干燥方式對毛竹細胞壁孔隙結構的影響

曹夢丹，張雪霞，任文庭，朱家偉，王漢坤，徐皓誠，余雁*

(1. 國際竹藤中心，北京 100102；2. 國家林業與草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室，北京 100102；3. 福建農林大學材料工程學院，福州 350108)

竹材是一種重要的可再生資源，綜合力學性能優異，但也存在易霉變腐朽、橫向滲透性差、較難膠合、易于開裂等缺陷，嚴重制約其使用。將改性試劑浸注到竹材中，使其與細胞壁中的羥基發生反應，占據或封閉細胞壁中的納米孔隙，可以達到改善其使用性能的目的[1-2]。細胞壁的孔隙特征在很大程度上決定了所能容納化學試劑的空間尺寸、負載率等關鍵指標，同時，細胞壁中的納米孔隙也是影響生物質預處理效果，以及纖維素水解或酶解效率的重要因素之一[3]。因此，研究竹材細胞壁的孔隙特征對于竹材的科學利用具有重要的理論和指導作用。

根據國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)的分類，多孔材料的孔隙結構根據其孔徑大小可劃分為微孔(孔徑<2 nm)、中孔(2 nm≤孔徑<50 nm)、大孔(孔徑≥50 nm)[4-5]三類。竹材的大孔主要包括各種細胞腔、紋孔、細胞間隙等。中孔和微孔主要存在于細胞壁和紋孔膜中，其中：中孔可能主要存在于微纖絲之間，是纖維素微纖絲之間被木質素、半纖維素和抽提物部分填充后形成的空間[1]；微孔直徑較小，可能主要存在于木質素空間網狀結構內，也可能存在于纖維素基本纖絲之間[6-8]。表征生物質材料孔隙結構的參數主要有孔隙率、孔徑分布、孔隙形狀和孔容等，相關的表征研究方法很多，各有其優缺點[9-10]。氣體吸附法(gas adsorption isotherms)可以對微孔、中孔和小尺寸大孔的孔徑分布和孔體積等參數進行定量分析[11-13]。

干燥是細胞壁孔隙坍塌的一個重要因素。木材干燥有常規干燥、冷凍干燥、溶劑置換干燥和超臨界干燥等多種干燥方式。前人已經就干燥對木材孔隙的影響進行了研究[1,14-15]，而目前有關竹材細胞壁孔隙特征的報道較少，主要集中在包括紋孔在內的大孔系統中[16-20]，這很可能是因為竹材細胞壁孔隙率和比表面積較小，測量難度大[21]。大部分竹材進行改性處理前都要經常規干燥處理，對竹材常規干燥后孔隙結構的了解，有助于優化竹材改性工藝；而CO2超臨界和冷凍干燥可以盡可能保持孔隙結構，便于了解竹材的近似天然孔隙特征。筆者以毛竹為研究對象，同時采用N2吸附和CO2吸附對毛竹細胞壁中的中孔和微孔進行研究。在進行表征前，采用常規干燥、冷凍干燥和CO2超臨界干燥等3種不同干燥方法對毛竹進行干燥處理，利用N2和CO2吸附系統測定孔容、孔徑分布等孔徑結構參數，研究不同干燥方式對毛竹細胞壁孔徑結構的影響規律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹(Phyllostachysedulis)采自福建省尤溪縣百竹園，竹齡為4 a。取竹桿高2 m左右的節間，采樣后，將樣品立即保存于冰箱以保持其濕潤狀態。去除樣品的竹青與髓環部分后，鋸切成4 mm×4 mm×4 mm的小試樣，并將這些試樣隨機分為3組。

1.2 試驗方法

1.2.1 干燥處理

測試前采用常規干燥、冷凍干燥和CO2超臨界干燥3種方式對試樣進行干燥處理。常規干燥：將樣品放入干燥箱中進行，80 ℃條件下干燥48 h，樣品標記為M(C)。冷凍干燥：首先用液氮將樣品完全冷凍，然后迅速將其轉移至真空干燥機(FreeZone 2.5L，美國Labconco公司)內，冷阱溫度為-80 ℃，壓力小于0.6 Pa，干燥 48 h，樣品標記為M(FD)。CO2超臨界干燥：將樣品依次放入體積分數為20%，40%，60%，70%，80%，90%和100%的乙醇溶液中處理1 d，梯度置換試樣中的水分[22]，置換完成后，放入臨界點干燥儀(Autosamdri-815A，美國Tousimis公司)內進行干燥，樣品標記為M(SD)。

干燥完成后，經威廉研磨儀(3383-L40，美國Thomas Scientific公司)粉碎過篩得到30～60目(粒徑250～600 μm)的竹粉，待用。研磨過程可能會導致竹材細胞壁產生額外直徑較大的裂隙，但Shi[22]研究認為，輕度研磨對木材細胞壁的微孔和中孔沒有顯著影響。

1.2.2 毛竹孔隙結構的顯微觀察

利用場發射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope，FE-SEM)對常規干燥毛竹橫切面進行形貌觀察。進行掃描電鏡觀察前，所有試樣均采用真空濺射鍍膜機噴涂金200 s，以提供充分的電導率。

1.2.3 細胞壁孔隙率測試

使用經典的比重瓶法[23]測量毛竹樣品細胞壁的孔隙率，介質分別為二甲苯(非極性溶劑)和水(極性溶劑)。由于非極性的二甲苯無法進入細胞壁孔隙，因此測得的為含孔的細胞壁密度；而水則可以進入細胞壁的大部分孔隙，測得的為排除大部分孔隙后的細胞壁實質密度。

具體操作步驟：稱取質量為m1(2～3 g)的絕干樣品，加入25 mL的比重瓶中；然后向比重瓶中注入液體，待粉末完全浸沒后放入真空干燥器中抽真空，直至樣品中的氣泡完全去除；釋放真空后，將液體加入比重計中，使比重計和塞子上的毛細管孔充滿置換液，擦去多余的液體并稱質量(m2)；倒出液體和樣品，清洗并烘干比重瓶，重新加滿液體后再稱質量(m3)。

以水作為介質得到的實質密度為：

以二甲苯作為介質得到的細胞壁密度為：

細胞壁孔隙率為：

式中：ρw為水的密度；ρx為二甲苯的密度。

1.2.4 細胞壁孔隙測試

使用Autoabsorption-1全自動物理化學吸附儀(美國Quantachrome公司)，以N2為吸附介質對毛竹細胞壁的中孔進行測試。取1 g左右干燥處理后的竹粉，放入6 mm的球管中。為去除樣品表面殘余的水分和雜質，所有樣品在氮氣吸附試驗前需在80 ℃下進行10 h以上的抽真空脫氣處理，然后再以純度大于99.999%的高純氮氣為吸附質，在液氮冷卻條件下(液氮溫度為77 K)進行氮氣的等溫物理吸附-脫附測定。吸附-脫附的相對壓力P/P0(P為吸附壓力，P0為氮氣在77 K下的飽和蒸氣壓)在10-7～0.998之間，以65個等距點進行測試，得到吸附等溫線。軟件默認選擇驟冷固體密度泛函理論(quenched solid density functional theory，QSDFT)平衡模型計算N2吸附等溫線，得到中孔的孔徑分布，用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型計算中孔的孔容。

使用美國Micromeritics公司的ASAP 2020比表面積及孔徑分析儀，CO2作為吸附介質對毛竹細胞壁的微孔進行測試。試驗前，以N2吸附前的相同條件進行脫氣。試驗溫度為273 K，吸附-脫附的相對壓力P/P1(P1為CO2在273 K時的飽和蒸汽壓)范圍為0.000 1～0.029，以56個等距點進行測試，獲得吸附等溫線。軟件默認選擇非定域密度泛函理論(non-local density functional theory，NLDFT)平衡模型計算CO2吸附等溫線，得到樣品在微孔區域的孔徑分布，用Horvath-Kawazoe(HK)模型計算微孔的孔容。

a)維管束的木質部導管和韌皮部篩管；b)薄壁基本組織及其細胞間隙；c)竹纖維橫截面的孔隙結構；d)薄壁組織細胞橫切面的孔隙結構；e)竹纖維細胞壁上纖維素微纖絲聚集體及之間的孔隙；f)薄壁組織細胞壁的纖維素微纖絲聚集體及其之間的孔隙。圖1 毛竹橫切面的形態特征Fig. 1 Morphological characteristics of the cross section of Phyllostachys eduli

2 結果與分析

2.1 毛竹孔隙結構的顯微觀察

應用掃描電鏡可以觀察到毛竹尺寸較大的孔隙結構，如圖1所示。在毛竹的橫切面上可見尺度大小不同的孔隙結構，包括原生和后生木質部大導管、韌皮部篩管、薄壁組織細胞腔、竹纖維細胞腔、細胞間隙等。竹纖維腔小、壁厚，細胞壁結構致密，但壁層之間常由于干縮分離產生較大的裂隙(圖1c)。在高分辨場發射電鏡下，竹纖維細胞壁中纖維素微纖絲聚集體清晰可見，大致呈近似圓形界面，排列緊密，一般難以觀察到明顯的孔隙。有時可在靠近初生壁的次生壁區域觀察到一些納米尺度較大的孔隙(圖1e中箭頭所示)，這可能是樣品制備過程中因干燥而后天形成的。相比之下，薄壁組織細胞腔大、壁薄，細胞腔直徑顯著大于竹纖維細胞腔，細胞壁上分布著豐富的紋孔(圖1d中箭頭所示)，并且由于干燥，其壁層之間出現明顯的裂隙。在高倍FE-SEM圖像下，也可以觀察到纖維素微纖絲之間形成更多尺寸大小不一的孔隙(圖1f中箭頭所示)。何盛等[18]用掃描電鏡對毛竹孔隙結構進行了觀察，結果顯示：導管直徑在90 μm左右，薄壁細胞直徑約30 μm，竹纖維直徑約10 μm，紋孔直徑約1 μm。劉嶸等[16]采用樹脂鑄型掃描電鏡觀察，發現毛竹導管上紋孔內口和外口的直徑分別為0.9～2.7和1.1～3.8 μm。由于掃描電鏡的能力有限，細胞壁上存在一些無法觀察到尺寸的更小孔隙，需要用其他方法進行檢測。

2.2 不同干燥處理對毛竹細胞壁孔隙率的影響

將常規干燥、冷凍干燥和CO2超臨界干燥對毛竹細胞壁密度、實質密度和細胞壁孔隙率的影響進行了比較，如圖2所示。圖2a為預處理后的毛竹實質密度，由方差分析可知，在顯著性水平0.05下，不同干燥方式對毛竹細胞壁的實質密度影響不顯著，數值為1.508 0～1.509 9 g/cm3。杜復元等[24]以水作為置換介質，得到的竹材實質密度為1.481～1.514 g/cm3。因此，干燥方式不影響毛竹的實質密度，即干燥方式不影響毛竹細胞壁物質的體積。

圖2b為預處理后的毛竹細胞壁密度，由方差分析可知，在顯著性水平0.05下，M(C)的細胞壁密度(1.459 3 g/cm3)顯著大于M(FD)和M(SD)(分別為1.434 3和1.428 4 g/cm3)，而M(FD)和M(SD)之間無顯著差異。由此可見，常規干燥得到毛竹細胞壁密度顯著大于冷凍干燥和CO2超臨界干燥，但后兩種干燥方法之間的差異不顯著。因此，干燥方式對毛竹的細胞壁密度有明顯影響。楊琳等[25]對尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandi)進行了冷凍干燥和常規干燥，發現冷凍干燥能更大程度保持細胞形態，保留孔隙結構。董國利等[26]研究發現，超臨界干燥能進一步提高TiO2粉體的性能，比常規干燥的孔容提高了約15倍。

從圖2c中可以看出，M(C)的細胞壁孔隙率為3.35%，顯著低于M(FD)和M(SD)(分別為4.89%，5.35%)，表明冷凍干燥和CO2超臨界干燥能較好地保存毛竹細胞壁的孔隙結構，其中CO2超臨界干燥保持毛竹細胞壁孔隙的效果最好。根據毛細管吸附理論，常規干燥過程中，自由水的遷移會導致毛細管張力大于細胞壁橫紋抗拉強度，造成嚴重的皺縮現象，產生嚴重缺陷[27]。冷凍干燥過程中，由于樣品處于冷凍狀態，冰在真空低溫的條件下直接升華，不產生毛細管張力，能較大程度地保持細胞壁形態，避免細胞壁內部孔隙結構發生坍塌[28]，同時在液氮冷凍過程中細胞腔中的自由水轉化為冰，使液態水在管腔中擴張，賦予細胞壁壓應力造成細胞壁水分流失，細胞壁變硬，從而降低收縮率。CO2超臨界干燥是在干燥介質CO2的臨界溫度(31.1 ℃)和臨界壓力(9.3 MPa)條件下進行的一種干燥方式[29]，不存在氣液界面，避免了毛細管張力的產生，因此不會造成多孔材料的收縮和結構破壞，保持了多孔結構的完整[30]。

圖2 不同干燥處理后的毛竹實質密度(a)、細胞壁密度(b)和細胞壁孔隙率(c)Fig. 2 The density of substance (a), cell wall density (b) and cell wall porosity (c) of moso bamboo using different drying methods

2.3 不同干燥處理對毛竹細胞壁中孔的影響

毛竹N2吸附等溫線和中孔的孔徑分布見圖3。根據IUPAC分類[30]，所有樣品的吸附等溫線均屬于Ⅱ、Ⅳ混合型吸附等溫線，在較低相對壓力下存在一定的吸附量，該階段主要填充微孔，說明樣品中存在微孔。吸附量隨相對壓力的增加而增加，此時發生毛細管冷凝，表明有中孔的存在。相對壓力較高時，吸附量迅速增加，且未能達到吸附飽和。脫附等溫線與吸附等溫線不一致，存在滯后環。一般認為，滯后環的類型與孔隙形狀之間存在相關性[11-12,31]。根據IUPAC的分類，3種干燥處理后的毛竹N2吸附的滯后環均屬H3型，在較高相對壓力區域吸附量隨著相對壓力增加而單調遞增，沒有表現出極限吸附量，反映的是一種具有層狀結構的聚集體產生的裂縫狀孔隙[11,32]。因此，干燥方式并未改變毛竹細胞壁的孔隙形狀。N2的吸附量從小到大依次為M(C)、M(FD)、M(SD)，表明細胞壁的總孔容從小到大依次為M(C)、M(FD)、M(SD)，這一結果與比重瓶法測得的結果相符。因此，干燥處理的方式對毛竹的細胞壁孔隙數量有顯著影響。邱堅等[33]采用CO2超臨界干燥制備木材-SiO2氣凝膠復合材料，干燥后保持良好的網絡結構，孔隙尺寸為13～300 nm。萇姍姍等[15]研究發現，經CO2超臨界干燥處理的楊木應拉木具有完好的中孔特征，BET比表面積和中孔孔容顯著高于常規和冷凍干燥處理的試樣。

由圖3b可見，M(C)、M(FD)和M(SD)中孔的孔徑分布存在明顯差異，分別在孔徑為2.0，2.2，3.5 nm處出現峰值，在2.0～4.5 nm范圍內，M(FD)和M(SD)的峰值和峰寬明顯大于M(C)，表明這一范圍內孔隙數量較多，主要存在于微纖絲之間[34]。此外，CO2超臨界干燥后毛竹細胞壁孔徑峰寬也明顯大于冷凍干燥后，表明CO2超臨界干燥相對冷凍干燥能更好地保持竹材細胞壁的孔隙結構。王學寶等[35]采用自然干燥、冷凍干燥和CO2超臨界干燥3種方式制備了高氯酸銨(ammonium perchlorate，AP)/石墨烯復合材料，AP的平均粒徑分別為160，162和69 nm，通過冷凍干燥制備的AP/石墨烯復合材料結構疏松，石墨烯骨架坍塌，多孔結構不明顯；而通過CO2超臨界干燥制備的AP/石墨烯復合材料能基本保持與石墨烯氣凝膠相似的外觀和多孔結構。由此可見，CO2超臨界干燥是保持材料孔隙結構較好的干燥方式，在CO2流體的超臨界溫度和壓力下，可以消除氣液表面壓力，從而減小毛細管張力，防止細胞壁內部骨架坍塌，保護孔隙結構[15,36]。

圖3 不同干燥方式下毛竹的N2吸附等溫線(a)和中孔的孔徑分布曲線(b)Fig. 3 The N2 adsorption isotherm (a) and mesopore size distribution curves (b) of moso bamboo using different drying methods

不同干燥處理后毛竹的中孔孔容和不同孔徑的孔容占比見圖4。通過方差分析可知，在顯著性水平0.05下，M(C)和M(FD)的中孔孔容(分別為0.001 8 和0.002 6 cm3/g)無顯著性差異，而M(SD)(0.004 3 cm3/g)與其他兩種干燥處理有顯著差異。由此可見，經過CO2超臨界干燥處理后，毛竹細胞壁的孔容顯著大于其他兩種干燥方式。萇姍姍等[15]的研究發現，CO2超臨界干燥處理的楊木應拉木具有最好的介孔特征。M(C)、M(FD)和M(SD)孔徑為2～10 nm孔隙的孔容分別占中孔孔容的50.01%，60.78%和54.61%，10～20 nm孔隙的孔容分別占中孔孔容的30.68%，23.81%和27.06%，而孔徑在20～35 nm孔隙的孔容分別占中孔孔容的19.31%，15.41%和18.33%。由此可見，干燥的毛竹細胞壁中孔的孔徑主要為2～10 nm，且冷凍干燥和CO2超臨界干燥處理能更好地保留這一范圍的孔隙，其中CO2超臨界干燥保留中孔的效果最好。

圖4 不同干燥方式下毛竹的中孔孔容(a)和不同孔徑的孔容占比(b)Fig. 4 The mesopore volume (a) and pore volume ratio of different sizes (b) of moso bamboo using different drying methods

2.4 不同干燥處理對毛竹細胞壁微孔的影響

不同干燥處理毛竹的CO2吸附等溫線和微孔的孔徑分布見圖5。一般地，均勻微孔材料的CO2吸附等溫線是可逆的，而毛竹細胞壁的CO2吸附等溫線存在明顯的滯后現象，Shi等[13]在對木材的研究中也發現了這一現象，原因可能是竹材復雜的微孔結構和選擇性捕捉[13,37]。對于CO2的吸附量從小到大依次為M(C)、M(FD)、M(SD)，因此，微孔的孔容從小到大依次為M(C)、M(FD)、M(SD)。

圖5 不同干燥方式下毛竹的CO2吸附等溫線(a)和微孔的孔徑分布曲線(b)Fig. 5 The CO2 adsorption isotherm (a) and micropore size distribution curves (b) of moso bamboo using different drying methods

不同干燥處理后毛竹細胞壁的微孔孔容和不同孔徑的孔容占比見圖6。方差分析表明，在顯著性水平0.05下，M(C)的微孔孔容(0.007 4 cm3/g)顯著低于M(FD)和M(SD)(分別為0.010 1和0.010 9 cm3/g)，但M(FD)和M(SD)之間無顯著差異。因此，冷凍和CO2超臨界干燥均能很好地保留微孔結構。M(C)、M(FD)和M(SD)0.4～0.6 nm孔徑的孔容分別占微孔孔容的64.34%，61.14%和59.10%;0.6～0.8 nm孔徑的孔容分別占微孔孔容的22.69%，16.36%和19.86%;而0.8～1.0 nm孔徑的孔容分別占微孔孔容的12.97%，22.50%和21.04%。由此可見，干燥后毛竹細胞壁微孔的孔徑主要為0.4～0.6 nm，已有研究表明這部分孔隙主要存在于木質素中[6-8]。當孔徑在0.4～0.6和0.8～1.0 nm范圍內時，M(FD)和M(SD)的峰值和峰寬明顯大于M(C)，因此，冷凍和CO2超臨界干燥處理能更好地保留這一范圍的孔隙，特別是在0.8～1.0 nm范圍內，常規干燥導致的孔隙塌陷更加明顯。

圖6 不同干燥方式下毛竹微孔孔容(a)和不同孔徑的孔容占比(b)Fig. 6 The micropore volume (a) and pore volume ratio of different sizes (b) of moso bamboo using different drying methods

3 結 論

采用場發射掃描電鏡對毛竹尺寸較大的孔隙結構進行觀察，發現在毛竹的橫切面上可見尺度大小不同的孔隙結構，包括原生和后生木質部大導管、韌皮部篩管、薄壁組織細胞腔、竹纖維細胞腔、細胞間隙等孔隙結構。不同干燥方式對毛竹細胞壁的實質密度影響不顯著；常規干燥得到的毛竹細胞壁密度(1.459 3 g/cm3)顯著大于冷凍干燥和CO2超臨界干燥(分別為1.434 3和1.428 4 g/cm3)。冷凍干燥和CO2超臨界干燥處理可以較好地保持毛竹細胞壁的孔隙結構，細胞壁孔隙率分別為4.89%，5.35%，明顯高于常規干燥(3.35%)。干燥方式不會改變毛竹細胞壁裂縫狀的孔隙結構。CO2超臨界干燥處理后，毛竹細胞壁的中孔孔容為0.004 3 cm3/g，顯著大于其他兩種干燥方式(分別為0.001 8和0.002 6 cm3/g)，干燥后毛竹細胞壁中孔的孔徑主要為2～10 nm，且冷凍干燥和CO2超臨界干燥處理能較好地保留這一范圍的孔隙，但后者的效果明顯優于前者。常規干燥毛竹的微孔孔容(0.007 4 cm3/g)顯著低于冷凍干燥和CO2超臨界干燥(分別為0.010 1和0.010 9 cm3/g)，干燥后毛竹細胞壁微孔的孔徑主要為0.4～0.6 nm，冷凍干燥和CO2超臨界干燥處理均能較好地保留這一范圍的孔隙，并且兩者之間的差異不顯著。從總體上看，CO2超臨界干燥對毛竹細胞壁孔隙結構的保持效果最優，并且對中孔的保護效果更明顯。