温度对木材细胞壁结构和性能的影响机制研究

Temperature is one of the key factors in wood treatment and plays a very important role in wood materials processing and utilization.In this study, use of the modern testing technology and methods of characterization for Cunninghamia lanceolata Hook and Oak to systemly elaborate the effects mechanism of temperature on the structure and properties of wood cell wall. By combining the cryogenic heating device with infrared spectroscopy to get dynamic infrared spectra under different temperature of wood and applying two-dimensional infrared correlation spectroscopy to analysis the response law of cellulose, hemicellulose, and lignin to temperature change..The distribution of cellulose, hemicellulose, and lignin in cell wall were observed by transmission electron microscopyand Roman spectrum; The situation of chemical composition and decomposition of wood cell wall were study by FT-IR,UV and HPLC(High Performance Liquid Chromatography),HPIC,NMR; The alteration of microfiber orientation and structure of cellulose crystal area were revealed by LAXS and Confocal laser Raman microscopic technology; The effect of temperature on mechanical property of cell wall were described by single fiber tensile and nanoindentation technology. Accordingly, the work is useful to explore the theory of mechanism of temperature on wood cell wall, which can provide scientific theory for the processing optimization of timber drying, heat treatment and hot pressing of artificial board.

温度是木材处理的关键因素之一，对木材及制品加工利用具有重要作用。本项目拟以杉木和栎木为研究对象，利用多种现代测试技术和表征手段，系统阐述温度对细胞壁结构与性能的影响机制。通过将低温加热装置与红外光谱结合，获得不同温度下木材的动态红外光谱，利用二维相关光谱分析纤维素、半纤维素、木质素对温度持续的响应；采用拉曼光谱、透射电镜等研究温度处理前后木材主要分子在细胞壁内的空间分布变化；利用红外光谱、紫外光谱以及高效液相、高效离子色谱、核磁共振等，阐述不同温度处理时，木材细胞壁化学成分变化及分解情况；采用大角X射线衍射和激光共聚焦拉曼显微技术等揭示细胞壁微纤丝取向和纤维素晶区的结构变化；利用单纤维拉伸和纳米压痕技术研究温度处理对细胞壁物理力学性能的影响。综合上述途径和手段，系统研究温度对木材细胞壁的作用机制，揭示温度处理木材宏观性质变化的微观本质，为木材干燥、热处理、人造板热压等工艺优化提供理论支持。

木材是由多细胞组成的具有复杂层状结构和多孔性材料特性的复杂生物质材料。为有效利用木材，针对不同的使用环境，需要采用不同手段对木材进行处理，温度是木材加工处理的关键因素之一。本项目以杉木、栎木等几种针叶材与阔叶材为研究对象，引入二维相关红外光谱、气相色谱质谱联用技术（GC-MS）、共聚焦拉曼显微成像（Raman-imaging）、原位纳米压痕等分析手段，从化学、物理、力学、解剖等方面，对木材各项性能和结构对温度的响应机制进行了研究。.（1）利用木材化学成分分析方法，研究了木材热处理后主要组分的含量变化；运用红外光谱分析了热处理对木材主要组分分子结构的影响，并对其影响进行了量化评价；借助二维相关红外光谱，分析了柚木热处理材主要组分（纤维素、半纤维素、木质素、抽提物）官能团对热微扰的敏感程度，及热处理温度对其官能团热敏感性的影响。研究中发现，利用FTIR、2D-IR可以确定珍贵木材的红外光谱特性，结合GC-MS，可有效鉴别珍贵木材树种。（2）采用蒸汽介质热处理的方法，分别在120℃、140℃、160℃、180℃、200℃和220℃六个温度条件下，对木材进行了热处理，并对其微观和宏观各项主要性能进行测定。结合扫描电子显微镜（SEM）、氮气吸附测定仪（BET）、X射线衍射（XRD）、共聚焦拉曼显微成像（Raman-imaging）、原位纳米压痕等表征技术研究热处理对木材微观尺度下构造、微纤丝取向、细胞壁化学分布、细胞壁力学性能等的影响。在分子层面，采用2D-IR、FTIR、核磁共振（NMR）等分析方法对热处理木材的成分及官能团变化进行测定，揭示了热处理对木材细胞壁结构和性能的影响机制。针对木材燃烧时的变化情况，采用连接有FTIR在线烟气成分分析仪的锥形量热仪，对木材在燃烧过程中的各项指标变化及主要烟气产物的进行了动态监测，对木材燃烧时放出的烟气进行了红外光谱分析。本项目相关研究结果已发表在《Holzforschung》、《Wood Science and Technology》、《Journal of Molecular Structure》等行业内国内外知名刊物上。在国内外期刊总计发表论文15篇，其中SCI收录6篇。完成《红外光谱新方法在木材性质分析中的应用》一书，由中国建材工业出版社出版。培养研究生7名。