原子力显微镜（AFM）评价杨絮纤维

纳米纤维素可广泛应用于造纸、复合材料、医疗、净化过滤、化工、信息等领域。特别是纳米纤维素的加入，可以大大提高纸浆的物理性能。纳米纤维素具有高生物质相容性、高比表面积等优异性能，可作为补强剂添加到复合材料中。纳米纤维素是一种稳定的胶体，在制药工业中可作为药物载体。因此，对天然纤维素及其衍生物的研究越来越受到重视。

纤维素纳米原纤维（CNFs）的长度为几微米，直径约为15纳米。由于其独特的超分子结构和形态，CNFs具有优异的机械、光学和小分子物理屏障性能。因此，CNFs在生物材料、医药、信息等行业具有广阔的应用前景。

杨树（Populus tomentosa）絮皮纤维（PCF）是覆盖在白杨树种子上的一种类似棉花的絮皮纤维。杨树是一种生长周期短、价格低廉的速生树种。主要集中在东北、华北和西北地区。中国白杨林总面积超过7万平方公里，并逐年增加。每棵杨树可收获约25公斤柳絮。流苏纤维主要由纤维素和半纤维素以及木质素组成，细胞壁薄，管腔大。

每年4月至6月期间，空气中漂浮着PCFs，给环境和居民健康造成了很大的困扰。Zhang等¹重点研究了杨树（Populus tomentosa）絮絮纤维作为酶解生产生物乙醇的新资源。Yin等对杨柳絮吸水吸油性能进行了研究。他们研究了如何抑制PCFs的产生，但没有研究如何利用它们。目前对PCFs的微观结构和力学性能研究较少。

近年来，显微成像和光谱表征方法已被用于木材纤、竹纤维和棉纤维等植物纤维细胞壁的纳米结构和化学成分分析。Chen等人利用原子力显微镜（AFM）技术表征了微原纤维在薄壁细胞横截面上的聚集。Xiao等和Hao等通过制定高效有机溶剂体系分离木质素纤维素，利用x射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对木棉纤维的细胞壁层结构进行了研究，得出木棉纤维和棉纤维具有相似的多壁层结构。

Fernandes等人²利用小角中子射线扫描（SANS）和广角x射线散射（WAXS）等一系列光谱技术研究了云杉纤维的纳米结构。

Oliver and Pharr. ³建立了一种利用载荷-位移传感压痕测定木纤维硬度和弹性模量的改进技术。单根纤维拉伸、纳米压痕技术等微观力学表征方法的发展和应用，使得微力学测试与光谱分析技术相结合成为研究植物纤维微观结构和性能的有效途径。此外，Himmel等指出生物质的可生物降解屏障影响木纤维原料的生物转化成本。更全面和深入地了解这些屏障将有助于更有效地分解植物纤维的可生物降解屏障。

从图1可以看出，随着相对压力的增加，氮气的吸附量先快速增加，然后缓慢增加，最后快速增加，为典型的s型等温线。通常，高压端氮气吸附的突然增加表明表面存在中孔和大孔，这是固体均匀表面多层吸附的结果。图2显示，纤维素I晶面（110）和纤维素I结构（200）的特征峰分别出现在16°和22°处。

图1 杨树絮絮纤维的N₂吸附和解吸曲线。

图2 未经处理杨树絮絮纤维的x射线衍射图。

细胞壁是由复杂的多糖、木质素和少数结构蛋白组成的薄而柔韧的层（0.1 ~ 1.0微米），构成纤维的三维网络结构，在植物生长、细胞分化和植物支持中起着重要作用[8]。PCFs细胞壁有三层，分别为初壁、次壁和表皮层。初生壁和表皮层厚度较薄，次生壁较厚。纤维素是植物细胞壁的主要成分，提供抗拉强度。植物中的纤维素主要以微小的微纤维形式存在，微纤维是纤维素分子的基本单位。

在植物细胞中，木质素是第二丰富的大分子物质，存在于纤维素形成的结构间隙中。木质素的作用增强了木质部的韧性，从而增强了植物的机械强度。初生壁和表皮的微纤维排列是相似的。PCF具有较低的木质素含量和较高的纤维素含量，无疑在很大程度上打破了生物质降解屏障，这对提高CNF的转化率有很大的好处。因此，本研究采用场发射扫描电子显微术（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱仪（FT-IR）和纳米压痕等方法研究了PCFs的微观结构和纳米力学性能。研究PCF的结构和细胞壁力学性能的结果对PCF在纳米纤维素等高附加值领域的应用具有重要意义。

1.Zhang, X.;  Li, Z.;  Yu, Y.; Wang, H., Characterizations of poplar catkin fibers and their potential for enzymatic hydrolysis. Journal of Wood Science 2018, 64 （4）, 458-462.

2.Fernandes, A. N.;  Thomas, L. H.;  Altaner, C. M.;  Callow, P.;  Forsyth, V. T.;  Apperley, D. C.;  Kennedy, C. J.; Jarvis, M. C., Nanostructure of cellulose microfibrils in spruce wood. Proceedings of the National Academy of Sciences 2011, 108 （47）, E1195-E1203.

3.Oliver, W. C.; Pharr, G. M., An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 1992, 7 （6）, 1564-1583.

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