菠萝叶纤维拉伸力学行为研究①

庄志凯 李明福 张 鹏 连文伟 何俊燕 黄 涛 张 劲

(中国热带农业科学院农业机械研究所 广东湛江 524091)

菠萝，又名凤梨，是凤梨科凤梨属，多年生单子叶草本植物。菠萝是世界上著名的热带水果[1]。在中国被广泛种植在海南、广东、广西、云南、福建和台湾6省(区)，近年来种植面积均保持在70 000 hm2左右[2]。每 666.7 m2废弃叶片约 5～10 t，全国总量近1 000万t/年，造成大量资源浪费及生态环境的污染[3]。菠萝叶中含纤量仅为1.5%左右（干基），所提取出的纤维属叶脉纤维，既具有麻的风格，又有独特的优点，是一种新兴的工业原料，在纺织、包装、建筑等领域有着广泛的应用。

研究植物纤维的力学特性，可间接反映出纤维增强体的复合材料力学性质，促进纤维的开发利用，为纤维应用于纺织、医学、军事等领域提供理论依据和基础数据[4-7]。本试验以菠萝叶纤维为原材料，研究干 （13%）、湿 （84%）2种状态下菠萝叶纤维不同部位的拉伸力学行为，掌握菠萝叶纤维不同采样部位于干、湿2种状态下拉伸性能的变化规律，为菠萝叶纤维的开发利用奠定了理论基础。

1 材料与方法

1.1材料

1.1.1 试材

菠萝叶纤维来源于湛江市徐闻县菠萝种植基地的菠萝叶，品种为卡因，通过自主研发的半自动刮麻机对菠萝叶进行纤维提取。干态菠萝叶纤维样品制备：随机抽取5束纤维；将每束纤维分成根、中、梢3小截，每截长约10 cm，并标有根、中、梢等标签，然后分别放于5个编号为A、B、C、D、E的密封袋中；取出已编好号的根部纤维，用特制的梳子分别将每束纤维梳理至呈单根纤维的状态。然后将刮好的每束纤维分成2部分，分别用来做干态、湿态试验；用纤维切断器将要做实验的根部纤维切出30 mm长度的纤维，并从中挑选通直、无弯曲、无分支、粗细度均匀的单根纤维，用于做拉伸试验，每种水平下取30组有效数据；中、梢部的纤维制样步骤同上。

1.1.2 仪器

纤维切断器：切断长度30 mm；TG328B分析天平：量程200 g，精度0.1 mg；黑绒板：150 mm×250 mm；绒板刷；镊子；直尺：300 mm，精度1 mm；德国Binder VD烘箱；YG(B)008E型单纤维强力机。

1.2 方法

1.2.1 纤维细度测定

取一定数量的纤维，将调湿后的纤维整理后，用稀梳轻轻梳理8～10次，使其呈单根纤维状态后，放置于纤维切断器中间，并与切刀保持垂直，然后将纤维切断，将切断的纤维试样用镊子夹出放在黑绒板上，然后从中挑选出100根单纤维，再在分析天平上称量，做下记录，参照GB/T 12411-2006黄、红麻纤维试验方法进行测定[8]。

1.2.2 纤维拉伸试验

采用农机所纤维检测室YG(B)008E型单纤维强力机，空气温度25℃，空气相对湿度60%；夹持距离10 mm，量程500 cN；预加张力0.5 cN；拉伸速度10 mm/min[9-11]。

2 结果与分析

2.1 菠萝叶不同部位纤维细度分析测定

将切断的纤维试样用镊子夹出放在黑绒板上，从中挑选出100根单纤维，再在分析天平上称量，做下记录，并依照GB/T 12411-2006的试验方法进行测定。纤维根、中、梢部各测量5次，取其平均值，所得数据如表1所示。

表1 菠萝叶原纤维细度 单位：dt ex

由表1可知，根部细度平均18.54，中部细度平均15.38，梢部细度平均14.73，根据纤维不同部位的细度差异，梢部纤维较细，易脱胶，脱胶后柔软舒适，适宜制成睡衣等纺织产品；根部纤维较粗，脱胶困难，宜于制作袜子等纺织产品。

从表2中可以看出，菠萝叶纤维的细度同苎麻（细）、汉麻一样，都是梢部单纤维细度最低、中部次之、根部最高。

表2 菠萝叶原纤维、苎麻 （细）和汉麻的细度单位：dt ex

2.2 菠萝叶原纤维拉伸过程分析

选择库存菠萝叶原麻纤维制成试样后，分成干态和湿态，根、中、梢3个部位进行拉伸试验，每种水平下得到30个有效数据，试验中计算机自动采集数据并绘制载荷伸长曲线。如图1和2分别为干、湿2种状态下纤维拉伸试样的载荷伸长曲线。

由图1可知，干态下随着纤维伸长的加大，载荷也渐渐增大。从图上可以看出，纤维的载荷伸长曲线从开始到最大载荷(111.7 cN)时呈直线上升趋势，然后在达到最大载荷时突然断裂并伴有清脆的断裂声，同时载荷迅速减小，试验结束。由此可以看出，干态纤维的拉伸试验在载荷达到最大载荷之前并没有明显的屈服现象，而在结束时是干脆的断裂。

图2是菠萝叶纤维湿态的拉伸试验，从图中可以看出其拉伸的大致过程：在初始阶段，其拉伸曲线载荷和伸长呈现出一定的线性关系，而在载荷达到一定值后，湿态纤维并没有出现像干态那样的脆性断裂，其载荷随着纤维伸长的增加呈波浪式渐渐增大，然后在载荷达到最大值(142.5 cN)后，湿态纤维迅速断裂，并伴有轻微的断裂声。

图1 干态纤维拉伸试验载荷伸长曲线

图2 湿态纤维拉伸试验载荷伸长曲线

2.3 菠萝叶纤维拉伸特性分析

对菠萝叶纤维根、中、梢3个采样部位分别进行干态 （13%） 和湿态（84%）的拉伸试验，每一种水平下取5组纤维进行试验，每组试验得到30个有效数据，对试验数据进行处理得到其均值，如表3所示。

通过试验探究菠萝叶纤维干、湿状态下不同采样部位对其拉伸特性指标的影响，经数据处理，得到其方差分析表。结果见表4～7。

表3 干、湿2种状态下纤维根、中、梢拉伸均值

表4 断裂强力双因素等重复方差分析

表5 断裂强度双因素等重复方差分析

表6 中、梢部断裂强力双因素等重复方差分析

表7 中、梢部断裂强度双因素等重复方差分析

由表3可知，湿态纤维抗拉能力大于干态纤维，与其他麻类纤维湿强比干强大的拉伸规律一致，这是因为天然纤维有较高聚合度，纤维大分子间有较强的结合力，所以在干态情况下纤维有一定的内应力，而在水中浸泡吸湿后，纤维会膨胀，便使得纤维大分子获得一定程度松弛，内应力几乎消失，使得纤维强度增大[14-16]。

从表4、5可以看出菠萝叶纤维干、湿态的变化、采样部位的不同对纤维断裂强力、断裂强度的影响是极显著的(p＜0.01)。而表6、7中可以看出，采样部位不同对中、梢部纤维的断裂强力、断裂强度差异影响并不显著(p＞0.05)。这可能与菠萝叶纤维细度差异性有关，前期研究结果表明，纤维根部细度值比中、梢部大，根部纤维整体较粗，中、梢部纤维细度值差异不大，纤维粗细较为一致。

3 讨论与结论

从表1和2中可以看出菠萝叶原纤维的拉伸断裂强度介于苎麻和汉麻之间，比苎麻小，略高于汉麻；而断裂伸长率则均比苎麻和汉麻高，说明原纤维承受外力冲击的能力比二者要强，纤维更不易断裂。通过方差分析可知，菠萝叶纤维干、湿态的变化、采样部位的不同对纤维断裂强力和断裂强度的影响是极显著的 （p＜0.01）。此外，采样部位不同对中、梢部纤维的断裂强力、断裂强度差异影响并不显著 （p＞0.05）。即根部纤维抗拉能力较中、梢部强，中、梢部抗拉能力差异不大。这可能与菠萝叶纤维细度存在显著差异有关。

结合图1和2可以看出二者载荷伸长曲线存在明显区别，这是因为湿态纤维包含了大量水分的缘故，水分子间的结合力增加了纤维的黏性，使得湿态纤维比干态纤维断裂伸长率更大，这也与其他麻类纤维湿态断裂伸长率比干态断裂伸长率大的规律相似[17-18]。这是因为天然纤维有较高聚合度，纤维大分子间有较强的结合力，所以在干态情况下纤维有一定的内应力，而在水中浸泡吸湿后，纤维会膨胀，便使得纤维大分子获得一定程度松弛，内应力几乎消失，使得纤维强度增大。