棕櫚纖維的結構與性能

棕櫚是中國廣泛生長的棕櫚樹，廣泛分布在中國南方和南方的省份。它不僅是一個優(yōu)良的觀賞樹種，也是一個重要的經濟植物。棕櫚纖維屬于棕樹的葉鞘纖維,自古以來就用于人們的生產和生活中,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),棕櫚纖維自然生長過程中交織成網,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、養(yǎng)殖海帶固定其種子的繩子等,而且大都采用手工制作。據統(tǒng)計,目前我國的棕櫚樹種植主要分布在四川、云南、貴州、湖南、湖北等地,年產棕櫚纖維3.5萬t,而且該樹種作為經濟林木,其種植面積呈逐年上升的趨勢。隨著纖維處理和復合材料加工技術以及非織造業(yè)的快速發(fā)展,棕櫚纖維地毯、墊材的生產有了專業(yè)的裝備,其產品的發(fā)展也不斷成熟,而且棕櫚纖維的應用領域也不斷地拓展。1棕櫚纖維的性能1.1黃麻、用砂纖維的化學組成對棕櫚纖維紅外光譜研究顯示,在3443.8cm-1處寬的吸收峰表明棕櫚纖維中存在大量的O—H伸縮振動基團,且主要以自聯(lián)型氫鍵的形式存在。陳曦等人對稻草、黃麻、棕櫚纖維的腐解速度進行了對比研究,結果表明棕櫚纖維腐解100d后質量殘留率大于黃麻,說明其不易蟲蛀,不易霉變和被腐蝕,也不會變脆。棕櫚纖維的化學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較低,纖維中的半纖維素、木質素含量高,而脂蠟質含量明顯較其他纖維高,脂蠟質有助于提高纖維的柔軟性能。刁均艷等的研究表明,在纖維的聚集態(tài)結構中,棕櫚纖維的結晶度最小,這導致其拉伸性能較黃麻、苧麻差;但其粗長纖維使其彈性和韌性較強,經特殊熱加工后具有極好的彈性。1.2采用可逆性纖維,一般可拉斷的方式棕櫚纖維是由許多棕櫚纖維細胞緊密排列而成的,雜細胞極少,纖維細胞之間結合非常緊密,纖維平均長度一般為12.63cm,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定儀器上,加捻至纖維斷裂時測試其捻回,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較高,有利于紡織品加工。通常情況下,麻纖維吸濕后纖維強度增加,但回潮率超過一定限度時纖維強度就開始下降,棕櫚纖維的濕態(tài)強度明顯較干態(tài)強度低,只有干態(tài)強度的50%~60%。1.3纖維表面結構棕櫚纖維沒有天然扭曲,表面凹凸不平,縱向上存在明顯的豎紋。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,呈現出不規(guī)則的凹凸不平的結構。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構的細胞,細胞緊密排列形成沿纖維長度方向的空腔,由于細胞之間的結合狀況不完全相同,故纖維的空腔呈現出不同的大小和截面結構。2用非織造材料的纖維及其紡織品制品由于人們越來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)良的性能被越來越多的領域應用。本文對棕櫚纖維產業(yè)領域的應用作簡單介紹。2.1混合式人工自然身目前,產業(yè)用紡織品已普遍地用于農、林、水利工程,用以保持水土、涵養(yǎng)水分、保護路坡和堤壩等。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變脆以及自身具有多孔結構的特點,已經被成功用于恢復水庫岸邊植被。采用編結的方法將棕櫚纖維加工成三維空間排列結構,然后用天然膠進行膠結,根據需要制成空隙和厚度不同的棕墊,鋪蓋在水庫岸邊裸露的沙礫、巖石基底上,再覆以5cm厚的土壤,扦插柳枝、蘆葦,并種植各種生活習性的植物,成功恢復了庫邊植物。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,不僅保護了岸堤,也恢復了植被,產生了一舉多得的效果。2.2生產新型纖維增強材料纖維增強復合材料成為現代建筑領域使用的重要原料,它不僅用于建筑結構的增強穩(wěn)固,同時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重。為解決這一問題,人們不斷地開發(fā)出新型的纖維增強材料,如碳纖維、玻璃纖維、塑料纖維和各種有機纖維等。棕櫚葉鞘纖維經過抽絲成單絲狀纖維,纖維被切成5~20mm后與水泥復合的水泥基棕櫚纖維增強復合材料已經用于建筑行業(yè),棕櫚纖維外表有不可滲透的表皮,保護纖維內部不發(fā)生脫水,纖維內部具有大量的薄壁組織細胞以及大小不同的、分散的纖維導管。水泥溶液可進入纖維束中,從而增強了纖維,同時也改善了水泥和纖維之間的結合。水泥基棕櫚纖維增強復合材料具有廉價、輕質和隔熱的特點,可經受很大的應變而不會發(fā)生突然的脆性破壞,同時還具有防水防表面開裂的功能。2.3藻膠纖維網過濾材料棕櫚纖維具有彈性、韌性和多孔的特點,有較大的比表面積和內部孔隙率,保水性能好,物理強度高,經過一定的加工可以制作過濾材料,制成的過濾材料已經成功用于廢氣生物凈化處理。過濾材料由棕櫚纖維為原料制成支撐“骨架”,纖維經化學浸泡改性、整理、切斷和卷曲后,再經縱橫交錯鋪層,噴天然膠乳黏結成具有一定厚度和密度的纖維網。在高溫環(huán)境條件下纖維網沖模定型,制成球形、圓柱形、或立方形外殼,再將有機質和多孔質無機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。這種過濾材料具有彈性和剛性、不易腐爛、質輕等特點,“骨架”與填料間保持足夠空間(空隙),有效改進了填料層的透氣情況,減少了過濾材料的氣流阻力,延長了其使用壽命,還減少了普通生物濾床填料因長期使用而產生的壓實現象。另外,S.SUMATHI等人還研究從棕櫚纖維中制得活性炭,單獨或與其他材料混合用于吸附SO2和NO2,效果也比較明顯。2.4用螺旋繩作為過濾材料棕櫚纖維因具有良好的彈性適宜制作彈性材料。棕櫚葉鞘纖維片經蒸煮(或堿水浸泡)處理后,再經打散、梳理分解成棕櫚纖維單絲。棕櫚纖維單絲經卷曲定型(用制繩機將纖維絞制成螺旋繩,在80~140℃的環(huán)境中保持4~8min,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狀,同時清除纖維雜質和粉塵,再與天然橡膠進行黏合。黏合后的纖維網在纖維相交處形成彈性結點,使其成為幾十萬個植物纖維“彈簧”組成的片狀彈性材料。根據不同的需要可將片狀彈性材料進行多層疊合,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、工藝簡單,彈性舒適等優(yōu)點,其生產過程也是綠色環(huán)保(能耗低、無污染、不消耗金屬材料),具有廣泛的市場前景,符合當前節(jié)約社會經濟的發(fā)展趨勢。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。3用非織造材料進行復合材料的制備。主要發(fā)展(1)目前,對棕櫚纖維的基礎研究還不夠透徹,應深入研究棕櫚纖維基本特性。纖維化學性能決定了棕櫚纖維的應用條件和范圍;纖維材料的微細結構特性決定了其物理機械性能,纖維的物理機械性能與其大分子結構及其結晶狀態(tài)有著必然的聯(lián)系。前人對其他纖維的化學性能和微細結構的研究較多,而對棕櫚纖維的化學性質文獻提及較少,對棕櫚纖維微細結構特性的研究卻很少而且沒有系統(tǒng)研究。今后在進一步了解棕櫚纖維基本特性的基礎上,將能更高效地設計、開發(fā)棕櫚纖維產品,如在研究棕櫚纖維各種性能的基礎上,充分利用其彈性、柔軟性以及多孔結構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,可應用到復合材料的制備中。然而,棕櫚纖維在濕漲干縮時的體積變化、熱脹冷縮時的長度變化會導致與基體材料界面的黏合出現問題,復合材料設計過程中,增強體(棕櫚纖維、棕櫚纖維網、棕櫚纖維繩、棕櫚纖維二維或三維織物)在復合材料中的結構狀態(tài)、連接方式等問題都需要進一步研究。另外,由于棕櫚纖維屬于粗徑纖維,纖維比較粗而無法用現有的紡紗設備進行紡紗,可以采用制繩機制繩和編結設備制成編結織物,也可以采用其他(如氣流鋪網等)非織造加工方法制成棕櫚纖維網,利用棕櫚纖維編結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構復合材料,用于工業(yè)領域的減震、防震等場合。(3)棕櫚纖維的應用發(fā)展趨勢是深度開發(fā),以提高其附加值和經濟效益為主攻方向。由于棕櫚纖維來源于自然,具有舒適性、透氣性、無污染、不受蟲蛀等特點,深受人們的青睞,用于開發(fā)席夢思床墊和汽車、火車、輪船等的沙發(fā)坐墊等,具有廣闊的前景。由于棕櫚纖