椰壳纤维和椰炭纤维的性能与应用

王吉祥,左洪芬

(烟台南山学院 工学院,山东 烟台265706)

随着纺织科技的进步和人们生活水平的提高,在崇尚环境友好、绿色消费的理念下,天然纤维材料越来越受到青睐。由于棉麻等天然纤维种植面积有限,合成纤维不可再生且生产过程对环境破坏严重,而椰壳属于农林废弃物并含有大量的纤维素,可以作为新型纤维的纺纱原料。合理开辟椰壳在纺织纤维中的应用,不仅有利于缓解纺织纤维原料短缺,利于废弃资源的再利用,更有利于纺织业可持续发展[1-2]。国内关于以椰壳资源为原料的纺织纤维的研究不多,因此深入研究适合纺织的椰壳纤维和椰炭纤维十分必要。

1 椰壳纤维的成分及性能

椰壳纤维是利用取走果肉和椰汁后废弃的椰壳经过一系列物理机械加工而成,其制备工艺流程见图1。

由图1可以看出,椰壳纤维是椰壳经过浸泡、敲打、打松、除杂、晾晒等过程而获得的天然纤维素纤维。椰壳纤维与麻、竹、棉等均为天然纤维素纤维,其主要成分为纤维素、半纤维素、木质素及果胶等[3-5],与其他天然纤维的化学成分、形态及性能差异见表1、表2。

由表1可知,椰壳纤维的纤维素及半纤维素含量低于亚麻、竹、棉纤维,木质素含量高于亚麻、竹、棉纤维,则椰壳纤维内部羟基基团的数量少,纤维细胞含水率较低,故椰壳纤维亲水性较亚麻、竹、棉纤维差。

表1 椰壳纤维与其他天然纤维的化学成分对比

表2 椰壳纤维与其他天然纤维的形态及性能对比

由表2可知,椰壳纤维的单纤维长度、细度大于亚麻、竹、棉纤维,粗细不匀差异大,这是由于椰壳纤维中木质素等物质含量偏高,导致椰壳纤维结晶度较低,其密度低于亚麻、棉,但高于竹纤维。由于椰壳纤维由若干纤维细胞组成束状结构,单根纤维长短不一[6],抱合性差,强力的一致性降低,分散性变大,力学性能变差,受力时易出现断裂,其拉伸强度低于亚麻、竹和棉纤维。

椰壳纤维的杨氏模量较其他天然纤维偏低,容易发生变形,鉴于椰壳纤维的断裂伸长率高于亚麻、竹和棉纤维,具有保持形态完整及恢复初始状态的能力,可利用该优势特征对木塑复合材料进行增韧设计。椰壳纤维内部呈现多细胞聚集的结构特征,由管纤维和细胞间基质组成,众多单细胞的管纤维平行排列使椰壳纤维整体呈中空结构,可以对冲击破坏起到缓冲作用,且内部孔隙结构和低密度特性决定了椰壳纤维质轻、吸声、保温的功能特性[7]。

2 椰炭纤维的制备及特性

2.1 椰炭纤维制备与性能

目前,椰炭纤维的制备根据载体的不同分为聚酯基椰炭纤维和黏胶基椰炭纤维。聚酯基椰炭纤维是以聚酯为载体来制备椰炭纤维,黏胶基椰炭纤维是以黏胶为载体来制备椰炭纤维[8]。聚酯基椰炭纤维加工工艺流程,见图2。

椰炭纤维横截面为四叶形结构,纵向有连续且不规则的条纹和黑色斑点颗粒,众多的微孔消除了纤维表面的镜面反射,使反射光全部成为漫反射,涤纶的极光消失,触感更接近天然纤维的质感。为更加了解其性能,对聚酯基椰炭纤维和普通聚酯纤维的性能[9]进行对比分析,其结果见表3。

表3 聚酯基椰炭纤维和聚酯纤维的性能对比

由表3可知,聚酯基椰炭纤维的断裂强度小于普通聚酯纤维,表明椰炭粉的加入造成纤维应力分布不匀,薄弱环节增多,导致断裂强度降低。而聚酯基椰炭纤维的断裂伸长率高于普通聚酯纤维,且干态初始模量较低,增加了纤维的缓弹性变形和松弛性,故聚酯基椰炭纤维具有优良的延伸性。但聚酯基椰炭纤维保形性不如普通聚酯纤维,相较于涤纶纤维的刚性降低柔性增加,抗起毛起球性能也有一定提高。

聚酯基椰炭纤维比普通聚酯纤维的质量比电阻降低,回潮率提高,这是由于椰炭粉末的吸附作用,纤维的抗静电性及吸湿性能提高,更有利于纤维的可纺性及制品的服用性能。

2.2 椰炭及其纤维特性

2.2.1 椰炭特性

椰壳活性炭是多孔物质,分子结构呈六角形,炭质致密,孔隙多,制备出的活性炭炭含量高达93%～96%,灰分低、强度高[10],而煤质活性炭形成的孔隙表面比较杂乱,孔隙结构不明显,炭质成分为80%～90%;因此,椰壳炭化料比煤质炭化料更加容易形成孔隙结构,吸附性能更优异。

2.2.2 椰炭纤维特性

(1)强大吸附性,有效去除异味。

椰炭纤维可以在短时间内有效吸收空气中的异味、甲醛、油烟味、苯等气体,平均除臭率在30%～35%之间[11],其微孔结构直接分布于固体表面,使吸附质分子可直接到达微孔的吸附部位,缩短了吸附行程,加快了吸附速率,具有强大的吸附力。

(2)释放负离子,提高空气质量。

椰炭纤维能引起负离子晶体之间的电势差从而形成电场,高电压使电场中的空气发生电离,其负离子能灭菌除尘,减少疾病传染,对空气有一定的消毒和净化作用。椰炭纤维针织物的负离子发射量为5000个/mL,远超过维持生命健康基本需要的负离子浓度。

(3)矿物质丰富,功能持续性佳。

椰炭纤维富含各种矿物质,其中炭93%～96%、钾0.647%、钙 0.036%、镁 0.030%、锰 0.017%、铝0.004%,锆0.001%[12]。椰炭粉末聚合于聚酯纤维高分子中,多种微量元素对人体具有活化细胞、消除疲劳等保健作用,不会因穿着或洗涤次数的增加而消失,持久性好。

(4)放射远红外线,促进新陈代谢。

椰炭纤维通过吸收人体和外界的热量,分子结构受热激发产生震荡,可吸收和发射电磁波波长为4～14 μm的远红外线,这一波段区间的红外线与人体辐射波峰的远红外线相近,从而产生共振吸收,分子之间摩擦生热,皮下温度上升,加速血液循环,促进新陈代谢,从而达到保暖保健的效果。

3 椰壳纤维与椰炭纤维的应用

3.1 椰壳纤维的应用

3.1.1 服装及家居用品

椰壳纤维较粗,纤维支数低,可通过与涤、棉等混纺用于服装面料、箱包或鞋子,不仅具有良好的延伸性,同时具备吸湿速干的优点,能够快速地将汗液从皮肤表面传递到织物外层,符合户外运动装对活动自如和吸湿透气的功能需要。

椰壳纤维韧性大、强度高、易恢复原状,可加工制成缓冲防震材料代替聚氨醋泡沫塑料,用于家居床垫、座靠垫、地毯等;也可以和聚丙烯等纤维混合制成坚固轻盈的合成材料,从而取代通常使用的合成聚酯纤维材料,用于绳索、汽车后备箱衬垫、隔音内衬、工艺品等。

3.1.2 农林及园艺景观

椰壳纤维具有可生物降解、保水性、保湿性、透气性好等特点,可作为农作物、园艺等有机无土栽培基;用其制成的纤维网可用于固定沙化土地,防止水土流失;在河流护坡方面,具有较强蓄水能力,可减缓水流速度;与丙纶、尼龙等混纺制成土工布经久耐用。

椰壳纤维具有出色的力学性能和较高的饱和吸水率,且密度仅为1.15 g·c m-3,利用椰壳纤维编织成的无框架人工浮岛,具有净化水质、创造生物的生息空间、改善景观等综合性功能,视觉效果柔和,不怕相互间的撞击,耐久性也较好[13]。

3.2 椰炭纤维的应用

3.2.1 服装

椰炭纤维可用于开发保健服、袜子、护腰护膝带等贴身服装面料,将椰炭纤维应用于贴身服装面料,具有蓄热保暖、促进血液循环的功能,其表面的活性炭孔隙可吸收人体产生的不愉快气味,增强织物快速吸水性,使人体在活动过程中保持面料干爽。椰炭纤维还可以用于婴儿纸尿裤等妇婴卫生用品,以及在特殊防护场合中使用的医疗防护服、绷带、口罩等产品,可释放负离子预防潮湿环境下细菌滋生而引发皮肤病等疾病。

3.2.2 家纺

以椰炭纤维为原料开发的纺织品如窗帘、床单被罩、枕芯、毛毯、浴巾、毛巾等产品具有发射远红外线和释放负离子的功能,相较用于吸附和降解室内有机污染物的空调过滤材料,具有与空气直接接触、接触面积大、无需耗能等优势,既满足了实用性需求,又具室内空气自清洁能力。

4 结语

通过对比分析椰壳纤维与其他几种天然纤维,结果表明:椰壳纤维具有优良的力学性能、防水性好、密度小、拉伸强度较低、断裂伸长率高,是具有保持形态完整及恢复初始状态的能力纤维,可用于服装、家纺、绿色复合材料的强化材料、农林及园艺景观等;椰炭纤维是一种新型功能纤维,柔软、吸湿透气,具有吸附除臭、释放负离子等生物功效,适合开发速干运动服、保暖内衣、特殊防护服、家纺用品,不仅舒适保健还可实现能源的循环再利用。