木薯莖稈纖維的微觀結(jié)構(gòu)和性能

1、木薯莖稈纖維的微觀結(jié)構(gòu)和性能摘要：采用掃描電子顯微鏡scanningelectronmicroscope，簡稱SEM、傅里葉變換紅外光譜Fouriertransforminfraredspectroscopy，簡稱FT-IR、X-射線衍射、熱重/示差掃描量熱t(yī)hermogravimetric-differentialscanningcalorimetry，簡稱TG-DSC等分析手段對木薯莖稈纖維的結(jié)構(gòu)和性能進行表征分析。結(jié)果說明，木薯莖稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素總量占木質(zhì)部的70%以上;木薯莖稈木質(zhì)部橫切面維管束排列整齊，屬散孔材，導管明顯，管徑大小不一致，管胞細胞長度不等，細胞壁厚，細胞間緊

2、密排列呈線狀，胞內(nèi)有顆粒狀淀粉粒物質(zhì)存在;韌皮部細胞較木質(zhì)部小，且排列緊密;髓部有微孔且輕薄，可能存在含量較高的可消化碳水化合物。木薯莖稈木質(zhì)部材料在3403、2931cm-1處有明顯的吸收峰。木質(zhì)部的結(jié)晶度為50.1%，晶粒尺寸為2.3nm。在空氣氛圍中，溫度為287398是熱解的主要階段，大局部失質(zhì)量發(fā)生在該階段，失質(zhì)量率約為47%，在氮氣氛圍中267337是熱解的主要階段，失質(zhì)量率約為54%。關(guān)鍵詞：木薯;莖稈纖維;微觀結(jié)構(gòu);性能中圖分類號：S533.01;S225.7+1文獻標志碼：A文章編號：1002-1302202112-0265-05木薯是世界三大薯類之一，被廣泛栽培于熱帶和亞熱

3、帶地區(qū)。在我國南亞熱帶地區(qū)，木薯是僅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物，在作物布局、飼料生產(chǎn)、工業(yè)應用等方面具有重要作用1-3。木薯莖稈作為木薯種植區(qū)的主要副產(chǎn)品，約占木薯產(chǎn)量的50%，按照2021年全國木薯產(chǎn)量8.49×109kg推算，2021年全國木薯莖稈的年生物量約為4.24×109kg，其中只有10%15%用來留種儲藏，其余大多被丟棄在田間地頭后自然腐爛，既造成生物質(zhì)資源浪費，又容易引起環(huán)境污染，甚至可能引起火災。目前，相關(guān)科研人員已經(jīng)在木薯莖稈粉碎還田、直接氣化、水解糖化、堆漚有機肥、食用菌基質(zhì)化等方面開展了研究4-5。筆者以我國廣西、廣東、海南等熱帶作物種植

4、區(qū)的主栽木薯品種華南205為研究對象，利用試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究木薯莖稈微觀結(jié)構(gòu)對其力學性能的影響。應用電子顯微鏡、X-射線衍射、掃描電子顯微鏡scanningelectronmicroscope，簡稱SEM、熱差-熱重、熱裂解等方法觀察測試收獲期木薯莖稈的微觀結(jié)構(gòu)組成，以期與木薯莖稈在不同破壞方式作用下的各種力學特性參數(shù)結(jié)合進行關(guān)聯(lián)分析，進而確定影響木薯莖稈力學性能的主要因素，從而為建立靜態(tài)載荷及圓盤式切割器動態(tài)作用下的木薯莖稈破壞數(shù)字模型提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗材料本試驗選取廣東省湛江市太平鎮(zhèn)種植的華南205木薯莖稈，由于木薯收獲季節(jié)田間生長的木薯及木薯莖稈含水率根本

5、趨于穩(wěn)定，在木薯收獲旺季靠人工將地面上的莖稈整稈砍伐后帶回實驗室備用。挑選無損傷、無病蟲且通直的木薯莖稈，削去其表皮上凸起的節(jié)子，使莖稈外表平滑。1.2纖維組分結(jié)構(gòu)及性能測試1.2.1組分的測定木薯莖稈纖維素含量采用常用的硝酸乙醇法測定;木質(zhì)素含量參照GB/T2677.81994?造紙原料酸不溶木素含量的測定?中的方法進行測定;總纖維素含量參照GB/T2677.101995?造紙原料綜纖維素含量的測定?中的方法進行測定6-8。1.2.2微觀結(jié)構(gòu)的觀察將樣品切片后植入3%戊二醛固定液用0.1mol/LpH值為7.2的磷酸鹽緩沖液配制中，固定24h。用相同的緩沖液洗滌3次，每次20min。經(jīng)30%

6、、50%、70%、80%、90%、95%系列濃度的乙醇溶液梯度脫水各20min，再用100%乙醇脫水2次，每次30min，然后用叔丁醇置換3次，于JEOLJFD-320中冷凍枯燥，將枯燥好的材料用導電膠帶粘在樣品臺上，用JEOLJFC-1600離子濺射鍍膜儀噴鍍鉑金，再將噴鍍好的材料置于日本電子JEOLJEM-6490LV掃描電子顯微鏡下進行形態(tài)觀察9。1.2.3紅外光譜的分析將樣品研磨成粉末，與KBr混合制片后通過美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的SpectrumGX-1傅里葉變換紅外光譜儀進行紅外光譜測定，測定范圍為4000500cm-1，掃描次數(shù)為8次。1.2.4纖維結(jié)晶度將木薯莖稈

7、風干后去髓，經(jīng)植物粉碎機粉碎，過200目篩，制得梢部、中部、基部共3種樣品。試驗設備采用日本島津公司生產(chǎn)的XRD-6000型X光衍射儀。X光管為銅靶，管電壓為40kV，管電流為30mA，測量方式采用2/聯(lián)動掃描，取樣間隔為0.02°，預置時間為0.6s。狹縫裝置如下：發(fā)散狹縫DS=1°，防散射狹縫SS=1°，接收狹縫RS=0.3mm。衍射曲線及時由繪圖儀輸出。將樣品粉末在室溫下壓成薄片，然后作成2的強度曲線。樣品掃描范圍為5°60°2。采樣2次，取平均值。在掃描曲線上，2附近有衍射的極大峰值和1個極小值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算木薯莖稈纖維素的相對結(jié)晶

8、度，采用Segal法計算10-14。1.2.5熱重-示差掃描量熱t(yī)hermogravimetric-differentialscanningcalorimetry，簡稱TG-DSC試驗選取具有代表性的木薯莖稈及表皮部、木質(zhì)部、髓部進行研磨，將研磨后的粉末充分混合后用坩堝收集。坩堝上蓋后置于枯燥箱中，在105下枯燥2h，制備后的樣品堆積密度為100130kg/cm3，試驗時樣品的含水率控制在2%4%，物料尺寸小于0.5mm。試驗用德產(chǎn)同步熱分析儀STA449C進行TG-DSC相關(guān)數(shù)據(jù)的測定。取約10mg樣品盛入樣品皿內(nèi)，以Al2O3作為參比物，氮氣/空氣作保護氣，由程序設定升溫速率、終溫，并由系

9、統(tǒng)自動記錄熱解過程中樣品的質(zhì)量變化等。分別以10、20、30/min的升溫速率，20、30、50mL/min的氣流速度從常溫加熱至700，進行熱解分析試驗15-17。2結(jié)果與分析2.1木薯莖稈化學組分的測定木薯莖稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。纖維素是植物細胞壁的主要成分，且纖維素含量直接影響其力學性能。從表1可以看出，木薯莖稈纖維中木質(zhì)素含量較高，是構(gòu)成細胞壁、胞間層的物質(zhì)。木薯莖稈中的木質(zhì)素含量遠高于同類粗壯莖稈甘蔗莖稈及玉米莖稈。整體可見，粗壯莖稈中的木質(zhì)素含量遠大于纖細莖稈中的木質(zhì)素含量。2.2木薯莖稈的宏觀結(jié)構(gòu)木薯莖稈主要由表皮、皮層、韌皮部、形成層、木質(zhì)部和髓部組成。表皮是與

10、外界環(huán)境接觸的最外層細胞皮層，具有吸收和保護的功能。皮層是表皮與韌皮部之間的薄壁組織，具有貯藏、運輸和光合代謝等作用。韌皮部主要用于有機物和礦物質(zhì)離子的運輸，韌皮纖維質(zhì)地堅韌，抗撓曲能力較強，是韌皮部中擔負機械支持功能的成分。形成層是木質(zhì)部和韌皮部之間的一種分生結(jié)構(gòu)，是1層分裂旺盛的細胞，在顯微結(jié)構(gòu)下可見。木質(zhì)部是木薯莖稈中的一種運輸組織，負責將從根部吸收的水分及溶解于水的離子往上運輸，以供其他器官、組織使用，另外還具有支持植物體的作用，可以分為初生木質(zhì)部和后生木質(zhì)部2個局部，靠近韌皮部的是后生木質(zhì)部，靠近中柱髓部的是初生木質(zhì)部。髓是木薯莖稈最中心的局部，髓腔質(zhì)地疏松似海綿，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

11、2.3木薯莖稈解剖結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果與分析從圖2-a可以看出，木薯莖稈木質(zhì)部橫切面的維管束排列整齊，屬散孔材，導管明顯，管徑大小不一致，木射線呈輻射線狀排列;本質(zhì)部由管胞、導管、木纖維和木薄壁組織細胞以及木射線組成。由圖2-b可以看出，放大至500倍后，可觀察到木質(zhì)部維管束結(jié)構(gòu)復雜，其管胞為單個細胞，細胞壁厚，兩端較尖，呈長梭形，徑較小，細胞層數(shù)較多，且重疊排列，相疊的管胞以偏斜的兩端相互穿插而連接，故有支持的功能;導管不規(guī)那么地穿插在管胞之間，為高度特化的管狀細胞;細胞和導管之間的間隙附著了木纖維，在植物體內(nèi)起到支持作用;木薄壁組織散布在管胞層之間，起到儲存營養(yǎng)的作用。由圖3的木質(zhì)部縱向結(jié)構(gòu)可以

12、看出，管胞細胞長度不等，細胞壁厚，細胞間緊密排列呈線狀，胞內(nèi)有顆粒狀物質(zhì)存在;導管細胞端壁木質(zhì)化并具有網(wǎng)紋等不同形式的次生加厚，其細胞端壁穿孔相互銜接;導管兩側(cè)有木纖維、薄壁細胞組織和許多圓球形或近圓球形的淀粉粒，胞壁不同程度地次生加厚，胞徑較小，端壁不具有穿孔，胞間排列緊密，可以增強其機械支持能力。圖4-a為木薯莖稈后生木質(zhì)部和韌皮部連接部位的掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果，可以看出，后生木質(zhì)部由管胞、導管等管狀分子以及包圍它們的薄壁組織、木纖維組成。木質(zhì)部和韌皮部之間有1個形成層帶，此帶細胞分裂旺盛，細胞形狀大小不均，細胞壁厚度不等。形成層以外是韌皮部，韌皮部與木質(zhì)部的結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別。韌皮部細胞較

13、木質(zhì)部小，且排列緊密，由篩管、伴胞、韌皮纖維和薄壁細胞組成，管狀的篩管細胞縱向相連，旁側(cè)由細長的直徑較小的伴胞包圍，薄壁細胞數(shù)量最多，體積小，細胞壁薄且細胞間隙小，細胞壁與兩端尖而細長的韌皮纖維篩管、伴胞連接18-20。由圖4-b可見，髓為木薯莖稈維管柱的中央局部，由多面體形的薄壁細胞組成，細胞壁薄，具有胞間隙。外圍是內(nèi)始式的初生木質(zhì)部，由管狀分子、薄壁組織組成，管狀細胞較多，薄壁組織散布在管狀分子中。與初生木質(zhì)部相連的是后生木質(zhì)部，后生木質(zhì)部除了有管狀分子和薄壁組織外，還有纖維散布其中，后生木質(zhì)部的管狀分子和薄壁細胞的細胞壁均較初生木質(zhì)部厚，胞間隙較大，纖維分子起到了支撐作用21。由圖5用掃

14、描電子顯微鏡放大200倍的結(jié)果可知，髓部有微孔且輕薄，可能存在含量較高的可消化碳水化合物;髓腔外觀膨松，手感似海綿;髓位于莖的中心，由薄壁細胞組成，細胞橫切面呈圓球狀或多角狀，大小不均等，胞間隙較大，呈不規(guī)那么的網(wǎng)狀排列。由髓的縱切面可以看出，髓部薄壁細胞層數(shù)不整齊，細胞壁薄有利于滲透或運輸水分及營養(yǎng)物質(zhì)，也起到貯藏的作用，細胞間夾雜了一些厚壁組織細胞，起到了機械支持的作用。2.4木薯莖稈的紅外光譜結(jié)果分析參照紅外光譜分析的根本原那么“先特征，后指紋，先最強峰，后次強峰;先粗查，后細找的程序進行圖譜解析。由圖6可以看出，在3403、2931cm-1處有明顯的吸收峰，這是由CH、OH的伸展運動所

15、造成的。在1739cm-1處的小吸收峰是由酯類CO的伸縮振動造成的。在1647、1423cm-1處出現(xiàn)的小吸收峰是芳香環(huán)的吸收帶。在1372cm-1處的吸收峰是由CH非對稱變形造成的。在11561025cm-1區(qū)出現(xiàn)的吸收峰是由環(huán)狀COC的CO的伸展運動造成的。在860cm-1處的吸收峰屬于芳香核CH振動。在577cm-1局部的變化主要是因為芳香碳環(huán)化合物，由CH面外的變形振動與苯環(huán)取代造成。2.5木薯莖稈的纖維結(jié)晶度結(jié)果分析木薯莖稈樣品的X射線衍射分析在D/max-2550PC18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上進行。將樣品安放在玻璃樣品架上，在穩(wěn)定的條件下進行分析。測試條件如下：Ni濾波，Cu靶K射

16、線，管壓為40KV，管流為40mA，掃描速度為2°/min，掃描范圍為5°50°18。用X-射線衍射儀掃描得到的2-強度曲線，在掃描曲線上222.6°附近，有002衍射的極大峰值，結(jié)晶度CI=50.1%，晶粒間距L=2.3nm，詳見圖7。2.6TG-DSC試驗的結(jié)果分析由圖8可見，木薯莖稈木質(zhì)部在空氣環(huán)境中的TG曲線分為5個階段：第1階段從室溫至85左右，為材料的脫水枯燥階段，隨著溫度的上升預熱，發(fā)生水分蒸發(fā)，木薯莖稈試樣發(fā)生微量失質(zhì)量，表現(xiàn)為TG曲線下滑，在該階段試樣的質(zhì)量損失為材料的含水量，莖稈失水量為7.57%;第2階段的溫度為86285，為預炭化

17、階段，該段的TG-DTG曲線平滑，試樣質(zhì)量無明顯變化，失質(zhì)量率小于1%;第3階段的溫度為287398，是熱解的主要階段，也稱為炭化階段，木薯莖稈的大局部失質(zhì)量發(fā)生在該階段，TG曲線的斜率較大，失質(zhì)量率約為47%，對應的DTG曲線也出現(xiàn)最大峰值，說明反應較劇烈，該階段是木薯莖稈中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素熱解反應的綜合，首先是不穩(wěn)定半纖維素的分解，隨著溫度升高，半纖維素根本反應殆盡時，纖維素、木質(zhì)素的局部組分開始燃燒，加熱發(fā)生燃燒后，生成大量揮發(fā)性氣體如CO、CO2等;第4階段的溫度為400439，該階段也稱為持續(xù)階段，失質(zhì)量較第3階段趨于緩慢，剩余木質(zhì)素隨著溫度的升高而逐漸分解，主要是CC、CH

18、鍵的斷裂，剩余揮發(fā)分繼續(xù)析出，失質(zhì)量越來越小;在第5階段，溫度為440700，充分燃燒至終溫，剩余物質(zhì)量接近恒定，燃燒的最終剩余物即為灰分。由圖9可見，木薯莖稈木質(zhì)部在氮氣環(huán)境中的TG曲線可以分為4個階段：第1階段的溫度為室溫至89左右，為材料的脫水枯燥階段，隨著溫度上升，在熱解前發(fā)生水分蒸發(fā)，木薯莖稈試樣發(fā)生微量的失質(zhì)量，表現(xiàn)為TG曲線下滑，在該階段試樣的質(zhì)量損失為材料的含水量，莖稈失水量為472%;第2階段的溫度為90267，為預炭化階段，該階段的TG-DTG曲線平滑，木薯莖稈試樣發(fā)生解聚、重組、改性反應如結(jié)晶區(qū)域的破壞等，同時釋放出小分子量的化合物，試樣質(zhì)量無明顯變化，失質(zhì)量率小于1%;

19、第3階段的溫度為268337，是熱解的主要階段，也稱為炭化階段，木薯莖稈的大局部失質(zhì)量發(fā)生在該階段，TG曲線的斜率較大，失質(zhì)量率約為54%，對應的DTG曲線也出現(xiàn)最大峰值，為-7.64%/min，說明反應較劇烈，該階段是木薯莖稈中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素熱解反應的綜合，首先是不穩(wěn)定半纖維素的分解，隨著溫度升高，半纖維素根本反應殆盡時，纖維素和木質(zhì)素的局部組分開始分解，加熱發(fā)生熱解后，生成大量揮發(fā)性氣體如CO、H2、CH4等，以及焦油、多孔焦炭;第4階段的溫度為340700，該階段也稱為持續(xù)炭化階段，失質(zhì)量較第3階段趨于緩慢，剩余木質(zhì)素隨著溫度的升高逐漸分解，主要是CC、CH鍵的斷裂，剩余揮發(fā)分

20、繼續(xù)析出，失質(zhì)量越來越少，在該階段，失質(zhì)量約占整個熱解過程的40.8%，至終溫時剩余物質(zhì)量接近恒定，熱解的最終剩余物為固體焦炭。3結(jié)論對木薯莖稈組分進行測定的結(jié)果說明，木薯莖稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種高分子化合物總量占木質(zhì)部的60%以上，是構(gòu)成細胞壁和胞間層的物質(zhì)。對木薯莖稈微觀構(gòu)造進行觀測與研究發(fā)現(xiàn)，木薯莖稈木質(zhì)部橫切面維管束排列整齊，屬散孔材，導管明顯，管徑大小不一致，木射線呈輻射線排列;木質(zhì)部由管胞、導管、木纖維和木薄壁組織細胞及木射線組成。管胞細胞長度不等，細胞壁厚，細胞間緊密排列成線狀，胞內(nèi)存在顆粒狀淀粉粒物質(zhì)，導管細胞端壁木質(zhì)化并具有網(wǎng)紋等不同形式的次生加厚層;韌皮部細胞較木質(zhì)

21、部小，且排列緊密，由篩管、伴胞、韌皮纖維和薄壁細胞組成，管狀的篩管細胞縱向連接，旁側(cè)由細長、直徑較小的伴胞包圍，薄壁細胞數(shù)量最多，且體積小，細胞壁薄且細胞間隙小;髓部有微孔且輕薄，可能存在含量較高的可消化碳水化合物。髓腔外觀膨松，手感似海綿。髓居于莖中心，由薄壁細胞組成，細胞橫切面呈圓球或多角狀，大小不均等，胞間隙較大，呈不規(guī)那么的網(wǎng)狀排列。由縱切面可以看出，髓部薄壁細胞層數(shù)不齊。紅外光譜測試結(jié)果說明，木薯莖稈木質(zhì)部材料在3403、2931cm-1處有明顯的吸收峰，這是由CH和OH的伸展運動造成的。在1739cm-1處的小吸收峰是由于酯類CO的伸縮振動。在1647、1423cm-1處出現(xiàn)的小吸

22、收峰是芳香環(huán)的吸收帶。在1372cm-1處的吸收峰是CH的非對稱變形所致。在11561025cm-1區(qū)出現(xiàn)的吸收峰是由環(huán)狀COC的CO的伸展運動造成的。在860cm-1處的吸收峰屬于芳香核CH振動。在577cm-1局部的變化主要是芳香碳環(huán)化合物CH面外變形振動與苯環(huán)取代所致。X-衍射推導計算得到，在掃描曲線上22.6°附近有002衍射的極大峰值，木薯莖稈木質(zhì)部結(jié)晶度為50.1%，晶粒尺寸為2.3nm。熱重-熱差分析結(jié)果說明，氣體流量越大、木薯莖稈的失質(zhì)量階段的TG曲線斜率越大，失質(zhì)量率越大，對應的DTG曲線也出現(xiàn)越大的最大峰值，固態(tài)殘留物也越少;隨著升溫速度的提高，樣品的TG/DSC

23、曲線有明顯的右移趨勢。比照發(fā)現(xiàn)，升溫越快，加熱爐內(nèi)的氣流溫度在低溫段停留的時間越短;在空氣氛圍中，溫度為287398是熱解的主要階段，大局部失質(zhì)量發(fā)生在該階段，失質(zhì)量率約為47%，在氮氣氛圍中，267337是熱解的主要階段，失質(zhì)量率約為54%。參考文獻：【1】佚名.國務院辦公廳關(guān)于促進我國熱帶作物產(chǎn)業(yè)開展的意見J.中國熱帶農(nóng)業(yè)，20216：4-5.【2】劉海清，劉恩平，李海亮.中國木薯產(chǎn)業(yè)市場拓展策略研究J.湖北農(nóng)業(yè)科學，2021，5121：4908-4911.【3】馮獻，詹玲.中國木薯及木薯制成品貿(mào)易格局分析J.中國熱帶農(nóng)業(yè)，2021，3：26-29.【4】陶光燦，謝光輝，OrbergH，等.廣西木薯莖稈資源的能源利用J.中國工程科學，2021，132：107-112.【5】馮獻.中國木薯生物燃料產(chǎn)業(yè)開展實證分析D.北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2021.【6】蔣匯川，韋鵬練，李寧，等.木薯莖稈纖維形態(tài)和化學成分的初步研究J.熱帶作物學報，2021，366：1186-1190.【7】王立新，郭強，蘇青.玉米抗倒性與莖稈顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系J.植物學通報，1990，78：34-36.8郭薇，張曾，王萍.酸預處理-酶水