木棉纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

常 桑，李長龍

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院 ，安徽 蕪湖 241000)

木棉是樹上生長的天然纖維素纖維，為木棉科木棉屬植物，廣泛產(chǎn)于亞熱帶.木棉纖維是天然纖維中中空度最高的纖維，是優(yōu)良的隔熱、隔音、保暖和浮力材料.木棉纖維不僅具有天然纖維的優(yōu)良特性，又具有獨特的拒水吸油性能，但由于其可紡性差，主要還是用于混紡或填充物材料[1].本研究在國產(chǎn)木棉纖維基本結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的基礎(chǔ)上進一步完善了纖維的測試方法，為木棉纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論參考.

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

木棉纖維，火膠棉，甘油.

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 纖維形態(tài)觀察

木棉纖維表面光滑、抱合力差且有大中腔，用一般的切片器制取切片的方法難以制得切片[2].采用以下方法制取切片：先在載玻片上滴一滴火膠棉，厚度為2 mm左右，用手扯法整理一小束纖維束，用鑷子夾取整齊端，并用直角尺做參照，將纖維束整齊端垂直浸入火膠棉內(nèi)，1～2 min待火膠棉干燥后，剪去露出火膠棉以外的所有纖維，即可制得切片.該方法操作簡單，成功率高.制取縱向試樣可在載玻片上滴一滴甘油，取一小束纖維束手扯整理平直，直接置于載玻片上，并蓋上蓋玻片.制得切片在北京本原CSPM4000掃描探針顯微鏡下進行觀察.

1.2.2 纖維長度分布測定

由于木棉纖維強力低，用一般的手扯目測法測量纖維長度時易斷裂，會影響測試結(jié)果，所以采用單根纖維長度測量的方法，即將纖維逐根伸直，用刻度尺測量其單根纖維長度.用這種方法費時較多，但測量結(jié)果準(zhǔn)確.

1.2.3 纖維拉伸性能的測試

由于木棉纖維的細(xì)胞壁太薄，在單纖維強力機上測試時很容易損壞，即使將夾持力調(diào)到最小，也只有極少數(shù)的木棉纖維能抵抗住瞬時夾持力不被夾斷.采用以下方法制取試樣：先制作鏤有1 cm×1 cm方孔的正方形紙片，沿孔的兩側(cè)邊緣分別貼上平行的雙面膠，用鑷子夾取單根木棉纖維，將其固定于雙面膠上( 見圖1(a) ) ，然后用貼有雙面膠的窄紙條蓋住纖維兩個頭端，使纖維完全被固定住，最后將方格紙剪成一邊開口，如圖1(b) 所示.

圖1 試樣制備示意圖Fig.1 Sample preparation of sketches

1.2.4 紅外光譜分析

制取粉末試樣，用日本島津IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀測試.根據(jù)紅外光譜中吸收峰的強度、位置和形狀，可以確定纖維分子中所包含的基團.

1.2.5 X射線衍射分析

將試樣置于45～50 ℃溫度下真空干燥4 h，用德國布魯克D8系列X射線(粉末)衍射儀進行測試，用分峰法計算結(jié)晶度.

1.2.6 纖維細(xì)度測量

采用中段切斷稱重法，切斷長度為5 mm，直徑測量采用纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng).

1.2.7 回潮率測試

烘箱法，采用DZX-6022B真空干燥箱.

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

木棉纖維橫向和縱向的掃描電鏡形態(tài)結(jié)構(gòu)見圖2.由圖2(a) 可以看出木棉纖維縱向外觀呈圓柱形，中間粗、前梢細(xì)，表面光滑，不顯轉(zhuǎn)曲.由圖2(b) 可以看出自然狀態(tài)下的木棉纖維橫截面具有明顯的中空結(jié)構(gòu)，并可將采集到的圖像用剪紙法計算出木棉纖維的中空度高達87%，是迄今為止天然纖維之中中空度最高的纖維.還可以看到木棉纖維的橫截面呈圓形或橢圓形、壁薄、壁腔比很小，纖維容易被壓扁，截面細(xì)胞破裂后纖維呈扁平帶狀.

圖2 木棉纖維縱橫向形態(tài)Fig.2 The longitudinal and transverse form of kapok fiber structure

2.2 長度

木棉纖維長度分布圖見圖3.

圖3 木棉纖維長度分布圖Fig.3 The length distribution of kapok fiber

由圖3(a) 拜式圖可以求得纖維的有效長度為13 mm，短纖維百分率約為21%.由圖3(b) 纖維長度根數(shù)分布圖可以清晰地看到每個長度組距上纖維根數(shù)的分布情況，纖維長度主要分布在11～14 mm，并可求得纖維的平均長度為13 mm，較棉纖維短很多.

2.3 拉伸性能

初步測試發(fā)現(xiàn)，木棉纖維細(xì)而脆，單纖維強力測試十分困難，測試成功率不足10%.從實驗結(jié)果(見表1)可以看出，木棉纖維的斷裂伸長率為5%左右，相對其他纖維較低，意味著纖維在承受最大負(fù)荷時的伸長變形能力小.木棉纖維的斷裂強力比較低，平均斷裂強力低于2 cN，明顯小于棉纖維，所以木棉纖維在紡紗時會容易斷裂.

表1 木棉纖維的拉伸性能Tab.1 The tensile properties of kapok fiber

圖4 木棉纖維紅外光譜圖Fig.4 The infrared spectrogram of kapok fiber

2.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖5 木棉纖維X衍射圖Fig.5 X-ray diffraction diagram of kapok fiber

2.5 結(jié)晶度

木棉纖維的X衍射圖見圖5.從圖5可以看出木棉纖維2θ在22°左右出現(xiàn)結(jié)晶峰，在掃描曲線2θ= 22°附近有衍射的極大峰值，2θ=18°附近有極小峰值.用Jade軟件進行曲線擬合，用分峰法計算出木棉纖維的結(jié)晶度.將衍射曲線下所包含的面積分離成結(jié)晶區(qū)衍射和非結(jié)晶區(qū)散射，通過兩者的面積之比，即可算出木棉纖維的結(jié)晶度約為36%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于棉纖維，可以看出木棉纖維的結(jié)構(gòu)比較疏松.

2.6 回潮率

烘燥溫度為106 ℃，烘燥時間為3～5 h，每隔30 min將烘燥過的試樣進行稱量，兩次質(zhì)量變化不大于0.05%就認(rèn)為烘干.通過回潮率公式計算可得到樣品木棉纖維的回潮率在9.15%左右，高于棉纖維，吸濕性能好.由于樣品從烘箱拿出后會不斷吸收空氣中的水分，所以最好使用內(nèi)帶稱量裝置的烘箱.

2.7 細(xì)度

用中斷稱量法測得木棉纖維細(xì)度指標(biāo)如表2所示，可以看出木棉纖維的細(xì)度僅是棉纖維的1/2.

表2 木棉纖維細(xì)度指標(biāo)Tab.2 The fineness indexes of kapok fiber

3 結(jié)論

通過對木棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的研究，為木棉纖維在紡紗領(lǐng)域的運用提供了理論參考.自然狀態(tài)下的木棉纖維具有高達87%以上的中空率，纖維壁薄，單纖維密度僅為0.30 g/cm，約為棉纖維的1/5；橫截面為圓形或橢圓形，縱向表面光滑，沒有像棉纖維一樣的天然轉(zhuǎn)曲且頭端細(xì)、尾端粗，呈自然緊閉狀態(tài).木棉纖維的主要成分為纖維素和木質(zhì)素，結(jié)晶度約為36%，結(jié)構(gòu)較疏松.由于木棉纖維強力低、細(xì)度小、長度短、表面光滑、抱合力差，所以難以單獨紡紗.

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