木材生物矿化界面结构分析

摘要

木材生物矿化往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机一无机复合材料。近年来国内外许多学者对生物矿化进行了多方面研究，通过各种手段探寻生物矿化材料的形成机理，为人工合成木材一无机质复合材料提供新的理论指导与设计依据。 本研究以木材生物矿化界面结构分析为重点，采用扫描电镜(SEM-EDAX)和X射线光电子能谱仪(XPS)对选取的两种典型树种(山柚柑和柠檬桉)中晶体的形貌和界面结合情况进行分析，分析结果如下： (1)山柚柑木材中的晶体是二氧化硅，形状宛如菜花状，为典型的粗糙颗粒，大部分分布于射线薄壁细胞中，偶尔出现在轴向薄壁细胞中：柠檬桉木材中的晶体是碳酸钙和草酸钙，碳酸钙晶体形状有典型十面体双锥体、上半部为锥体而下半部为类方形的十面体以及类矩形体，分布于射线薄壁细胞、木射线旁边的纵向分室薄壁细胞以及轴向薄壁细胞中。 (2)山柚柑木材中每个独立射线细胞和轴向薄壁细胞中只有一个硅石团，未发现有挤压射线薄壁细胞和轴向薄壁细胞的大型硅石，各硅石团均有继续成长的空间；柠檬桉木材薄壁细胞中有一个或多个晶体，且不同高度均发现晶体挤压射线薄壁细胞和轴向薄壁细胞的现象，细胞对晶体的继续生长形成空间位阻。 (3)XPS分析确认硅被山柚柑吸收过程中与植物体内无机大分子结合并以氧化硅的形式存在于山柚柑中，证实山柚柑木材中存在Si-O-C的形式。 (4)XPS分析确认柠檬桉中有Ca-O-C形式，即存在碳酸钙晶体和草酸钙晶体。通过氩离子刻蚀，分析表明柠檬桉在吸收钙的过程中木材表面有含氧基团产生，有利于Ca-O-C的形成。 同时还进行了利用生物矿化原理制备木材-SiO<,2>复合材料的试验研究。对喜树进行浇灌和滴注人工配制的硅溶液，树木生长状况良好。对样品的XPS分析表明，矿物质硅被喜树成功吸收；喜树吸收硅的过程中硅以氧化态形式与木材有机质结合；木材在吸收矿物质硅的过程中有新的含氧基团产生，有利于Si-O-C的形成，最终在植物细胞中形成SiO<,2>。 通过SEM和XPS等分析手段对木材有机一无机界面结构的初步分析，为研究木材生物矿化形成机理，为木材传统改性技术向木材生物改性发展找到一个契入点，也为获取生物矿化形成木材一无机质复合材料的形成机理，提供了实验依据和理论基础。同时，也证明了利用物理学的技术与方法提取生物体信息为改良生物质材料提供科学依据，是很好的方法之一。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2生物矿化

1.3生物矿化的发生部位与分布

1.4植物中的生物矿物

1.4.1植物中的硅生物矿物

1.4.2植物中的钙生物矿物

1.4.3生物矿物的结构类型

1.5生物矿化有机—无机界面结构

1.6研究内容、目的、意义和技术路线

1.6.1研究内容、目的、意义

1.6.2技术路线

2两种主要表面分析方法

2.1 X射线光电子能谱仪(XPS)

2.1.1基本原理

2.1.2 XPS可提供的主要信息

2.1.3 XPS仪器介绍

2.1.4 XPS在木材分析中的应用

2.2扫描电子显微镜(SEM)

2.2.1 SEM的结构和工作过程

2.2.2 SEM的应用

3山柚柑木材中的生物矿物质硅的形貌与界面分析

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1试验树种

3.2.2山柚柑木材中生物质硅的形貌分析

3.2.3 山柚柑木材生物矿化界面结构分析

3.3结果与讨论

3.3.1山柚柑木材中硅石形貌分析

3.3.2 山柚柑木材中硅与植物细胞壁的结合状态分析

3.4本章小结

4柠檬桉木材中的生物矿物质钙的形貌与界面分析

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1试验树种

4.2.2柠檬桉木材中生物质钙的形貌分析

4.2.3柠檬桉木材生物矿化界面结构分析

4.3结果与讨论

4.3.1柠檬桉木材中钙晶体形貌分析

4.3.2柠檬桉木材中钙与植物细胞壁的结合状态分析

4.4本章小结

5生物矿化合成木材—SiO2复合材料的XPS分析

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1试验树种

5.2.2溶液的配制

5.2.3对立木进行浇灌、滴注

5.2.4对样品进行XPS分析

5.3结果与讨论

5.3.1灰化样品硅含量的XPS分析

5.3.2切片样品有机—无机界面XPS分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢