貴州不同種源山棕纖維結(jié)晶度的分析與比較*

方忠艷，廖薇，余麗萍，向進(jìn)兵

(貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

由于煤炭、石油等不可再生資源不斷耗竭及大量使用含污染物的化學(xué)合成纖維給自然環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重破壞，當(dāng)下開發(fā)并利用可再生綠色資源已迫在眉睫。天然植物纖維作為一種可再生的環(huán)境友好型材料而備受關(guān)注，充分利用天然植物纖維，發(fā)揮其特有的功能特性，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅是對(duì)植物纖維、植物廢棄物的開發(fā)利用，也是當(dāng)今復(fù)合型材料研究的一大熱點(diǎn)及突破點(diǎn)。

山棕(Arengaengleri)纖維是指棕櫚樹干外圍葉鞘形成的網(wǎng)狀棕衣纖維[1-2]。它是一種天然的可再生的環(huán)境友好型纖維材料，有使用歷史悠久、可再生性、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)晶度是表征物質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，能影響到纖維材料的韌性和機(jī)械強(qiáng)度[3-4]。山棕纖維的一些物理力學(xué)性能和化學(xué)性能與其結(jié)晶度有密切關(guān)系[5]。一般結(jié)晶度愈大，微粒尺寸穩(wěn)定性愈好，其強(qiáng)度、硬度、剛度愈高；同時(shí)耐熱性和耐化學(xué)性也愈好；但與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能會(huì)降低，如彈性、斷裂伸長(zhǎng)、抗沖擊強(qiáng)度、溶脹度、韌性及延展性等較差[6-8]。因此，有必要進(jìn)一步做不同種源山棕纖維結(jié)晶度的比較與分析，為后續(xù)研究與分析棕櫚纖維的力學(xué)性能及其它相關(guān)性能提供一定的參考，同時(shí)，為生活及生產(chǎn)中按需求選擇最優(yōu)山棕纖維原材料提供一定的參考價(jià)值；為充分利用山棕植物纖維，發(fā)揮其特有的功能特性，選擇最優(yōu)山棕纖維原材料，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及來(lái)源

試驗(yàn)所需的山棕纖維原材料采集于貴州省內(nèi)14個(gè)種源地(市、區(qū)、縣)，在每個(gè)種源隨機(jī)采集5株山棕樹上最新一層(當(dāng)年形成)的山棕片。對(duì)每個(gè)種源的山棕纖維原材料進(jìn)行手工隨機(jī)抽絲，抽出的單根棕纖維束放置于溫度為25℃、相對(duì)濕度65%的恒溫恒濕箱中調(diào)節(jié)1周。試驗(yàn)樣本編號(hào)及其對(duì)應(yīng)種源地氣溫、降水狀況見表1。

表1 山棕纖維種源地的氣溫與降水量

1.2 測(cè)試樣本的制備

因?yàn)樯阶丶?xì)絲本身韌性很強(qiáng)，不能直接將其磨成粉末，故先將其剪成約0.5cm長(zhǎng)的碎節(jié)，再用液氮充分冷凝研磨成粉末，為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試做樣本準(zhǔn)備。具體制備方法見圖1。

圖1 山棕纖維粉末樣本制備過(guò)程

1.3 山棕纖維XRD波譜測(cè)試

1.3.1 測(cè)試方法

目前，植物纖維結(jié)晶度的測(cè)試方法主要有密度法[9]、差示掃描量熱法[10]、X射線衍射法[11]、紅外光譜法[12]、反氣相色譜法[13]等；其中，X射線衍射法是目前最直接、最常用的測(cè)試方法[14-15]。因此，本次測(cè)試選用X射線衍射法，每個(gè)樣本測(cè)3次重復(fù)，再取其平均值做數(shù)據(jù)分析。

1.3.2 測(cè)試原理及目的

組成物質(zhì)的分子本身空間排列是否規(guī)則或有序，則相應(yīng)地形成結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)；而晶區(qū)電子密度大于非晶區(qū)，在X射線下發(fā)生衍射則相應(yīng)地產(chǎn)生晶區(qū)衍射峰和非晶區(qū)彌散峰，峰線形中包含大量物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息[16]，再通過(guò)與之匹配的電腦程序運(yùn)行，從而生成特定形狀的波譜。XRD波譜數(shù)據(jù)是后續(xù)使用MDI Jade軟件計(jì)算結(jié)晶度并獲取峰高高度值的前提。

1.3.3 測(cè)試條件

采用高分辨率全自動(dòng)多功能X射線衍射分析儀，型號(hào)為X’Pert Powder，出廠于荷蘭帕納科公司。測(cè)試條件為，Cu靶射線源，管電壓40KV，管電流40mA，衍射波長(zhǎng)λ=1.540 6×10-10m，廣角衍射掃描范圍2θ為5°-90°，室溫下測(cè)定。

1.4 山棕纖維粉末XRD圖譜處理

1.4.1 Jade軟件及其分析原理

1.4.2 結(jié)晶度分析方法

采用Jade6.5軟件的曲線作圖法[20]處理并進(jìn)一步分析山棕纖維的XRD波譜特征。

1.4.3 XRD波譜處理技術(shù)

為較精確擬合波譜及避免XRD測(cè)試的K系輻射干擾，首先進(jìn)行儀器固有半價(jià)寬校正、扣除背景及Kα2操作。為達(dá)到較好處理效果及減小數(shù)據(jù)誤差，對(duì)波譜進(jìn)行1次平滑值為15點(diǎn)的平滑處理。山棕纖維分子式為(C6H10O5)n，故物相檢索以C、H、O元素為檢索依據(jù)；選擇衍射角在10°-40°的圖譜進(jìn)行手動(dòng)擬合，擬合誤差小于9%[21]，見圖2。

圖2 XRD波譜結(jié)晶化度處理過(guò)程

2 結(jié)果與分析

2.1 山棕纖維XRD波譜比較與分析

由圖3中XRD波譜圖像對(duì)比可知：在5°-90°的廣角掃描內(nèi)，山棕纖維粉末在x射線作用下發(fā)生衍射而生成的波譜均生成2個(gè)明顯的衍射峰，并且2個(gè)衍射峰的峰位角均出現(xiàn)在10°-30°之間，因?yàn)槭峭N物質(zhì)；其中，最強(qiáng)衍射峰的峰位角在20°-30°之間，而其余范圍內(nèi)的波譜相對(duì)較平緩。

圖3 不同種源的XRD波譜對(duì)比

2.2 結(jié)晶度的比較與分析

由表2和圖4可知，不同種源山棕纖維結(jié)晶度在平均值以下(36.43%-37.49%)的有6個(gè)，在平均值以上(37.59%-38.21%)有8個(gè)，結(jié)晶度最大值為38.21%，出現(xiàn)在7號(hào)樣本，最小值為36.43%，出現(xiàn)在6號(hào)樣本。最大值與最小值僅相差1.78%，不同種源山棕纖維的變異系數(shù)僅為0.014，說(shuō)明不同種源的山棕纖維結(jié)晶度差異不明顯，這是因?yàn)橘F州省氣候類型屬亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候的大前提下，各地區(qū)的小氣候環(huán)境差異不大。

圖4 不同種源山棕纖維的結(jié)晶度

項(xiàng)目平均值以下平均值以上樣本編號(hào) 6，5，13，14，3，108，2，9，1，11，12，4，7總計(jì)/個(gè) 68占總數(shù)比例/%4357極差/% 178平均值/% 37497標(biāo)準(zhǔn)差 0543變異系數(shù) 0014

2.3 結(jié)晶度與最強(qiáng)衍射峰峰高度的相關(guān)分析

從圖5可看出，14個(gè)種源山棕纖維結(jié)晶度值與對(duì)應(yīng)的XRD波譜的最大強(qiáng)度衍射峰的峰高度值變化趨勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.989。這表明，在一定范圍內(nèi)，山棕纖維粉末測(cè)試得到的XRD波譜的最強(qiáng)衍射峰峰高度越大，計(jì)算相應(yīng)結(jié)晶度越大。二者呈極顯著正相關(guān)。這遵循X衍射分峰法計(jì)算結(jié)晶度的原理。

圖5 結(jié)晶度與最強(qiáng)衍射峰峰高度關(guān)系

2.4 不同種源地山棕纖維結(jié)晶度與氣溫、降水量相關(guān)性分析

由表3分析可知，山棕纖維結(jié)晶度值大小與種源地1月均溫、7月均溫、年均溫、年降雨量和年均日照時(shí)數(shù)均成負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是與7月均溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著。根據(jù)孫東磊等[22]、韓春麗等[23]關(guān)于氣象因子對(duì)棉花纖維品質(zhì)影響的研究結(jié)果可知，適宜的降水量對(duì)棉花纖維長(zhǎng)度有利，降水量過(guò)大則導(dǎo)致植物纖維強(qiáng)度降低，結(jié)晶度減小，而影響植物纖維的品質(zhì)。而本次研究的種源地1月均溫、年均溫和年降雨量對(duì)山棕纖維結(jié)晶度的影響不明顯，說(shuō)明各種源地的氣溫和年降水量均在山棕生長(zhǎng)所需氣溫和水分的適應(yīng)范圍內(nèi)。另外，植物纖維材料的品質(zhì)是由自然環(huán)境和植物本身的基因型對(duì)環(huán)境的響應(yīng)綜合決定的，因此，可根據(jù)以上綜合因子選擇或人工改造環(huán)境因子來(lái)種植實(shí)際生產(chǎn)中所需的山棕纖維材料。

表3 結(jié)晶度與不同種源地氣溫、降雨量的相關(guān)性

注：**為在0 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*為在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.5 不同種源地山棕纖維結(jié)晶度與海拔相關(guān)性分析

從圖6可看出，山棕纖維結(jié)晶度大小與不同種源地的海拔有一致的變化趨勢(shì)，且不同種源地山棕纖維結(jié)晶度與海拔的相關(guān)性系數(shù)為0.493。這表明：結(jié)晶度與種源地的海拔呈正相關(guān)關(guān)系，但是海拔變化對(duì)山棕纖維結(jié)晶度的影響不大，這可能是因?yàn)楸敬窝芯克x取的山棕纖維材料均在其正常生長(zhǎng)的海拔范圍內(nèi)。

圖6 結(jié)晶度與種源地海拔的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

以貴州省內(nèi)14個(gè)種源的山棕纖維樣品為研究材料，采用X衍射法測(cè)試山棕纖維的XRD波譜，應(yīng)用jade6.5軟件處理與分析波譜并計(jì)算其結(jié)晶度，進(jìn)而對(duì)不同種源山棕纖維結(jié)晶度進(jìn)行分析，并進(jìn)一步討論不同種源地氣候環(huán)境差異對(duì)山棕纖維結(jié)晶度的影響。研究結(jié)論如下：

(1)14個(gè)種源山棕纖維粉末XRD波譜曲線線形變化一致，且波譜曲線上均出現(xiàn)兩個(gè)明顯的衍射峰，其峰位角均在10°至30°之間。

(2)山棕纖維結(jié)晶度值大小與其生成的XRD波譜形成的最大強(qiáng)度衍射峰平均峰高度呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.989；遵循山棕纖維結(jié)晶度的計(jì)算原理，在一定范圍內(nèi)，山棕纖維粉末形成的XRD波譜的最強(qiáng)衍射峰峰高度愈大，則該山棕纖維的結(jié)晶度值越大。

(3)14個(gè)種源山棕纖維結(jié)晶度值在36.43%-38.21%；在平均值37.5%以下樣本6個(gè)；在平均值37.5%以上的樣本8個(gè)；其中，最大值38.21%在7號(hào)樣本(黔南州福泉市采取)，最小值36.43%在6號(hào)樣本(銅仁市碧江區(qū)采取)?？傮w看，本試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)晶度最大值與最小值相差不大，差值僅為0.017 8，且不同種源山棕纖維的變異系數(shù)僅為0.014；這說(shuō)明不同種源的山棕纖維結(jié)晶度的最大值與最小值相差不大，其可能原因是各山棕的生長(zhǎng)環(huán)境及氣候條件差異不大。

(4)山棕纖維結(jié)晶度的大小與山棕種源地的氣溫呈負(fù)相關(guān)，結(jié)晶度值大小受種源地1月均溫影響較小，受年均溫和7月均溫影響較大，尤其是與7月均溫有顯著負(fù)相關(guān)。據(jù)此可根據(jù)實(shí)際需求選擇相應(yīng)的環(huán)境條件培育所需的山棕纖維植物進(jìn)而生產(chǎn)相應(yīng)的山棕纖維材料。

4.2 討論

(1)本次試驗(yàn)得出不同種源地的氣溫和年降水量差異對(duì)山棕纖維結(jié)晶度值有一定的影響。因此，期望進(jìn)一步做相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究不同種源地氣候差異及生長(zhǎng)環(huán)境差異對(duì)山棕纖維結(jié)晶度影響的原因。為實(shí)際生產(chǎn)中選擇最佳環(huán)境來(lái)培育優(yōu)良山棕植物提供理論依據(jù)。

(2)纖維結(jié)晶度與其物理化學(xué)性能有著密切關(guān)系。因此，期望后續(xù)研究不同種源山棕纖維結(jié)晶度差異具體對(duì)其物理化學(xué)性能的影響，為在實(shí)際的生產(chǎn)與生活中選擇優(yōu)良的山棕纖維材料提供理論基礎(chǔ)。

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