棕櫚纖維形態(tài)與表面形貌結(jié)構(gòu)的研究

方甜甜，陳一達(dá)，周文龍

摘要：為了全面評(píng)估棕櫚纖維的潛在應(yīng)用，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)和掃描電鏡觀察纖維各部位的纖維形態(tài)與表面形貌，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)棕櫚纖維不同部位進(jìn)行直徑測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)：棕櫚樹(shù)的葉鞘即棕片是由棕櫚纖維通過(guò)獨(dú)特的織態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是一種天然的雙軸向織物。從織態(tài)上看棕片主要由左斜和右斜纖維構(gòu)成，并由固結(jié)纖維將兩類(lèi)纖維結(jié)合在一起，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的天然片狀纖維堆砌結(jié)構(gòu)。單根棕櫚纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)為樹(shù)形，呈現(xiàn)多級(jí)分叉。分叉纖維是從主體纖維發(fā)育生長(zhǎng)而成，細(xì)度較細(xì)，呈彎曲狀離開(kāi)主體纖維，是形成固結(jié)纖維的主體。單根棕櫚纖維呈圓柱狀，表面粗糙，有大量的鱗片狀突起覆蓋。棕櫚纖維是一種粗徑不均勻的粗徑纖維，不同部位直徑分布范圍差異較大。

關(guān)鍵詞：棕櫚纖維;表面形貌;天然織態(tài)結(jié)構(gòu);掃描電鏡

中圖分類(lèi)號(hào)：TS102.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-265X（2020）01-0001-05Study on Morphology and Surface Topography of Palm Fiber

FANG Tiantian， CHEN Yida， ZHOU Wenlong

（Silk Institute， College of Materials and Textiles， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）Abstract：To comprehensively assess the potential applications of palm fiber， the fiber morphology and surface topography of each part of the fiber were observed by digital camera and scanning electron microscope， and the diameters of different parts of palm fiber was tested by optical microscope. The study found that the sheath of palm tree is a kind of natural biaxial fabric， which is compose of palm fiber through a unique texture structure. Regarding the texture， palm sheet is mainly composed of left and right oblique fibers， which are combined by consolidated fibers to form a stable natural sheet fiber packing structure. The morphological structure of a single palm fiber is in tree form， having multilevel bifurcations. The bifurcated fiber is developed from the main fiber， fine， bent away from the main fiber， and is a main body that forms consolidated fiber. A single palm fiber has a cylindrical shape with a rough surface covered by a large number of scaly protrusions. Palm fiber is a largediameter fiber with uneven diameter， and its diameter distribution range in different parts varies greatly.

Key words：palm fiber; surface topography; natural weaving structure; scanning electron microscope

棕櫚（拉丁名：Trachycarpus fortunei）又名棕樹(shù)，屬于棕櫚科（Arecaceae）植物，是一種自然界廣泛分布的檳榔目單子葉植物[12]。棕櫚科共約有220屬2 500種，主要分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)。巴西是世界上棕櫚植物最豐富的國(guó)家，中國(guó)約有22屬72種。其中棕櫚屬約有8種，中國(guó)擁有3種，分別是棕櫚、龍棕和山棕櫚[34]。棕櫚原產(chǎn)于中國(guó)，是世界上最耐寒的植物之一[3]。現(xiàn)今，中國(guó)的棕櫚主要分布在亞熱帶與熱帶交界處的山區(qū)，云貴川渝地區(qū)較常見(jiàn)，云貴高原山區(qū)最集中，陜西漢中、兩湖兩廣、皖浙閩地區(qū)有少量零星分布[5]。

棕櫚為多年生的常綠喬木，樹(shù)干直立，呈圓柱形且不分枝[6]，高7～15 m，有大型掌狀或羽狀葉片，常聚生于樹(shù)干的頂端，葉鞘為棕黑色網(wǎng)狀纖維體[5]，由縱向束的堅(jiān)韌纖維（棕櫚纖維）呈環(huán)形交叉網(wǎng)狀排列而成[7]。棕櫚纖維是歷史悠久并得到廣泛使用的產(chǎn)業(yè)用纖維之一，在家用場(chǎng)合有棕綁床、棕櫚纖維床墊、蓑衣等，棕櫚纖維的耐腐蝕性和高強(qiáng)高模特性還被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，如用于岸壩植被加固、繩索、防雨棚頂?shù)?。棕櫚纖維來(lái)源廣，產(chǎn)量大，價(jià)格低廉，可再生，可循環(huán)利用，可生物降解[8]，是一種獨(dú)特的天然資源，近年來(lái)已經(jīng)有許多學(xué)者予以關(guān)注并開(kāi)展研究。在棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)研究方面，Chen等[9]利用掃描電鏡觀察，表明棕櫚鞘原纖維的縱向呈細(xì)長(zhǎng)形狀，無(wú)卷曲。葉鞘中部原纖維較厚，而原纖維末端逐漸變細(xì)和密封，橫截面為圓形或橢圓形，有一個(gè)不規(guī)則的圓形腔，而細(xì)胞壁的厚度不均勻，單纖維的平均長(zhǎng)度為640.80μm，直徑在7.33～10.35 μm之間。陳長(zhǎng)潔[5]研究表明棕櫚纖維由大量排列緊密的棕櫚單纖維組成，橫截面呈蜂窩狀，每根單纖維橫截面大小不一，呈類(lèi)橢圓形，有較大的中腔，中空度高達(dá)47.21%，棕櫚纖維中含有大量以木質(zhì)素和半纖維素為主的膠質(zhì)，纖維素含量?jī)H為28.16%，通過(guò)脫膠可去除棕櫚單纖維之間大量膠質(zhì)，得到棕櫚單纖維。Zhang等[10]指出在高倍放大倍率下，棕櫚纖維在表面上除了有機(jī)殘留物外表現(xiàn)出光亮區(qū)域;在纖維表面有突起、顆粒陣列特征，有孔狀結(jié)構(gòu)。在幾種棕櫚科纖維中也觀察到這種特征[11]。纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)纖維的性能如可紡性、質(zhì)感等都有很大的影響。前人關(guān)于棕櫚纖維形貌的研究主要是對(duì)縱橫向以及單根纖維的長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述，并未對(duì)棕櫚纖維精細(xì)結(jié)構(gòu)做一個(gè)系統(tǒng)分析。本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用掃描電子顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)對(duì)棕櫚纖維各部位的表面形態(tài)做進(jìn)一步的研究，觀察纖維各部位的纖維形態(tài)與表面形貌，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)棕櫚纖維不同部位進(jìn)行直徑測(cè)試。發(fā)現(xiàn)了棕櫚單纖維的樹(shù)形形態(tài)結(jié)構(gòu)，這是對(duì)天然纖維直線形態(tài)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要補(bǔ)充。分析纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，為棕櫚纖維在紡織加工中的應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：棕櫚葉鞘（纖維）（湖北恩施咸豐縣西部旺仔工作室）。

試驗(yàn)儀器：數(shù)碼相機(jī)，Vltra55型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國(guó)Carl Zeiss SMT Pte Ltd），Leica DM2700M光學(xué)顯微鏡（上海徠卡顯微系統(tǒng)貿(mào)易有限公司）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1表面形態(tài)表征

對(duì)纖維的整體形態(tài)采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照分析，主要有棕片、纖維的織態(tài)結(jié)構(gòu)、單根纖維形態(tài)等的分析。對(duì)棕櫚葉鞘的根部、中部和梢部，分別取樣，用于掃描電鏡觀察。用導(dǎo)電膠將纖維樣品固定于樣品臺(tái)上后鍍金，置入掃描電子顯微鏡內(nèi)，設(shè)置加速電壓為2.0 kV，對(duì)樣品進(jìn)行照片拍攝。

1.2.2直徑測(cè)量

測(cè)量纖維直徑時(shí)，先將纖維截成25 mm的小段，放在載玻片上，蓋上蓋玻片，調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的焦距，對(duì)棕櫚葉鞘的根部、中部和梢部分別取樣，測(cè)量直徑，各重復(fù)實(shí)驗(yàn)320次。

2結(jié)果與討論

2.1棕櫚葉鞘的織態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1（a）和圖1（b）分別為剝?nèi)『笪醋魅魏翁幚淼淖仄颓逑锤蓛艉蟮娜~鞘部分纖維織態(tài)。棕片是由數(shù)百根棕櫚纖維自然交織形成的多層網(wǎng)狀織態(tài)結(jié)構(gòu)。從棕片整個(gè)形態(tài)來(lái)看，可以大體分為梢部、中部和根部三部分。棕片的根部，其纖維被一層膜狀結(jié)構(gòu)完全覆蓋;棕片的中部，其纖維肉眼可見(jiàn)，但也可見(jiàn)零星破損的膜狀結(jié)構(gòu);棕片的梢部，其纖維相對(duì)凌亂，纖維也相對(duì)較細(xì)。從根部到頂部，纖維的排列逐漸由緊密到疏松[7]。但無(wú)論是哪部分纖維，都呈現(xiàn)出天然的織態(tài)結(jié)構(gòu)，使棕片呈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的片狀，并可直接用于制作蓑衣、棚頂?shù)炔牧?。圖1（b）為棕片葉鞘部分纖維織態(tài)形貌。從纖維的取向看，主要有兩類(lèi)纖維，即左斜纖維和右斜纖維，相互呈35°左右角;從分層情況看，有內(nèi)層、外層和固結(jié)纖維之分，每層纖維的斜向是一致的，固結(jié)纖維起到上下層交織的作用，但并不是一上一下的規(guī)律交織[12]，固結(jié)纖維和內(nèi)層、外層纖維相比在數(shù)量上較少;從纖維的粗細(xì)程度看，內(nèi)層和外層纖維粗細(xì)基本相同，但固結(jié)纖維相對(duì)較細(xì)。棕片的纖維織態(tài)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，在拆解纖維時(shí)，用手橫向輕扯葉鞘纖維片，感受到明顯的回彈力，停止拉扯后葉鞘纖維片形狀可以完全恢復(fù)。從織態(tài)結(jié)構(gòu)看，棕片是一種天然的雙軸向織物結(jié)構(gòu)。

2.2棕櫚纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

將棕櫚纖維從棕片中小心拆解，盡量不損傷纖維，可以獲得單根棕櫚纖維，如圖2（a）所示，單根棕櫚纖維不是一種直線纖維，而是一種樹(shù)形纖維，纖維有很多的分叉結(jié)構(gòu)。纖維的分叉有一級(jí)分叉、二級(jí)分叉乃至更多級(jí)分叉的可能。一級(jí)分叉指從主干纖維分叉出的纖維，而二級(jí)分叉是指從分叉纖維中進(jìn)一步分叉出來(lái)的纖維，三級(jí)分叉指二級(jí)分叉繼續(xù)分叉出來(lái)的纖維，如圖2（b）所示。從纖維的分叉結(jié)構(gòu)看，分叉纖維有粗細(xì)之分，但也有粗細(xì)基本相同的分叉。棕櫚單纖維的樹(shù)形結(jié)構(gòu)形態(tài)獨(dú)特，此前未見(jiàn)任何相關(guān)研究報(bào)道。

圖3顯示棕櫚纖維的兩種分叉在不同放大倍數(shù)下的表面形態(tài)特征。無(wú)論是一級(jí)分叉還是二級(jí)分叉，分叉處的纖維均有主次之分，主纖維呈筆直生長(zhǎng)，纖度較粗，而分叉纖維呈彎曲狀，纖度較細(xì)。分叉纖維的表面形貌和主纖維基本一致，即呈圓形，表面有鱗片狀突起覆蓋。毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)論是一級(jí)分叉纖維還是二級(jí)分叉纖維，都是從主纖維發(fā)育生長(zhǎng)形成，在結(jié)構(gòu)上和主干纖維無(wú)異。但由于分叉纖維從主干纖維發(fā)育時(shí)，呈彎曲狀從主干纖維分離，使生長(zhǎng)方向離開(kāi)了棕片平面，是形成固結(jié)纖維的主體。

2.3棕櫚纖維的表面形貌

前人研究都是對(duì)纖維整體做一個(gè)描述，從未把單根纖維分根部、中部和梢部進(jìn)行分類(lèi)描述。本研究分別取棕櫚纖維的根部、中部、梢部纖維進(jìn)行SEM觀察，如圖4所示。根據(jù)圖4 SEM圖，根部、中部和梢部表面形態(tài)還是不同的。纖維整體呈圓柱狀，表面凹凸明顯、粗糙。根部和中部被大量鱗片狀物質(zhì)覆蓋，鱗片狀的排列方式和形狀都不同于魚(yú)鱗或者羊毛鱗片。鱗片大小不一，形狀主要分為3類(lèi)：鱗片邊緣扁平，呈圓圈狀;鱗片邊緣微翹;鱗片邊緣嚴(yán)重上翹。鱗片之間排列緊密，或有重疊。根部表面絕大多數(shù)鱗片四周邊緣扁平，在纖維表面形成圓圈狀，少數(shù)鱗片邊緣微翹，部分鱗片之間出現(xiàn)裂縫，如圖4（d）、圖4（g）。中部表面翹起的鱗片又變得比較扁平，如圖4（h）所示。絕大多數(shù)鱗片邊緣嚴(yán)重上翹，在纖維表面凸起，如圖4（e）所示。梢部纖維表面相對(duì)光滑，未發(fā)現(xiàn)和根部、中部類(lèi)似的鱗片，而是被一層膜狀物質(zhì)覆蓋，不過(guò)出現(xiàn)了大量的小孔，如圖4（f）、圖4（i）所示，這和有關(guān)的研究報(bào)道一致。表面鱗片狀突起的形貌可能和棕櫚纖維不同的發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)。從纖維生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程看，梢部纖維是最早形成的，原先表面的鱗片狀突起可能已經(jīng)剝落，根部纖維是較遲發(fā)育形成的，其鱗片狀物質(zhì)覆蓋在纖維表面，而中部表面的鱗片狀突起從細(xì)胞發(fā)育過(guò)程來(lái)看處于兩者之間。梢部纖維呈現(xiàn)的圓孔結(jié)構(gòu)可能是表面鱗片細(xì)胞脫落形成。棕櫚纖維的表面鱗片狀突起，可以增加纖維之間的摩擦，有利于提高可紡性。圖4棕櫚纖維各部位的SEM圖

2.4棕櫚纖維的直徑分布

棕櫚纖維每根纖維之間的直徑粗細(xì)不均勻，將單根纖維的不同部位分為根部、中部、梢部，并將3個(gè)部位的纖維分開(kāi)收集起來(lái)，利用光學(xué)顯微鏡測(cè)量具體直徑。棕櫚纖維不同部位直徑的分布如圖5所示，最細(xì)纖維直徑為49.29 μm，最粗纖維直徑為586.29 μm。根部直徑范圍在300～600 μm，但主要集中在390～510 μm，纖維平均直徑為460.17 μm;中部直徑范圍在90～420 μm，但主要集中在210～300 μm，纖維平均直徑為261.92 μm;梢部直徑范圍在40～150 μm，但主要集中在80～110 μm，纖維平均直徑為95.58 μm;根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單根纖維的不同部位之間的直徑存在差異，根部最粗，中部次之，梢部最細(xì)，總的來(lái)說(shuō)，纖維直徑在其生長(zhǎng)方向上逐漸變小。棕櫚纖維粗細(xì)無(wú)論從總體上下限和范圍跨度，都顯著大于其他天然纖維（如黃麻，劍麻，亞麻等）[8]，是一種粗徑纖維，不能用于紡紗和紡織面料的加工，但能用于產(chǎn)業(yè)用紡織品及其他材料行業(yè)[7]。圖5棕櫚纖維各部位的直徑分布直方圖

3結(jié)論

a）棕櫚葉鞘纖維的織態(tài)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，主要由左斜和右斜兩類(lèi)纖維組成，并由固結(jié)纖維上下不規(guī)則交織而成，是一種天然的雙軸向織物。

b）單根棕櫚纖維是一種樹(shù)形纖維，有一級(jí)分叉、二級(jí)分叉甚至多級(jí)分叉結(jié)構(gòu)。主干纖維形成了棕片的主體，即左斜和右斜纖維，而分叉纖維承擔(dān)了固結(jié)纖維的功能。

c）棕櫚纖維整體呈圓柱狀，纖維的根部和中部表面分布著大量鱗片狀的贅生物，表面凹凸明顯、粗糙，有利于紡織加工。分叉纖維從主體纖維發(fā)育分離形成，形貌結(jié)構(gòu)和主體纖維一致。

d）棕櫚纖維是一種粗徑纖維，根部、中部和梢部的直徑分布范圍差異很大，根部最粗，梢部最細(xì)，纖維直徑在其生長(zhǎng)方向上逐漸變小。

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收稿日期：2018-12-06網(wǎng)絡(luò)出版日期：2019-03-15

作者簡(jiǎn)介：方甜甜（1992-），女，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事新型紡織材料與綠色紡織品方面的研究。

通信作者：周文龍，Email：wzhou@zstu.edu.cn