毛竹生长过程中细胞壁结构与性能的变化研究

摘要

细胞壁作为竹材细胞的主体，也是承受外力的实质承载单元，其本身结构和化学成分对细胞的力学性质起着至关重要的作用。深入研究竹材生长过程中细胞壁结构和性能的变异，有助于揭示细胞壁形成的内在机理，从而为制浆造纸、生物质燃料转化、竹碳基纳米材料制备等加工利用和竹材材性改良提供理论支撑。
　　本研究以不同生长期的毛竹（Phyllostachys edulis）为研究对象，在微纳米尺度下系统研究了竹材生长过程中细胞结构、木质素分布与性能的变化。采用生物解剖学方法对纤维、薄壁细胞和导管分子的主要解剖形态进行测定，并利用X射线衍射仪测试微纤丝角(MFA)大小的变化;借助多种高分辨率的电子显微镜技术，明晰了亚微米尺度上细胞壁层数与厚度的变化规律，并观察了纤维、薄壁细胞和导管分子各壁层的微纤丝取向;依靠多种光谱技术原位观测了木质素的微区分布规律，并就不同细胞壁微区的木质素含量和组成单元进行了定量对比;利用纳米压痕仪原位获取了纤维次生壁的模量和硬度。主要结论如下:
　　(1)不同生长期毛竹的主要解剖特征受茎秆年龄影响显著。维管束为开放型和半开放型，维管束密度介于117.49～171.19个/cm-2之间;纤维长度、壁厚和壁腔比分别为1.66～2.37mm、13.40～15.16μm、120～180，薄壁细胞壁厚为2.49～11.24μm，导管分子腔径表现为径向大于弦向。随着竹龄的增加，维管束径弦比、纤维和薄壁细胞腔径逐渐减小，维管束密度、纤维和薄壁细胞双壁厚、壁腔比均增大。微纤丝角的大小表现为10天至0.5年微纤丝角大幅度下降，1至5年间微纤丝角稳定在8.8°左右。
　　(2)随着竹秆的生长，纤维、薄壁细胞和导管分子的细胞壁层数不断增加，而导管分子的次生壁沉积速率始终落后于纤维和薄壁细胞。细胞壁增厚是细胞壁层数的增加、层与层的增宽共同作用的结果。纤维细胞在竹秆生长过程中，细胞壁内胞间层厚度在80～120nm之间，初生壁厚度介于50～80nm之间，次生壁中窄层为100～400nm，宽层为0.3～5μm，最厚层一般常见于次生壁第2～3个厚层;薄壁细胞次生壁中窄层厚度为200～300nm，宽层为200～900nm，各宽层的厚度差异较小;导管次生壁没有宽窄交替的变化规律，各层厚度介于200～800nm之间。
　　(3)纤维细胞次生壁中窄层的微纤丝近乎垂直于细胞轴向，宽窄相邻层微纤丝成30～50°夹角，次生壁内间隔层的微纤丝排列方向相反但大小相同，细胞腔的微纤丝排列与纤维细胞主轴成40～50°夹角;薄壁细胞次生壁内宽层的微纤丝取向与细胞轴向成50～60°夹角，导管次生壁各层微纤丝均呈螺旋状排列。
　　(4)随着竹龄的增长，竹材细胞壁内木质素持续累积。不同类型的细胞中，导管早于纤维和薄壁细胞开始木质化;同一纤维帽内，纤维细胞木质化呈离心式发展，即靠近导管的纤维最先开始木质化，随后向维管束外围推进;单个细胞内，木质素先在CC和CML区域沉积，而后向次生壁推进。此外，木质素组成单元含量存在差异，同一生长期的竹秆中不同类型细胞的G型木质素单元吸光度大小为纤维细胞＞薄壁细胞＞导管分子，不同类型细胞的G型木质素单元和对羟基肉桂酸的吸光度均为CC、CML区域大于SW区域。
　　(5)毛竹纤维细胞次生壁的弹性模量和硬度随竹秆的生长呈增加的趋势，变化范围分别为8.54～28.06GPa、0.425～0.895GPa。同一维管束中，毛竹纤维FⅠ和FⅡ区域的弹性模量变化较小，纤维帽边缘区域下降幅度较大，硬度由维管束中心向外围呈显著减小的趋势。纤维细胞次生壁不同位置上，弹性模量的变异较硬度大，临近细胞腔和复合胞间层区域较中间区域减小了3～10GPa。

目录

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摘要

第一章绪论

1．2竹材细胞壁显微构造

1．3竹材细胞壁超微构造

1．3．2微纤丝取向和微纤丝角

1．4竹材木质素微区分布

1．4．2木质素分布及组成单元

1．5竹材细胞壁微力学

1．5．2影响细胞壁微力学的主要因素

1．6研究的目的、意义和主要内容

1．7技术路线

第二章毛竹生长过程中细胞壁显微结构研究

2．1．1试验材料

2．1．2试验方法

2．2结果与分析

2．2．1毛竹维管束形态特征比较

2．2．2纤维细胞形态变化

2．2．3薄壁细胞形态变化

2．2．5不同生长期的微纤丝角变化

2．3讨论

2．4小结

第三章毛竹生长过程中细胞壁超微构造研究

3．1．2试验方法

3．2结果与分析

3．2．1毛竹细胞壁壁层构造研究

3．2．2毛竹细胞壁微纤丝取向研究

3．3讨论

3．3．3微纤丝沉积

3．4小结

第四章毛竹生长过程中木质素等组分的动态累积研究

4．2结果与分析

4．2．1利用激光共聚焦显微镜定性分析毛竹细胞壁木质化过程

4．2．2共聚焦显微拉曼分布分析化学组分微区分布

4．2．3紫外显微分光光度计分析化学组分微区分布

4．3讨论

4．3．2木质素组成单元分析

4．4小结

第五章毛竹生长过程中纤维细胞壁力学性质的研究

5．1．2纳米压痕测试

5．2结果与分析

5．2．1毛竹生长过程中纤维细胞次生壁的力学性能变化

5．2．2维管束不同位置纤维细胞次生壁的力学性能

5．2．3纤维细胞壁内径向位置的力学性质变化

5．2．4纤维细胞壁力学性质与微纤丝角、木质素关系研究

5．3讨论

5．3．2维管束内位置对竹纤维次生壁力学性能的影响

5．4小结

第六章结论与建议

6．1．4毛竹生长过程中纤维细胞壁力学性质的研究

6．3问题与建议

参考文献

致谢

作者简历