摘要
竹材是一种环境友好且力学性能优异的生物质材料。积极利用竹材资源，将有助于我国转变绿色发展方式，实现“碳中和”、“碳达峰”的战略目标。对竹材进行热处理，是使其提质增效、扩大使用范围的有效手段。纤维素是竹材细胞壁的骨架物质和主要受力载体，热处理中纤维素结构和微力学性能的变化将影响竹材的力学性能。但是，目前关于热处理竹材纤维素的结构与微力学性能的变化尚未明确。 为了最大限度地发挥热处理对竹材资源提质增效的作用，本研究以四年生毛竹(Phyllostachysedulis)为原料，分别考察经140℃和200℃热处理后毛竹密度、化学成分、表面形貌、以及抗拉与抗弯力学性能的变化;并对仅保留纤维素的毛竹细胞进行热处理，从微观角度分析毛竹细胞的微观结构和微力学性能变化，主要表征手段包括:通过电子扫描显微镜观察细胞微观形态，利用X射线衍射技术分析纤维素的晶体结构和结晶度，采用傅里叶变换红外光谱探讨纤维素化学基团和氢键体系，运用压汞法探讨细胞的孔隙结构，基于粘度测试的方法测定纤维素的聚合度，并使用单根纤维拉伸技术和细胞壁纳米压痕技术评估毛竹细胞的微力学性能，以期在不同尺度上建立热处理竹材力学性能的构效关系。本文的主要研究结论如下: 1、热处理后，毛竹的抗弯和抗拉力学性能下降，下降程度随温度的增加而加剧，尤其是经过200℃的高温蒸汽热处理后，毛竹的抗弯和抗拉强度分别较未处理组减少了51.27％和51.97％。毛竹热处理后密度下降，表面微观结构受到破坏，细胞壁出现裂纹和损伤，细胞壁壁层和细胞之间出现分层和变形。热处理造成毛竹主要化学成分相对含量发生变化，其中半纤维素含量随热处理温度的增加而减少，木质素的相对含量轻微增加，纤维素含量基本不变。毛竹化学成分的降解(主要是半纤维素)是导致热处理后毛竹力学性能劣化的主要原因。 2、毛竹去除基质后，得到只保留纤维素骨架的纤维细胞和薄壁细胞。热处理后，毛竹细胞基本保持原有的微观形貌;纤维素的晶体结构仍是典型的Ⅰ型结构，结晶度随着热处理温度的升高而增加，未处理组、140℃和200℃热处理组纤维素的结晶度分别64％、72.41％和77.56％;同时，纤维素的氢键体系发生变化，分子间氢键的数量增加、分子内氢键数量减少;仅保留纤维素的毛竹细胞的孔隙结构改变，孔径和孔容积增加，大孔数量增加;200℃的高温使纤维素中的长链分子链断裂，纤维素聚合度大幅下降，从而影响细胞的微力学性能。 3、仅保留纤维素的毛竹单根纤维细胞的抗拉强度经过140℃热处理基本保持不变，但是在200℃热处理后明显下降，由未处理组的808.30MPa减少至479.23MPa。另一方面，经过140℃和200℃热处理后，毛竹纤维细胞的细胞壁硬度由未处理时的457.58MPa分别提高至488.73MPa和492.31MPa,细胞壁弹性模量的变化不明显。与此同时，薄壁细胞的细胞壁硬度和弹性模量均有提升。因此，200℃的高温热处理虽然会在一定程度上降低毛竹纤维细胞的抗拉强度，但适当温度的热处理却不会影响其抗拉性能，反而会提高细胞壁硬度，有助于细胞微力学性能的改善。 综上，热处理后，毛竹的力学性能下降，但是由于纤维素微观结构如结晶度、氢键体系以及聚合度等的变化，主要成分仅保留纤维素的毛竹细胞的微力学性能出现了不同于毛竹宏观力学性能的变化情况。
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