基于拉曼技术的高地钩叶藤导管壁化学成分微区分布研究

为探寻棕榈藤材具有优良韧性的机理和棕榈藤材高值化利用,选择高地钩叶藤为研究对象,利用显微共聚焦拉曼技术,对导管壁化学成分的微区分布进行测试分析。结果表明,高地钩叶藤导管壁纤维素分子浓度为次生壁>复合胞间层>细胞角隅,而木质素分子浓度分布恰好相反。次生壁内、外层纤维素、木质素及半纤维素分子浓度差异较小。在藤茎径向上,藤芯处导管次生壁中层和细胞角隅处木质素的分子浓度最高,藤皮处导管的半纤维素分子浓度最高。藤皮处导管次生壁中层纤维素的分子浓度最低而细胞角隅处却最高,而藤中与藤芯处导管细胞角隅中半纤维的分子浓度均很小。在藤茎轴向上,随着高度增加藤皮导管次生壁中层木质素和半纤维素分子浓度变化趋势相同,而纤维素分子浓度在藤皮与藤芯间变化趋势完全相反。除导管各壁层的三大素分布呈一定规律性外,在藤茎径向和轴向上规律不明显。

高地钩叶藤与大钩叶藤纤维特性

为做到适材适用、全面提高棕榈藤材的高附加值加工利用水平,以高地钩叶藤与大钩叶藤为研究对象,在径向与轴向对两种藤材纤维的特性进行统计分析。结果显示:高地钩叶藤与大钩叶藤纤维的长度、直径、腔径、双壁厚分别为2007.51μm与2016.02μm、18.11μm与20.46μm、10.62μm与8.84μm、7.49μm与11.61μm。径向自外向内,高地钩叶藤纤维长度和宽度先增后降;大钩叶藤纤维宽度、双壁厚和高地钩叶藤纤维长宽比先降后增;大钩叶藤纤维长度、长宽比和两藤纤维壁腔比逐渐下降;高地钩叶藤纤维双壁厚和两藤腔径、腔径比逐渐上升;两种藤纤维腔径经F检验在0.01水平上差异极显著。轴向自下向上,高地钩叶藤和大钩叶藤的纤维长度分别呈降-增-降和增-降-增变化趋势;高地钩叶藤纤维长宽比先增后降;两藤纤维腔径、腔径比和大钩叶藤纤维长宽比逐渐上升;两藤纤维宽度、双壁厚和壁腔比逐渐下降;两种藤纤维长度和腔径经F检验在0.01水平上差异极显著。

高地钩叶藤和大钩叶藤维管束与导管变异研究

以高地钩叶藤和大钩叶藤为研究对象,采用生物解剖学方法,分析维管束和导管在径向和轴向的变化规律。结果表明,高地钩叶藤与大钩叶藤维管束径向直径、弦向直径、密度以及导管的直径和密度分别为603.23μm和640.83μm、451.60μm和495.69μm、2.87个·mm^(-2)和2.66个·mm^(-2)以及219.00μm和262.46μm、3.62个·mm^(-2)和2.82个·mm^(-2)。径向由藤皮至藤芯,高地钩叶藤维管束径向直径、弦向直径和导管直径均呈先升后降的变化趋势,大钩叶藤维管束径向直径、弦向直径和导管直径均呈逐渐增加的趋势,两者维管束密度和导管密度呈现逐渐降低的趋势,其中导管密度F检验在0.05水平上差异显著。随着轴向高度的增加,维管束直径高地钩叶藤变化为先减后增,大钩叶藤变化为先增后减,维管束与导管的密度高地钩叶藤变化为"降-增-降",大钩叶藤变化为先减后增,其中维管束密度F检验在0.01水平上差异极显著。

高地钩叶藤节间与节部导管及维管束形态特征径向变异规律

为了更好地了解棕榈藤材的性能、提高我国棕榈藤资源培育和高附加值加工利用水平,选用高地钩叶藤为研究对象,采用显微图像分析系统,对该藤2m处的节间和节部的导管分子及维管束形态特征进行统计与分析。结果显示,节间与节部大导管分子长度、直径、密度的平均值分别为3981.363和2666.883μm、198.235和202.402μm、3.611和3.784个·mm^-2;维管束径向直径、弦向直径、密度的平均值分别为523.466和534.794μm、373.624和379.823μm、3.078和3.202个·mm^-2。经F检验,仅节间与节部的导管分子长度差异极显著(P<0.05)。

拉曼光谱对高地钩叶藤纤维S2层主要成分的预测

棕榈藤(rattan)属于棕榈科(Palmae)省藤亚科藤类植物,是一种产于热带森林中,仅次于木材和竹材的、重要的非木材林产品,具有很高的经济价值和开发前景。全球棕榈藤总共有13个属660余种,其中我国自然分布有4属37种5变种,但有较高经济价值的不到30种。由于目前对棕榈藤的细胞结构,尤其是藤纤维的细胞壁结构知之甚少,严重限制了对棕榈藤材的研究和加工利用。因此,为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,以高地钩叶藤(Plectocomia himalayana Griff.)为研究对象,对其基部、 2 m处、中部和梢部四个部位分别截取试样、软化、聚乙二醇包埋、切片。切片在室温下经0.2 mol·L-1的硼氢化钠(NaBH4)溶液浸泡5~6 h后用蒸馏水洗净,利用LabRam XploRA显微共聚焦拉曼光谱仪,采用逐点扫描显微探针成像方法获取光谱数据集。将获得的光谱数据利用LabSpec5软件进行处理,从而得到藤茎不同部位藤皮、藤中、藤芯处纤维细胞次生壁中层(S2)主要成分,即纤维素、半纤维素、木质素相对含量,并就相对含量在径向、轴向变异进行了分析。结果表明,在径向上,高地钩叶藤藤皮处纤维细胞S2层纤维素与半纤维素相对含量最高,木质素相对含量最低;而藤芯处纤维细胞S2层纤维素与半纤维素相对含量最低,木质素相对含量最高;藤中处纤维素、半纤维素及木质素相对含量居中。在轴向上即不同藤龄处,藤皮纤维细胞S2层纤维素和半纤维素的相对含量在2 m处最大,木质素的相对含量在梢部最大;藤芯纤维细胞S2层纤维素、木质素、半纤维素的相对含量分别在中部、 2 m处、基部处最大。藤皮、藤芯与藤茎一样,纤维细胞S2层纤维素相对含量最小值在梢部,半纤维素和木质素相对含量均在中部最少。分析可知,棕榈藤藤茎不同部位,藤纤维细胞壁中层(S2)纤维素、半纤维素及木质素相对含量是不同的。

高地钩叶藤节间与节部纤维形态特征及组织比量变异分析

为更好地了解棕榈藤材性能、提高我国棕榈藤材高附加值和加工利用水平,选择高地钩叶藤为对象,采用显微图像分析系统,对该藤2 m处的节间和节部的纤维形态特征及组织比量进行了统计与分析。结果表明,节间与节部纤维的长度、宽度、腔径、双壁厚、长宽比、径腔比、壁腔比的平均值分别为2 154.50μm和1 573.22μm、17.34μm和18.11μm、1.48μm和5.33μm、6.98μm和7.78μm、124.51和86.69、2.30和2.48、2.33和2.59;节间和节部的纤维、筛管、导管、薄壁细胞组织比量的平均值分别为8.89%和10.77%、4.50%和4.78%、12.09%和12.67%、74.52%和71.81%。经F检验,节间与节部的纤维长度、双壁厚、长宽比、壁腔比在显著性水平0.01下差异极显著,而纤维径腔比在0.05水平上差异显著,节间的纤维形态特征优于节部。

基于拉曼技术对高地钩叶藤纤维细胞壁成分微区分布的研究

【目的】构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,扩大棕榈藤材的用途,提高棕榈藤材的利用率。【方法】选择高地钩叶藤为研究对象,对其高2 m处截取试样,经软化、聚乙二醇(PEG)包埋、切片、室温下经硼氢化钠(NaBH_(4))溶液浸泡后,取出切片,用蒸馏水洗净,固定在载玻片上并置于拉曼显微镜下,利用显微共聚焦拉曼光谱仪依次对纤维细胞角隅(CC)、复合胞间层(CML)、次生壁外层(S_(1))、次生壁中层(S_(2))及次生壁内层(S_(3))采用逐点扫描显微探针成像方法获取光谱数据集,再利用LabSpec5软件进行处理,从而测得纤维细胞不同形态区域细胞壁的化学成分浓度。【结果】纤维S_(2)的纤维素浓度最高,CC最低;相反,CC木质素浓度最高,S_(2)木质素浓度最低;CML纤维素和木质素浓度介于S_(2)和CC之间。纤维细胞S_(1)半纤维素浓度最高,S_(2)和S_(3)均较低,CML和CC最低。S_(3)、S_(1)纤维素的浓度差异较小,而木质素与半纤维素浓度的差异较大;其中,S_(1)木质素和半纤维素的浓度高于S_(2)和S_(3)。【结论】高地钩叶藤纤维细胞壁次生壁(S)纤维素、半纤维素浓度高于CML,而木质素浓度低于CML;S_(1)、S_(2)和S_(3)纤维素浓度相差不大,但S_(1)木质素和半纤维素的浓度高于S_(2)和S_(3)。

高地钩叶藤材薄壁细胞壁主要化学成分的微区分布

为构建棕榈藤材薄壁细胞壁结构模型,扩大棕榈藤材的用途、提高棕榈藤材的利用率,以高地钩叶藤为研究对象,在藤茎高2 m处截取试样,经软化、聚乙二醇包埋、切片、硼氢化钠(NaBH_(4))溶液浸泡、显微共聚焦拉曼光谱仪逐点扫描、获取光谱数据、分析。研究结果表明:薄壁细胞的次生壁(S)上纤维素的集团数量比最高,复合胞间层(CML)的纤维素集团数量比次之,而细胞角隅(CC)处纤维素的集团数量比最低;次生壁外部(SⅠ)、中部(SⅡ)和内部(SⅢ)3个形态区纤维素的集团数量比差别较小;CML与SⅡ处纤维素集团数量比没有差别。CC处的木质素集团数量比最高,CML次之,S上的木质素集团数量比最低。SⅠ、SⅡ和SⅢ3个形态区木质素集团数量比差别较小,SⅡ木质素集团数量比小于CML。S层上的半纤维素集团数量比最高,CML次之,CC处集团数量比最低。薄壁细胞壁上纤维素、半纤维素集团数量比由高至低依次是S、CML和CC,而木质素集团数量比分布相反。SⅠ、SⅡ和SⅢ3个形态区域纤维素集团数量比、木质素集团数量比差别均较小。

高地钩叶藤与钩叶藤组织比量的变异研究

为合理开发利用棕榈藤资源,以高地钩叶藤和钩叶藤为研究对象,采用生物解剖学方法,系统分析各组织比量在径向和轴向的变化规律。结果表明,高地钩叶藤和钩叶藤薄壁组织、后生木质部大导管、纤维及筛管比量分别为59.6%和50.2%、15.9%和16.4%、19.6%和28.9%、4.9%和4.5%,其中薄壁组织比量高地钩叶藤比钩叶藤高18.7%,纤维比量低32.2%,经F检验差异在0.05、0.01水平上分别达到显著和极显著。径向由外向内,薄壁组织比量呈增大趋势,后生木质部大导管比量、纤维比量和筛管比量呈减小趋势。随着轴向高度的增加,高地钩叶藤薄壁组织比量、钩叶藤筛管比量先增大后减小,钩叶藤薄壁组织比量、高地钩叶藤后生木质部大导管比量不断增加,高地钩叶藤和钩叶藤纤维比量呈下降趋势。

高地钩叶藤材化学成分含量分析

为构建棕榈藤材材性数据库,提升棕榈藤材高附加值加工利用水平,文章以高地钩叶藤为研究对象,对其主要化学成分含量进行测定和分析。结果表明,高地钩叶藤材综纤维素、酸不溶木质素、α-纤维素、半纤维素、苯-醇抽提物、热水抽提物、冷水抽提物、1%NaOH抽提物及灰分含量的均值分别为67.98%、16.72%、43.91%、24.38%、9.78%、18.85%、15.02%、38.60%和1.46%。径向上,综纤维素、α-纤维素、酸不溶木质素及灰分含量均为藤皮>藤中>藤芯;而半纤维素、冷水抽提物、热水抽提物、苯-醇抽提物及1%NaOH抽提物含量均为藤芯>藤中>藤皮。轴向上,综纤维素、α-纤维素、酸不溶木质素及灰分含量最大值均在中部,而半纤维素及4种抽提物含量最大值均在梢部。酸不溶木质素和α-纤维素含量最小值在梢部,综纤维素、半纤维素及灰分含量最小值在基部,冷水抽提物、苯-醇抽提物及1%NaOH抽提物含量最小值均出现在基部以上2 m处,而热水抽提物含量最小值在中部。

脲醛及热处理对钩叶藤、高地钩叶藤主要物理性质的影响

为优化藤材改性处理的方案、提高其加工利用水平,以钩叶藤、高地钩叶藤为研究对象,对其改性处理前后主要物理性质的变化进行分析。结果表明,与素材相比,经过120℃热处理后,钩叶藤密度略有增加;钩叶藤和高地钩叶藤抗胀(缩)率分别为11.94%和1.98%,阻湿率分别为4.80%和5.50%,此外高地钩叶藤的抗吸水率为1.80%。按最佳工艺改性处理后,气干密度、绝干密度和基本密度钩叶藤分别增加了9.71%、9.03%和11.70%,高地钩叶藤分别增加了23.57%、22.11%和18.18%;钩叶藤的抗胀(缩)率为5.40%,钩叶藤和高地钩叶藤抗吸水率分别为13.25%和34.16%。经过上述改性工艺处理后,对钩叶藤和高地钩叶藤密度、尺寸稳定性、阻湿性和抗吸水性有着不同的影响。

高地钩叶藤的主要物理力学性能研究

为构建健全的棕榈藤数据库、合理开发利用棕榈藤资源提供理论基础,以高地钩叶藤为研究对象,研究其主要物理力学性质及两种方式下的断裂韧性。结果表明,高地钩叶藤的气干密度、绝干密度和基本密度分别为0.44、0.46和0.36 g·cm^(-3)。体积气干干缩率和体积全干干缩率的变化范围分别为2.91%~8.11%和7.71%~11.36%,干缩各向异性较大。高地钩叶藤的抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度、抗剪切强度和冲击韧性分别为804.10 MPa、49.95 MPa、33.12 MPa、4.77 MPa和184.02 kJ·m^(-2)。三点弯曲法测得其横纹断裂韧性为1 870 kN·m^(-3/2),紧凑拉伸法测得其顺纹断裂韧性为77.8 kN·m^(-3/2),说明高地钩叶藤的横纹断裂韧性比顺纹断裂韧性大得多。

高地钩叶藤材性分析及开发利用价值评价

对高地钩叶藤物理力学性能、化学组分和纤维形态进行测定和分析,评价高地钩叶藤的材性和开发利用价值,结果表明:高地钩叶藤干缩率小,尺寸稳定性良好,藤皮对藤材的弯曲性能有特殊贡献,但藤芯十分脆弱;在化学组成上高地钩叶藤与木、竹材相同,纤维素、半纤维素和木质素仍然是高地钩叶藤的主要化学组成成分,抽出物和灰分为次要成分,高地钩叶藤的漂白、染色、防变色等改性处理可参考木、竹材相关改性知识;其纤维属较为细长且具有一定柔韧性,有较好的利用价值,但纤维长度沿径向变异较为明显。

改性脲醛对钩叶藤类藤材弯曲性能的影响

为实现棕榈藤材增强保韧、劣藤优用制作家具的目的,以大钩叶藤、高地钩叶藤为研究对象,选择浸注试剂、浸注量、增韧剂量、加热时间4个因素分三水平进行L9(34)正交试验,对改性材弯曲性能进行测定,通过优序数法进行综合分析建立最佳改性工艺。结果表明,与大钩叶藤素材相比,分别浸注脲醛树脂、脲醛树脂和聚乙烯醇后,其抗弯强度分别增加34.1%和12.7%;而高地钩叶藤素材在浸注脲醛树脂后,其抗弯强度增加2.5%。聚乙烯醇添加后,大钩叶藤、高地钩叶藤脲醛树脂改性材柔量分别增加6.00%和1.93%。综合评价的大钩叶藤最佳改性处理工艺为以脲醛树脂(urea formaldehyde resin,UF)+聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)为改性试剂,浸注量为30%,聚乙烯醇添加量为0.10%,在120℃下干燥1.5 h;综合评价的高地钩叶藤最佳改性处理工艺为以脲醛树脂为改性试剂,浸注量为50%,在120℃下干燥0.5 h。恰当的改性处理不仅能提高棕榈藤材的抗弯强度,也能提高改性材的柔韧性。

离子减薄技术在藤纤维力学性质测试上的应用

为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,探索棕榈藤强韧机理,选择高地钩叶藤为研究对象,将离析获得的藤皮纤维运用场发射双束扫描电镜产生的离子束经过离子腔加速,对纤维细胞两侧表面对称进行纳米级别的减薄,采用Instron微型力学试验机进行拉伸测试,并用激光共聚焦显微镜对纤维的断口面积进行测量,计算单纤维的拉伸强度和拉伸弹性模量。用超薄切片机对藤试样表面进行抛光,其中对纤维细胞壁要进行减薄的,则要先对该试样进行喷金处理,然后应用纳米压痕仪对高地钩叶藤纤维细胞壁进行纳米压痕试验,采用Oliver and Pharr理论计算纵向硬度和纵向弹性模量。研究结果表明,高地钩叶藤单纤维拉伸强度、拉伸弹性模量分别为475.21 MPa和7.42 GPa;纤维拉伸强度和断裂伸长率随藤材高度增加(即随藤龄减小)而逐渐减小。纤维拉伸强度、拉伸弹性模量及断裂伸长率,均表现为藤皮>藤芯。减薄处理的藤皮纤维拉伸强度与离析的单纤维拉伸强度变化趋势相反,而单纤维拉伸弹性模量变化趋势与离析的纤维一致。高地钩叶藤藤皮纤维细胞壁纵向硬度和纵向弹性模量分别为0.25和7.01GPa,藤皮纤维细胞壁纵向硬度和纵向弹性模量,随藤材高度增加(即随藤龄减小)而逐渐减小。中部和梢部藤皮纤维减薄后的微柱的纵向弹性模量分别为6.20和3.87 GPa,比对照纤维分别减小了24.2%和12.2%。中部和梢部藤皮纤维减薄后的细胞壁纵向硬度分别为0.24和0.19GPa,均略小于未进行减薄处理的对应的纤维细胞壁的纵向硬度。减薄处理后,高地钩叶藤单纤维拉伸强度和拉伸弹性模量均有较大程度下降,纵向弹性模量和纵向硬度略有下降。表明纤维细胞壁的外层拉伸强度、拉伸弹性模量、纵向硬度和纵向弹性模量较内层大,而断裂伸长率却小于内层。

X射线在棕榈藤纤维细胞壁结构研究上的应用

棕榈藤(rattan)是热带森林中仅次于木材和竹材、重要的非木材林产品,具有很高的经济价值和开发前景。由于目前对棕榈藤的细胞结构,尤其是藤纤维的细胞壁结构知之甚少,严重限制了对棕榈藤材的研究和加工利用。因此,为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型、探索棕榈藤强韧机理,选择高地钩叶藤为研究对象,采用X射线衍射法(XRD),分别测量并计算藤纤维微纤丝角、结晶度及微晶体尺寸等结晶参数;其中微纤丝角计算选用0.4 T法。微纤丝角测试时,试样沿直径方向由一侧藤皮开始依次切取尺寸为L(长)×T(厚)×W(宽)=25 mm×0.5 mm×W的试件8片,然后放置在温度为(20±2)℃、相对湿度为65%±5%的调温调湿箱中平衡处理至少一周。结晶度及微晶体尺寸测试时,每个试样再分藤皮、藤中和藤芯三个部分,使用球磨机磨成粉末后放入烘箱中在(103±2)℃下烘至绝干。研究结果表明:高地钩叶藤微纤丝角在22.53°~49.47°间变异,平均值为36.50°。径向上藤皮处微纤丝角最小,藤芯处微纤丝角最大,说明藤皮强度比藤芯好;轴向上微纤丝角为2 m处>梢部>中部>基部,微纤丝角与藤龄间规律性不强。藤茎结晶度在21.40%~36.45%间变异,平均值为29.99%。径向上纤维素结晶度为藤皮>藤中>藤芯;轴向向上随藤龄减小,结晶度呈先升后降变化趋势,且最大值在中部、最小值在基部。纤维素微晶体宽度在5.72~6.19 nm间变异,平均值为6.03 nm。藤皮处微晶体宽度最小,藤芯最大;藤茎平均微晶体宽度与藤中、藤芯一样,随着藤茎高度的升高呈先下降后至中部达最小值后又上升的变化趋势。微晶体长度在13.07~19.34 nm间变异,平均值为15.59 nm。径向上微晶体长度为藤皮>藤芯>藤中;微晶体长度轴向随着藤茎高度上升,均呈"降-升-降"趋势,总体上微晶体长度基部高于梢部,呈下降趋势。高地钩叶藤藤茎中段比基部和梢部材质好、藤皮比藤芯质量高。