基于细胞构造及微力学形为的棕榈藤材强韧机理

For rattan’s unique & fine toughness, rattan is high-quality materials for bent-rattan furniture manufacturing. However, the use of rattan is severely limited as a result of the rattan resources increasingly scarce,especially due to lack of adequate understanding to rattan cells and cell walls structure, we can not know the impact of the cells and their structure on the cell wall-mechanical properties of single fibers, and can not figure out the real reason of the cane with excellent toughness. In order to provide the basises for high value-added processing and use of rattan, to produce novel composite material with excellent toughness with bionic technology, the mechanism of the excellent toughness and the structure bionics for rattan is going to be researched affter the micro-structural characteristics being studied, micro-mechanics of the cell wall with multilayer structure being tested by the ion thinning, which all maybe effect the rattan’s toughness.

棕榈藤因其具有优良独特的韧性，是藤制曲木家具的优质材料；然而，由于棕榈藤资源的日益匮乏，特别是由于对棕榈藤材细胞及细胞壁结构缺乏足够了解，也无从知晓其对单纤维等细胞壁力学特性有何影响，更无法弄清使藤茎具备优良韧性的真正原因，严重限制了棕榈藤材的使用范围。因此，根据对棕榈藤材优良韧性可能存在影响的因素出发，以棕榈藤材细胞及细胞壁微观构造特征研究为基础，特别是应用离子减薄技术对其多层结构的细胞壁进行轰击，结合细胞壁微力学测试，并与棕榈藤藤茎韧性等进行分析，最终展开棕榈藤材优良韧性的机理研究，为今后应用仿生技术制作出具有优良韧性的新型复合材料、提高棕榈藤材高附加值加工利用提供依据。

为探寻棕榈藤材优良韧性的机理、应用仿生技术制作具有优良韧性的新型复合材料，项目以高地钩叶藤为主要研究对象（此外对大钩叶藤、小钩叶藤、大白藤、小白藤等构造特征、物理、力学性质也进行了测试），通过对其显微构造特征，微纤丝角、微晶体大小、细胞次生壁壁层等超微构造及细胞次生壁层中纤维素、半纤维素、木质素等微区分布进行了分析。同时对藤茎冲击韧性、断裂韧性等宏观力学性质，以及借助离子减薄仪和纳米压痕技术，对单根纤维及减薄处理后的纤维柔量、细胞壁弹性模量等微力学性质进行了详细研究。结果表明高地钩叶藤微纤丝角和结晶度分别为32.1°和30.41%，纤维素晶体长、宽分别为15.59nm和6.03nm。细胞次生壁中层纤维素浓度最高、木质素浓度最低，复合胞间层纤维素和木质素浓度介于次生壁和细胞角隅处之间；次生壁最外层木质素和半纤维素的浓度高于中层和内层。藤茎抗弯弹模、冲击韧性分别为804.10MPa、184.02MPa；横纹、顺纹断裂韧性分别为1870KN/m3/2和77.8KN/m3/2。单根纤维拉伸弹性模量和柔量分别为7.41GPa、0.135GPa-1，细胞壁抗压弹性模量和柔量分别为7.01GPa、0.143 GPa-1。藤芯韧性优于藤皮、藤茎宏观韧性优于纤维微观韧性。通过主成分等方法分析得出，影响棕榈藤材优良韧性的主要因子有纤维及薄壁组织比量、大导管及维管束形态特征、S2纤维素浓度等；影响单纤维韧性的因子主要有藤纤维S2层半纤维素浓度、薄壁细胞S2层木质素浓度及晶体宽度等。这也正好说明棕榈藤材具有优良韧性的原因所在，对于运用仿生技术制备高韧性生物质复合材料、制作性质优良家具等制品，缓解棕榈藤资源短缺难题具有重要意义。