莊志凱 李明福 張 鵬 連文偉 何俊燕 黃 濤 張 勁

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所 廣東湛江 524091)

菠蘿，又名鳳梨，是鳳梨科鳳梨屬，多年生單子葉草本植物。菠蘿是世界上著名的熱帶水果[1]。在中國被廣泛種植在海南、廣東、廣西、云南、福建和臺灣6省(區(qū))，近年來種植面積均保持在70 000 hm2左右[2]。每 666.7 m2廢棄葉片約 5～10 t，全國總量近1 000萬t/年，造成大量資源浪費及生態(tài)環(huán)境的污染[3]。菠蘿葉中含纖量僅為1.5%左右（干基），所提取出的纖維屬葉脈纖維，既具有麻的風(fēng)格，又有獨特的優(yōu)點，是一種新興的工業(yè)原料，在紡織、包裝、建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

研究植物纖維的力學(xué)特性，可間接反映出纖維增強體的復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)，促進纖維的開發(fā)利用，為纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-7]。本試驗以菠蘿葉纖維為原材料，研究干 （13%）、濕 （84%）2種狀態(tài)下菠蘿葉纖維不同部位的拉伸力學(xué)行為，掌握菠蘿葉纖維不同采樣部位于干、濕2種狀態(tài)下拉伸性能的變化規(guī)律，為菠蘿葉纖維的開發(fā)利用奠定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 試材

菠蘿葉纖維來源于湛江市徐聞縣菠蘿種植基地的菠蘿葉，品種為卡因，通過自主研發(fā)的半自動刮麻機對菠蘿葉進行纖維提取。干態(tài)菠蘿葉纖維樣品制備：隨機抽取5束纖維；將每束纖維分成根、中、梢3小截，每截長約10 cm，并標有根、中、梢等標簽，然后分別放于5個編號為A、B、C、D、E的密封袋中；取出已編好號的根部纖維，用特制的梳子分別將每束纖維梳理至呈單根纖維的狀態(tài)。然后將刮好的每束纖維分成2部分，分別用來做干態(tài)、濕態(tài)試驗；用纖維切斷器將要做實驗的根部纖維切出30 mm長度的纖維，并從中挑選通直、無彎曲、無分支、粗細度均勻的單根纖維，用于做拉伸試驗，每種水平下取30組有效數(shù)據(jù)；中、梢部的纖維制樣步驟同上。

1.1.2 儀器

纖維切斷器：切斷長度30 mm；TG328B分析天平：量程200 g，精度0.1 mg；黑絨板：150 mm×250 mm；絨板刷；鑷子；直尺：300 mm，精度1 mm；德國Binder VD烘箱；YG(B)008E型單纖維強力機。

1.2 方法

1.2.1 纖維細度測定

取一定數(shù)量的纖維，將調(diào)濕后的纖維整理后，用稀梳輕輕梳理8～10次，使其呈單根纖維狀態(tài)后，放置于纖維切斷器中間，并與切刀保持垂直，然后將纖維切斷，將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，然后從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，參照GB/T 12411-2006黃、紅麻纖維試驗方法進行測定[8]。

1.2.2 纖維拉伸試驗

采用農(nóng)機所纖維檢測室YG(B)008E型單纖維強力機，空氣溫度25℃，空氣相對濕度60%；夾持距離10 mm，量程500 cN；預(yù)加張力0.5 cN；拉伸速度10 mm/min[9-11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菠蘿葉不同部位纖維細度分析測定

將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，并依照GB/T 12411-2006的試驗方法進行測定。纖維根、中、梢部各測量5次，取其平均值，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 菠蘿葉原纖維細度 單位：dt ex

由表1可知，根部細度平均18.54，中部細度平均15.38，梢部細度平均14.73，根據(jù)纖維不同部位的細度差異，梢部纖維較細，易脫膠，脫膠后柔軟舒適，適宜制成睡衣等紡織產(chǎn)品；根部纖維較粗，脫膠困難，宜于制作襪子等紡織產(chǎn)品。

從表2中可以看出，菠蘿葉纖維的細度同苧麻（細）、漢麻一樣，都是梢部單纖維細度最低、中部次之、根部最高。

表2 菠蘿葉原纖維、苧麻 （細）和漢麻的細度單位：dt ex

2.2 菠蘿葉原纖維拉伸過程分析

選擇庫存菠蘿葉原麻纖維制成試樣后，分成干態(tài)和濕態(tài)，根、中、梢3個部位進行拉伸試驗，每種水平下得到30個有效數(shù)據(jù)，試驗中計算機自動采集數(shù)據(jù)并繪制載荷伸長曲線。如圖1和2分別為干、濕2種狀態(tài)下纖維拉伸試樣的載荷伸長曲線。

由圖1可知，干態(tài)下隨著纖維伸長的加大，載荷也漸漸增大。從圖上可以看出，纖維的載荷伸長曲線從開始到最大載荷(111.7 cN)時呈直線上升趨勢，然后在達到最大載荷時突然斷裂并伴有清脆的斷裂聲，同時載荷迅速減小，試驗結(jié)束。由此可以看出，干態(tài)纖維的拉伸試驗在載荷達到最大載荷之前并沒有明顯的屈服現(xiàn)象，而在結(jié)束時是干脆的斷裂。

圖2是菠蘿葉纖維濕態(tài)的拉伸試驗，從圖中可以看出其拉伸的大致過程：在初始階段，其拉伸曲線載荷和伸長呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，而在載荷達到一定值后，濕態(tài)纖維并沒有出現(xiàn)像干態(tài)那樣的脆性斷裂，其載荷隨著纖維伸長的增加呈波浪式漸漸增大，然后在載荷達到最大值(142.5 cN)后，濕態(tài)纖維迅速斷裂，并伴有輕微的斷裂聲。

圖1 干態(tài)纖維拉伸試驗載荷伸長曲線

圖2 濕態(tài)纖維拉伸試驗載荷伸長曲線

2.3 菠蘿葉纖維拉伸特性分析

對菠蘿葉纖維根、中、梢3個采樣部位分別進行干態(tài) （13%） 和濕態(tài)（84%）的拉伸試驗，每一種水平下取5組纖維進行試驗，每組試驗得到30個有效數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)進行處理得到其均值，如表3所示。

通過試驗探究菠蘿葉纖維干、濕狀態(tài)下不同采樣部位對其拉伸特性指標的影響，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到其方差分析表。結(jié)果見表4～7。

表3 干、濕2種狀態(tài)下纖維根、中、梢拉伸均值

表4 斷裂強力雙因素等重復(fù)方差分析

表5 斷裂強度雙因素等重復(fù)方差分析

表6 中、梢部斷裂強力雙因素等重復(fù)方差分析

表7 中、梢部斷裂強度雙因素等重復(fù)方差分析

由表3可知，濕態(tài)纖維抗拉能力大于干態(tài)纖維，與其他麻類纖維濕強比干強大的拉伸規(guī)律一致，這是因為天然纖維有較高聚合度，纖維大分子間有較強的結(jié)合力，所以在干態(tài)情況下纖維有一定的內(nèi)應(yīng)力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內(nèi)應(yīng)力幾乎消失，使得纖維強度增大[14-16]。

從表4、5可以看出菠蘿葉纖維干、濕態(tài)的變化、采樣部位的不同對纖維斷裂強力、斷裂強度的影響是極顯著的(p＜0.01)。而表6、7中可以看出，采樣部位不同對中、梢部纖維的斷裂強力、斷裂強度差異影響并不顯著(p＞0.05)。這可能與菠蘿葉纖維細度差異性有關(guān)，前期研究結(jié)果表明，纖維根部細度值比中、梢部大，根部纖維整體較粗，中、梢部纖維細度值差異不大，纖維粗細較為一致。

3 討論與結(jié)論

從表1和2中可以看出菠蘿葉原纖維的拉伸斷裂強度介于苧麻和漢麻之間，比苧麻小，略高于漢麻；而斷裂伸長率則均比苧麻和漢麻高，說明原纖維承受外力沖擊的能力比二者要強，纖維更不易斷裂。通過方差分析可知，菠蘿葉纖維干、濕態(tài)的變化、采樣部位的不同對纖維斷裂強力和斷裂強度的影響是極顯著的 （p＜0.01）。此外，采樣部位不同對中、梢部纖維的斷裂強力、斷裂強度差異影響并不顯著 （p＞0.05）。即根部纖維抗拉能力較中、梢部強，中、梢部抗拉能力差異不大。這可能與菠蘿葉纖維細度存在顯著差異有關(guān)。

結(jié)合圖1和2可以看出二者載荷伸長曲線存在明顯區(qū)別，這是因為濕態(tài)纖維包含了大量水分的緣故，水分子間的結(jié)合力增加了纖維的黏性，使得濕態(tài)纖維比干態(tài)纖維斷裂伸長率更大，這也與其他麻類纖維濕態(tài)斷裂伸長率比干態(tài)斷裂伸長率大的規(guī)律相似[17-18]。這是因為天然纖維有較高聚合度，纖維大分子間有較強的結(jié)合力，所以在干態(tài)情況下纖維有一定的內(nèi)應(yīng)力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內(nèi)應(yīng)力幾乎消失，使得纖維強度增大。