竹材纤维细胞壁是植物体的力学承载单元,决定着植物体的物理、力学和化学性能,其独特的厚薄交替多壁层结构赋予了竹材纤维优良的物理力学性质。深入研究竹纤维细胞多壁层微纤丝取向与超微构造,不仅有助于深入理解竹子的解剖构造,而且对于竹材高附加值利用以及仿生材料设计等都具有重要的理论和现实意义。本文主要以毛竹(Phyllostachys edulis(Carrière)J.Houz.)第10节中部的纤维细胞为研究对象,利用偏振光显微镜(PLM)、场发射环境扫描电镜(FEG-SEM)、原子力显微镜(AFM)对竹纤维细胞壁形貌以及纤维细胞壁各壁层微纤丝取向进行了研究。重点利用原子力显微镜研究了毛竹纤维细胞各壁层微纤丝取向、细胞壁内部精细结构以及微纤丝超微构造。在了解纤维细胞结构的基础上,利用同步辐射广角X射线散射技术(SR-WAXS)从晶体角度对纤维素微纤丝的晶胞模型、结晶度、晶粒尺寸与晶型等晶体结构进行研究。然后利用X射线粉末衍射仪(XRD)、同步辐射广角X射线散射(SR-WAXS)技术、小角X射线散射(SR-SAXS)技术等多种方法研究竹材微纤丝角,通过多种计算方法研究竹材的微纤丝角,从多角度探索竹材纤维细胞壁的多壁层微纤丝取向与超微构造。得出以下的主要结论:(1)利用PLM、FEG-SEM、AFM对纤维细胞微纤丝取向方法比较得知:利用PLM可以初步判断次生壁微纤丝角,纤维细胞厚层的微纤丝角较小,近乎与细胞轴平行,而薄层的微纤丝角较大,与细胞轴近乎垂直。利用PLM更易观察壁层数量,具有2~3个厚层纤维细胞在纤维鞘中的占比为66%。利用FEG-SEM观察脱木素处理后的纵切片,可以清晰的观察到局部壁层的微纤丝角。利用AFM不仅观察到部分壁层的微纤丝角,还可测量初生壁、胞间层、薄层等厚度。综合以上3种设备的测试结果,AFM研究微纤丝取向是一种较优的技术手段。(2)利用AFM观察脱木素弦切片,纤维细胞次生壁的微纤丝角有90°、60°、30°、10°等分布。利用AFM对竹纤维细胞壁斜切面进行连续观察,通过三维重构的方式无法获得完整纤维细胞壁的结构,但可以对壁层内部和微纤丝的超微构造进行研究。纤维细胞中有与纹孔相通横向物质。细胞壁壁层内部结构是由一层层定向排列良好的微纤丝层(细胞壁亚层)组成,其厚度为20nm,亚层之间填充着直径约为18nm的木质素颗粒。微纤丝可以由单个或多个原纤丝组成,绝大多数微纤丝截面是由3~4个原纤丝组成,尺寸为15~20nm。基于多种手段的研究结果和前人研究的基础上,细化了具有2个生长周期层与细胞壁亚层结构的细胞壁模型:初生壁微纤丝呈网状排列,微纤丝与细胞主轴的夹角度数较大,初生壁厚度范围在50nm~80nm之间。初生壁向内是最外层的次生壁(O),微纤丝角为80°~90°,其厚度分布在100nm~1μm之间。一个生长周期层内,靠外侧的微纤丝角较大,约为80°,向内侧的微纤丝角从70°至30°快速递减,构成过渡层,过渡至微纤丝角较小的厚层,厚层的微纤丝角分布范围在5°~20°。过渡层厚度在整个纤维细胞中的厚度不同,在细胞中部的厚度较薄,在纺锤形纤维细胞两端厚度较大,过渡层厚度范围在100nm~400nm之间,在显微镜下呈现为薄层。细胞腔内的微纤丝取向的排列整齐度较差,微纤丝角在30°~60°之间。(3)毛竹纤维素晶胞为单斜晶系,模型若以b轴为纤维轴,晶胞参数为:a=8.35?,b=10.38?,c=8.02?,β=84.99°。毛竹在赤道方向和子午方向均探测到竹材具有结晶性,利用峰高法的计算结晶度结果比分峰拟合法的计算值高15%~20%。毛竹纤维素晶体的长为16.15nm、宽为2.69nm。毛竹中的纤维素是由单斜晶系的纤维素Ⅰβ占据绝对主导地位。(4)当竹材细胞沿主轴方向的旋转时,使用0.6T法计算竹材微纤丝角的结果无明显影响,这与0.6T法的计算理论相违背,因此,0.6T法计算毛竹平均微纤丝角存在一定局限性。通过XRD和SR-WAXS对毛竹试样(002)和(040)晶面衍射峰的比较,利用SR-WAXS测试得到的曲线光滑程度明显较好,使用(002)晶面计算平均微纤丝角的结果分别为9.19°和7.91°,通过XRD对试样(040)晶面衍射峰积分法计算得到的平均微纤丝角为11.02°,通过SR-WAXS的测试结果竹材微纤丝角为6.37°,若不扣除基底,利用(040)晶面计算得到毛竹微纤丝角为11.35°,以上结果均显示毛竹具有较小的微纤丝角。通过SR-SAXS研究结果表明毛竹的微纤丝主要以轴向分布为主,结合毛竹的解剖特征,纤维细胞的微纤丝角为0°~15°,薄壁细胞的微纤丝角约为60°。