摘要
单叶省藤是我国特有的棕榈藤种之一，其藤茎性能优良，常用于制作家具和工艺品，具有较高的经济价值。单叶省藤材作为木质纤维素材料，水分对其材性和加工利用有重要的影响。深入研究水分在棕榈藤材中存在状态以及对藤材力学性能的影响，不仅有助于开发更多适用于藤材的加工方式和利用途径，而且可为具有优良抗拉性能的先进结构材料的仿生设计和制备提供参考。 本论文以单叶省藤材为试验材料，采用饱和盐溶液法、动态水蒸气吸附法(DynamicVaporSorption，DVS)和低场核磁技术(LowFieldNuclearMagneticResonance，LF-NMR)研究藤材的水分吸附特性，分析其变化规律;运用LF-NMR冻融分析技术，研究不同冷冻温度下藤材内部孔隙分布及水分的存在状态，依据Gibbs-Thomoson效应确定细胞壁中有效羟基含量及孔径的分布情况;研究不同含水率下的圆藤、藤片、维管束和纤维的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的变化，分析多尺度拉伸性能之间的关系;利用场发射环境扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)和三维X射线显微CT(Three-DimensionalX-rayMicro-CT,μ-CT)观察拉伸断裂形貌和裂纹扩展路径，揭示水分对单叶省藤材不同尺度的拉伸性能的影响机制。主要结果如下: (1)采用饱和盐溶液法、DVS法和LF-NMR法测定单叶省藤材纤维饱和点(Fibersaturationpoint，FSP)，其平均值分别为32.54％、28.96％、38.15％，用LF-NMR法测定的FSP高于饱和盐溶液法和DVS法。饱和盐溶液法和DVS法获得的水分吸附等温线是一种拟平衡状态，将相对湿度(RH)为100％代入水分吸附等温线的拟合方程中，计算得到的是吸附水的含量，并非单叶省藤材的实际水分含量，但这两种方法操作简单、成本低，能够代表材料在不同含水率下的使用极限，具有很高的使用价值。而LF-NMR法测量的是细胞壁中水分处于饱和状态下的含水量，得到FSP值更接近于真实值。 (2)单叶省藤材、维管束和薄壁组织的水分吸着等温线属于第Ⅱ类等温线，呈“S”形曲线，具有多分子层吸着特性，在吸湿和解吸过程中均存在吸湿滞后的现象。采用H-H模型和GAB模型能够较好的拟合单叶省藤材吸湿和解吸等温线。由H-H模型计算的单叶省藤材单分子层吸附水含量为6.04％，由GAB模型计算的单叶省藤材单分子层吸附水含量(5.11％)和细胞壁水分吸附可及内比表面积(230m2/g)均大于竹材和木材，表明藤材单分子层的水分吸附能力高于竹材和木材。 (3)单叶省藤材的水分分为细胞腔中的水分和细胞壁中的水分，其中细胞壁中的水分可进一步分为细胞壁孔隙中水和与吸湿基团直接结合的水。当温度为263K时观察到细胞腔内水的相变，且在此温度下，代表细胞腔中水分的信号消失。即使在228K的温度下，细胞壁中的水分依然存在。单叶省藤材细胞壁中的孔径小于2.2nm约占85％，说明细胞壁的孔径较小，主要由纳米孔组成。在干燥过程中，横向弛豫时间T2与含水率呈正相关，由重量法测得的单叶省藤材含水率与由LF-NMR法测得的含水率线性关系良好。 (4)圆藤、藤片（从藤皮到藤芯分为藤皮、藤中部和藤芯）的拉伸强度的平均值依次为:48.4MPa、82.1MPa、60.8MPa和60.7MPa，拉伸模量的平均值依次为:3.1GPa、3.2GPa、2GPa和2.1GPa，断裂伸长率的平均值依次为:10.66％、10.87％、10.05％和8.21％。藤片的拉伸强度远大于圆藤，是圆藤拉伸强度的1.7倍。藤皮的纤维鞘面积比是藤芯的2倍，且藤片的拉伸强度和拉伸弹性模量与纤维鞘面积比呈正相关，说明纤维鞘是圆藤强度的主要贡献者。随着含水率(MC)的增加，藤片的断裂伸长率呈上升的趋势，而拉伸强度和拉伸弹性模量则随之降低。其中，藤皮的拉伸强度降幅达20.7％，藤中部和藤芯的降幅相同，约为22.2％;藤皮的拉伸模量下降59.5％，藤中部的降幅约为64.6％，藤芯的降幅约为63％，表明MC对藤片拉伸模量的影响程度高于抗拉强度。 (5)单叶省藤材的拉伸强度和拉伸模量的平均值分别为103.1MPa和3.8GPa，低于由混合定律计算得到的藤材纤维鞘拉伸强度和拉伸模量，其平均值分别为244.6MPa和13.1GPa。单叶省藤材单根纤维的抗拉强度最大(290.4MPa)，是维管束拉伸强度的2.8倍;单根纤维的拉伸弹性模量是维管束拉伸弹性模量的12.6倍，而维管束的断裂伸长率仅为单根纤维的3/5。维管束拉伸模量随MC的增加而降低。当维管束含水率为1.7％，其拉伸弹性模量是含水率为15.5％时的1.4倍，略低于拉伸强度的降幅，表明MC对维管束拉伸模量的影响程度低于拉伸强度。而MC对单根纤维拉伸模量的影响程度高于拉伸强度。这是因为水分子削弱了维管束内部各界面（薄壁细胞之间、薄壁细胞和导管分子之间、纤维细胞与纤维细胞之间、纤维细胞与薄壁细胞之间）和纤维细胞壁壁层之间的结合力，导致滑移的发生，产生较大的塑性变形，维管束和单根纤维的断裂伸长率也随之增加。因此，水分对藤材对尺度拉伸性能的影响显著。 (6)低含水率和高含水率的单叶省藤材试样的断口分别表现出典型的脆性和韧性（纤维的拉出、层状分离及微纤维桥接）的断裂形貌特征。单叶省藤材在拉伸过程中表现出三种断裂形式:薄壁组织的破坏、界面分离和纤维断裂。拉伸过程中的裂纹偏转角度随着MC的增加而增大，拉伸断裂破坏消耗的能量降低，表明水分子对材料的力学性能和内部微观结构均有很大的影响。微纤丝桥接、纤维屈曲、多壁层纤维的拔出和裂纹偏转是藤材优异拉伸性能起源。它们与纤维素和半纤维素大分子链上亲水的含氧基团和一定的水分含量共同作用来提高藤材拉伸性能，保证藤材的具有良好的韧性。
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