宋路路，高鑫，王新洲，任慧群，陳白，許斌*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京100091；3.浙江省麗水市慶元縣松源街道林業(yè)工作站，浙江麗水323800)

低場NMR技術(shù)測定竹材的纖維飽和點

宋路路1，高鑫2，王新洲1，任慧群1，陳白3，許斌1*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京100091；3.浙江省麗水市慶元縣松源街道林業(yè)工作站，浙江麗水323800)

以4年生毛竹為試材，利用低場核磁共振(LF-NMR)技術(shù)研究了毛竹中的質(zhì)子H在室溫和-3℃條件下的自旋-自旋馳豫時間(T2)特性，以分析竹材水分分布特征。由于固態(tài)冰與液態(tài)水的弛豫時間和竹材自由水和結(jié)合水凝固點的差異性，本試驗采用僅凍結(jié)竹材細(xì)胞腔內(nèi)自由水來獲取結(jié)合水信號的方式，通過對比冷凍前后T2弛豫信號反演峰的面積，可確定結(jié)合水準(zhǔn)確含量。結(jié)果表明：在室溫條件下，T2分布峰大致為3個，-3℃溫度下T2分布峰為1個，根據(jù)毛竹細(xì)胞壁內(nèi)吸著水所處空隙較小、T2弛豫時間較短可以判斷，峰1為結(jié)合水弛豫，峰2和峰3為自由水的弛豫。毛竹的纖維飽和點(FSP)均值約為35%，測試結(jié)果高于傳統(tǒng)外推法結(jié)果，與差示掃描量熱法(DSC)等實測法的結(jié)果相符。試驗結(jié)果證明核磁共振可以作為快速測定竹材纖維飽和點的有效手段。

低場核磁共振(LF-NMR)；弛豫時間T2；纖維飽和點；毛竹

竹材是我國重要的速生、可再生資源之一，一直以來被作為建筑、裝飾材料以及生活用具，在我國乃至全世界其他產(chǎn)竹國都得到廣泛應(yīng)用[1-3]。纖維飽和點(fiber saturation point，F(xiàn)SP)指的是木質(zhì)纖維素材料細(xì)胞壁中吸著水處于飽和狀態(tài)，而細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中沒有自由水的特定含水率狀態(tài)[4-5]。纖維飽和點是木材物理力學(xué)性能發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點，纖維飽和點可以采用多種方法測量，比如電學(xué)法、干縮法、差示掃描量熱法和力學(xué)法等[6-9]，但不同方法的測量結(jié)果之間存在一定差異，比如干縮法、力學(xué)法和電學(xué)法測得馬尾松的纖維飽和點分別為28.45%，29.19%和30.00%。

竹材也存在纖維飽和點，因為竹材與木材同屬木質(zhì)纖維素材料[10]。輝朝茂等[11]用干縮法測得云南7種竹材的纖維飽和點為14.00%～26.81%；周芳純[12]用力學(xué)法測得毛竹纖維飽和點為30%～35%；關(guān)明杰等[13]用干縮法測得甜竹的弦向纖維飽和點為34.84%，徑向纖維飽和點為34.52%。

低場核磁共振被應(yīng)用于農(nóng)林食品、石油化工、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域主要是由于其具有分析水分分布狀態(tài)功能[14]。低場核磁共振(LF-NMR)在室溫和-3℃條件下通過對木材水分弛豫時間T2的測定，又由于結(jié)合水和自由水在細(xì)胞腔凝固點的不同，可以描述水分子的運動情況及其存在狀態(tài)。目前低場核磁共振技術(shù)在木材領(lǐng)域正逐漸應(yīng)用，大多應(yīng)用于木材吸著水的T2變化、木材中水分T2分布規(guī)律、木材含水率與核磁共振FID信號關(guān)系等方面的研究[15-16]，由于竹材與木材同屬于木質(zhì)纖維素材料，可以將核磁共振技術(shù)引進(jìn)到竹材的纖維飽和點測定上。本試驗以毛竹為研究對象，采用低場核磁共振技術(shù)，研究在冷凍自由水條件下，通過分析弛豫時間T2分布變化規(guī)律，將宏觀與微觀機理相結(jié)合，探討低場核磁共振測量竹材纖維飽和點的可行性，以期為深入研究毛竹材性和干燥機理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為4年生新鮮毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv.Pubescens)，于2016年2月采自浙江省慶元縣，竹筒長度為830 mm(4節(jié))，壁厚10～12 mm，竹筒彎曲度≤ 2%。分別從4根竹材的同一部位取樣，沿其縱向鋸成20 mm長節(jié)間部分，沿縱向劈成截面為6 mm×6 mm，最終測試試樣尺寸為20 mm×6 mm×6 mm。試樣5個為1組，共4組。加工試樣后，采用真空飽和裝置對試樣進(jìn)行飽和處理，保證試樣含水率高于纖維飽和點(FSP)，處理時間一般高于6 h即可。按照GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》規(guī)定要求加工測定基本密度數(shù)值。

1.2 試驗儀器

核磁共振分析儀：MicroMR-10型，上海紐邁電子科技有限公司，共振頻率11.539 MHz，磁體強度0.25 T，線圈直徑為10 mm，磁體溫度為32℃，測試溫度25℃和-3℃；滑走式切片機：REM-710型，日本YAMATO公司；恒溫水浴鍋：HH-W420型，江蘇金壇榮華儀器制造有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：1010-1B型，上海實驗儀器有限公司。

1.3 核磁共振試驗測試參數(shù)設(shè)定

毛竹試樣的自旋-自旋弛豫時間(T2)利用脈沖序列(CPMG)測得，試驗參數(shù)設(shè)置為：90°脈沖寬度3 μs，180°脈沖寬度6 μs，采樣點數(shù)為50 0012，采樣頻率為250 kHz，重復(fù)等待時間3 000 ms，模擬增益為20，數(shù)字增益為3，采樣次數(shù)為16，半回波時間為0.2 ms，新鮮毛竹的回波個數(shù)10 000，采用CONTIN算法對CPMG序列采集到的峰點進(jìn)行反演，得到竹材吸著過程中水分的分布情況，從而推斷出竹材纖維飽和點。

1.4 試驗原理

本試驗根據(jù)吸著水與自由水凝固點差異，通過冷凍處理且僅凍結(jié)自由水，保證吸著水仍為液態(tài)，這樣可以確保在毛竹內(nèi)充分凍結(jié)自由水的情況下，細(xì)胞壁內(nèi)吸著水仍然為液態(tài)。自由水凍結(jié)成冰的弛豫時間僅約6 μs，小于MicroMR-10響應(yīng)時間，因此弛豫信號均來源于未凍結(jié)吸著水，通過對比冷凍前后T2弛豫信號可確定吸著水準(zhǔn)確含量。確定自由水凍結(jié)溫度時，主要考慮Gibbs-Thomson效應(yīng)導(dǎo)致與竹材內(nèi)含物對自由水凝固點的影響，如果將細(xì)胞腔與細(xì)胞壁內(nèi)孔隙假設(shè)為圓柱形，則孔隙中液體凝固點與孔徑關(guān)系可表達(dá)為Gibbs-Thomson方程：

(1)

式中：Tm為宏觀狀態(tài)水的凝固點，K；Tm(D)為管徑D的細(xì)管內(nèi)水的凝固點，K；σ為界面自由能，mJ/m2；ρ為水的密度，kg/m3；Hf為水的比焓，J/g；θ為接觸角(°)。采用以下數(shù)據(jù)計算Tm=273.15 K，σ=12.1 mJ/m2，θ=180°，ρ=1.0×103kg/m3，Hf=333.6 J/g，可以得到：

(2)

一般而言，毛竹的薄壁細(xì)胞橫向?qū)挾葹?0～60 μm，竹纖維的細(xì)胞腔一般約在3 μm以上，導(dǎo)管的直徑則一般在100 μm以上，根據(jù)公式(2)，自由水凝固點降低約為0.01℃，而竹材細(xì)胞壁吸著水溫度低于-10℃才可能產(chǎn)生凍結(jié)，竹材內(nèi)含物可能導(dǎo)致自由水凝固點的下降，此值可參考木材內(nèi)含物使自由水凝固點降低0.1～2.0℃的標(biāo)準(zhǔn)，因此將冷凍處理溫度設(shè)定為-3℃，確保自由水充分凍結(jié)而吸著水仍為液態(tài)。

1.5 試驗方法

試樣加工完畢后進(jìn)行編號，利用電子天平稱量試樣初始質(zhì)量并作記錄，然后用保鮮膜與密封袋密封保存，進(jìn)行CPMG測試時首先在室溫狀態(tài)(溫度計顯示25℃)條件進(jìn)行測試，采集常溫狀態(tài)T2信號。常溫測試結(jié)束后開啟冷凍控溫系統(tǒng)，對試樣進(jìn)行降溫處理，將試樣細(xì)胞腔內(nèi)自由水凍結(jié)，冷凍后再次采用CPMG序列采集試樣T2；低場核磁測試后將試樣取出，置于(103±2)℃溫度烘箱中烘至絕干，參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》進(jìn)行測定。

考慮竹材試樣信號量會受到冷凍處理的影響，依據(jù)公式(3)修正溫度產(chǎn)生的影響。

(3)

式中：M為磁化強度，A/m；γ為旋磁比，MHz/T；h為普朗克常數(shù)/2π；N為自旋密度；I為自旋量子數(shù)；H0為磁場強度，A/m；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度，K。本試驗室溫狀態(tài)下的溫度T025℃(298 K)為參考溫度，而其他參數(shù)認(rèn)為不變，則-3℃(270 K)溫度狀態(tài)下測得的信號量需乘以修正系數(shù)(270/298)[17]。根據(jù)兩種溫度條件下測得的峰面積比例關(guān)系，可計算出木材吸著水飽和含量Mb。

(4)

式中：MC為按照GB/T 1931—2009計算得到的試樣含水率，%；S-3℃為毛竹試樣在-3℃條件下檢測到的水分弛豫時間T2反演峰總面積，mm2；S25℃為毛竹試樣在室溫條件下檢測到的水分弛豫時間T2反演峰總面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同竹材試樣的纖維飽和點

經(jīng)過絕干處理后的竹材試件在25℃和-3℃溫度下通過CPMG序列掃描，經(jīng)反演得到竹材水分弛豫時間T2的分布。通常認(rèn)為每個峰代表一種成分，其峰點位置對應(yīng)的是某種成分的平均弛豫時間，其峰面積的大小表示該成分弛豫信號強度。

4個竹材試樣自旋-自旋弛豫時間(T2)分布見圖1。從弛豫時間分布圖可以看出，在室溫25℃條件下，Z-1竹材試樣呈現(xiàn)2個波峰，Z-2至Z-4竹材試樣呈現(xiàn)3個波峰。-3℃條件下竹材試樣呈現(xiàn)為1個波峰。

圖1 Z-1至Z-4竹材吸著水與自由水的T2分布Fig. 1 The relaxation time distribution of hydroscopic and free water in bamboo

由圖1、表1可知，竹材在25℃溫度下，為準(zhǔn)確測量竹材的纖維飽和點，將竹材的自旋-自旋弛豫時間反演圖譜進(jìn)行分析。由圖1可知，竹材在25℃出現(xiàn)峰數(shù)目2～3個，即水分在竹材中的存在狀態(tài)不同，前人研究認(rèn)為[18-21]：結(jié)合水的弛豫時間通常在2～4 ms以下，弛豫時間高于4 ms通常為自由水弛豫時間的分布區(qū)間。樹種和取樣部位的不同會導(dǎo)致自由水和結(jié)合水弛豫時間的不同。結(jié)合得到竹材的弛豫時間數(shù)據(jù)以及竹材細(xì)胞結(jié)構(gòu)，可以大致推斷出弛豫時間低于16 ms以及16～35 ms為毛竹結(jié)合水的弛豫時間分布區(qū)間；高于35 ms為毛竹自由水的弛豫時間范圍。

表1 -3℃和25℃竹材試樣中水分的自旋-自旋弛豫時間

由圖1、表1還可知，為準(zhǔn)確測量在-3℃溫度下竹材的纖維飽和點，對竹材的自旋-自旋弛豫時間反演圖譜進(jìn)行分析。由圖1可知竹材在-3℃下出峰數(shù)目為1個，即竹材在-3℃條件下水分的存在形式為結(jié)合水。通過公式(4)和兩種溫度條件下測得的峰面積比例關(guān)系，可計算出竹材的纖維飽和點。

由表2可知，測試的4組新鮮竹材試樣的FSP依次為31.11%，32.45%，39.24%和37.53%，平均值約為35%，測定結(jié)果高于常規(guī)測試方法所測值，如力學(xué)法以及干縮濕脹等外推法測得的數(shù)值一般為30%以內(nèi)，產(chǎn)生這一差異的主要原因是兩種測試方法樣品差異。工程應(yīng)用中普遍采用干縮濕脹外推法測定竹材的纖維飽和點，但由于外推法是通過曲線擬合的方式對纖維飽和點進(jìn)行推算，因此該方法測得的并不是實際值，而是估計值?？蒲腥藛T利用DSC等實測法測定竹材的吸著水含量普遍高于30%，一般在35%以上，所以有研究人員指出外推法實際上低估了細(xì)胞壁所能容納吸著水極限，從而也就低估了實際的纖維飽和點數(shù)值。利用低溫NMR測試時可直接采用試樣的細(xì)胞壁飽和水，保證了細(xì)胞壁充分潤脹，從而可以獲得纖維飽和點的真實數(shù)值。而低溫核磁又具有簡潔快速的優(yōu)勢，相較于溶劑法和多孔板法等傳統(tǒng)測試方法較為復(fù)雜繁瑣的操作及較長時間的測試周期，核磁法測試一個試樣時間可控制在1 h以內(nèi)，具有明顯的優(yōu)勢。

表2 竹材試樣弛豫分布信息及吸著水飽和含量

2.2 不同試樣纖維飽和點差異分析

竹材試樣纖維飽和點的一般分布范圍為30%～40%，產(chǎn)生差異的主要原因是試樣的密度差異。作為生物質(zhì)材料，特別是多年生植物類材料，沿試樣直徑方向密度存在著差異變化。纖維飽和點實際上是細(xì)胞壁所能容納的吸著水的最大含量，同時也代表著竹材細(xì)胞壁壁脹與自身剛度之間的平衡，因此密度不同，造成力學(xué)性能的差異，最終導(dǎo)致細(xì)胞壁潤脹性的差異，影響了纖維飽和點數(shù)值的高低。后期可以進(jìn)行更為細(xì)致的實驗，測定基本密度后再進(jìn)行測試。

3 結(jié) 論

1)不同的毛竹試樣纖維飽和點(FSP)分布范圍為30%～40%，產(chǎn)生差異的主要原因是試樣的密度差異。

2)室溫條件下毛竹內(nèi)水分質(zhì)子自旋-自旋弛豫時間(T2)呈現(xiàn)2～3個波峰，-3℃條件下試樣弛豫時間T2均表現(xiàn)為代表結(jié)合水的一個波峰。

3)利用低場核磁對竹材(毛竹)生材的纖維飽和點進(jìn)行測試，4組試樣的纖維飽和點測試結(jié)果分別為31.11%，32.45%，39.24%和37.53%，平均值約為35%，測定結(jié)果高于常規(guī)測試方法所測值，如力學(xué)法以及干縮濕脹等外推測法測得結(jié)果，與DSC測試結(jié)果相符。相較于溶劑法、多孔板法等傳統(tǒng)測試方法較為復(fù)雜繁瑣的操作及長時間的測試周期，低場核磁法測試一個試樣時間可控制在1 h以內(nèi)，具有簡便快速的明顯優(yōu)勢。

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Determination of fiber saturation point of bamboo using LF-NMR

SONG Lulu1, GAO Xin2, WANG Xinzhou1, REN Huiqun1, CHEN Bai3, XU Bin1*

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;2.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3.ForestryWorkstationsinSongyuanStreetofQingyuan,Lishui323800,Zhejiang,China)

To explore the water distribution in bamboo, this study examined the spin-spin relaxation time (T2) of water proton H in four years old bamboo using the low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) spectroscopy at room temperature and -3℃. Due to the different freezing points between free water and bound water in bamboo, the different relaxation times between solid ice and liquid water were also measured. Therefore, the experiments were focused on collecting signals of the bound water through freezing free water in cell cavities of bamboo. The bound water content was accurately determined by comparing theT2inversion peak areas measured before and after freezing separately. The results showed that there was only one distribution peak at -3℃, while there were roughly threeT2distribution peaks at room temperature. At room temperature, based on the small gaps taken by bound water in cell walls of bamboos and short relaxation time ofT2and other qualitative research results, consequent peak 1 with the shortest relaxation time generally represents the relaxation of bound water, while peak 2 and peak 3 with comparatively longer relaxation time should be from the relaxation of free water. The fiber saturation point (FSP) can be calculated as 35% by comparing inversion peak areas. Therefore, all the results indicated that the low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) can be regarded as an experimental method to quickly measure the fiber saturation point of bamboos. In addition, the experimental process is simple and without any damage for bamboos, except making a proper freezing treatment of samples. It was found that the measured values by using this method were mostly higher than the calculated values by traditional extrapolation, and close to the values measured by field methods, such as the differential scanning calorimetry (DSC).

LF-NMR; relaxation timeT2; fiber saturation point; bamboo

2016-05-23

2016-10-28

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304503)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。

宋路路，男，研究方向為竹質(zhì)工程材料。通信作者：許斌，男，副研究員。E-mail:xr9621@njfu.com.cn

S781

A

2096-1359(2017)01-0036-05