棕榈纤维的结构性能及其应用

张　有，陈长洁，孙广祥，王国和

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州215006；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)



棕榈纤维的结构性能及其应用

张有，陈长洁，孙广祥，王国和

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州215006；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

摘要：介绍了棕榈纤维在结构性能方面的特点，并阐述了棕榈纤维在复合材料、环境保护、资源利用等方面国内外应用的现状，说明了棕榈纤维具有优良的性能及广阔的应用前景，同时总结了棕榈纤维在进一步开发利用中所面临的问题与挑战。

关键词:棕榈纤维，结构性能，应用现状，挑战

棕榈，外形幽雅美观，颇具热带风光特色，作为经济作物及城市园林绿化树种，于热带亚热带地区被广泛种植。在我国，其主要分布于秦岭以南和长江中下游的温暖、湿润、多雨地带。棕榈纤维一般指棕榈叶鞘纤维，其作为早期的纺织材料，多用于传统生活中的蓑衣、编织井绳、地毯、垫材(如床垫、坐垫)，以及用于渔业中的缆绳、渔网等的制作。随着环境意识材料的提出，棕榈纤维作为一种性能优良的天然植物纤维，其研究开发的重视程度逐渐提高。本文总结了棕榈纤维在结构性能方面的特征，以及在国内外的应用现状。

1棕榈纤维的结构性能

1.1棕榈纤维的结构形态

棕榈纤维纵向整体呈锐端圆柱状，表面凹凸明显，呈链状分布着大量刺球形的硅石，如图1(a)。棕榈纤维的横截面呈蜂窝状，由大量紧密排列的棕榈单纤维组成，每根单纤维横截面大小不一，呈类椭圆形，有较大的中腔，中空度达47.21%，如图1(b)。棕榈纤维中含有大量以木质素和半纤维素为主的胶质，纤维素含量仅为28.16%，通过脱胶去除单纤维间大量胶质得到棕榈单纤维。单纤维外形细长，表面不光滑，锐端封闭，纵向无转曲，单纤维的平均长度为640.80μm，直径为7.33～10.35μm，如图1(c)。

图1　棕榈纤维扫描电镜图

1.2棕榈纤维的性能

棕榈纤维纤维素含量和结晶度较低，导致其断裂强力较小，并且具有分散性；湿态强度明显较干态强度低，只有干态强度的50%～60%；断裂强力随温度的增加逐渐降低，并且在160～180℃为棕榈纤维断裂强力的突变区域[5-7]。

棕榈纤维脂蜡质含量高，有助于提高纤维的柔软性能，并且纤维具有多孔结构、极性基团较多、亚甲基数量较多，从而给予了纤维良好的弹性性能；棕榈纤维含有大量的亲水基团、无定形区域比重高、纤维比表面积大、孔隙多等特点，使得纤维有非常良好的吸湿性能，高于棉、亚麻纤维；棕榈纤维表面具有大量硅石，具有非常好的抗菌性和耐生物降解性。除此之外棕榈纤维还有保暖性好、上染率高、隔音效果好等优良性能。

2棕榈纤维在各领域的应用

3.1纤维复合材料

棕榈纤维的纤维较长，断裂伸长率较大，具有极好的韧性及弹性，甚至在弯曲180°时也不折断，因此棕榈纤维适合于复合材料的研制，并伴随棕榈纤维复合材料的不断研究开发，其制品将会广泛应用各个领域。

纤维增强复合材料以其强度高、耐腐蚀而逐渐成为重要的建筑材料。水泥在工程中获得了极广泛的应用，但由于其抗拉强度低、耐水性和耐久性不理想，直接限制了在特殊工程中的应用。棕榈纤维是质轻且较柔软的材料，力学性能较好，长度适中易与水泥混合。水泥基棕榈纤维复合材料，与水泥相比，其抗折、抗压强度显著提高，表面开裂减少，抗震性也得到了明显的提升。

在聚合物基体棕榈纤维复合材料的研发中，亲水性的棕榈纤维与疏水性的基体之间会产生界面，将严重影响复合材料的力学性能，围绕这个问题国内外进行了许多的尝试与研究。陈卉颖[10]通过对棕榈纤维进行碱处理和硅烷交联，使棕榈纤维棕榈纤维/聚丙烯复合材料的断裂强力和弹性模量得到明显提高。Kaddam[11]等人通过马来酸酐对棕榈纤维进行表面改性，使棕搁纤维与不饱和聚酯及环氧树脂复合材料的机械性能和弯曲模量得到提高，同时促进应力自材料破坏处更好地传递和吸收。在国外，棕榈纤维与天然橡胶、聚氯乙烯、酚醛等聚合物的复合材料正在不断深入研究，并且正在探讨棕榈纤维与可降解基质制成复合材料的开发可行性[12]。

3.2环境保护

棕榈纤维具有低密度和多孔结构。董静[13]使用直接隔绝氧气，灼烧炭化的方法制备棕榈纤维活性炭，并以化学共沉淀法将纳米MgO颗粒分散在棕榈纤维活性炭的孔道和表面，进而改性棕榈纤维活性炭。其对阴离子染料有非常好的吸附作用，且产品原料廉价易得，程序简单，利于推广。在国外，以棕榈纤维为原料制成的高功能过滤器，具有成本低、过滤功能强等特点，在净化饮水和空气领域有着非常广阔的前景。

棕榈纤维不易腐烂，具有一定的弹性结构，可应用于生物过滤床，来处理污水处理站、垃圾填埋场等场所会产生大量有毒气体。棕榈纤维和碎木片填料制作的生物过滤床与传统的泥炭和碎木相比，棕榈纤维复合填料生物过滤床的密度小、比表面积大、孔隙率高，并且其持水特性好，寿命长，耐压实，富含微生物所需的养分，更适合于生物过滤床填料使用[14]。

利用棕榈纤维涵养水分功能优良、不易腐蚀霉变的特点，通过特殊工艺将其编制成纤维垫。棕榈纤维垫对岸边植物群落的恢复与重建非常有利，进而对改善水体生态状况，防止岸边侵蚀有着重大作用。事实证明，将扦插柳枝、芦苇等各种生活习性的植物种植在铺盖的棕桐纤维垫上，可成功地恢复库边植物。在扦插的植物当中，柳枝的成活率最高，达到90%以上，其它扦插植物也有较好的成活率。在水、陆地均有很高的成活率高，并且长势较好，能够快速起到防止雨水冲刷、保持土壤的作用，同时提高了周边环境的绿化程度[15]。

3.3资源利用

棕榈纤维的应用效率较低，大量的棕榈纤维被当作垃圾处理掉，造成严重浪费。如果将其充分利用，将会对缓解能源紧缺提供巨大的帮助。

纸张作为人们日常必需品，随着社会经济的发展，其需求量逐年增加，给世界森林资源造成沉重的压力。棕榈纤维属中等长度纤维，杂细胞含量较高，纤维素含量低，木质素含量高，十分有利于制浆过程中获取较高的得浆率，实践证明，棕榈纤维是一种产量大、性能优良的造纸原料，根据纤维特征选用合适的工艺技术与设备，可生产出具有不同性能的纸产品，尤其是在牛皮箱板纸、高强瓦楞纸等包装产品上有广阔的前景[16]。

油气资源做为关系人类发展的能源，其储量的逐渐匮乏，已成为限制全球经济发展的主要屏障。如今，各国已逐渐将发展可再生能源做为主要的发展战略，燃料乙醇作为一种重要清洁被广泛重视，甚至在一些发达国家已经逐步成为能源结构中的重要组成部分[17]。若使大量浪费掉的棕榈纤维转化为乙醇的设想得以实现，将对缓解世界能源危机作出巨大贡献。现阶段研究主要是利用氨水、稀硫酸、NaOH等方法对棕榈纤维进行预处理，促进材料水解反应，再使用相应的菌种发酵水解得到乙醇[18]。根据统计，若用所有马来西亚与印度尼西亚的棕榈纤维制作成乙醇替代汽油，可以超过两国汽油消耗量的140%、中国的63%，可以看出棕榈纤维生产乙醇经济回报将非常丰厚[19]。除此之外，棕榈纤维还可以用来制作建筑隔音材料、人造板，以及利用棕榈纤维优良的弹性来制作床垫、坐垫等。

3结语

如今，棕榈纤维研究取得了一定的成果，并且在多个领域将有很好的应用前景。但仍需对棕榈纤维以及棕榈单纤维进行更层次的研究，提高棕榈纤维的应用价值，解决应用中存在的问题与挑战，如：

(1)棕榈纤维作为一种优良的天然纤维，在纺织领域，其可纺性的研究仍不够，需要对棕榈纤维进一步开发，使其能纺纱形成织物，发挥其服用价值。

(2)国内外棕榈纤维复合材料的研究不断加深，解决亲水性的棕榈纤维与疏水性的基体界面问题已成为研究的难题，寻找高效、环保、经济的方法对棕榈纤维改性，对棕榈纤维复合材料的广泛应用至关重要。

(3)棕榈纤维在能源开发方面具有巨大的潜力，采用生物、化学等方法将大量浪费掉的棕榈纤维转化乙醇等能源，对保护环境、缓解能源短缺和经济的可持续发展有重要的意义，但提高其生产速率及转化率的方法仍需不断探索研究。

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收稿日期：2016-03-25