椰絲生態(tài)復合片材制備及應用性能研究

張 峰，趙 陽，張 麗，母 軍

(北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，木質(zhì)材料科學與應用教育部重點實驗室，木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083)

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椰絲生態(tài)復合片材制備及應用性能研究

張 峰，趙 陽，張 麗，母 軍*

(北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，木質(zhì)材料科學與應用教育部重點實驗室，木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083)

[目的] 椰絲生態(tài)復合片材用于土壤水分狀況改善的可行性探究。[方法] 通過研究椰絲材料抗拉強度和伸長率，以及復合片材的密度、厚度回彈率、吸水厚度膨脹率等指標來評價椰絲生態(tài)復合片材的性能。同時對椰絲生態(tài)復合片材的保水性能、透水性能和吸水性能等進行評價并得出較優(yōu)工藝參數(shù)。[結(jié)果] 椰絲材料本身具有良好的拉伸強度與韌性，在低施膠量條件下生態(tài)復合片材具有明顯的厚度回彈現(xiàn)象，施膠量與目標密度越低厚度回彈現(xiàn)象越明顯；浸水24 h后試件在厚度方向上均出現(xiàn)不同程度的膨脹，吸水厚度膨脹率與目標密度、施膠量成正比關(guān)系，試件的保水性能與目標密度成正比關(guān)系，透水性能、吸水性能與施膠量、目標密度成反比關(guān)系。[結(jié)論] 椰絲生態(tài)復合片材最優(yōu)生產(chǎn)工藝條件為施膠量2%、目標密度0.3 g/cm3，此時椰絲生態(tài)復合片材蓄水保墑效果最顯著。

關(guān)鍵詞：椰絲；生態(tài)復合片材；厚度回彈；應用性能

近年來，國民經(jīng)濟建設和人民群眾基本物質(zhì)生活對木材的需求量不斷上升，但木材資源日益減少，這嚴重制約著經(jīng)濟社會的進步，也制約著林木行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，尋找新型木材替代原料對緩解我國木材供不應求的矛盾具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。棕櫚科植物纖維年產(chǎn)量高，具有質(zhì)地堅實，彈性、耐磨性和耐候性佳等特點，是地板家具、床墊、繩等產(chǎn)品的優(yōu)良原材料來源[4-6]，是重要的原木替代天然可再生材料，能有效緩解我國木質(zhì)資源短缺的問題。隨著對天然纖維研究的發(fā)展，棕櫚纖維的應用逐步擴大，在對其進行利用前，要充分掌握棕櫚纖維的優(yōu)勢特點加以利用。郭敏[7]利用生物光學顯微鏡SEM和TEM對棕櫚纖維結(jié)構(gòu)進行觀察分析，結(jié)果表明棕櫚纖維具有良好的力學性能；谷昊偉[8]等對棕櫚纖維及其制品棕櫚床墊進行研究，通過建立力學等效模型與利用ANSYS分析軟件，對棕櫚纖維片狀結(jié)構(gòu)的力學性能進行分析，進一步探究了棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)特性及其彈性片材制品的工藝優(yōu)化?？梢娮貦袄w維具備良好性能并能替代木質(zhì)材料在一些領域的應用。其中，作為棕櫚類纖維中產(chǎn)量較大的一種，椰絲纖維具有更廣闊的發(fā)展前景，但是椰絲纖維的力學強度在同類植物纖維中偏低，性脆且拉斷永久變形大[9-10]，因此在開發(fā)新型椰絲纖維復合材料時，應對椰絲纖維的纖維特性及力學性能優(yōu)勢進行合理利用。

在北京地區(qū)特殊的氣候條件下，部分林木種植地區(qū)土壤蓄水保墑能力差、養(yǎng)分含量低，不利于林木行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此迫切需要找到有效蓄水保墑措施來保持土壤水分含量。2001年Grace[11]發(fā)現(xiàn)通過生態(tài)墊的覆蓋能有效改善土壤水分含量；國內(nèi)研究也表明，由棕櫚纖維制造的一種網(wǎng)狀生態(tài)復合片材，有促進植物生長、提高微生物活性、改善土壤結(jié)構(gòu)和蓄水保墑能力等功效，可有效應用于生態(tài)系統(tǒng)改良[12-15]。椰絲纖維具有良好的彈性、韌性與耐候性，是生產(chǎn)生態(tài)復合片材的理想材料。椰絲生態(tài)復合片材的引入將對林木保護具有一定的指導意義，這也是椰絲材料利用的新方向，既能有效緩解木質(zhì)資源短缺的實際問題，又能為生態(tài)保護和園林綠化提供技術(shù)支持。

該研究以椰絲為原材料，探究椰絲為主體的生態(tài)復合片材制備工藝，通過對椰絲生態(tài)復合片材應用性能的評價，探究其改善土壤水分的能力，為其在生態(tài)保護和園林綠化上的應用提供理論依據(jù)，也為其實現(xiàn)規(guī)?；⒐S化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 椰絲纖維(東南亞購置)，呈棕色絲狀單元；脲醛樹脂膠黏劑(柯諾森華地板有限公司)。

XLW(L)-PC型智能電子拉力機(濟南蘭光機電技術(shù)有限公司)；MWD電腦控制人造板萬能試驗機(濟南耐而試驗機有限公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(XMTD-8222)；電子天平；游標卡尺。

1.2 試驗方法

1.2.1 椰絲物理性能測試。隨機各選取30根椰絲(如圖1所示)，分別在干態(tài)、浸泡24 h 2種狀態(tài)下，利用XLW(L)-PC型智能電子拉力機測試試件的抗拉強度、斷裂伸長率與平均直徑，分析評價椰絲基本力學性能。

圖1 椰絲形態(tài)Fig.1 Form of coconut

1.2.2 生態(tài)復合片材的制備。將椰絲進行干燥處理至含水率10%左右，根據(jù)熱壓壓力2.0 MPa、熱壓時間600 s、熱壓溫度120 ℃、幅面300 mm×300 mm、厚度10 mm、密度0.1 g/cm3、密度0.2 g/cm3、密度0.3 g/cm3、施膠量2%、施膠量4%、施膠量8%等參數(shù)施膠熱壓制成椰絲生態(tài)復合片材，并分別測量片材的幅面和厚度數(shù)值，計算求出平均密度。

1.2.3 應用性能測試。

(1)保水性能。在尺寸為95 mm×95 mm的塑料盒中，分別加入100 g左右接近絕干狀態(tài)的育苗土與40 g水，覆蓋不同條件下制備的椰絲生態(tài)復合片材試件(幅面為100 mm×100 mm，含水率為10%)，放入電熱鼓風干燥箱中，在80 ℃下每隔30 min記錄其總重量變化，通過失水量的數(shù)值，表征材料保水性能。

(2)透水性能。在尺寸為95 mm×95 mm的塑料盒上，分別覆蓋不同條件下制備的椰絲生態(tài)復合片材試件，將20 mL水均勻倒在其表面上并開始計時，記錄水分通過片材所需要的時間，表征透水能力。

(3)吸水性能。將試件放入5個2 000 mL的燒杯中，加水至1 800 mL刻度線，在室溫條件下，放置24 h后，取出試件，擦去表面附水，在10 min內(nèi)完成測量，由吸水量與試件質(zhì)量的吸水率表征吸水性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 椰絲的物理性能 由表1可知，椰絲纖維直徑較粗且分布極不均勻，離散度大，力學性能存在較大差異。干態(tài)下拉伸試驗測得抗拉強度與伸長率平均值分別為73.52 MPa與10.439%，表明椰絲材料具有良好的力學強度與伸長率；浸泡24 h后水分進入椰絲細胞壁間隙，椰絲直徑略微增大，測量值更趨于穩(wěn)定，平均抗拉強度值與斷裂伸長率分別提高51.91%與158.41%，這是由于水分進入椰絲纖維細胞，對纖維細胞內(nèi)的微纖絲等起到了一定程度潤濕作用，增強了椰絲的韌性，表明椰絲纖維具有良好的韌性和抵抗沖擊破壞的能力，可用于制備耐候性生態(tài)片材。

表1 椰絲物理性能

2.2 熱壓工藝對尺寸穩(wěn)定的影響 椰絲生態(tài)復合片材具有明顯的回彈現(xiàn)象，片材密度遠低于目標密度，這是材料本身良好韌性的緣故。由表2可知，在施膠量為2%的條件下，平均密度相較于目標密度的偏差較大，變異系數(shù)最大可達0.142。這是因為在低施膠量條件下，膠黏劑的作用難以保證片材的尺寸穩(wěn)定，復合片材的成型主要靠椰絲纖維之間的勾連作用，在椰絲纖維本身良好彈性的作用下，片材發(fā)生蠕變現(xiàn)象，緩慢回彈導致密度減少。當目標密度增大時，椰絲纖維總量也相應增加，其回彈現(xiàn)象也更加顯著。

椰絲纖維與基體樹脂材料結(jié)合時的界面特征與椰絲纖維的表面特征有關(guān)，椰絲纖維表面粗糙度高，含有大量的刺狀突起和凹坑，這些突起結(jié)構(gòu)為椰絲之間的相互勾連提供了有力的保障。正是這種勾連作用，使得椰絲生態(tài)復合片材具有一定彈性，在厚度方向上會出現(xiàn)不同程度的回彈，這有利于增大椰絲生態(tài)復合片材本身的透水透氣性，亦有利于之后通過覆蓋方式改善土壤蓄水保墑能力。

2.2.1 椰絲生態(tài)復合片材厚度回彈率。厚度回彈是椰絲生態(tài)復合片材固有的現(xiàn)象。由圖2可知，隨施膠量的增加、目標密度的增加，厚度回彈率呈下降趨勢。在施膠量為2%、目標密度為0.1 g/cm3的條件下，厚度回彈率達最大值60.2%。原因是在該工藝條件下，椰絲生態(tài)復合片材的強度及定型一方面依靠膠的作用，另一方面則依靠椰絲互相之間的勾連作用。密度與施膠量的減少，使得椰絲纖維的連結(jié)作用力較少，停止施加載荷后片材緩慢回彈。增加施膠量和提高目標密度能有效改善片材的回彈率。

表2 椰絲生態(tài)復合片材密度

2.2.2 椰絲生態(tài)復合片材吸水厚度膨脹率。由圖3可看出，椰絲生態(tài)復合片材浸水24 h后，在厚度方向上均出現(xiàn)不同程度的膨脹，總體上，隨目標密度的增大和施膠量的增加，吸水厚度膨脹率呈增大趨勢。這是由于浸水后膠黏劑的作用有所減弱，其定型能力下降，同時椰絲纖維由于水分進入而體積膨脹，因而在厚度方向上出現(xiàn)不同程度的尺寸變化。

圖2 厚度回彈率Fig.2 The rebound rate of thickness

2.3 生態(tài)片材應用性能分析

2.3.1 保水性能。圖4表明，試件水分散失量隨時間變化持續(xù)增大，同時隨著密度增大，水分流失的速率明顯減少，保水能力增強。原因是密度的增大會使片材更加致密，水氣更難以通過片材，透水透氣能力也會相應降低。此外，相同目標密度條件下施膠量對水分流失速率的影響并不明顯，水分流失是通過椰絲纖維間的間隙，由于椰絲間的勾連和回彈作用，脲膠不能完全使椰絲纖維間的間隙閉合，而密度的增加使得纖維間的間隙減少，失水速率降低。在較高目標密度條件下，施膠量為8%的片材失水量略高于低施膠量，推測原因是椰絲纖維比表面積較小，隨施膠量的增加，會在椰絲纖維表面形成致密光滑膠層，阻隔椰絲纖維與水分的直接接觸，降低了椰絲材料的吸水性能，從而增大了水分流通速率。

圖3 吸水厚度膨脹率Fig.3 Absorbent thickness expansion rate

圖4 保水性能測試結(jié)果Fig.4 Result of water retention performance test

2.3.2 透水性能。由圖5可知，椰絲生態(tài)復合片材的滲透系數(shù)隨椰絲生態(tài)復合片材密度的增大而逐步降低，原因是椰絲纖維本身吸水性較好，隨著目標密度的增加，生態(tài)復合片材中椰絲數(shù)量增加，因此蓄水能力增強，相同時間內(nèi)的透水能力則相應降低，同時密度的增加使得片材的致密程度增大，透水能力相應下降。滲透系數(shù)隨施膠量增加而減小，這是由于施膠量的增加加強了試件內(nèi)部的膠合強度，纖維之間的空隙減少，因而滲透系數(shù)降低。但在低密度條件下，施膠量為8%的片材透水系數(shù)出現(xiàn)增加趨勢，推測原因是在低目標密度條件下，施膠量的增加并不能增強片材間的膠合，反而會在椰絲材料表面形成一層膠層，降低椰絲材料的吸水性能，透水速率增大。

圖5 透水性能測試結(jié)果Fig.5 Result of water permeability test

圖6 吸水性能測試結(jié)果Fig.6 Result of water absorption test

2.3.3 吸水性能。由圖6可知，吸水率隨施膠量的增加而減少，這是因為隨施膠量的增加，椰絲生態(tài)復合片材的致密程度增大，因此材料的吸水能力也隨之有所下降。另一方面，參照之前的分析結(jié)果，施膠量的增加會在椰絲表面形成膠層，阻隔了椰絲與水分的接觸，從而降低了吸水率。片材的吸水能力隨目標密度的增大而減弱，原因是椰絲生態(tài)復合片材目標密度的增大使其更加致密，與水分接觸面積較少導致吸水能力相應降低。同時椰絲纖維的半纖維素含量同比較低，而半纖維素屬親水性物質(zhì)，其吸水性顯著高于纖維素，因此椰絲纖維含水率相對較低，親水性較差。椰絲纖維的吸水性雖然相對較弱，但是椰絲生態(tài)復合片材的吸水性一方面與椰絲本身的吸水能力有關(guān)，另一方面也取決于其結(jié)構(gòu)形態(tài)，椰絲生態(tài)復合片材是一種疏松多孔狀結(jié)構(gòu)，有良好的蓄水能力。

3 結(jié)論

該試驗所采用椰絲的直徑為0.32 mm左右，干態(tài)下椰絲的抗拉強度為76.21 MPa，伸長率為10.79%；24 h浸泡后椰絲纖維的抗拉強度為116.45 MPa，伸長率為26.07%；經(jīng)過24 h浸泡后椰絲纖維的抗拉強度相較于干態(tài)下均有所提高，浸泡后椰絲的斷裂伸長率增大。

椰絲生態(tài)復合片材的密度普遍低于目標密度，平均密度與目標密度的偏差為22%～51%，并且均存在厚度回彈以及吸水厚度膨脹現(xiàn)象，其中隨目標密度的增加，厚度回彈率和吸水厚度膨脹率增大。椰絲生態(tài)復合片材的滲透系數(shù)和水分散失速率隨密度和施膠量增加而降低，保水能力增強；椰絲生態(tài)復合片材的吸水率隨密度和施膠量的增大而減小。

椰絲生態(tài)片材的較優(yōu)工藝參數(shù)為：施膠量2%，目標密度0.3 g/cm3。在該工藝條件下制備的椰絲生態(tài)復合片材厚度回彈率較大，吸水性佳，保水能力強，能有效防止土壤水分的揮發(fā)并從空氣中吸收水蒸氣，儲水保墑效果好。

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Manufacturing Process of Ecological Composite Sheet Based on Coconut and Its Application Properties

ZHANG feng, ZHAO Yang, ZHANG Li, MU Jun*

(Key Laboratory of Wood Materials Science and Application of Ministry of Education, Key Laboratory of Beijing for Wood Science and Engineering, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083)

[Objective]To explore the feasibility of coconut ecological composite sheet in soil moisture conditions improvement.[Method]To evaluate the material characteristics of ecological composite sheet,tensile strength and elongation of coconut, density, the thickness resilience ratio and the thickness swelling rate of ecological-mat was selected to investigate. Performance of coconut ecological composite sheet induding was evaluated and the optimal manufacturing parameters were obtained the water holding capacity, the water permeability and the water absorption.[Result] Coconut has a great tensile strength and toughness. An obviously thickness resilience was observed in the condition of low resin content on ecological composite sheet and it became more intense with the decline of resin content and the target density. The results also revealed that specimen had different levels of inflation in thickness direction after soaking for 24h. Meanwhile, thickness swelling rate and the water holding capacity had a positive relation with resin content and the target density, while the water permeability and the water absorption had a negative relation with resin content and the target density. [Conclusion]The optimal water-stored ability of ecological composite sheet is obtained under the condition of 2% resin content and the target density 0.3 g/cm3.

Coconut; Ecological composite sheet; Thickness resilience; Performance of application

北京市教委共建項目。

張峰(1993- )，男，廣西河池人，碩士研究生，研究方向：木質(zhì)復合材料。*通訊作者，教授，博士，從事木質(zhì)生物質(zhì)材料應用。

2016-08-10

S 781

A

0517-6611(2016)28-0146-04