竹纤维力学性能的主要影响因素研究

发布时间：2020-10-31 03:56

　　 竹纤维是竹子的主要承载单元。优异的力学性能,是竹纤维综合利用的基础。对竹纤维力学性质及其影响因素进行系统研究,不仅可以深刻理解竹子生长的生物力学机制,还可为竹纤维选择性利用及先进复合材料研究和开发提供理论依据和数据支持。本论文从微观结构、化学成分、含水率三方面对竹纤维力学性能的影响进行了系统研究。微观结构方面,选取毛竹(Phyllostachys edulis)等12种竹子,通过单纤拉伸技术研究了纤维解剖形态、细胞壁结构对其力学性能的影响;化学成分方面,以毛竹纤维为研究对象,采用单纤拉伸和原位纳米压痕技术,研究了木质素、半纤维素逐步脱除对竹纤维及其细胞壁力学性能的影响;含水率方面,以毛竹为研究对象,采用单纤拉伸和原位纳米压痕技术,研究了含水率变化对竹纤维及其细胞壁力学性能的影响,阐明了竹纤维力学性质随含水率变化规律。主要结论如下:(1)所选12种竹子纤维长径比介于122~165,壁腔比介于4.20~7.50,属于长径比较大的厚壁纤维;纤维细胞壁为厚薄交替的多壁层结构;纹孔小且少;微纤丝角小,介于7.31~10.60°;相对结晶度较高,为67.26~75.22%。竹纤维结构的种间差异较明显。(2)竹纤维断裂过程呈典型的线弹性破坏。12种竹子纤维拉伸弹性模量介于25.5~46.3 GPa,顺纹抗拉强度介于1.13~1.93 GPa,断裂伸长率介于3.95~6.70%,力学性能的种间差异较为明显。影响竹纤维力学性能的主要结构因素为壁腔比、微纤丝角。壁腔比、微纤丝角与弹性模量显著负相关,两者与抗拉强度无显著相关性,微纤丝角与断裂伸长率显著正相关。(3)随着木质素的脱除,竹纤维拉伸模量整体上变化幅度不大;而随着半纤维素的脱除,冻干和气干状态下拉伸模量分别降低了51.43%和23.12%。抗拉强度随着基质物质的脱除呈下降趋势,冻干状态下降幅度达到54.65%;而气干状态下因微纤丝重聚仅略有减小。断裂伸长率随木质素的脱除略有减小,而随着半纤维素的脱除,冻干和气干状态下断裂伸长率分别增加了185.39%和153.49%。(4)离析过程中,细胞壁压入模量变化不大,而硬度在冻干和气干状态下分别下降了19.27%和18%。随着木质素的进一步脱除,细胞壁压入模量略有增加,但随着半纤维素的脱除,气干和冻干状态下分别下降了13.71%和13.42%;细胞壁硬度随基质的脱除呈上升趋势,冻干状态下变化不明显,而气干状态下上升幅度达到22.73%。(5)含水率变化对竹纤维力学性能影响明显。当含水率从4.58%增加到21.52%过程中,竹纤维拉伸模量整体降幅达到26.66%,抗拉强度降幅为22.17%,而断裂伸长率上升了7.17%。竹纤维拉伸模量对含水率变化最为敏感,抗拉强度次之,断裂伸长率最小。细胞壁压入模量、硬度随含水率增加而减小。当含水率从5.24%增加到13.14%过程中,压入模量减少了14.74%,而硬度减少29.68%。细胞壁硬度随含水率变化的敏感程度大于压入模量。
【学位单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S781.9
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 竹纤维结构特征研究
        1.2.1 解剖形态
        1.2.2 多壁层结构
        1.2.3 纹孔
        1.2.4 微纤丝角
        1.2.5 相对结晶度
    1.3 竹纤维化学成分
        1.3.1 纤维素
        1.3.2 半纤维素
        1.3.3 木质素
    1.4 竹纤维力学性质研究
    1.5 纤维细胞力学性质的主要影响因素
        1.5.1 结构对纤维细胞力学性质的影响
        1.5.2 化学成分对纤维细胞力学性质的影响
        1.5.3 水分对纤维细胞力学性质的影响
        1.5.4 影响纤维细胞力学性质的其它因素
    1.6 研究目的和意义
    1.7 研究主要内容
    1.8 研究技术路线
    1.9 项目支持及经费来源
第二章 结构对竹纤维力学性质的影响
    2.1 引言
    2.2 材料与方法
        2.2.1 实验材料
        2.2.2 实验方法
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 竹纤维结构特征
        2.3.2 竹纤维拉伸力学性能
        2.3.3 结构对竹纤维力学性能的影响评价
    2.4 本章小结
第三章 化学成分对竹纤维力学性质的影响
    3.1 引言
    3.2 材料与方法
        3.2.1 实验材料
        3.2.2 实验方法
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 样品表观形态变化
        3.3.2 竹纤维化学成分变化
        3.3.3 竹纤维结构变化
        3.3.4 纤维拉伸力学性质变化
        3.3.5 纤维细胞壁力学性质变化
    3.4 小结
第四章 含水率对竹纤维力学性质的影响
    4.1 引言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 实验材料
        4.2.2 实验方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 竹纤维样品含水率确定
        4.3.2 含水率对竹纤维拉伸力学性质影响
        4.3.3 含水率对竹纤维细胞壁力学性质影响
    4.4 小结
第五章 结论与建议
    5.1 结论
        5.1.1 竹纤维解剖形态、细胞壁结构、力学性质的种间差异
        5.1.2 竹纤维解剖形态、细胞壁结构对力学性质的影响
        5.1.3 化学成分对竹纤维力学性质的影响
        5.1.4 含水率对竹纤维力学性质的影响
    5.2 创新点
    5.3 建议
参考文献
在读期间的学术研究
导师简介
致谢

【参考文献】

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1 林金安,贺新强;毛竹茎细胞壁半纤维素多糖的免疫细胞化学定位研究[J];植物学通报;2000年05期

本文编号：2863414