湿热与压缩共同作用下木材细胞壁响应机制

In this proposal, to explore the mechanism of cell wall changes responsed to hydro-thermo and compression treatment, wood samples are treated by high temperature steaming combined with mechanical compression method under different conditions. Furthermore, Methods of Atom Force Microscopy (AFM) with semi-thin section for ultrastructure,Imaging Fourier Transform Infrared (Imaging FT-IR) for chemical macromolecular structure,Dynamic Vapor Sorption (DVS) and Mesoporosity analysis for physical properties, and Nanoindentation and Dynamic Mechanic Analysis (Micro-DMA) for micro-mechanical performance are applied to in-situ inspect the changes of cellulose and matrix (lignin and hemicellulose) in treated cell walls and obtain direct experimental evidences. The results of this fundamental work could provide scientific way for better utilization of low quality plantation wood, meanwhile for new development of environment-friendly and bionic biomaterials in high performance for forestry industry.

为揭示木材在湿热与压缩共同作用下的细胞壁响应机制这一基础科学问题，本项目拟采用高温蒸汽处理结合机械力压缩方法，在不同的湿度、温度和压缩条件下处理木材。并通过利用研究细胞壁中纤维素晶胞空间尺寸的原子力显微成像结合半薄切片分析技术、研究纤维素和基质成分（木质素和半纤维素）大分子结构的傅立叶变换红外显微-原位成像技术、研究细胞壁物理性能的动态吸湿和孔隙度测试技术，以及研究细胞壁强度性能的微型动态力学分析技术在内的多种方法，获取湿热和压缩过程中木材细胞壁纤维素和基质成分及其交联结构变化的直接证据，建立湿热和压缩处理过程中细胞壁超微构造、化学结构变化与细胞壁物理力学性能的相互关系，阐明湿热和压缩共同作用下的木材细胞壁响应机制。本研究成果将为拓展我国现有低质人工林木材资源的高效利用提供科学新途径，同时也为开发满足不同使用条件的环境友好型生物质功能新材料提供科学依据。

为揭示木材在湿热与压缩共同作用下的细胞壁响应机制这一基础科学问题，项目以我国南方重要的针叶树种杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林木材为研究对象，采用高温蒸汽（140℃, 160℃和180℃）结合径向压缩（25%和50%压缩比例）方法，将木材在不同温度和压缩作用条件下进行处理，并围绕木材湿热-压缩处理过程，通过利用研究纤维素和基质成分（木质素和半纤维素）大分子结构的傅立叶变换红外显微-原位成像和共聚焦拉曼成像技术、研究细胞壁中纤维素晶体结构的X射线散射（小角/广角）技术、研究细胞壁物理性能的动态吸湿和孔隙度测试技术，以及研究细胞壁力学性能的纳米压痕和动态粘弹性分析技术在内的多种方法，从细胞壁的超微构造、化学成分、物理与力学性能的变化等四个方面开展研究。揭示了在蒸汽-压缩共同作用下，新的介孔大量形成；纤维素晶格尺寸（D200）增加，无定形区分子链发生降解；半纤维素中木聚糖葡萄糖醛酸的羰基降解；与木质素愈创木基相连的β-芳基醚基团发生降解和重新交联反应。蒸汽-压缩共同作用显著影响木材细胞壁化学结构，降低吸湿性能，并提高细胞壁力学强度。上述研究获得了湿热处理对细胞壁纤维素与基质及其交联结构影响的直接证据，提出了湿热作用下细胞壁结构变化模型，从大分子水平上阐明了细胞壁对湿热作用的响应机制，为环境友好型木材改性方法-湿热调控处理提供了重要参考，同时为拓展我国现有低质人工林木材资源的高效利用提供了科学新途径，为开发满足不同使用条件的环境友好型生物质功能新材料提供科学依据。