棕櫚纖維的結構性能及其應用

張　有，陳長潔，孫廣祥，王國和

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州215006；2.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

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棕櫚纖維的結構性能及其應用

張有，陳長潔，孫廣祥，王國和

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州215006；2.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

摘要：介紹了棕櫚纖維在結構性能方面的特點，并闡述了棕櫚纖維在復合材料、環(huán)境保護、資源利用等方面國內外應用的現狀，說明了棕櫚纖維具有優(yōu)良的性能及廣闊的應用前景，同時總結了棕櫚纖維在進一步開發(fā)利用中所面臨的問題與挑戰(zhàn)。

關鍵詞:棕櫚纖維，結構性能，應用現狀，挑戰(zhàn)

棕櫚，外形幽雅美觀，頗具熱帶風光特色，作為經濟作物及城市園林綠化樹種，于熱帶亞熱帶地區(qū)被廣泛種植。在我國，其主要分布于秦嶺以南和長江中下游的溫暖、濕潤、多雨地帶。棕櫚纖維一般指棕櫚葉鞘纖維，其作為早期的紡織材料，多用于傳統(tǒng)生活中的蓑衣、編織井繩、地毯、墊材(如床墊、坐墊)，以及用于漁業(yè)中的纜繩、漁網等的制作。隨著環(huán)境意識材料的提出，棕櫚纖維作為一種性能優(yōu)良的天然植物纖維，其研究開發(fā)的重視程度逐漸提高。本文總結了棕櫚纖維在結構性能方面的特征，以及在國內外的應用現狀。

1棕櫚纖維的結構性能

1.1棕櫚纖維的結構形態(tài)

棕櫚纖維縱向整體呈銳端圓柱狀，表面凹凸明顯，呈鏈狀分布著大量刺球形的硅石，如圖1(a)。棕櫚纖維的橫截面呈蜂窩狀，由大量緊密排列的棕櫚單纖維組成，每根單纖維橫截面大小不一，呈類橢圓形，有較大的中腔，中空度達47.21%，如圖1(b)。棕櫚纖維中含有大量以木質素和半纖維素為主的膠質，纖維素含量僅為28.16%，通過脫膠去除單纖維間大量膠質得到棕櫚單纖維。單纖維外形細長，表面不光滑，銳端封閉，縱向無轉曲，單纖維的平均長度為640.80μm，直徑為7.33～10.35μm，如圖1(c)。

圖1　棕櫚纖維掃描電鏡圖

1.2棕櫚纖維的性能

棕櫚纖維纖維素含量和結晶度較低，導致其斷裂強力較小，并且具有分散性；濕態(tài)強度明顯較干態(tài)強度低，只有干態(tài)強度的50%～60%；斷裂強力隨溫度的增加逐漸降低，并且在160～180℃為棕櫚纖維斷裂強力的突變區(qū)域[5-7]。

棕櫚纖維脂蠟質含量高，有助于提高纖維的柔軟性能，并且纖維具有多孔結構、極性基團較多、亞甲基數量較多，從而給予了纖維良好的彈性性能；棕櫚纖維含有大量的親水基團、無定形區(qū)域比重高、纖維比表面積大、孔隙多等特點，使得纖維有非常良好的吸濕性能，高于棉、亞麻纖維；棕櫚纖維表面具有大量硅石，具有非常好的抗菌性和耐生物降解性。除此之外棕櫚纖維還有保暖性好、上染率高、隔音效果好等優(yōu)良性能。

2棕櫚纖維在各領域的應用

3.1纖維復合材料

棕櫚纖維的纖維較長，斷裂伸長率較大，具有極好的韌性及彈性，甚至在彎曲180°時也不折斷，因此棕櫚纖維適合于復合材料的研制，并伴隨棕櫚纖維復合材料的不斷研究開發(fā)，其制品將會廣泛應用各個領域。

纖維增強復合材料以其強度高、耐腐蝕而逐漸成為重要的建筑材料。水泥在工程中獲得了極廣泛的應用，但由于其抗拉強度低、耐水性和耐久性不理想，直接限制了在特殊工程中的應用。棕櫚纖維是質輕且較柔軟的材料，力學性能較好，長度適中易與水泥混合。水泥基棕櫚纖維復合材料，與水泥相比，其抗折、抗壓強度顯著提高，表面開裂減少，抗震性也得到了明顯的提升。

在聚合物基體棕櫚纖維復合材料的研發(fā)中，親水性的棕櫚纖維與疏水性的基體之間會產生界面，將嚴重影響復合材料的力學性能，圍繞這個問題國內外進行了許多的嘗試與研究。陳卉穎[10]通過對棕櫚纖維進行堿處理和硅烷交聯，使棕櫚纖維棕櫚纖維/聚丙烯復合材料的斷裂強力和彈性模量得到明顯提高。Kaddam[11]等人通過馬來酸酐對棕櫚纖維進行表面改性，使棕擱纖維與不飽和聚酯及環(huán)氧樹脂復合材料的機械性能和彎曲模量得到提高，同時促進應力自材料破壞處更好地傳遞和吸收。在國外，棕櫚纖維與天然橡膠、聚氯乙烯、酚醛等聚合物的復合材料正在不斷深入研究，并且正在探討棕櫚纖維與可降解基質制成復合材料的開發(fā)可行性[12]。

3.2環(huán)境保護

棕櫚纖維具有低密度和多孔結構。董靜[13]使用直接隔絕氧氣，灼燒炭化的方法制備棕櫚纖維活性炭，并以化學共沉淀法將納米MgO顆粒分散在棕櫚纖維活性炭的孔道和表面，進而改性棕櫚纖維活性炭。其對陰離子染料有非常好的吸附作用，且產品原料廉價易得，程序簡單，利于推廣。在國外，以棕櫚纖維為原料制成的高功能過濾器，具有成本低、過濾功能強等特點，在凈化飲水和空氣領域有著非常廣闊的前景。

棕櫚纖維不易腐爛，具有一定的彈性結構，可應用于生物過濾床，來處理污水處理站、垃圾填埋場等場所會產生大量有毒氣體。棕櫚纖維和碎木片填料制作的生物過濾床與傳統(tǒng)的泥炭和碎木相比，棕櫚纖維復合填料生物過濾床的密度小、比表面積大、孔隙率高，并且其持水特性好，壽命長，耐壓實，富含微生物所需的養(yǎng)分，更適合于生物過濾床填料使用[14]。

利用棕櫚纖維涵養(yǎng)水分功能優(yōu)良、不易腐蝕霉變的特點，通過特殊工藝將其編制成纖維墊。棕櫚纖維墊對岸邊植物群落的恢復與重建非常有利，進而對改善水體生態(tài)狀況，防止岸邊侵蝕有著重大作用。事實證明，將扦插柳枝、蘆葦等各種生活習性的植物種植在鋪蓋的棕桐纖維墊上，可成功地恢復庫邊植物。在扦插的植物當中，柳枝的成活率最高，達到90%以上，其它扦插植物也有較好的成活率。在水、陸地均有很高的成活率高，并且長勢較好，能夠快速起到防止雨水沖刷、保持土壤的作用，同時提高了周邊環(huán)境的綠化程度[15]。

3.3資源利用

棕櫚纖維的應用效率較低，大量的棕櫚纖維被當作垃圾處理掉，造成嚴重浪費。如果將其充分利用，將會對緩解能源緊缺提供巨大的幫助。

紙張作為人們日常必需品，隨著社會經濟的發(fā)展，其需求量逐年增加，給世界森林資源造成沉重的壓力。棕櫚纖維屬中等長度纖維，雜細胞含量較高，纖維素含量低，木質素含量高，十分有利于制漿過程中獲取較高的得漿率，實踐證明，棕櫚纖維是一種產量大、性能優(yōu)良的造紙原料，根據纖維特征選用合適的工藝技術與設備，可生產出具有不同性能的紙產品，尤其是在牛皮箱板紙、高強瓦楞紙等包裝產品上有廣闊的前景[16]。

油氣資源做為關系人類發(fā)展的能源，其儲量的逐漸匱乏，已成為限制全球經濟發(fā)展的主要屏障。如今，各國已逐漸將發(fā)展可再生能源做為主要的發(fā)展戰(zhàn)略，燃料乙醇作為一種重要清潔被廣泛重視，甚至在一些發(fā)達國家已經逐步成為能源結構中的重要組成部分[17]。若使大量浪費掉的棕櫚纖維轉化為乙醇的設想得以實現，將對緩解世界能源危機作出巨大貢獻?，F階段研究主要是利用氨水、稀硫酸、NaOH等方法對棕櫚纖維進行預處理，促進材料水解反應，再使用相應的菌種發(fā)酵水解得到乙醇[18]。根據統(tǒng)計，若用所有馬來西亞與印度尼西亞的棕櫚纖維制作成乙醇替代汽油，可以超過兩國汽油消耗量的140%、中國的63%，可以看出棕櫚纖維生產乙醇經濟回報將非常豐厚[19]。除此之外，棕櫚纖維還可以用來制作建筑隔音材料、人造板，以及利用棕櫚纖維優(yōu)良的彈性來制作床墊、坐墊等。

3結語

如今，棕櫚纖維研究取得了一定的成果，并且在多個領域將有很好的應用前景。但仍需對棕櫚纖維以及棕櫚單纖維進行更層次的研究，提高棕櫚纖維的應用價值，解決應用中存在的問題與挑戰(zhàn)，如：

(1)棕櫚纖維作為一種優(yōu)良的天然纖維，在紡織領域，其可紡性的研究仍不夠，需要對棕櫚纖維進一步開發(fā)，使其能紡紗形成織物，發(fā)揮其服用價值。

(2)國內外棕櫚纖維復合材料的研究不斷加深，解決親水性的棕櫚纖維與疏水性的基體界面問題已成為研究的難題，尋找高效、環(huán)保、經濟的方法對棕櫚纖維改性，對棕櫚纖維復合材料的廣泛應用至關重要。

(3)棕櫚纖維在能源開發(fā)方面具有巨大的潛力，采用生物、化學等方法將大量浪費掉的棕櫚纖維轉化乙醇等能源，對保護環(huán)境、緩解能源短缺和經濟的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義，但提高其生產速率及轉化率的方法仍需不斷探索研究。

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收稿日期：2016-03-25