油茶果壳的微观解剖结构及孔隙分布特性研究

油茶果壳的微观解剖结构及孔隙分布特性研究
作 者 : 石洋
学位授予单位 : 中南林业科技大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 刘元
学位年度 : 2018
关键词 : 油茶果壳;微观特性;孔隙结构;分形特征
摘 要 : 本文以油茶果壳为原材料,通过宏观、微观和超微观多尺度的观察,分析了油茶果壳的生物结构。结果表明,油茶果壳主要由外果皮、中果皮和内果皮三部分构成,中果皮为油茶果壳的主要部分。果壳外果皮呈深褐色,坚硬密实,中果皮和内果皮颜色较浅,质地疏松。油茶果壳中主要的细胞类型为:纤维细胞、石细胞与薄壁细胞。各细胞组织比量分别为65.75%、14.62%和19.63%。纤维细胞是油茶果壳中最重要的细胞类型,不同果皮部位的纤维形态特征差异较大。油茶果壳纤维属短而粗的纤维,柔韧性差,不适合用于制浆造纸行业。油茶果壳外表面存在突起,附角质层和蜡质层,含微裂隙和表皮毛;内表面存在瘤状突起,附角质层和蜡质层,具有不规则孔隙分布。油茶果壳细胞排列无方向性,杂乱无章。石细胞和纤维细胞壁上存在大量纳米孔分布。果壳不同部位的微纤丝角存在差异,外果皮、中果皮和内果皮的微纤丝角均值分别为31.41°、32.83°和20.22°。中果皮微纤丝角与杉木相近,高于杨木、桉木和毛竹。本研究应用氮气吸附-脱附的方法研究了油茶果壳的孔隙结构分布特性。结果表明,油茶果壳的氮气吸附-脱附等温线属Ⅳ型等温线,回滞环类型属于H3型,氮气吸附容量为17.43cm3/g,BET比表面积为75.82g/m2。果壳孔隙以中孔为主,另有一定量的大孔和少量的微孔,具有平板狭缝或楔形结构,呈微漏斗状,主要来源于细胞壁纤维素微纤丝间以及非结晶区中。油茶果壳中,平均中孔孔径为3~15nm,孔径范围处于3~4nm的孔隙体积约占孔总体积的57.35%,孔径范围处于4~15nm的孔隙体积约占孔总体积的32.43%,孔径大于15nm的孔体积约占孔总体积的10.22%。由t-图法计算的油茶果壳中孔体积为12cm3/g,总表面积为75.87m2/g,外表面积为75.29m2/g。根据孔径分析可得,油茶果壳内流体的渗透效率优于阔叶材杨木,但与针叶材樟子松和非木材毛竹相比,其渗透效率较不理想。本文基于分形理论分析了孔隙结构的分形特征。结果表明,油茶果壳孔隙具有一定的分形结构。孔隙比表面积具有明显的分形特征,ln(V/Vm)与ln[ln(p0p)]的线性拟合方程为y=0.3293x+0.8676,分形维数为2.67,相关系数为0.9451,拟合程度较好。不同孔径级对应的孔隙体积也呈现出一定的分形特征。孔径范围为3~4nm的lnV与ln[ln(p0p)]双对数曲线的线性拟合方程为y-0.3752x-0.6326,孔体积分形维数为2.62,相关系数为0.9968;孔径范围为4~15nm的lnV与ln[ln(p0/p]双对数曲线的线性拟合方程为y=-0.5349x-1.3194,孔体积分形维数为2.47,相关系数为0.9974;孔径范围大于15nm的lnV与ln[ln(p0/p)]双对数曲线的线性拟合方程为y=0.2551x-0.8717,孔体积分形维数为2.74,相关系数为0.9788,三种孔径级的直线拟合程度均较好。油茶果壳孔隙的综合分形维数均值为2.55。孔隙体积和综合分形维数呈一定的正相关关系,线性拟合方程为y=0.0035x-0.0048,相关系数为0.67,数据较为离散。油茶果壳孔隙比与综合分形维数也存在着正相关的线性关系,线性拟合方程为y=52.36x-111.96,相关系数为0.81。基于分形模型理论,预测油茶果壳的孔隙率范围为0.425~0.441,渗透系数为0.016m/d,并推断油茶果壳为弱透水材料。

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