張同華 李曉龍 程 嵐 毛 龍 (西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院,重慶,400715)

棕櫚纖維的性能及其應(yīng)用現(xiàn)狀

張同華 李曉龍 程 嵐 毛 龍 (西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院,重慶,400715)

介紹了棕櫚纖維的性能特點(diǎn),討論了現(xiàn)階段棕櫚纖維的研究狀況及其纖維制品的加工利用形式,對(duì)棕櫚纖維的研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

棕櫚纖維,性能研究,應(yīng)用現(xiàn)狀,展望

棕櫚是我國(guó)普遍生長(zhǎng)的棕櫚科植物,廣泛分布在我國(guó)江南各省,它不僅是優(yōu)良的觀賞樹種,還是重要的經(jīng)濟(jì)植物。棕櫚纖維屬于棕樹的葉鞘纖維,自古以來(lái)就用于人們的生產(chǎn)和生活中,陳藏器《本草拾遺》中有“其皮作繩千年入水不爛”的記載。棕櫚葉鞘纖維稱為棕板 (或棕皮),棕櫚纖維自然生長(zhǎng)過(guò)程中交織成網(wǎng),形成片狀層層包于棕櫚樹莖桿上。圖 1為棕櫚葉鞘纖維在棕櫚樹上的生長(zhǎng)情況。

圖1 棕櫚纖維在棕櫚樹上的生長(zhǎng)情況

作為早期的紡織制品,棕櫚纖維多用于日常生活中的蓑衣、編織井繩繩索、地毯、墊材 (如床墊、坐墊)等,以及用于漁業(yè)的纜繩、漁網(wǎng)、養(yǎng)殖海帶固定其種子的繩子等,而且大都采用手工制作。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)的棕櫚樹種植主要分布在四川、云南、貴州、湖南、湖北等地,年產(chǎn)棕櫚纖維 3.5萬(wàn) t,而且該樹種作為經(jīng)濟(jì)林木,其種植面積呈逐年上升的趨勢(shì)。隨著纖維處理和復(fù)合材料加工技術(shù)以及非織造業(yè)的快速發(fā)展,棕櫚纖維地毯、墊材的生產(chǎn)有了專業(yè)的裝備,其產(chǎn)品的發(fā)展也不斷成熟,而且棕櫚纖維的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地拓展。

1 棕櫚纖維的性能

1.1 棕櫚纖維化學(xué)組成及性能

對(duì)棕櫚纖維紅外光譜研究顯示,在 3 443.8 cm-1處寬的吸收峰表明棕櫚纖維中存在大量的 O—H伸縮振動(dòng)基團(tuán),且主要以自聯(lián)型氫鍵的形式存在[1]。陳曦[2]等人對(duì)稻草、黃麻、棕櫚纖維的腐解速度進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明棕櫚纖維腐解 100 d后質(zhì)量殘留率大于黃麻,說(shuō)明其不易蟲蛀,不易霉變和被腐蝕,也不會(huì)變脆。棕櫚纖維的化學(xué)組成與其他麻類纖維相似,由表 1可以看出棕櫚纖維纖維素含量相對(duì)較低,纖維中的半纖維素、木質(zhì)素含量高,而脂蠟質(zhì)含量明顯較其他纖維高,脂蠟質(zhì)有助于提高纖維的柔軟性能[3-4]。

刁均艷等的研究表明,在纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中,棕櫚纖維的結(jié)晶度最小,這導(dǎo)致其拉伸性能較黃麻、苧麻差[5];但其粗長(zhǎng)纖維使其彈性和韌性較強(qiáng),經(jīng)特殊熱加工后具有極好的彈性。

1.2 棕櫚纖維的物理性能

棕櫚纖維是由許多棕櫚纖維細(xì)胞緊密排列而成的,雜細(xì)胞極少,纖維細(xì)胞之間結(jié)合非常緊密,纖維平均長(zhǎng)度一般為 12.63 cm,具有極好的彈性及韌性,不易分解或拉斷。棕櫚纖維的柔軟度可用扭曲度表示,將纖維的兩端夾持在捻度測(cè)定儀器上,加捻至纖維斷裂時(shí)測(cè)試其捻回,棕櫚纖維平均柔軟度為 216.8捻/20cm,比菠蘿葉纖維高出 17.3%,這表明棕櫚纖維的柔軟程度相對(duì)較高,有利于紡織品加工。通常情況下,麻纖維吸濕后纖維強(qiáng)度增加,但回潮率超過(guò)一定限度時(shí)纖維強(qiáng)度就開始下降,棕櫚纖維的濕態(tài)強(qiáng)度明顯較干態(tài)強(qiáng)度低,只有干態(tài)強(qiáng)度的 50%～60%[3]。

表1 棕櫚纖維與其他麻纖維化學(xué)組成比較 (單位:%)

1.3 棕櫚纖維的微觀結(jié)構(gòu)

棕櫚纖維沒(méi)有天然扭曲,表面凹凸不平,縱向上存在明顯的豎紋[4]。圖 2(a)為棕櫚纖維縱向表面電子顯微鏡照片,可明顯看出纖維的表面并不光滑,呈現(xiàn)出不規(guī)則的凹凸不平的結(jié)構(gòu)。圖 2(b)為棕櫚纖維截面電子顯微鏡照片,可以看出纖維截面具有管狀結(jié)構(gòu)的細(xì)胞,細(xì)胞緊密排列形成沿纖維長(zhǎng)度方向的空腔,由于細(xì)胞之間的結(jié)合狀況不完全相同,故纖維的空腔呈現(xiàn)出不同的大小和截面結(jié)構(gòu)。

圖2 棕櫚纖維電子顯微鏡照片

2 現(xiàn)階段棕櫚纖維制品加工利用形式

由于人們?cè)絹?lái)越重視天然纖維的開發(fā)利用,棕櫚纖維及其紡織制品也因其優(yōu)良的性能被越來(lái)越多的領(lǐng)域應(yīng)用。本文對(duì)棕櫚纖維產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用作簡(jiǎn)單介紹。

2.1 土木、水利工程

目前,產(chǎn)業(yè)用紡織品已普遍地用于農(nóng)、林、水利工程,用以保持水土、涵養(yǎng)水分、保護(hù)路坡和堤壩等。因棕櫚纖維具有不含糖分、不易蟲蛀、不易霉變和被腐蝕也不會(huì)變脆以及自身具有多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),已經(jīng)被成功用于恢復(fù)水庫(kù)岸邊植被。采用編結(jié)的方法將棕櫚纖維加工成三維空間排列結(jié)構(gòu),然后用天然膠進(jìn)行膠結(jié),根據(jù)需要制成空隙和厚度不同的棕墊,鋪蓋在水庫(kù)岸邊裸露的沙礫、巖石基底上,再覆以 5 cm厚的土壤,扦插柳枝、蘆葦,并種植各種生活習(xí)性的植物,成功恢復(fù)了庫(kù)邊植物。研究表明,扦插的柳枝成活率 97%以上,扦插的蘆葦成活率 40%,其他植物的成活率大都在 75%以上,這快速起到了防雨水沖蝕斜坡、固土的作用[6],不僅保護(hù)了岸堤,也恢復(fù)了植被,產(chǎn)生了一舉多得的效果。

2.2 建筑工程

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域使用的重要原料,它不僅用于建筑結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)穩(wěn)固,同時(shí)也用于建筑物的防水防漏。鋼纖維混凝土材料在裂縫處容易發(fā)生銹蝕,特別是在被硫污染的地方腐蝕更加嚴(yán)重。為解決這一問(wèn)題,人們不斷地開發(fā)出新型的纖維增強(qiáng)材料,如碳纖維、玻璃纖維、塑料纖維和各種有機(jī)纖維等。棕櫚葉鞘纖維經(jīng)過(guò)抽絲成單絲狀纖維,纖維被切成 5～20 mm后與水泥復(fù)合的水泥基棕櫚纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)用于建筑行業(yè),棕櫚纖維外表有不可滲透的表皮,保護(hù)纖維內(nèi)部不發(fā)生脫水,纖維內(nèi)部具有大量的薄壁組織細(xì)胞以及大小不同的、分散的纖維導(dǎo)管。水泥溶液可進(jìn)入纖維束中,從而增強(qiáng)了纖維,同時(shí)也改善了水泥和纖維之間的結(jié)合。水泥基棕櫚纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有廉價(jià)、輕質(zhì)和隔熱的特點(diǎn),可經(jīng)受很大的應(yīng)變而不會(huì)發(fā)生突然的脆性破壞,同時(shí)還具有防水防表面開裂的功能[7-8]。

2.3 環(huán)境工程

棕櫚纖維具有彈性、韌性和多孔的特點(diǎn),有較大的比表面積和內(nèi)部孔隙率,保水性能好,物理強(qiáng)度高,經(jīng)過(guò)一定的加工可以制作過(guò)濾材料,制成的過(guò)濾材料已經(jīng)成功用于廢氣生物凈化處理。過(guò)濾材料由棕櫚纖維為原料制成支撐“骨架”,纖維經(jīng)化學(xué)浸泡改性、整理、切斷和卷曲后,再經(jīng)縱橫交錯(cuò)鋪層,噴天然膠乳黏結(jié)成具有一定厚度和密度的纖維網(wǎng)。在高溫環(huán)境條件下纖維網(wǎng)沖模定型,制成球形、圓柱形、或立方形外殼,再將有機(jī)質(zhì)和多孔質(zhì)無(wú)機(jī)材料充分混合后填入棕櫚纖維“骨架”,采用噴膠膠合、縫合或模塑定型等工藝制成。這種過(guò)濾材料具有彈性和剛性、不易腐爛、質(zhì)輕等特點(diǎn),“骨架”與填料間保持足夠空間(空隙),有效改進(jìn)了填料層的透氣情況,減少了過(guò)濾材料的氣流阻力,延長(zhǎng)了其使用壽命,還減少了普通生物濾床填料因長(zhǎng)期使用而產(chǎn)生的壓實(shí)現(xiàn)象[9-10]。另外,S.SUMATH I等人[11]還研究從棕櫚纖維中制得活性炭,單獨(dú)或與其他材料混合用于吸附 SO2和NO2,效果也比較明顯。

2.4 彈性材料

棕櫚纖維因具有良好的彈性適宜制作彈性材料。棕櫚葉鞘纖維片經(jīng)蒸煮 (或堿水浸泡)處理后,再經(jīng)打散、梳理分解成棕櫚纖維單絲。棕櫚纖維單絲經(jīng)卷曲定型 (用制繩機(jī)將纖維絞制成螺旋繩,在 80～140℃的環(huán)境中保持 4～8 min,取出后將螺旋繩分解,得到卷曲的棕櫚纖維)后,利用氣流吹成三維方向均勻分布狀態(tài),使纖維互相交疊成網(wǎng)狀,同時(shí)清除纖維雜質(zhì)和粉塵,再與天然橡膠進(jìn)行黏合。黏合后的纖維網(wǎng)在纖維相交處形成彈性結(jié)點(diǎn),使其成為幾十萬(wàn)個(gè)植物纖維“彈簧”組成的片狀彈性材料。根據(jù)不同的需要可將片狀彈性材料進(jìn)行多層疊合,制成具有一定厚度的棕櫚纖維彈性材料。這種彈性材料具有純天然、環(huán)保、成本低、工藝簡(jiǎn)單,彈性舒適等優(yōu)點(diǎn),其生產(chǎn)過(guò)程也是綠色環(huán)保(能耗低、無(wú)污染、不消耗金屬材料),具有廣泛的市場(chǎng)前景,符合當(dāng)前節(jié)約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。這種材料密度均勻、彈性好,可用于制作床墊、坐墊,也用于建筑隔音、防潮、包裝材料等[12]。

3 棕櫚纖維研究和應(yīng)用展望

(1)目前,對(duì)棕櫚纖維的基礎(chǔ)研究還不夠透徹,應(yīng)深入研究棕櫚纖維基本特性。纖維化學(xué)性能決定了棕櫚纖維的應(yīng)用條件和范圍;纖維材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)特性決定了其物理機(jī)械性能,纖維的物理機(jī)械性能與其大分子結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶狀態(tài)有著必然的聯(lián)系。前人對(duì)其他纖維的化學(xué)性能和微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究較多,而對(duì)棕櫚纖維的化學(xué)性質(zhì)文獻(xiàn)提及較少,對(duì)棕櫚纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)特性的研究卻很少而且沒(méi)有系統(tǒng)研究。今后在進(jìn)一步了解棕櫚纖維基本特性的基礎(chǔ)上,將能更高效地設(shè)計(jì)、開發(fā)棕櫚纖維產(chǎn)品,如在研究棕櫚纖維各種性能的基礎(chǔ)上,充分利用其彈性、柔軟性以及多孔結(jié)構(gòu)特性制作功能材料等。

(2)棕櫚纖維作為一種優(yōu)良的天然纖維,可應(yīng)用到復(fù)合材料的制備中。然而,棕櫚纖維在濕漲干縮時(shí)的體積變化、熱脹冷縮時(shí)的長(zhǎng)度變化會(huì)導(dǎo)致與基體材料界面的黏合出現(xiàn)問(wèn)題,復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中,增強(qiáng)體 (棕櫚纖維、棕櫚纖維網(wǎng)、棕櫚纖維繩、棕櫚纖維二維或三維織物)在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、連接方式等問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究。另外,由于棕櫚纖維屬于粗徑纖維,纖維比較粗而無(wú)法用現(xiàn)有的紡紗設(shè)備進(jìn)行紡紗,可以采用制繩機(jī)制繩和編結(jié)設(shè)備制成編結(jié)織物,也可以采用其他(如氣流鋪網(wǎng)等)非織造加工方法制成棕櫚纖維網(wǎng),利用棕櫚纖維編結(jié)織物和非織造織物優(yōu)良的彈性,制作具有彈性較高的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,用于工業(yè)領(lǐng)域的減震、防震等場(chǎng)合。

(3)棕櫚纖維的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)是深度開發(fā),以提高其附加值和經(jīng)濟(jì)效益為主攻方向。由于棕櫚纖維來(lái)源于自然,具有舒適性、透氣性、無(wú)污染、不受蟲蛀等特點(diǎn),深受人們的青睞,用于開發(fā)席夢(mèng)思床墊和汽車、火車、輪船等的沙發(fā)坐墊等,具有廣闊的前景。由于棕櫚纖維性能優(yōu)良且使用壽命長(zhǎng)(至少 8年),國(guó)際市場(chǎng)上歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已停止在坐墊中使用海綿,而以棕櫚纖維替代之,棕櫚纖維生產(chǎn)坐墊將會(huì)形成明顯的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。另外,棕櫚纖維空氣過(guò)濾網(wǎng)具有很少容塵、風(fēng)阻小、無(wú)噪聲、抗老化、濾塵效果好等特點(diǎn),用于風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)及柴油機(jī)上也將有廣闊的前景。由于棕櫚纖維內(nèi)部具有多空腔的特點(diǎn),該纖維也是用于制作防寒御暑材料的理想原料。

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Properties and application status of pa lm fiber

Zhang Tonghua,L i X iaolong,Cheng Lan and M ao Long
(College of Textiles&Garments,SouthwestUniversity)

The characteristics of palm fiberswere reviewed,and the research statuses of palm fibers aswell as the utilization forms of palm fiber productswere introduced in this paper.The perspectives of the research and application of palm fiberswere prospected.

pa lm fiber,property study,application status,prospect

TS102.227

A

1004-7093(2010)06-0035-04

2010-05-14

張同華,男,1971年生,副教授。主要從事天然纖維及紡織產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用研究。