《Journal of Natural Fibers》：Micromorphological and Micromechanical Property Heterogeneity: A Fine-Scale Analysis within a Single Thyrsostachys oliveri Culm
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本文首次系统揭示了具有梯度结构的单秆三年生橄榄竹，其纤维形态（长度、宽度、腔径、朗克尔比）与微力学性能（纳米压痕弹性模量E、硬度H）在轴向（顶部-中部-基部）和径向（外壁-中壁-内壁）均存在显著梯度变化。研究结合离析观察与纳米压痕技术，为评估该物种作为纸浆原料的潜力提供了关键的纤维结构与微力学证据。
摘要
竹纤维是决定竹子优异力学性能的关键结构单元。作为一种具有优良物理力学特性的竹种，Thyrsostachys oliveri（橄榄竹）在纸浆与造纸领域展现出应用潜力。然而，其纤维的微观形态与力学性能此前尚不明确。本研究选取一株三年生竹秆，通过纤维离析与纳米压痕技术，系统探究了T. oliveri纤维在竹秆轴向与径向的形态梯度变化及其弹性模量（E）与硬度（H）的微力学特性，旨在为深入理解其结构与性能关系及评估其工业应用价值提供依据。
引言
竹子作为一种生长快速、性能优异的可再生资源，在建筑、纺织和复合材料领域具有广泛前景。其卓越的强度、韧性和轻质特性源于多尺度的梯度结构特征，其中微观尺度的纤维构成是决定其宏观力学表现的主要因素。竹纤维主要由厚壁纤维细胞和薄壁薄壁细胞组成，其形态、排列与相互作用直接影响竹材的力学行为。这些微观结构特征由竹子的生长特性所决定，包括轴向（细胞分裂与伸长）和径向（细胞增殖、分化与细胞壁增厚、木质化）的扩张过程，从而在纤维的结构与性能上形成了轴向与径向梯度。深入探究纤维的微观形态，对于理解其结构特性及其对力学性能的影响、进而优化其应用至关重要。
T. oliveri 是一种原产于东南亚、近年引入中国各地的乔木状竹种，通常用于观赏。已有研究指出其竹秆通直均匀，具备优良的物理力学性能，适合用于纸浆生产。然而，其纤维的微观形态与力学性能仍鲜为人知。因此，本研究旨在：（1）探究T. oliveri纤维沿竹秆轴向与径向的形态变化；（2）阐明其纤维弹性模量与硬度沿轴向与径向的变异规律。
材料与方法
材料
样品采集自中国福建省华安竹种园（25°00‘36.00“ N，117°32’27.00” E）。研究选取一株三年生竹秆，分别从竹秆顶部（距地7.5 m）和中部（4.5 m）的秆壁中层，以及基部（1.5 m）的秆壁外层、中层和内层取样，以研究其微观形态与微力学性能在纵向和径向的梯度变化。
方法
离析
将样品置于30%过氧化氢与冰醋酸的混合液中，60°C加热8小时，获得纤维悬浮液。每个区域随机选取30根纤维，测量其长度、宽度、腔径并计算朗克尔比（Runkel Ratio, RR）。
纳米压痕测试
样品经温湿度平衡、切割成型并抛光后，使用配备Berkovich金刚石压头（尖端直径≤100 nm）的Triboindenter进行纳米压痕测试。测试采用力控模式，最大载荷为250 μN，包含加载、保载和卸载三个阶段。通过分析卸载曲线数据，并根据Oliver-Pharr方法计算样品的压痕弹性模量（E）和硬度（H）。测试前后均对样品表面进行扫描，以选择有效的压痕数据并排除无效值。
数据分析
使用Spss 2024进行统计分析，使用Origin 2022作图。由于本研究基于单秆，所有统计比较旨在描述竹秆内部的空间变异，而非物种水平的推断。
结果
纤维形态的轴向变化
在秆壁中层，T. oliveri纤维的平均长度从基部（1872.3 μm）向顶部（1611.8 μm）递减。平均宽度和平均腔径也呈现出自基部向顶部逐渐减小的趋势。朗克尔比（RR）则在基部最低（平均0.79），向顶部升高（平均1.62），表明基部纤维的壁更薄、更柔韧。
纤维形态的径向变化
在竹秆基部，从内壁到外壁，纤维的长度、宽度和腔径均呈现先增加后减少的趋势，在中壁达到最大值。RR在中壁最低（平均0.79），在外壁和内壁稍高。
纤维强度的轴向变异性
纤维的弹性模量在顶部最高（23.9 GPa），中部最低（22.1 GPa）。硬度则从顶部（601 MPa）向基部（629 MPa）逐渐增加。
纤维强度的径向变异性
在竹秆基部，纤维的弹性模量从外壁（24.0 GPa）向内壁（22.8 GPa）递减。硬度则呈现相反的趋势，从外壁（620 MPa）向内壁（663 MPa）逐渐增加。
讨论
制浆造纸的纤维形态分析
作为一种梯度结构材料，竹子的纤维形态在轴向和径向均呈系统性变化。在所研究的T. oliveri竹秆中，大多数区域的纤维被归类为长纤维。其中，基部秆壁中层展现出最具潜力的制浆形态指标组合：纤维长度最长（1872.3 μm）且朗克尔比最低（0.79）。较低的RR意味着纤维壁薄、柔韧性好，通常被认为是更优质的造纸原料。T. oliveri的纤维长度高于一些已用于制浆的其他竹材原料，这可能在制浆过程中有益。
不同部位纤维微力学变异性分析
弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。本研究中，T. oliveri纤维的压痕弹性模量（22.1–24.0 GPa）高于广泛使用的毛竹（21.69 GPa）。在轴向上，顶部纤维的弹性模量最高，这可能源于顶部维管束面积分数更高、纤维木质化程度更显著。在径向上，外壁纤维的弹性模量最高，可能与外壁区域细胞壁更厚、维管束更密集分布有关。
硬度量化了材料抵抗局部永久变形的能力。T. oliveri纤维的硬度（601–663 MPa）略低于毛竹顶部和中部的硬度（610 MPa）。在轴向上，基部纤维硬度更高；在径向上，内壁纤维硬度最大。这可能归因于这些部位纤维细胞的木质化程度更高以及次生壁的额外沉积。
对于纸浆造纸工业而言，较高的纤维弹性模量意味着制浆过程中纤维断裂率较低；而较高的硬度则意味着纤维在磨浆时更难被破碎，需要更大的机械能输入。与常用于造纸的慈竹相比，T. oliveri表现出显著更高的弹性模量和硬度，预示着其在制浆过程中纤维断裂率更低，但破碎纤维所需的能量也更多。
需要指出的是，本研究基于单秆，结果代表了所研究竹秆内部的空间变异模式。纳米压痕获得的微力学特性不能完全代表其宏观力学性能，后者同时受到竹纤维和薄壁细胞的影响。未来的研究需要在多竹秆、多地点/竹龄样本上进行，以进行种群或物种水平的推断。
结论
T. oliveri纤维的微观形态在轴向和径向均存在梯度变异，多数纤维属于长纤维。在所研究的单秆不同区域中，基部秆壁中层在形态指标上显示出最佳的制浆潜力。同时，纳米压痕分析表明，T. oliveri纤维具备优良的微力学性能，支持其作为纸浆原料的潜力。与纤维微观形态的变化一致，T. oliveri的力学性能也表现出径向和轴向的梯度差异：在轴向上，顶部秆壁中层的弹性模量最高（23.9 GPa），而基部秆壁中层的硬度最高（629 MPa）；在径向上，基部外壁的弹性模量最高（24.0 GPa），而内壁的硬度最高（663 MPa）。总体而言，T. oliveri可作为仿生设计的模型物种，对其梯度结构细胞壁的纳米压痕研究为新一代竹纤维素纳米晶体增强聚合物复合材料的设计提供了灵感。
