基于竹材定向重组的细胞选择性增强机制研究

Bamboo is a kind of bio-material which is composed of a variety of cells. The component and structure of the cell, which have significant influence on the fabrication and application of bamboo, are closely related to its properties. Due to the weak components of parenchyma and vessels, the bamboo would lose its unique charasterics as a whole material in application. The oriented reconstitution process is aiming at reinforcing the weak components by resin and compression, which can effectively improve the strength, dimensional stability, and weatherability of the material. Therefore, it is highly necessary to perform the research on the selective-reinforcing mechanism for the development of bamboo as a general material. This project takes bamboo and resin as objects to investigate the structure and chemical reaction mechanism of selective-reinforcing system of resin in cell walls via the advanced techniques, such as nuclear magnetic resonance for the characterization of the whole cell wall, infrared scanning system, nanoindentation, and so on. By analyzing the multiscale classification of cells, the selective impregnation of resinf in cells, and the combination mode and reinforcing interface between cell wall and resin, the cell layer structures will be studied, and the database parameters of the cell walls will be formed, and the relation between multiscale classified structure of bamboo and the selective impregnation will be built up, to clarify the interact mechanism between resin and cell walls, chemical components and monomers at multilevels. Thus, the selective-reinforcing mechanism of oriented reconstitution of bamboo cells is revealed to provide data and theory support on process optimization of bamboo scrimber and the development of novel products.

竹材是多种细胞组成的生物质材料，各类型细胞的组分、结构与竹材性能密切相关，并直接影响材料的加工和使用。在使用时竹材常因薄壁组织、导管等薄弱组织的破坏而引发整体失效。而定向重组正是采用树脂和压缩密实增强了薄弱组织，有效地提升了材料的强度、尺寸稳定性和耐候性，已成为竹木领域的研究热点，其中选择性增强机制则是亟待解决的科学问题。本项目以竹材和树脂为研究对象，应用核磁共振全细胞分析、红外成像系统、纳米压痕等先进技术，对细胞壁树脂选择性增强体系开展结构和化学作用的理论研究。通过对细胞多尺度分级结构、细胞对树脂的选择性渗透、细胞壁与树脂的结合方式及增强界面等研究，剖析各类型细胞的壁层结构并创建细胞壁参数数据库，建立竹材多尺度分级结构与选择性渗透之间的关系，阐明树脂与细胞壁、化学组分及单体之间的多层次作用机理，从而揭示竹材定向重组细胞选择性增强机制，为重组竹工艺优化及新产品开发提供数据与理论支撑。

项目以“竹材定向重组细胞选择性增强机制研究”为突破口，以“确保我国重组竹研究领域继续保持世界先进水平”为总目标，紧紧围绕材料的“组分、构造和性能”这一研究主线，采用多学科交叉研究方法，对细胞多尺度分级结构、细胞壁对树脂的选择性渗透、细胞壁与树脂结合方式、增强界面微力学等进行系统研究，取得了如下成果：.（1）创新了基于薄壁细胞选择性增强的定向重组理论，研制了高性能结构用竹质重组材料制造关键技术，初步构建了竹质重组材料技术标准体系，开发出国际领先水平的结构用重组竹、大规格重组竹等新产品，通过专利技术实施许可，在福建大庄、太尔胶黏剂等6家国内外龙头企业实施转化，产品已经被广泛地用于梁柱、廊道、景观等结构性用材领域和家具、室内外装饰装修等非结构性用材领域，在北京冬奥会国宾山庄、港珠澳大桥、北京世园会“百果园”等一批国家重大科技示范工程，取得了显著的经济、社会和生态效益；.（2）建立了基于细胞间质（Matrix）低分子化与纤维素分子氢键重构的竹材细胞结构调控理论，提出了竹材单细胞功能化利用技术方案，突破了竹材纤维和薄壁细胞高效分离与细胞壁精细结构调控关键技术，开发了竹胶囊、柔性电容器、超高孔隙率活性炭等功能材料，为开拓竹材细胞水平的高附加值利用奠定了理论基础和技术支撑；.（3）研究成果在林业科学,J Clean. Prod.,ACS Energy Lett.,Cellulose等国内外林业学术期刊发表论文8篇，已接收2篇；申请发明专利3件（授权3件）；制定《重组竹》、《结构用重组竹》、《工程竹结构设计标准》等标准3项；获得国际领先新技术、新产品3项，项目组成功举办了全国首届、第二届、第三届“全国竹产业创新发展高峰论坛”，为竹材建材化利用奠定了理论基础和技术支撑；.（4） 项目在实施过程中培养了一支具有国内外影响力的优秀青年人才和团队。项目负责人先后入选了国家万人计划科技创新领军人才、全国林草科技创新领军人才、山东重点扶持区域引进急需紧缺人才等人才称号，1人晋升研究员，4人晋升副研究员，培养研究生3人。团队入选了第一批国家林业和草原科技创新团队，形成了老中青搭配、结构合理的科技创新团队，为建设国际领先的木质重组材料卓越团队提供了智力支撑。