棕榈纤维的基本性能研究

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棕榈纤维是一种在我国使用历史悠久的天然纤维,在古代经常被用于编制绳索、蓑衣、床垫等日常用品;在现代,棕榈纤维又被开发应用于制备复合材料、弹性材料等新领域。棕榈在我国栽种范围广泛,棕榈纤维剥取简单且来源充足,但是就目前国内外的研究现状而言,对于棕榈纤维还是处于重应用轻研究的情况,棕榈纤维在这些实际应用中表现出了优良的性能,不过关于棕榈纤维所表现出的较好回弹性、耐腐性,以及其形态结构、化学组分等方面的研究还未系统的开展过。本论文选取棕榈纤维作为研究对象,对其以下几个方面进行了基础性能的研究,并取得了有价值的研究成果。利用光学显微镜观察,棕榈纤维纵向有着连续天然S型或者Z型沟槽,不过转曲幅度不大且每根纤维上只存在一种方向的天然沟槽。通过对棕榈纤维的横截面、纵截面和表面采用扫描电镜观察,棕榈纤维其实是由数百根棕榈单纤维缔合成的维管束。维管束表面不光滑,被类似“鳞片”完全覆盖,存在较多孔洞。横截面形状接近圆形,在靠近中心的位置有较大的导管,单纤维彼此独立,虽然排列紧密但存在大量缝隙。单纤维内部中空,每隔一段距离存在一层类似竹节的薄隔膜,内壁形成波浪状褶皱。一维X射线衍射研究发现,棕榈纤维属于典型的纤维素Ⅰ晶体,其结晶度仅为37.92%。利用红外光谱对棕榈纤维进行化学组分的定性研究,结果表明纤维主要由纤维素及木质素构成。通过化学组分定量分析,准确测得棕榈纤维各化学组分含量分别为:脂蜡质3.77%、水溶物2.80%、果胶0.60%、半纤维素20.60%、木质素44.07%、纤维素28.16%。棕榈纤维的直径范围大概在199~539μm,但主要集中在250-400gm这个范围内,总体上属于一种直径较粗且不均匀的天然纤维。其直径不匀率范围大概在1.7%~18.1%,但是主要还是集中在10%以内,所以根据平均直径计算出的横截面面积具有一定代表性,能保证后续计算的可靠性。对棕榈纤维进行一次断裂拉伸研究,计算得到其断裂强度、杨氏模量和断裂伸长率范围分别为89~222 MPa、0.44~1.09 GPa和14.68~23.45%,属于中强高伸纤维。随着纤维直径的增加,断裂强度有下降的趋势;断裂伸长率会随着测试隔距缩小有进一步提高。棕榈纤维在高负荷、长时间的拉伸或弯曲条件下进行回弹性研究,均表现出良好的回弹性能。作用时间和负荷的增加,对于棕榈纤维的三种回弹性能都会产生负面影响,即降低棕榈纤维的回弹性。棕榈纤维的回弹率则会随着回复时间延长而增加。棕榈纤维的弯曲回弹率在回复时间5min前迅速增加,之后趋于缓慢,回复时间对其弯曲回弹率影响较大。在回复时间1h后,其弯曲回弹率都能达到50%以上,而且弯曲缓弹性变形需要很长时间才能完全回复。弯曲时间对于弯曲回弹率的影响要大于负荷。棕榈纤维的定负荷回弹率随负荷增加基本呈现线性下降,但是最低也有50%以上回弹率;而随拉伸时间延长,回弹率下降趋势由缓变急。在不同的定伸长值下,经过相同拉伸次数后的纤维回弹率下降幅度几乎相同,回复速率不受定伸长值影响。在相同的定伸长值下,拉伸次数增加,棕榈纤维的回弹率逐渐下降,表现出先快后慢的趋势,随着循环拉伸的继续,拉伸次数不再明显影响回弹率。棕榈纤维的吸湿性研究表明其吸湿性能优良,吸、放湿平衡回潮率和吸湿滞后性差值分别为16.65%、23.83%和7.2%,均远高于棉纤维和亚麻纤维。棕榈纤维的吸湿速率在初始阶段小于亚麻纤维和棉纤维,约10min后超过二者;棕榈纤维的放湿速率最快,亚麻居中,棉纤维最慢,在35-40min相继低于亚麻纤维和棉纤维。随着时间延长,3种纤维的吸、放湿速率都呈指数形式减缓。
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