木材细胞壁功能化作用机理及表征

针对木材细胞壁结构的功能处理是最有效地改善木材性能，最为理想的木材性能调控技术。运用复合材料学理论和先进的分析手段，以软质的人工林木材为研究对象，用化学处理剂进行细胞壁高强度调控改性，使化学处理剂作用于木材细胞壁及细胞壁壁层上的官能团，获得具有高结合强度和良好力学性能的复合木材。研究处理剂在木材细胞壁及各壁层中的分布及状态；研究木材细胞壁壁层官能团作用机理；研究处理后复合木材的纳观力学性能。其中，重点围绕细胞壁官能团的调控和作用机理开展相应的基础研究；着重研究复合木材细胞壁纳观尺度的力学性能，分布及影响。预期成果将为具有高结合强度和良好力学性能的复合木材的开发和实现木材细胞壁的功能化、高附加值利用提供重要的理论依据。

项目以人工林马尾松为研究对象，以硅溶胶为化学处理剂，进行了细胞壁的高强度调控改性，利用包括傅里叶红外、电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕、模量呈像等结构和性能表征工具，研究了木材细胞壁及各壁层的纳观力学性能和化学处理剂的作用机理，为高强度复合木材的开发和实现木材高附加值利用提供了重要的理论依据。本项目研究的主要结果如下：.硅溶胶浸渍处理后，木材的抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度都得到改善；红外光谱分析表明硅溶胶浸渍处理复合木材中SiO2并没有与细胞壁物质直接发生键合，而是形成了氢键缔合作用。.细胞壁尺度的测试证实了强化复合材力学性能的提高是因为增强处理液进入了木材细胞壁，并与木材细胞壁发生了氢键结合。细胞壁不同位置的纳观力学性能结果说明，木材细胞壁的化学成分对改性后的力学性能有显著影响。木材细胞壁横切面的弹性模量明显高于弦切面的弹性模量，木材横切面和弦切面的硬度并无显著差异，结果进一步证明木材细胞壁的硬度不受微纤丝角所影响。.强化处理后细胞壁抵抗变形的能力增加，进一步证明硅溶胶进入了木材细胞壁并与木材细胞壁物质发生了化学作用；其次细胞壁上压痕的残余变形基本相同，进而说明硅溶胶可以均匀地进入细胞壁壁层，且保持了较好的弹塑性特性。.模量成像结果表明，细胞壁的储存弹性模量和储存硬度是以胞间层为对称结构，细胞壁S2层的中间部分最高，然后是S3层，S1层和胞间层较低，且二者储存硬度差异不明显；测试木质材料以静态载荷为2μN时储能模量的测试结果分散性小。.填充细胞腔可提高木材的宏观力学性能，但这种改性方式不能改变木材细胞壁的性质。试验证明通过控制改性处理工艺，可以得到改性细胞壁，达到既可增加复合木材的力学性能，又可降低处理成本。.通过硅溶胶强化处理，弹性模量和硬度都得到了显著的提高，细胞壁的弹性模量和硬度随着浸渍压力的增加而增加，浸渍时间对处理材细胞壁的力学性能无显著影响，进而说明了纳观力学性能与宏观力学性能具有一致性。