陷。另外,除气干径向干缩率差异显著(p<0.05)外,应压木与正常木的其他各干缩率差异均显著(p<0.05),较正常木更容易发生翘曲变形和开裂;应压木和正常木的气干差异干缩差异显著(p<0.05),全干差异干缩差异不显著;正常木主要力学性质与密度均呈正相关关系,应压木的抗弯强度和抗弯弹性模量与气干密度紧密正相关,顺纹抗压强度和气干密度间无显著相关关系。

应压木纤维素结晶度的分布及其理论分析

应压木是针叶树木中一部分非正常组织,它的性质及超微结构与正常材有很大差异。应压木的存在对加工、制浆等木材利用均不利。多年来木材工作者对它进行了多方面研究。对于应压木中纤维素结晶度的分布已有明确结论,但详尽的测量和理论分析不足。

马尾松正常木与应压木木素结构的比较

采用紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱、凝胶渗透色谱和有机元素分析对从马尾松正常木与应压木中提取的纤维素酶酶解木素的结构进行比较研究。结果表明:马尾松正常木与应压木木素的芳香环结构主要以愈创木基为主,有少量的对羟基苯基;都含有较多的脂肪族羟基;与正常木木素相比,应压木木素含有较多的对羟基苯基单元和酚羟基,其中缩合酚羟基和对羟基酚羟基较多,还含有少量的紫丁香基酚羟基;应压木木素中的甲氧基、羧基、β-O-4键、β-5键,β-β键和β-1键较少;正常木与应压木木素的经验式分别为C9H7.27O1.53(OH)0p.H19(OH)1A.118(OCH3)1.23和C9H7.28O1.54(OH)0p.H20(OH)1A.117(OCH3)1.13。

人工倾斜火炬松3年生苗木应压木的解剖性质

以3年生火炬松苗木为研究对象,在生长季节开展人工倾斜树干试验,将苗木分成5组(每组12株),与垂直方向倾斜成不同的角度(0°,15°,30°,45°,60°),苗木生长4个月后开始测定不同倾斜角度下火炬松应压木的解剖性质,分析不同倾斜角度下火炬松应压木解剖性质的变化规律。结果表明:1)随着倾斜角度的增加,管胞壁变厚,管胞形状变圆,胞间隙逐渐增多、增大,螺纹裂隙逐渐变宽、加深,其中30°以后应压木典型特征非常明显。2)随着倾斜角度的增加,管胞长度先减小后增大,30°达最小值;管胞宽度先减小后增大,45°达最小值;双壁厚先增大后减小,45°达最大值。方差分析表明不同倾斜角度对管胞长度、宽度及双壁厚影响均极显著。3)随着倾斜角度的增加,微纤丝角度先增大后减小,30°达最大值。方差分析表明不同倾斜角度对微纤丝角度影响显著。4)随着倾斜角度的增加,管胞比量及木射线比量呈波动变化;树脂道比量先增大后减小,30°达最大值。方差分析表明不同倾斜角度对树脂道比量影响显著,而对管胞比量及木射线比量影响不显著。5)从不同倾斜角度下各种解剖性质的变化趋势来看,30°～45°为应压木解剖性质形成的重要转折点,具体原因还需进一步研究。

傅里叶变换红外光谱研究拉伸过程中应压木主要化学组分的响应规律

应压木的适应性生长导致了针叶树木材化学性质发生变化,其中微纤丝角的变大主要引起木材主要化学组分变形机制发生了变化,影响其力学性质。以马尾松应压木和正常材为研究对象,通过傅里叶变换红外光谱对比研究应压木和正常材在拉伸过程中木材主要化学组分官能团的变化规律差异,对研究应压木力学性能变化的分子响应机制具有重要意义。结果表明:应压木的微纤丝角为35.17°±2.30°,而正常材为15.15°±1.61°;应压木和正常材的顺纹抗拉强度分别为(45.37±3.41)和(109.75±11.87) MPa,弹性模量分别为(18.10±0.76)和(70.95±6.60) MPa,但应压木的屈服变形大于正常材,破坏点的应变值约为正常材的3倍。傅里叶变换红外光谱结果表明:应压木和正常材纤维素中糖苷键C-O-C(1 161 cm^-1)和纤维素分子内氢键O(3)H…O(5)(3 348 cm^-1)的红外吸收特征峰波数都随拉伸应变发生线性变化。其中,应压木中纤维素的糖苷键C-O-C向低波数偏移量为-1.52 cm^-1·dε^-1,而正常材的苷键偏移量为-2.15 cm^-1·dε^-1;应压木中纤维素分子链内氢键O(3)H…O(5)的波数向高波数偏移量为4.62 cm^-1·dε^-1,而正常材纤维素分子链内氢键偏移量为2.76 cm^-1·dε^-1。应压木纤维素的糖苷键向低波数的偏移量、纤维素分子链内氢键向高波数的偏移量均小于正常材,但两者木质素和半纤维素特征官能团的红外吸收特征峰波数没有明显偏移。根据应压木和正常材拉伸过程中的主要化学组分响应规律,纤维素依然作为应压木在拉伸过程中的承载物质,而基体的主要作用是应力传递;但微纤丝排列重新取向;与正常材相比,应压木中较大的微纤丝角会导致纤维素分子链长度方向的变形较小,但微纤丝与基体之间的剪切变形会较大。这也导致了应压木在拉伸过程中会发生较大的屈服变形,破坏点的应变大于正常材。

马尾松正常木与应压木的比较解剖

用光学显微镜和扫描电镜观察比较了马尾松(Pinus massoniana)正常木与应压木的结构差异。研究结果表明:马尾松应压木从早材到晚材呈缓变,管胞在横切面上除生长轮分界处的两侧外均为圆形,管胞之间具明显的胞间隙;管胞的次生壁仅有 S_1和 S_2两层;次生壁上螺纹间隙和螺纹裂隙都很明显,并与 S_2层微纤丝平行。此外,还初步讨论了应压木形成的可能机理。

正常木与应压木木材形成组织中差异表达蛋白质的鉴定

为了鉴定应压木木材细胞壁形成中的差异表达蛋白质,并确定其在木材形成中的功能,采用双向差异凝胶电泳技术,对正常木和应压木木材形成组织中蛋白质进行分离和鉴定,获得了较高质量的双向凝胶电泳图谱。应用TOF-MS/MS技术对应压木和正常木木材形成组织中的差异表达蛋白质进行鉴定,并用MASCOT软件对每个差异点的匹配峰值在SwissProt数据库中进行检索,最终确定了7个差异蛋白质。其中,4个蛋白质在应压木中表达上调,3个表达下调。这些蛋白质参与了木质素生物合成、应力响应与胁迫、细胞骨架运动及脂类代谢,因而推测它们与应压木木材的形成有关。

马尾松枝桠材应压木与对应木的解剖研究

本文研究了马尾松枝桠材的应压木、对应木与正常干材的解剖特征,比较了三者在生长轮宽度、晚材率、早晚材过渡形式、管胞形状,胞间隙、螺纹裂隙等方面的异同,发现它们在管胞长度、管胞直径及细胞壁厚度、细胞壁超微结构以及次生壁S_2层微纤丝角度诸方面存在差异。

外源激素IAA和GA_3对马尾松应压木形成的影响

为丰富马尾松培育及材质改良的思路和方法,探索外源激素对马尾松应压木形成的影响。以人工倾斜45°的3年生马尾松作为试验材料,通过连续施加不同浓度的IAA、GA3、IAA＋GA3对枝条的生长进行调控,分别观测马尾松当年生枝条的长度,韧皮部、木质部的径向宽度,管胞长度、管胞壁厚,管胞数量,应压木的等级并比较相应差异,分析这两种激素对应压木形成的影响。结果表明：所有激素处理组枝条的增长率明显提高（89.6%～179.1%）;施加GA3、IAA＋GA3能促进枝条木质部和韧皮部的径向生长,但施加IAA对木质部、韧皮部的生长影响不显著;与空白对照组相比,GA3、IAA＋GA3处理组倾斜枝条下侧的管胞数量降低（14～17层）,上侧管胞数量上升（5～11层）;施加GA3、IAA＋GA3使倾斜枝条下侧形成中等应压木,对照组和IAA处理组倾斜枝条下侧均形成重度应压木。说明外源激素能促进马尾松倾斜枝条的顶端生长,在倾斜枝条上侧施加外源激素能抑制倾斜枝条应压木的形成。

应压木纤维素非晶区取向度的测定和分析

在以前用偏振荧光法测定正常材纤维素非晶区取向度的基础上,对马尾松材应压木应压区、对照区的取向度作了系统的测量。结果表明非晶区的取向度有一定分布规律,特别是早、晚材应压区的取向度均大于对照区,并对此作了初步的分析。

杉木应压木和对应木的水分吸附特性比较研究

以杉木(Cunninghamia lanceolata)应压木和对应木为研究对象,采用动态水蒸气吸附仪,借助GAB模型和H-H模型探究其水分吸附特性的异同。结果表明,当相对湿度低于70%时,应压木与对应木的平衡含水率较为接近;当相对湿度高于70%时,应压木的平衡含水率低于对应木。应压木和对应木均表现出明显的吸湿滞后现象,吸湿滞后值在相对湿度70%时均达到最大,分别为3.11%和3.28%。GAB模型和H-H模型均可用于描述应压木和对应木的水分吸附等温线(R2>0.995)。通过GAB模型计算得出应压木和对应木的单分子层吸附水含量分别为6.00%和5.40%;通过H-H模型计算得出应压木的单分子层吸附水最大含量(4.93%)略高于对应木(4.72%),而应压木的多分子层吸附水最大含量(13.57%)则低于对应木(14.79%)。杉木应压木与对应木水分吸附行为的差异与其化学组分含量密切相关。

杉木应压木形成中的显微特征及主要代谢成分变化

为了解析主要代谢成分与杉木(Cunninghamia lanceolata)应压木形成的关系,以3年生直立杉木苗为研究对象,与垂直方向倾斜45°放置30、60和90 d后观察其生长性状并测定木质纤维素含量,使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对木质部代谢成分进行鉴定和解析。解剖发现应压木木质部管胞发生变形;化学成分测定发现总木质素和半纤维素含量增加,纤维素含量降低;GC-MS检测出应压木、对应木和直立木中共有成分20种,其中有机酸7种、单糖3种、二糖2种、醇类3种、氨基酸2种、酚类和糖苷类各1种;主成分分析结合显著性检验发现,3个时期应压木和直立木中有11种共有差异代谢物,其中乙醇酸、甘氨酸、核糖酸和棕榈酸在应压木中的含量显著低于对应木和直立木,苹果酸、松醇、肌醇、半乳糖和蔗糖在应压木中的含量显著高于对应木和直立木。本试验结果从代谢角度解释了杉木应压木形成中的生物学变化,可为揭示木材形成的分子机制提供新途径,并为高品质木材的定向培育和木材功能性改良提供理论依据。

碳化温度对应压木细胞结构与化学成分的影响

以樟子松的应压区和对应区木材为原料,探究碳化温度对两者结构与化学成分的影响,为应压木在炭材料领域的应用提供理论基础。利用高温管式炉在氮气保护下碳化,设置220,375,600和900℃4个温度,计算两类木材的碳化产率,并采用扫描电镜、红外光谱和X射线衍射仪研究细胞壁结构、化学官能团和晶体结构在不同碳化温度下的变化。应压木炭材料产率高于对应木,碳化产率随碳化温度升高而降低;375℃时应压木出现细胞收缩和局部破裂,而对应木则表现为较为光滑的炭材料断面;900℃时应压木细胞壁破裂严重,细胞壁上出现类似微晶的颗粒状物质,对应木细胞收缩明显且细胞间隙增大,但还保持细胞结构。红外光谱显示,在低于375℃时两类木材均出现半纤维素和纤维素的热降解,木质素骨架结构也发生变化。随着碳化温度的升高,木质素苯环骨架降解重构,有石墨化趋势。X射线衍射分析表明:220~375℃时木材组织中的晶体结构被破坏,600~900℃时出现新的晶体构型。应压木与对应木对于碳化温度的响应是不同的。碳化过程中,应压木更容易出现细胞收缩、细胞间隙增大、细胞壁破裂等,有利于制备规则序态结构和石墨化的炭材料。

树木生长应力形成机理

作为一种自然资源,树木具有重要的环境、社会和经济价值。树木生长成熟过程中,细胞间及细胞壁各层相互作用会产生生长应力,生长应力是木材组织正常发育的结果,是树干和树枝维持其垂直生长或特定角度生长的重要动力。此外,树木在抵御自身重力或光照、风雪、地势等环境刺激时,会形成具有更高水平生长应力的应力组织——应力木,从而达到调整或维持生长形态的目的。树木中的生长应力是影响木材成材和加工质量的重要力学问题,且生长应力水平与细胞结构、化学组分密切相关,开展树木生长应力研究、厘清树木生长应力分布和形成机理,对树木的定向培育、生物学结构与功能研究、木材加工与利用以及仿生新材料的开发具有重要意义。已有研究通过树木生长应力水平测试,结合其解剖结构、基因、化学组分、激素分布、力学材性等方面特征,对树木生长应力形成机理进行了深入分析,探索生长应力的产生来源;但由于生物材料结构复杂、变异性大,且研究者对生长应力形成机理的认识也在不断更新,树木生长应力形成机理尚未达成共识。本研究简述树木生长应力的生物力学作用及常用表征方法,综述主流的树木生长应力形成理论,对生长应力形成机理的一般性假说和特殊应力组织(应拉木和应压木)的生长应力形成假说进行重点分类阐述,并对各假说存在的争议性问题进行分析,以期全面认识树木生长应力,并为推动其进一步研究、为树木细胞结构和性质变异研究以及木材精细化利用提供参考,为探寻有效的降低树木生长应力的措施提供基础,为人工林的生物改良和栽培提供理论和实践支持。

不同干形云南松的木材解剖特征及其化学成分分析

【目的】探究直干和扭曲干云南松的木材解剖特征及其化学成分差异,为后续从分子水平解析云南松干形变异机制奠定基础。【方法】以直干和扭曲干云南松树干木质部为材料,利用生物显微镜和荧光显微镜对其解剖结构进行观察和研究,利用比色法结合傅里叶红外光谱对其主要化学成分进行分析。【结果】扭曲干云南松木材属于应压木,其应压木(twisted compression wood,TCW)细胞在横切面上具有缺口、内卷、变圆、细胞间隙增多且变大的特征,在径切面上具有螺纹裂隙管腔,在弦切面上创伤树脂道明显增多;扭曲干云南松对应木(twisted opposite wood,TOW)和直干云南松木质部(S)的解剖特征无明显差别。与TOW和S相比,TCW的管胞长度变短,宽度变窄,腔径变小,早材细胞壁增厚,木质素含量显著增加,纤维素含量显著降低,且木质素在次生壁S2层外层和细胞角隅积累,而TOW和S的木质素均匀分布在细胞角隅和胞间层。【结论】直干和扭曲干云南松的木材解剖特征有明显差异,且两者的纤维素、半纤维素和木质素的含量与分布也有显著差异。

樟子松幼龄材的应力木解剖特征和化学组成

【目的】为了探究针叶树幼龄材中应压区、过渡区和对应区木材的性质差异。【方法】取樟子松应力木的幼龄阶段试材(3~9年轮),通过解剖技术和化学分析比较研究了应力木中的管胞特征和微纤丝角,间接量化了木质素相对含量,并总结了幼龄材阶段这些特征在不同年轮及早晚材之间的变化规律。【结果】随着年轮的增长,应压区管胞的双壁厚差异较大,而对应区与过渡区较为相似。应压区的管胞发生了明显的细胞壁增厚现象,早晚材双壁厚平均分别为6.16和7.54μm;过渡区分别为3.85和6.12μm;对应区为3.69和5.12μm。3个区域早材双壁厚数据均比晚材更离散。随年轮数增加,应压区和过渡区晚材微纤丝角快速减小,对应区晚材微纤丝角先减小后增大。应压区早材和晚材微纤丝角平均值分别为34.77°和28.88°,微纤丝角平均值均大于过渡区和对应区。光谱分析表明,应压区木质素含量高于其他区域。应压区早晚材木质素结构存在差异较大,早材低于晚材。对应区和过渡区均早材高于晚材。对应区木质素含量随年轮增大相对稳定。【结论】樟子松幼龄材应力木中,应压区与过渡区、对应区的构造特征及化学成分存在差异,与成熟材的规律相似。另外,在幼龄阶段,应力木在不同生长年份,早晚材也存在差异,说明应力木性质形成与环境因素相关。