棕櫚葉鞘纖維的拉伸性能

郭 敏，張同華，程 嵐，李佳麗

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400715)

棕櫚葉鞘纖維的拉伸性能

郭 敏，張同華，程 嵐，李佳麗

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，重慶 400715)

研究了棕櫚葉鞘纖維(棕櫚纖維)在4種不同隔距和準靜態(tài)條件下的拉伸力學(xué)行為，應(yīng)用SEM觀察并分析了纖維斷裂面的結(jié)構(gòu)，揭示了纖維斷裂的機制.結(jié)果表明，棕櫚纖維的力學(xué)指標具有分散性，強度和伸長率隨拉伸隔距的增大而變小，而楊氏模量則呈相反趨勢.由于棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)特殊，強度和模量整體呈現(xiàn)隨纖維直徑增大而變小的特點.在拉伸過程中，微纖絲取向的改變導(dǎo)致了纖維應(yīng)力應(yīng)變曲線中的非線性部分變化，斷裂面結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了受力時4個纖維細胞的變化過程，解釋了纖維的斷裂機制.

棕櫚葉鞘纖維(棕櫚纖維)；拉伸強度；微纖絲角；斷裂面

天然纖維因其可降解、環(huán)保、來源廣泛、價格低廉等優(yōu)勢得到了越來越多的關(guān)注和研究，尤其是在聚合物基復(fù)合材料領(lǐng)域[1-3].棕櫚葉鞘纖維(棕櫚纖維)在長期的應(yīng)用過程中，由于其優(yōu)越的強力、耐腐蝕性和彈性，一直被用于制作農(nóng)業(yè)用繩、雨衣和屋頂材料[4-6].隨著天然纖維研究的發(fā)展，棕櫚纖維的應(yīng)用范圍正逐步擴大，如床墊、彈性材料、復(fù)合材料和護坡材料等.本研究在討論棕櫚纖維應(yīng)力應(yīng)變曲線和拉伸強力的同時，通過微纖排列變化和斷裂面結(jié)構(gòu)揭示了纖維拉伸變形特征.

1 實驗

1.1材料

棕皮(圖1(a))由云南省紅河棕櫚協(xié)會提供，用自來水浸泡后沖洗掉棕皮在生長過程中附著的雜質(zhì)，然后在烘箱中干燥.研究所用的棕櫚纖維(圖1(b))是手工從棕皮中抽取出來的，不進行任何化學(xué)處理.從圖1(c)，(d)中可以看出，棕櫚纖維是天然復(fù)合材料，單根纖維(纖維細胞)和導(dǎo)管組織作為增強體，細胞之間的連接物(木質(zhì)素、果膠和半纖維素)作為基體，其具有與很多天然纖維[7-8]類似的層次結(jié)構(gòu).其中，單纖維在縱向上相互平行排列，每根單纖維都含有一個中腔.纖維細胞的次生層中含有大量由半纖維素和木質(zhì)素固著的纖維素微纖絲，其微纖絲角為37.8°～42.2°.

圖1 棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of palm fiber

1.2纖維的拉伸性能測試

采用標準ASTMD 3379—75中的制樣和測試方法對棕櫚纖維進行拉伸測試.實驗儀器為WDW電子萬能試驗機，拉伸隔距分別為10 mm，20 mm，30 mm和40 mm，每種隔距測試30個試樣，拉伸速度為0.5 mm/min，在此拉伸速度下，棕櫚纖維在受力時中體現(xiàn)出準靜態(tài)拉伸過程[9]，同時利用Zeiss Axioskop 40生物顯微鏡測量棕櫚纖維的直徑.

1.3纖維斷裂面形貌測試

為了進一步了解纖維的斷裂機理，利用S-4800型電子掃描顯微鏡觀察棕櫚纖維拉斷之后的橫截面形貌，測試電壓為15 kV.

2 結(jié)果與討論

2.1棕櫚纖維的拉伸力學(xué)性能

棕櫚纖維的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2(a)所示，該圖由3部分組成，對應(yīng)纖維在拉伸測試時3個不同的變化過程.首先是從0%～1.2%應(yīng)變的直線部分，其次是從1.2%～13.8%應(yīng)變的非線性部分，最后是從13.8%應(yīng)變到纖維發(fā)生斷裂的線性部分.棕櫚纖維在初始受力時，內(nèi)部的單纖維均受力拉長，應(yīng)力與應(yīng)變間呈現(xiàn)線性相關(guān)的虎克變形.隨著拉伸的進行，纖維發(fā)生塑性變形，因為胞壁中微纖絲取向的變化導(dǎo)致纖維內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)(主要是半纖維素和木質(zhì)素部分)的重排.最后，取向排列的微纖絲在持續(xù)受力的情況下發(fā)生斷裂，是對纖維達到一定應(yīng)變做出的反應(yīng).由圖2(b)可見，棕櫚纖維的拉伸力學(xué)行為與亞麻、竹纖維、劍麻纖維以及從棕葉中提取出來的硬質(zhì)纖維不同，棕櫚纖維表現(xiàn)出較低的強力和非常優(yōu)越的應(yīng)變拉伸能力，其彈性優(yōu)勢也是用于制作床墊的主要因素之一.

圖2 纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 The stress-strain curves of fibers

棕櫚纖維的拉伸測試結(jié)果如表1所示.

表1 棕櫚纖維的拉伸測試結(jié)果Tab.1 The tensile test data of palm fiber

由表1可知，棕櫚纖維的直徑明顯大于常用的棉(15～64 μm)、苧麻(30～40 μm)和蠶絲(13～30 μm)等天然纖維，屬于一種粗支天然纖維. 纖維的斷裂強度和斷裂伸長率隨著拉伸隔距的增大而變小，楊氏模量則隨著隔距的增大而增大，表明棕櫚纖維的強度具有一定的分散性且隨著隔距的增大強度的分散性亦隨之增大，這是天然纖維的典型特征[10-12].因為纖維的斷裂首先發(fā)生在弱節(jié)處，而其在生長過程中，纖維存在各種內(nèi)部和表面缺陷，測試的長度越長，含有缺陷的概率就越高，纖維就越容易發(fā)生形變和斷裂，所以纖維的力學(xué)性能與拉伸隔距之間有著上述特殊關(guān)系.

圖3顯示了不同拉伸隔距下棕櫚纖維的拉伸強度與纖維直徑之間的關(guān)系.由圖3可見，棕櫚纖維存在斷裂強度和楊氏模量隨著纖維直徑的增大而變小的整體趨勢，Baley[13]也在研究亞麻纖維時表示三者之間類似的關(guān)系卻沒有給出合理的解釋.同時，圖3揭示了斷裂點和纖維平均直徑之間沒有相關(guān)性,纖維的斷裂并不是發(fā)生在最小直徑處(弱節(jié))或者最大直徑處，與天然纖維缺陷的隨機分布和其所導(dǎo)致的分散性力學(xué)性能相一致.

圖3 纖維強度和楊氏模量與直徑的關(guān)系Fig.3 The relationship between strength and diameter of palm fiber

2.2棕櫚纖維的拉伸變形

在纖維的拉伸斷裂過程中，微纖絲的取向發(fā)生變化，給予棕櫚纖維特殊的拉伸力學(xué)行為.假設(shè)棕櫚纖維中一根微纖絲的長度為L，與纖維縱軸之間夾角為θ(微纖絲角).纖維在拉伸受力過程中，微纖絲的取向發(fā)生變化，并且產(chǎn)生ΔL的伸長量，則可以得到

(1)

圖4 棕櫚纖維的拉伸微纖絲角Fig.4 The microfibril angles of palm fiber during loading

對應(yīng)到纖維整體變形中，可以得到

(2)

根據(jù)公式(2)計算出纖維變形為13.8%的纖維對應(yīng)的微纖絲角度θ為29.41°，采用此計算方法得到微纖絲角度分布狀況如圖4所示.研究表明,通過公式(2)計算得到的這些角度均處在通過XRD測試手段得到的棕櫚纖維中微纖絲的角度范圍內(nèi).同樣，利用公式(2)計算通過相同方法進行拉伸測試的亞麻、大麻和苧麻纖維的微纖絲角，也與已有的研究成果一致.

圖5 棕櫚纖維的拉伸斷裂面結(jié)構(gòu)Fig.5 The fracture surfaces of palm fiber

棕櫚纖維的拉伸斷裂面形貌如圖5所示.從圖5中可以看出，纖維的斷裂由4個不同的纖維細胞變化過程引起，纖維細胞之間因中間連接層在受力拉伸時被破壞而相互分離.圖中顯示了不同的纖維細胞具有不同的斷裂面，且每單個細胞的斷裂面也呈現(xiàn)高低不整齊的特點，這是因為每個纖維細胞的隨機缺陷分布導(dǎo)致強度的不勻和分散，使得單根纖維在不同的時間不同的平面發(fā)生破壞.

3 結(jié)論

研究了棕櫚纖維的力學(xué)行為和斷裂機制.棕櫚纖維的拉伸力學(xué)指標具有非常明顯的分散性，強度和伸長率隨著隔距的增大而變小，楊氏模量則呈相反的趨勢.利用公式計算得到的微纖絲角與實驗測試結(jié)果相符合.棕櫚纖維的斷裂面結(jié)構(gòu)顯示在纖維拉伸過程中，纖維細胞分離，細胞壁撕裂、剝離和分層，進而引起纖維細胞和纖維整體的斷裂.

[1] Obi R K，Sivamohan R G，Uma M C，et al．Structural characterization of coconut tree leaf sheath fiber reinforcement [J]．Journal of Forestry Research，2010，21(1)：53-58．

[2] 王娟，李敏，王紹凱，等．劍麻纖維表面特性及其浸潤行為[J]．復(fù)合材料學(xué)報，2012，29(4)：69-74．

[3] Li Y，Mai Y W，Ye L．Sisal fiber and its composites: a review of recent developments [J]． Composites Science and Technology，2000(60)：2037-2055．

[4] Zhai S C，Li D G，Pan B，et al．Tensile strength of windmill palm (trachycarpus fortunei) fiber bundles and its structural implications [J]．Journal of Materials Science，2012(47)：949-959．

[5] 舒迎瀾，陳奕．古代棕櫚及其利用[J]．花草擷英，2004(7)：44-45．

[6] 翟勝丞．棕櫚類纖維的結(jié)構(gòu)、化學(xué)、物理性能[D]．南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010．

[7] Fratzl P，Weinkamer R．Nature’s hierarchical materials [J]．Progress in Materials Science，2007(52)：1263-1334．

[8] Hu K Q．Hierarchical multiscale modeling of statistical strength of fibrous and carbon nanotube composites [D]．New Jersey：Stevens Institute of Technology，2010．

[9] Belaadi A，Bezazi A，Bourchak M，et al．Tensile static and fatigue behaviour of sisal fibers [J]．Materials and Design，2013(46)：76-83．

[10]Andersons J，Porike E S S．The effect of mechanical defects on the strength distribution of elementary flax fibers [J]．Composites Science and Technology，2009(69)：2152-2157．

[11]Charlet K，Eve S，Jernot J P，et al．Tensile deformation of a flax fiber [J]．Procedia Engineering，2009(1)：233-236．

[12]Xia Z P，Yu J Y，Cheng L D，et al．Study on the breaking strength of jute fibers using modified Weibull distribution [J]．Composites，2009(40)：54-59．

[13]Baley C．Analysis of the flax fibers tensile behaviour and analysis of the tensile stiffness increase [J]． Composites，2002(33)：939-948．

Tensilestrengthanddeformationofpalmleafsheathfiber

GUO Min, ZHANG Tong-hua, CHENG Lan, LI Jia-li

(CollegeofTextiles&Garments,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

In this paper, we investigated the tensile behavior under four different gauge lengths and quasi-static conditions, and the breaking surface was observed and analyzed using SEM in order to reveal the break mechanism. Results show that the mechanical indexes of palm fiber present to be scattered. The strength and elongation decrease, whereas the Young's modulus increases with the increasing of gauge length. According to the special structure, the strength and Young's modulus decrease when the fiber's diameter increases. During the tensile loading, a progressive alignment of the micro-fibrils with the tensile axis provides a quantitative explanation of the nonlinear in stress-strain curve. Additionally, four different processes are illustrated on breaking surfaces instructing the break mechanism of palm fiber.

palm leaf sheath fiber (palm fiber); tensile strength; micro-fibril angle; breaking surface

2013-11-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(XDJK2013A021； XDJK2012D008)

郭敏(1988-)，女，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為纖維材料的結(jié)構(gòu)與性能.

張同華(1971-)，男，山東德州人，副教授，博士，主要研究方向為纖維材料的結(jié)構(gòu)與性能.

TS102.1

A

1674-330X(2014)01-0026-04