玉米皮纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

N.V.Karche，S.R.Gampawar，P.Sondankar，N.N.Kamble

Jawaharlal Darda工程技術(shù)學(xué)院(印度)

現(xiàn)如今，對于許多產(chǎn)品而言，僅滿足技術(shù)和經(jīng)濟上的要求是遠遠不夠的，產(chǎn)品是否具有可持續(xù)性也非常重要。這種可持續(xù)必要性促使研究人員嘗試開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品，這可以從大量的將農(nóng)業(yè)剩余物作為紡織生產(chǎn)原料的技術(shù)研究論文中獲知。玉米是禾本科草本植物，是玉米屬的一種。這種作物的農(nóng)業(yè)廢棄物在成為紡織行業(yè)的替代纖維方面具有巨大潛力。近年來，人們將重點放在森林保護與尋找合理利用農(nóng)林業(yè)廢棄物的方法上。造成這一趨勢的原因是木質(zhì)纖維產(chǎn)品的消費迅速增長，而法律允許砍伐的木材資源在不斷減少。這可能會導(dǎo)致非法伐木活動頻繁出現(xiàn)。此外，使用來自農(nóng)林業(yè)廢棄物的纖維素纖維具有諸多優(yōu)勢，如：環(huán)境友好，可回收利用，原料成本低甚至免費等。據(jù)統(tǒng)計，全球每年采用農(nóng)作物生產(chǎn)的木質(zhì)纖維素纖維的產(chǎn)量約為40億t(60%來自農(nóng)業(yè)，40%來自林業(yè))。與其他主要大宗商品相比，全球鋼鐵年產(chǎn)量僅為7億t，而塑料年產(chǎn)量僅為1億t。這些數(shù)據(jù)表明，纖維素纖維的利用機會很大。

玉米皮纖維也被考慮用作漿粕和造紙的原料、紡織纖維以及復(fù)合材料的填料或結(jié)構(gòu)增強材料。

纖維素材料的特性受諸多因素的影響，如原料類型、品種、氣候、收割方法、植物成熟度、提取工藝以及分析時采用的試驗程序條件等。這些因素的引入增加了試驗結(jié)果的多樣性，因此建議估計平均值的置信區(qū)間，而非僅給出測試平均值，因為置信區(qū)間數(shù)據(jù)可提供一個包含該屬性最可能的真實平均值的范圍。

基于表1給出的玉米皮纖維的規(guī)格與力學(xué)性能，本文對其進行進一步的形態(tài)和性能分析。

表1 玉米皮纖維規(guī)格與力學(xué)性能

采用JEOL JSM-6510 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)，設(shè)置電子束加速電壓為10 kV，在真空模式下觀察玉米皮纖維的微觀形貌。為制備可供觀察的試樣，將纖維切割成縱向和橫向斷面，并用導(dǎo)電膠固定在SEM的樣品臺上。

不同長度與不同截面位置處玉米皮纖維的SEM圖如圖1所示。

圖1 不同長度與截面位置處玉米皮纖維的SEM圖

1 伸長率

采用SEM觀察玉米皮纖維的形態(tài)。玉米皮纖維的縱向截面形態(tài)如圖1 a)～圖1 d)所示。由圖1a)可看出，在纖維近軸表面上存在一些肋狀纖維，其周圍存在大量微纖。由于纖維軸向表面存在著大量微纖[圖1 d)]，當(dāng)沿著纖維軸向方向施加作用力時，玉米皮纖維間的摩擦接觸面積大，因此，玉米皮纖維的伸長率比香蕉假莖纖維、菠蘿纖維和劍麻纖維更高。

2 強度

玉米皮纖維表面含有蠟、木質(zhì)素、果膠和半纖維素等其他物質(zhì)，這些物質(zhì)會形成較厚的層，以保護纖維基質(zhì)層內(nèi)的物質(zhì)[圖1 e)]。玉米皮纖維較大的比表面積和密實的纖維排列，導(dǎo)致纖維具有較高的強度。

3 橫截面特性

由圖1 g)可觀察到，玉米皮纖維的橫截面形狀不規(guī)則，表面也不均勻。其表面存在大量微纖和雜質(zhì)[圖1 c)]，這使得玉米皮纖維表面粗糙，有助于提高纖維力學(xué)和聲學(xué)性能。

4 吸濕性

由于材料的剛性主要取決于其結(jié)晶度，當(dāng)纖維結(jié)晶度提高時，剛性也隨之提高。玉米皮纖維本質(zhì)上是無定形的，其無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)之比大于1(約為68∶32)。由纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)分析可知，玉米皮纖維具有中空內(nèi)腔，如圖1 h)所示，借助Image軟件可計算得其內(nèi)腔平均直徑為1.2 μm。

5 拉伸性能

使用Oswaldo Filizola AME-5kN型萬能試驗機，采用500 N壓力元件，根據(jù)ASTM C1557-03標(biāo)準(zhǔn)測試玉米皮纖維的拉伸性能。使用Dynaview Standard/Proversion 2.6.7軟件進行數(shù)據(jù)采集。

測試?yán)w維的拉伸性能有助于確定纖維是否可以用作增強復(fù)合材料。對于玉米皮纖維而言，其無定區(qū)與結(jié)晶區(qū)的比值大于1，因此當(dāng)沿纖維長度方向施加應(yīng)力時，纖維將伸長，從而表現(xiàn)出拉伸行為特征。玉米皮纖維的拉伸斷裂應(yīng)力高于棕櫚纖維和椰殼纖維，但比劍麻纖維低得多。

6 結(jié)語

通過掃描電子顯微鏡分析玉米皮纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，由于微纖、蠟、果膠等物質(zhì)的存在，玉米皮纖維表面較粗糙；纖維的無定形區(qū)賦予其突出的伸長率、拉伸性能和強度；纖維內(nèi)含中空腔，可以吸收水分，纖維的橫截面形狀也非常不規(guī)則。未來，玉米皮纖維有望成為紡織工業(yè)中其他天然纖維材料的替代品。

吳雯雯 譯 于俊榮 校