基于糠醇改性的木材细胞壁孔隙变化对水分的影响

【目的】为进一步分析木材细胞壁与水分之间的相互作用,探究了糠醇改性前后木材细胞壁在典型水分状态下物理环境(孔隙)的变化规律和细胞壁水分的结合状态。【方法】以速生青杨为研究对象,利用糠醇改性改变木材细胞壁水分存在的物理环境,分别利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、傅里叶红外光谱和氮气吸附法考察绝干状态下改性材的微观形貌、改性剂分布、官能团和孔隙结构,并利用差示扫描热孔计法和二维低场核磁共振技术分析低湿、气干、高湿和纤维饱和状态下改性前后木材细胞壁物理环境的变化规律以及细胞壁水分的结合情况。【结果】糠醇改性后木材的质量增长率、体积增长率分别为35.1%和12.6%,并伴随细胞壁增厚现象。改性后木材细胞壁的比表面积和孔体积分别降低了29.9%、35.3%,糠醇树脂堵塞了木材细胞壁的部分孔隙。从低湿状态到纤维饱和状态,未处理材和改性材孔体积均呈现增加趋势,未处理材细胞壁孔径分布极大值从3.41 mm^(3)/g增加到5.65 mm^(3)/g,增加了65.7%,糠醇改性材细胞壁孔径分布极大值从2.99 mm^(3)/g增加到4.63 mm^(3)/g,增加了54.9%。在不同水分状态下,糠醇改性材的细胞壁孔体积均低于未处理材,并且在高湿环境下,水分对木材细胞壁孔体积影响更加明显。随着相对湿度升高,未处理材和糠醇改性材的含水率都增加,但是糠醇改性材含水率低于同等条件下的未处理材,吸湿性降低。含水率增加,未处理材和糠醇改性材细胞壁水分T_(1)/T_(2)值降低,水分移动性增加。糠醇改性材中两种细胞壁水分的T_(1)/T_(2)值远高于未处理材,进一步说明糠醇改性改变了木材细胞壁的物理环境,限域空间束缚增加使得水分子移动性降低。【结论】经糠醇改性后,糠醇树脂进入木材细胞壁并发生原位聚合,造成在绝干、低湿、气干、高湿、纤维饱和状态下,改性材细胞壁孔体积均低于未处理材,并且在高湿度状态下,孔体积表现出更大的增长率。物理环境的变化造成木材细胞壁容纳水分的空间减少,同时,水分子受到细胞壁的物理束缚增加,移动性降低。

木材细胞壁的超微构造与气凝胶型木材的制备原理

阐述了木材细胞壁的化学组成、超微构造及壁层结构。根据木材细胞壁的结构,气凝胶型木材的制备主要包括3个步骤:木材细胞壁S3层的破坏;木材细胞壁的膨化;超临界干燥。通过对木材细胞壁的超微构造的分析,从原理上对气凝胶型木材制备的各个步骤进行了简要的叙述。

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。

木材细胞壁纳米纤维分形构造径向和弦向变异规律

将分形理论引入木材细胞壁超微构造的研究,以偏光显微镜测得细胞壁S2层平均微纤丝角θ为基本参量,研究木材细胞壁中纳米纤维的分形维数值D沿径向和弦向的变异规律。结果表明,分形维数值沿径向近髓心处数值最大,向树皮方向经历骤降阶段和缓降阶段,呈波动式下降;分形维数值沿弦向的最大值偏移趋势不明显,波动下降过程缓和,无明显的阶段性特征。

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。

含水率对木材细胞壁黏弹性性能影响研究

采用纳米压痕静态和动态分析技术,研究了不同含水率马尾松木材的蠕变性能及动态黏弹性。首先在不同环境条件下调节样品含水率,分别为绝干、5.8%、11.2%和20.1%,然后利用纳米压痕技术测试木材的蠕变性能,并利用伯格斯模型,研究木材细胞壁静态黏弹性性能对水分的依赖关系。根据试验结果计算蠕变柔量,在含水率为20.1%、11.2%、5.8%和绝干时,其保载阶段最后蠕变柔量分别为0.638、0.472、0.387 GPa;和0.325 GPa;。最后,利用纳米压痕动态分析技术,获得木材细胞壁动态黏弹性性能。结果表明:随着含水率降低,细胞壁储存模量逐渐增加,而损耗模量逐渐下降。

榔榆木质部细胞构造特征的季节变化规律研究

为了探究榔榆木质部形成中细胞形态与壁层组分变化规律,以1个生长季内木质部细胞产生过程为主线,联合解剖学技术与光谱学技术,初步研究了木质部细胞形态、细胞尺寸及细胞壁主要化学组成的变化规律。结果表明4月出现2排早材管孔,以单管孔为主,5月开始大量产生木纤维细胞,纤维细胞壁厚,直至9月形成宽约2 mm的木质部;导管与木纤维细胞从4—6月处于伸长阶段,大小随后略有降低;2类细胞的直径则呈不同的季节变化规律;导管细胞壁纤维素和半纤维素的沉积过程在季节内稳定;而木纤维细胞中纤维素和半纤维素的沉积具有季节差异,生长季早期相对含量较低,晚期相对含量明显增加,说明2类细胞间主要组分沉积存在不同步性。

木材化学成分对细胞壁纵向黏弹性的影响

为从微观力学角度揭示木材化学成分对细胞壁纵向静态和动态黏弹性的影响机制,丰富木材细胞壁力学性能研究内容并为纤维选择性利用提供参考。该文以马尾松木材横截面2/3处晚材细胞壁为研究对象,通过化学方法分步除去细胞壁半纤维素和木质素,利用NREL’S LAPS方法计算纤维素、半纤维素和木质素含量,采用傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)分析木材细胞壁化学成分变化情况,应用纳米压痕技术测定木材细胞壁蠕变柔量、储存模量和损耗模量等力学性能,运用Burgers模型探究细胞壁静态黏弹性与化学成分的关系。结果表明,纤维素对木材细胞壁静态黏弹性起主导作用;木材抽提物对细胞壁黏弹性影响较小;半纤维素和木质素对细胞壁动态黏弹性影响显著,去除半纤维素和木质素后细胞壁储存模量分别降低17.4%和49.4%,损耗模量则增加。

负载石墨烯木材海绵用于高性能压力传感器

弹性木材海绵是通过调控木材细胞壁骨架结构而创制的一种新型的木基先进功能材料,创造性地实现了木材由蜂窝状结构向“波浪形”层状结构转变,其密度低(~0.03 g/cm^(3))、孔隙度高(~98%)、压缩弹性好,在保温隔热、吸附、储能、催化等领域具有良好的应用前景。基于木材海绵的优良特性,研究人员提出了一种简单且可持续的策略,来制备石墨烯包覆的层状木材海绵,用于高性能压力传感器。该研究以低密度轻木为原料,采用化学处理依次脱除细胞壁中木质素和半纤维素,保留木材细胞壁纤维素骨架,经冷冻干燥后得到具有“波浪形”层状结构的木材海绵。随后通过浸渍氧化石墨烯(GO)并采用抗坏血酸还原,在木材海绵骨架上负载还原氧化石墨烯(RGO),制得负载石墨烯导电木材海绵(RGO@WS)。

阔叶树材的饲料化

一、前言:自1973年石油危机以来,不仅影响电力热能,也深刻影响靠石油的肥料、农药和动力方面。据说到本世纪末,世界人口将增加一倍。因此,确保粮食和能源都将成为人类的重大问题,而且在一些先进国家里对畜产品的需要仍在不断增加。日本的饲料一多半靠国外进口,又由于日本草地狭小,反刍动物吃的粗饲料日感不足。

不用粘结剂的新型板材

最近,俄罗斯远东地区的建筑工业专家研制成功不用粘结剂的新型板材。生产这种板材与刨花板不同,它不需要任何粘结剂。其原料为本材废料,如树皮、锯末,刨花和腐烂木材。原料经粉碎后,置于20～25兆帕压力下使之硬化,并在温度170～180℃下压紧。于是,木材细胞壁被破坏,并释放出自身的木质胶,这种胶能牢牢地粘结木料,制出的新型板材是家具、地板的好材料。

浅谈木材软化处理

木材从力学角度上看是一种弹性材料,在结构上呈多孔状,木材的这个特性,可以使其弯曲。但是如果要攀得较小的弯曲曲率半径,应在弯曲之前对木材进行软化,增大木材的塑性。木材软化处理是使木材具有暂时的塑性,以便使弯曲和压缩木材等塑性加工得以进行并在变形状态下干燥,恢复木材原有的刚性和强度。