棕櫚纖維的性能及其應用現狀

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

棕櫚纖維的性能及其應用現狀

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

介紹了棕櫚纖維的性能特點,討論了現階段棕櫚纖維的研究狀況及其纖維制品的加工利用形式,對棕櫚纖維的研究和應用前景進行了展望。

棕櫚纖維,性能研究,應用現狀,展望

棕櫚是我國普遍生長的棕櫚科植物,廣泛分布在我國江南各省,它不僅是優良的觀賞樹種,還是重要的經濟植物。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。

圖1 棕櫚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,以及用于漁業的纜繩、漁網、養殖海帶固定其種子的繩子等,而且大都采用手工制作。據統計,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的快速發展,棕櫚纖維地毯、墊材的生產有了專業的裝備,其產品的發展也不斷成熟,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 棕櫚纖維化學組成及性能

對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伸縮振動基團,且主要以自聯型氫鍵的形式存在[1]。陳曦[2]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 100 d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[3-4]。

刁均艷等的研究表明,在纖維的聚集態結構中,棕櫚纖維的結晶度最小,這導致其拉伸性能較黃麻、苧麻差[5];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 棕櫚纖維的物理性能

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 12.63 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,棕櫚纖維的濕態強度明顯較干態強度低,只有干態強度的 50%～60%[3]。

表1 棕櫚纖維與其他麻纖維化學組成比較 (單位:%)

1.3 棕櫚纖維的微觀結構

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[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,呈現出不規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。

圖2 棕櫚纖維電子顯微鏡照片

2 現階段棕櫚纖維制品加工利用形式

由于人們越來越重視天然纖維的開發利用,棕櫚纖維及其紡織制品也因其優良的性能被越來越多的領域應用。本文對棕櫚纖維產業領域的應用作簡單介紹。

2.1 土木、水利工程

目前,產業用紡織品已普遍地用于農、林、水利工程,用以保持水土、涵養水分、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 5 cm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[6],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 建筑工程

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 5～20 mm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,棕櫚纖維外表有不可滲透的表皮,保護纖維內部不發生脫水,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生突然的脆性破壞,同時還具有防水防表面開裂的功能[7-8]。

2.3 環境工程

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[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,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、環保、成本低、工藝簡單,彈性舒適等優點,其生產過程也是綠色環保(能耗低、無污染、不消耗金屬材料),具有廣泛的市場前景,符合當前節約社會經濟的發展趨勢。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[12]。

3 棕櫚纖維研究和應用展望

(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有著必然的聯系。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、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,用于工業領域的減震、防震等場合。

(3)棕櫚纖維的應用發展趨勢是深度開發,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,用于開發席夢思床墊和汽車、火車、輪船等的沙發坐墊等,具有廣闊的前景。由于棕櫚纖維性能優良且使用壽命長(至少 8年),國際市場上歐美等發達國家已停止在坐墊中使用海綿,而以棕櫚纖維替代之,棕櫚纖維生產坐墊將會形成明顯的產業優勢和經濟效益。另外,棕櫚纖維空氣過濾網具有很少容塵、風阻小、無噪聲、抗老化、濾塵效果好等特點,用于風機、空氣壓縮機、大型電動機及柴油機上也將有廣闊的前景。由于棕櫚纖維內部具有多空腔的特點,該纖維也是用于制作防寒御暑材料的理想原料。

[1] MORTERRA C,LOWN J D.I R studiesof carbons-V II. the pyrolysis of phenol-formaldehyde resin[J].Carbon,1985,23(5):525-530.

[2] 陳曦,李永梅,鄭毅.稻草、黃麻纖維、棕櫚葉的吸水性和腐解速率研究[J].云南農業大學學報,2009,24 (2):260-264.

[3] 劉曉霞,茅琛.棕葉纖維性能研究 [J].上海紡織科技,2006,34(9):20-21.

[4] 劉曉霞,王振勇,徐衛林.棕葉纖維的開發研究初探[J].紡織學報,2004,25(3):75-75.

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[6] 肖興富,李文奇,常佩麗,等.棕櫚纖維墊法恢復水庫岸邊植被施工技術[J].南水北調與水利科技,2005, 3(4):26-28.

[7] 許賢敏.棕櫚樹葉纖維增強混凝土 [J].建筑工人, 1998(4):20-21.

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[10]陶佳,朱潤曄,王家德,等.棕纖維復合生物填料床凈化三甲胺和臭氣的研究[J].中國環境科學,2008,28 (2):111-115.

[11]SUMATH IS,BHAT IA S,LEE K T,et al.Perfor mance of an activated carbon made from waste palm shell in simultaneous adsorption of SOxand NOxof flue gas at low temperature[J]Science in China Series E:Technological Sciences,2009,52(1):198-203.

[12]曾昭乾,朱利軍.棕櫚纖維彈性材料產業現狀與發展趨勢[J].中國西部科技,2006(1):23-24.

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品開發應用研究。