椰子纤维研究利用及发展趋势

朱赛玲 ，熊雪平 ，徐朝阳 ，王广静 ，徐长妍

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.海南昆仑新材料科技有限公司，海南 海口 570100)

椰子纤维研究利用及发展趋势

朱赛玲1，熊雪平2，徐朝阳1，王广静1，徐长妍1

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.海南昆仑新材料科技有限公司，海南 海口 570100)

椰子纤维，数量多、价格便宜、综合性能优越，其研究和利用是一种变废为宝，利国利民的重大举措。本文对椰子纤维的学术研究及加工利用现状进行阐述，主要包括宏微观构造、解剖特征、化学成分分析和物理力学强度等，并介绍了椰子纤维在人造板和复合材料领域的利用现状。纵观椰子纤维利用全貌，椰子叶柄纤维至今未得到有效利用，如何对椰子各部位纤维有效利用，应成为今后学术研究及成果产业化的重点。

椰子纤维；宏微观结构；解剖特征；化学成分分析；物理力学强度；加工利用

椰子纤维，是利用废弃的椰壳，经过浸泡、敲打、除杂、晾晒后获得的天然木质纤维素。椰子纤维是一种无公害、绿色环保的纯天然纤维原料，具有韧性强、防潮、透气、抑菌等特性。目前，椰子纤维广泛用于棕垫的生产加工，以及坐垫、床垫、沙发的填充物等[1]。

早在1993年4月30日，就有了关于椰衣纤维正式用作环保优良材料的报道。多年来，印度和斯里兰卡使用椰子纤维的技术已经很成熟，2013年印度尼西亚与其合作发展几种椰子纤维成品：垫子、地毯、绳索、罗网、揩脚垫以及椰子纤维[2-3]。然而，我国对椰子纤维的研究还不多，进一步研究椰子的各部位纤维将对我国椰子纤维发展至关重要。本文以椰子纤维为研究对象，系统阐述其学术研究和加工利用现状。研究发现，宏微观构造及解剖特征、化学成分分析和物理力学强度是椰子纤维学术研究的主要内容。纵观椰子纤维的利用全貌，椰子叶柄纤维因各种原因至今尚未得到有效利用，以至于变成废弃物，如何对椰子各部位纤维有效的综合利用，应成为今后学术研究及其成果产业化的重点。本文还对椰子纤维的未来发展提出了一些可行性建议，以期对椰子纤维的综合利用与发展提供参考。

1 椰子纤维的研究现状

1.1 椰子纤维的解剖特征及物理力学强度

K.G.Satyanarayana等[4]首次对椰子不同部位纤维的结构进行研究，发现不同部位的纤维均由4种类型的细胞组成：厚壁组织、木质部、韧皮部及木质部-薄壁组织，不同细胞的数量、形状和排列呈现一定的变化。木质部、韧皮部及木质部-薄壁组织数量高，发生断裂时，断裂数量多，故强度和伸长率比较低；厚壁组织数量高，则强度比较高。其中，叶鞘纤维的厚壁组织数量最高，其强度相对最高；根部纤维其次；叶轴和小穗轴纤维，强度最低。各部位纤维呈螺旋形，盘旋嵌入非晶区，拉紧时，微纤丝在非晶区像弹簧弯曲一样拉长。叶轴和小穗轴、叶鞘和佛焰苞纤维的微纤丝角在21°～31°，模量较低；叶柄纤维的微纤丝角较小，模量和极限抗拉强度均比较高。

Fábio Tomczak等[5]借助SEM对巴西椰子纤维进行分析，横切面显示：椰子纤维由不同类型、排列规则的细胞组成，中心有一个很大的腔隙，而且细胞几乎是圆形的；而纵切面和拉伸断裂面显示，纤维表面有可见的缺陷，发生韧性断裂。进一步研究发现：不同应变率对纤维的断裂模式没有任何影响。同时，X-射线衍射谱显示：椰子纤维的结晶度为57%，微纤丝角是51°。最后，随纤维直径的增加，抗拉强度和杨氏模量均有一定程度的下降，而断裂伸长率几乎保持恒定；随纤维的增长，抗拉强度和断裂伸长率下降，杨氏模量上升。

Geethamma等[6]、Paul等[7]以及Romildo等[8]也研究了椰子纤维的物理和机械性能，并得到以下结论：椰子纤维的直径介于0.1～0.53 mm之间，密度为1150 kg·m-3；含水率为10%～15.85%，拉伸强度、杨氏模量分别为108～252 MPa、2.5～6 GPa，断裂伸长率为15%～40%。根据不同的应用需求，椰子纤维可以作为增强材料用于复合材料[9]。

1.2 椰子纤维的化学成分分析

K.G.Satyanarayana等[4]首次对椰树不同部位纤维的化学成分研究发现，主要的化学成分是纤维素和木质素。Bilba K等[10]对椰壳纤维及椰树叶鞘纤维的化学分析显示：C元素在树的上部比较多，O元素则在树的下部比较多。同时，经热降解分析发现：热降解剩下的主要是不易挥发的无机元素。其中，椰树叶鞘纤维在300 ℃降解，并随温度升高，C元素增多；H元素呈线性减少；N元素增多，且于300 ℃时最多。降解后，H、O元素相应减少，无统计差异。其中，300 ℃时已有较高的含碳量，其推测木质素可能在更低的温度已经分解，这就验证了先前关于“木质素在250 ℃降解”的结论。由此推断：椰树枝叶纤维中具有很高的木质素含量。

Tritti Siengchum等[11]对椰壳纤维快速热降解过程进行跟踪研究发现，500～630 ℃，CO2是主要的气体产物，随温度的不断升高，CO、CH4及H2相继产生。此外，椰炭和降解液体的原位红外光谱表明：加热速率越快，脂肪族和羰基化合物越多；而加热速率平缓，脂肪族化合物增多。羰基在200～400 ℃内形成；达到400～500 ℃时，C=O，C—O—C键断裂，形成CO、CO2；直到500～580 ℃时，C—C键断裂，形成CH4。快速热解的D2O-饱和椰子壳表明，在高温下，生物质中的水分不增加H2的含量，H2的主要来源是C—H键。

2 椰子纤维在材料加工业的利用现状

椰子纤维广泛用于高档席梦思床垫，纺织成各种工艺品，并作为一种新型有机无土栽培基质，应用于花卉、瓜果等栽培和育苗中。同时，纤维垫和纤维渣也广泛用于水土保持、防止冲刷及种植园艺作物等。椰子纤维与其它材料复合，可制作高科技含量和高产值的产品，如安全带等[12-13]。

2.1 椰子纤维在人造板方面的利用研究

J.A.Semana 等[14]研究表明：椰衣纤维有弹性，难以压成板坯，故椰衣浆可制中密度纤维板，不能制成标准硬板。纯椰衣板，除吸水外，厚度膨胀与抗弯强度均符合中密度纤维板的要求。椰叶柄与椰衣各半的混浆可制成硬板，且抗弯强度优良，而厚度膨胀率与吸水率均达不到标准，但热处理对其性能有一定的改善作用。

Joseph Khedari等[15]用椰壳纤维制备刨花板，并通过控制一定的工艺参数、改变胶黏剂种类及板的密度。结果表明，随着板的密度增加，板的机械强度增加，尺寸稳定性、厚度膨胀率及热导率降低。这种低导热系数的天然板材可用于绝缘天花板和绝缘墙壁等。同样，Van Dam JEG等[16]对椰壳的化学成分、木质素及碳水化合物、α-纤维素，结合FIR，TG，SEM进一步研究发现，尤其在未成熟坚果的椰壳纤维中，含有低分子量的酚醛树脂，并在高于140 ℃时融化，显示了其热固性的独特性能。这项研究成果，使制备不添加化学粘合剂的高强度、高密度板材成为可能，为将来椰子在人造板领域的发展开辟了新途径。

2.2 椰子纤维在复合材料方面的利用研究

Emanuel M.Fernandes等[17]研究了椰纤维对软木粉/HDPE复合材料机械性能的增强作用，采用挤出工艺，改变软木粉、短椰纤维及偶联剂的比例，进行6组对比试验。结果显示：添加椰纤维后，弹性模量和抗拉强度均有一定程度的提高；添加偶联剂，界面结合比较好，且有助于增强拉伸性能；添加10%的短椰纤维和2%的偶联剂，是加强软木基复合材料的最佳配方。同样，Rosa.MF等[18]对加入椰壳纤维的淀粉/乙烯醇复合材料的机械性能和热性能进行研究，结果显示：加椰壳纤维，拉伸强度增加了53%；加处理过的纤维，拉伸强度增加了33%，杨氏模量增加了75%。水洗/碱化/漂白处理改善了纤维基体附着力，增加了纤维与基体间的粘附力，改善了表面性能，增强了复合材料的热稳定性。

天然纤维中含极性羟基，使其与非极性的聚合物之间的结合有以下缺陷：界面粘结性差，纤维与基体的润湿性差。M.Brahmakumar等[19]通过比较椰子纤维的蜡质层，与接枝长链烷基分子发现，蜡质层比接枝对界面粘结力的作用更大，其蜡质层的聚合物性质使复合材料的界面粘结力有所增强。显示了椰子纤维是一种独特的天然增强纤维，挤压熔融时具备较长的纤维定向流动性，表明椰子纤维在增强复合材料机械性能方面有着巨大的潜力。

3 展望

增设椰子研究机构。大力支持学术研究者投入椰子的研究探讨，提供其国内外学术交流的机会，有助于汲取更多的智慧，为其综合开发利用提供更多的可能，全面推进我国椰子产业发展，拉动经济增长。目前，国内的椰子产品基本滞于鲜椰子等领域的开发，应充分发挥椰子优势，全面开发椰子纤维新材料及生物质能源新产品。加强椰子各部位纤维的开发利用。椰子纤维中的酚醛树脂和蜡质层的聚合物性能，是其应用于新材料的最佳举证。目前，椰壳纤维的利用相对较多，而椰子的其他部位，如椰子叶柄，尚未得到有效开发，将其变废为宝，有效利用是一项利国利民的重大举措。

椰子加工标准化。近年来，对椰子附加值的研究使越来越多的工厂投入到椰子的开发中去，在充分利用天然资源的基础上，制定条例、保护环境、规范市场秩序，使椰子产业呈现可持续的发展趋势。开发椰子电子商务。为椰子种植和加工提供及时的市场信息，借助互联网，降低椰子企业交易成本，简化交易流程，充分发挥椰子产品的应有价值[20]。

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[3]世界热带农业信息编辑部.印度和斯里兰卡欲在印尼建椰子纤维厂[J].世界热带农业信息，2013(3)：14-15.

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The Research Utilization and Development Trend of Coconut Fiber

ZHU Sai-ling1，XIONG Xue-ping2，XU zhao-yang1，WANG Guang-jing1，XU Chang-yan1

(1.NanjingForestryUniversityCollegeofMaterialsScienceandEngineering，Nanjing210037,Jiangsu,China；2.HainanKunlunnewMaterialTechnologyLimitedCompany，Haikou570100,Hainan,China)

Coconut fiber is abundant，cheap and has excellent comprehensive performance.Its research and utilization is a major initiative which turns the waste to treasure and contributes to the mankind.In this paper，the situation and tendency of coconut fiber research and utilization is reviewed and commented briefly.In the past years，research on coconut was mainly focused on its macro and micro structure，its anatomical characteristics，its chemical composition analysis，and its physical and mechanical properties.Coconut is widely utilized in many field accepts.Here its use in material industry is emphasized.But until now，coconut palm branches and leaves，which are comparatively weak in the whole tree have not been utilized effectively.How to make effective utilization of coconut palm branches and leaves should be put on a high position in the future.

coconut fiber；macro and micro structure；anatomical characteristics；chemical composition analysis；physical and mechanical properties；effective utilization

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.02.050

2013-09-05；

2013-10-15

江苏高校优势学科建设工程资助项目

朱赛玲(1989—)，女，江苏南通人，南京林业大学材料科学与工程学院硕士研究生，从事复合材料领域的研究。E-mail：zhusailing@yeah.net。

徐长妍(1967—)，女，南京林业大学材料科学与工程学院副教授，博士，从事包装工艺和运输包装的教学与研究。E-mail：changyanxu1999@163.com。

S667.4

A

1002-7351(2014)02-0231-04