木质纤维细胞壁力学性能及表征方法研究进展
摘 要:木质纤维细胞壁通常由胞间层、初生壁、次生壁等壁层，其主要化学组成为纤维素、半纤维素、木质素、果胶质等。木质纤维细胞壁独特的化学组成和壁层构造，使其形成一种类似钢筋混凝土的结构模型，为木材提供力学支撑。从微观尺度上，对木材细胞壁力学性能及其影响因素进行研究，可以明确细胞壁结构，尤其是微纤丝与其他化学组分的关联，对木材性能的影响，从而有利于加深对木材宏观力学性能的理解。通过调研木材细胞壁力学性能的国内外研究现状，本文综述了木材细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素等化学成分的分布、纤维素结晶度、细胞壁分层结构和不同壁层微纤丝角对木材细胞壁力学性能的影响；并比较、总结了零距拉伸技术、单根纤维拉伸技术、纳米压痕技术等表征方法在木质细胞壁力学性能研究应用的历史及发展现状。同时，本文也归纳了现代木材细胞壁力学性能研究中面临的问题，并对其未来发展方向进行了展望。
关键词:细胞力学性能；木质素；微纤丝角；单根纤维拉伸；纳米压痕
1引言
宏观尺度上，木材可以看作是一种，兼有多层复合材料和多孔材料特性的复杂生物质材料；微观尺度上，木材细胞壁可以看作是由纤维素为增强相，半纤维素、木质素为基体相的复合物[1]。细胞壁，是木材的实际承载结构，对木材的宏观力学性能有着极其重要的影响，是连接宏观木材力学和微观木材力学的“桥梁”。因此，对细胞壁力学性能及其影响因素进行研究，可以为研究木材宏观力学性能提供细胞水平的理论支持，对于构建木材力学性能的微-宏观体系具有重要意义。木材细胞壁的微小尺度，决定了细胞壁力学研究需要不同于常规力学测试的实验手段，目前常用手段主要有单根纤维拉伸技术、零距拉伸技术和纳米压痕技术[2]。本文通过对国内外针对木质纤维力学性能的研究及测试表征方法的总结，综述了木质纤维（含棉麻类纤维）的细胞壁化学组分异同、超微构造及其壁层特点、表征方式对力学性能检测的有效性，并探讨了细胞壁结构与化学特性对其力学性能的影响。
2木材细胞壁主要化学成分对力学性能影响
木材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素，是葡萄糖由1-4-beta;糖苷键连接而成的高聚物，以排列有序的微纤丝状态存在于细胞壁中，起骨架物质的作用，是细胞壁强度的主要来源。纤维素具有结晶区和非结晶区。半纤维素是木质材料细胞壁中除纤维素以外的碳水化合物，以无定形状态渗透在纤维素之中，起着基体粘结作用。木质素，是存在于纤维素构架之间的填充物，可以增强细胞壁的机械强度[1]。木质素和半纤维素通过相互交联形成的复杂网络结构，与构成细胞壁微骨架结构的纤维素，共同影响了细胞壁的力学性能。
2.1纤维素对木材细胞壁力学性能的影响
作为起骨架作用的结构物质，纤维素以排列有序的微纤丝束状态存在于细胞壁中，是细胞壁强度的主要来源。木质材料细胞壁的纤维素含量和纤维素结晶度均会对细胞壁力学性能产生影响。江泽慧等[3]利用纳米压痕技术测试杉木（Cunninghamia lanceolata）管胞次生壁S2层的纵向弹性模量以及硬度，研究发现，在杉木同一年轮中，晚材管胞S2层的平均纵向硬度为0.390GPa，弹性模量的平均值为14.844GPa；早材管胞S2层的硬度和模量则小于晚材，平均值分别为0.306GPa和9.823GPa。作者认为主要是因为晚材细胞壁中的纤维素含量高于早材。Burgert等[4]通过控制肉桂醇脱氢酶的含量，对阔叶材杨木（Populus sp.）细胞壁中的纤维素含量进行了调控，实验发现，纤维素含量与细胞壁弹性模量呈弱正相关关系，相关系数仅为0.469；但纤维素含量与细胞壁硬度呈显著负相关，相关系数为-0.978。以上研究表明，纤维素含量对细胞壁硬度的影响与木质素对细胞壁硬度的影响呈相反规律，适当降低纤维素的含量有利于提高细胞壁的硬度[5]。
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