棕榈纤维的性能及其应用现状

张同华 李晓龙 程 岚 毛 龙 (西南大学纺织服装学院,重庆,400715)

棕榈纤维的性能及其应用现状

张同华 李晓龙 程 岚 毛 龙 (西南大学纺织服装学院,重庆,400715)

介绍了棕榈纤维的性能特点,讨论了现阶段棕榈纤维的研究状况及其纤维制品的加工利用形式,对棕榈纤维的研究和应用前景进行了展望。

棕榈纤维,性能研究,应用现状,展望

棕榈是我国普遍生长的棕榈科植物,广泛分布在我国江南各省,它不仅是优良的观赏树种,还是重要的经济植物。棕榈纤维属于棕树的叶鞘纤维,自古以来就用于人们的生产和生活中,陈藏器《本草拾遗》中有“其皮作绳千年入水不烂”的记载。棕榈叶鞘纤维称为棕板 (或棕皮),棕榈纤维自然生长过程中交织成网,形成片状层层包于棕榈树茎杆上。图 1为棕榈叶鞘纤维在棕榈树上的生长情况。

图1 棕榈纤维在棕榈树上的生长情况

作为早期的纺织制品,棕榈纤维多用于日常生活中的蓑衣、编织井绳绳索、地毯、垫材 (如床垫、坐垫)等,以及用于渔业的缆绳、渔网、养殖海带固定其种子的绳子等,而且大都采用手工制作。据统计,目前我国的棕榈树种植主要分布在四川、云南、贵州、湖南、湖北等地,年产棕榈纤维 3.5万 t,而且该树种作为经济林木,其种植面积呈逐年上升的趋势。随着纤维处理和复合材料加工技术以及非织造业的快速发展,棕榈纤维地毯、垫材的生产有了专业的装备,其产品的发展也不断成熟,而且棕榈纤维的应用领域也不断地拓展。

1 棕榈纤维的性能

1.1 棕榈纤维化学组成及性能

对棕榈纤维红外光谱研究显示,在 3 443.8 cm-1处宽的吸收峰表明棕榈纤维中存在大量的 O—H伸缩振动基团,且主要以自联型氢键的形式存在[1]。陈曦[2]等人对稻草、黄麻、棕榈纤维的腐解速度进行了对比研究,结果表明棕榈纤维腐解 100 d后质量残留率大于黄麻,说明其不易虫蛀,不易霉变和被腐蚀,也不会变脆。棕榈纤维的化学组成与其他麻类纤维相似,由表 1可以看出棕榈纤维纤维素含量相对较低,纤维中的半纤维素、木质素含量高,而脂蜡质含量明显较其他纤维高,脂蜡质有助于提高纤维的柔软性能[3-4]。

刁均艳等的研究表明,在纤维的聚集态结构中,棕榈纤维的结晶度最小,这导致其拉伸性能较黄麻、苎麻差[5];但其粗长纤维使其弹性和韧性较强,经特殊热加工后具有极好的弹性。

1.2 棕榈纤维的物理性能

棕榈纤维是由许多棕榈纤维细胞紧密排列而成的,杂细胞极少,纤维细胞之间结合非常紧密,纤维平均长度一般为 12.63 cm,具有极好的弹性及韧性,不易分解或拉断。棕榈纤维的柔软度可用扭曲度表示,将纤维的两端夹持在捻度测定仪器上,加捻至纤维断裂时测试其捻回,棕榈纤维平均柔软度为 216.8捻/20cm,比菠萝叶纤维高出 17.3%,这表明棕榈纤维的柔软程度相对较高,有利于纺织品加工。通常情况下,麻纤维吸湿后纤维强度增加,但回潮率超过一定限度时纤维强度就开始下降,棕榈纤维的湿态强度明显较干态强度低,只有干态强度的 50%～60%[3]。

表1 棕榈纤维与其他麻纤维化学组成比较 (单位:%)

1.3 棕榈纤维的微观结构

棕榈纤维没有天然扭曲,表面凹凸不平,纵向上存在明显的竖纹[4]。图 2(a)为棕榈纤维纵向表面电子显微镜照片,可明显看出纤维的表面并不光滑,呈现出不规则的凹凸不平的结构。图 2(b)为棕榈纤维截面电子显微镜照片,可以看出纤维截面具有管状结构的细胞,细胞紧密排列形成沿纤维长度方向的空腔,由于细胞之间的结合状况不完全相同,故纤维的空腔呈现出不同的大小和截面结构。

图2 棕榈纤维电子显微镜照片

2 现阶段棕榈纤维制品加工利用形式

由于人们越来越重视天然纤维的开发利用,棕榈纤维及其纺织制品也因其优良的性能被越来越多的领域应用。本文对棕榈纤维产业领域的应用作简单介绍。

2.1 土木、水利工程

目前,产业用纺织品已普遍地用于农、林、水利工程,用以保持水土、涵养水分、保护路坡和堤坝等。因棕榈纤维具有不含糖分、不易虫蛀、不易霉变和被腐蚀也不会变脆以及自身具有多孔结构的特点,已经被成功用于恢复水库岸边植被。采用编结的方法将棕榈纤维加工成三维空间排列结构,然后用天然胶进行胶结,根据需要制成空隙和厚度不同的棕垫,铺盖在水库岸边裸露的沙砾、岩石基底上,再覆以 5 cm厚的土壤,扦插柳枝、芦苇,并种植各种生活习性的植物,成功恢复了库边植物。研究表明,扦插的柳枝成活率 97%以上,扦插的芦苇成活率 40%,其他植物的成活率大都在 75%以上,这快速起到了防雨水冲蚀斜坡、固土的作用[6],不仅保护了岸堤,也恢复了植被,产生了一举多得的效果。

2.2 建筑工程

纤维增强复合材料成为现代建筑领域使用的重要原料,它不仅用于建筑结构的增强稳固,同时也用于建筑物的防水防漏。钢纤维混凝土材料在裂缝处容易发生锈蚀,特别是在被硫污染的地方腐蚀更加严重。为解决这一问题,人们不断地开发出新型的纤维增强材料,如碳纤维、玻璃纤维、塑料纤维和各种有机纤维等。棕榈叶鞘纤维经过抽丝成单丝状纤维,纤维被切成 5～20 mm后与水泥复合的水泥基棕榈纤维增强复合材料已经用于建筑行业,棕榈纤维外表有不可渗透的表皮,保护纤维内部不发生脱水,纤维内部具有大量的薄壁组织细胞以及大小不同的、分散的纤维导管。水泥溶液可进入纤维束中,从而增强了纤维,同时也改善了水泥和纤维之间的结合。水泥基棕榈纤维增强复合材料具有廉价、轻质和隔热的特点,可经受很大的应变而不会发生突然的脆性破坏,同时还具有防水防表面开裂的功能[7-8]。

2.3 环境工程

棕榈纤维具有弹性、韧性和多孔的特点,有较大的比表面积和内部孔隙率,保水性能好,物理强度高,经过一定的加工可以制作过滤材料,制成的过滤材料已经成功用于废气生物净化处理。过滤材料由棕榈纤维为原料制成支撑“骨架”,纤维经化学浸泡改性、整理、切断和卷曲后,再经纵横交错铺层,喷天然胶乳黏结成具有一定厚度和密度的纤维网。在高温环境条件下纤维网冲模定型,制成球形、圆柱形、或立方形外壳,再将有机质和多孔质无机材料充分混合后填入棕榈纤维“骨架”,采用喷胶胶合、缝合或模塑定型等工艺制成。这种过滤材料具有弹性和刚性、不易腐烂、质轻等特点,“骨架”与填料间保持足够空间(空隙),有效改进了填料层的透气情况,减少了过滤材料的气流阻力,延长了其使用寿命,还减少了普通生物滤床填料因长期使用而产生的压实现象[9-10]。另外,S.SUMATH I等人[11]还研究从棕榈纤维中制得活性炭,单独或与其他材料混合用于吸附 SO2和NO2,效果也比较明显。

2.4 弹性材料

棕榈纤维因具有良好的弹性适宜制作弹性材料。棕榈叶鞘纤维片经蒸煮 (或碱水浸泡)处理后,再经打散、梳理分解成棕榈纤维单丝。棕榈纤维单丝经卷曲定型 (用制绳机将纤维绞制成螺旋绳,在 80～140℃的环境中保持 4～8 min,取出后将螺旋绳分解,得到卷曲的棕榈纤维)后,利用气流吹成三维方向均匀分布状态,使纤维互相交叠成网状,同时清除纤维杂质和粉尘,再与天然橡胶进行黏合。黏合后的纤维网在纤维相交处形成弹性结点,使其成为几十万个植物纤维“弹簧”组成的片状弹性材料。根据不同的需要可将片状弹性材料进行多层叠合,制成具有一定厚度的棕榈纤维弹性材料。这种弹性材料具有纯天然、环保、成本低、工艺简单,弹性舒适等优点,其生产过程也是绿色环保(能耗低、无污染、不消耗金属材料),具有广泛的市场前景,符合当前节约社会经济的发展趋势。这种材料密度均匀、弹性好,可用于制作床垫、坐垫,也用于建筑隔音、防潮、包装材料等[12]。

3 棕榈纤维研究和应用展望

(1)目前,对棕榈纤维的基础研究还不够透彻,应深入研究棕榈纤维基本特性。纤维化学性能决定了棕榈纤维的应用条件和范围;纤维材料的微细结构特性决定了其物理机械性能,纤维的物理机械性能与其大分子结构及其结晶状态有着必然的联系。前人对其他纤维的化学性能和微细结构的研究较多,而对棕榈纤维的化学性质文献提及较少,对棕榈纤维微细结构特性的研究却很少而且没有系统研究。今后在进一步了解棕榈纤维基本特性的基础上,将能更高效地设计、开发棕榈纤维产品,如在研究棕榈纤维各种性能的基础上,充分利用其弹性、柔软性以及多孔结构特性制作功能材料等。

(2)棕榈纤维作为一种优良的天然纤维,可应用到复合材料的制备中。然而,棕榈纤维在湿涨干缩时的体积变化、热胀冷缩时的长度变化会导致与基体材料界面的黏合出现问题,复合材料设计过程中,增强体 (棕榈纤维、棕榈纤维网、棕榈纤维绳、棕榈纤维二维或三维织物)在复合材料中的结构状态、连接方式等问题都需要进一步研究。另外,由于棕榈纤维属于粗径纤维,纤维比较粗而无法用现有的纺纱设备进行纺纱,可以采用制绳机制绳和编结设备制成编结织物,也可以采用其他(如气流铺网等)非织造加工方法制成棕榈纤维网,利用棕榈纤维编结织物和非织造织物优良的弹性,制作具有弹性较高的纺织结构复合材料,用于工业领域的减震、防震等场合。

(3)棕榈纤维的应用发展趋势是深度开发,以提高其附加值和经济效益为主攻方向。由于棕榈纤维来源于自然,具有舒适性、透气性、无污染、不受虫蛀等特点,深受人们的青睐,用于开发席梦思床垫和汽车、火车、轮船等的沙发坐垫等,具有广阔的前景。由于棕榈纤维性能优良且使用寿命长(至少 8年),国际市场上欧美等发达国家已停止在坐垫中使用海绵,而以棕榈纤维替代之,棕榈纤维生产坐垫将会形成明显的产业优势和经济效益。另外,棕榈纤维空气过滤网具有很少容尘、风阻小、无噪声、抗老化、滤尘效果好等特点,用于风机、空气压缩机、大型电动机及柴油机上也将有广阔的前景。由于棕榈纤维内部具有多空腔的特点,该纤维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] 陈曦,李永梅,郑毅.稻草、黄麻纤维、棕榈叶的吸水性和腐解速率研究[J].云南农业大学学报,2009,24 (2):260-264.

[3] 刘晓霞,茅琛.棕叶纤维性能研究 [J].上海纺织科技,2006,34(9):20-21.

[4] 刘晓霞,王振勇,徐卫林.棕叶纤维的开发研究初探[J].纺织学报,2004,25(3):75-75.

[5] 刁均艳,潘志娟.黄麻、苎麻及棕榈纤维的聚集态结构与性能 [J].苏州大学学报 (工科版),2008,28 (6):39-43.

[6] 肖兴富,李文奇,常佩丽,等.棕榈纤维垫法恢复水库岸边植被施工技术[J].南水北调与水利科技,2005, 3(4):26-28.

[7] 许贤敏.棕榈树叶纤维增强混凝土 [J].建筑工人, 1998(4):20-21.

[8] 熊瑞生,周锡武,鲍鹏玲.棕榈纤维增强水泥用于防水工程表面防裂的实验研究[J].混凝土与水泥制品,2002(3):38-40.

[9] 陈建孟,王家德,王毓仁,等.一种用于生物滤床的复合填料:中国,CN1935333[P].2007-03-28.

[10]陶佳,朱润晔,王家德,等.棕纤维复合生物填料床净化三甲胺和臭气的研究[J].中国环境科学,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,朱利军.棕榈纤维弹性材料产业现状与发展趋势[J].中国西部科技,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.

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TS102.227

A

1004-7093(2010)06-0035-04

2010-05-14

张同华,男,1971年生,副教授。主要从事天然纤维及纺织产品开发应用研究。