陳 莉， 劉玉森， 劉 冰， 花兆輝， 孫衛(wèi)國(guó)

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

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稻秸稈纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能

陳 莉， 劉玉森， 劉 冰， 花兆輝， 孫衛(wèi)國(guó)

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

為深入了解稻秸稈纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與物理力學(xué)性能，利用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射等方法對(duì)纖維的外觀形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度、取向度等進(jìn)行測(cè)定分析，并測(cè)試?yán)w維的長(zhǎng)度、細(xì)度、回潮率、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和可撓度等指標(biāo)。結(jié)果表明：稻秸稈纖維縱向具有大量溝槽，比表面積很大；水稻秸稈中除含有天然纖維素外，還含有木質(zhì)素、果膠等伴生物；結(jié)晶度、取向度較高；單纖維長(zhǎng)度很短，必須采用半脫膠工藝獲得工藝?yán)w維；工藝?yán)w維較粗，且纖維縱向細(xì)度均勻度差；屬高強(qiáng)低伸型纖維，纖維剛硬，柔軟度差；具有良好的吸濕性能。

稻秸稈纖維； 纖維素纖維； 形態(tài)結(jié)構(gòu)； 性能

我國(guó)是水稻種植大國(guó)[1]，每年產(chǎn)生的水稻秸稈約為2億t[2]。水稻秸稈中含有大量的纖維素，大部分秸稈被廢棄或焚燒，沒(méi)有得到有效利用[3]。從秸稈中提取天然纖維素纖維，可為紡織工業(yè)提供可降解、可再生的纖維原料；緩解纖維原料供給不足的問(wèn)題，并能變廢為寶，提高秸稈的利用率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益[4]。

目前關(guān)于稻秸稈纖維的研究多集中在纖維提取與開(kāi)發(fā)非織造布產(chǎn)品方面。劉冰等[5]利用堿煮法提取稻秸稈纖維，并對(duì)稻秸稈化學(xué)成分進(jìn)行了分析?；ㄕ纵x等[6-7]利用化學(xué)-生物酶聯(lián)合脫膠的方法提取稻秸稈纖維。韓永俊等[8]利用稻秸稈纖維開(kāi)發(fā)地膜。陶金[9]研究了利用稻秸稈纖維與麻混合開(kāi)發(fā)農(nóng)用非織造布。本文主要研究稻秸稈纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能，以期為稻秸稈纖維應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原料：稻秸稈(產(chǎn)地為陜西戶縣)；亞麻纖維，棉纖維(河南志永達(dá)紡織有限公司提供)。

藥品：AU-PE89木聚糖酶活力>10 000 u/g；硫酸，氫氧化鈉，雙氧水，無(wú)水亞硫酸鈉，硅酸鈉等均為分析純，表面活性劑JFC為工業(yè)級(jí)。

1.2 纖維制備

將稻秸稈洗凈、晾干，從秸稈中部剪取10 cm，通過(guò)脫膠提取稻秸稈纖維。由于獲得的原纖維中含有稈屑等雜質(zhì)，所以測(cè)試前需經(jīng)過(guò)梳理去屑。從稻秸稈中提取纖維的制成率為1.5%～2%。

脫膠工藝：浸酸(H2SO42 g/L, 浴比1∶30，溫度50 ℃，時(shí)間2 h)→水洗→木聚糖酶處理(3 g/L, JFC 2 mL/L，浴比1∶30，溫度50 ℃，時(shí)間10 h，pH=9)→熱水失活→水洗→堿煮[NaOH 30%(o.w.f)，H2O26 mL/L,Na2SiO33%(o.w.f)，Na2SO35%(o.w.f)，JFC 2 mL/L]→水洗→抖松→烘干。

1.3 纖維長(zhǎng)度測(cè)試

單纖維長(zhǎng)度采用投影放大后直接量取。工藝?yán)w維長(zhǎng)度采用梳片法，用Y131型梳片式羊毛長(zhǎng)度分析儀將纖維按長(zhǎng)度分組，依次在JA-A型精密扭力天平上稱取各長(zhǎng)度組的纖維的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度。

1.4 纖維細(xì)度測(cè)試

單纖維細(xì)度在顯微鏡下量取。工藝?yán)w維細(xì)度測(cè)試采用中段切斷稱量法,用Y171型纖維切斷器切取20 mm長(zhǎng)的稻秸稈工藝?yán)w維，采用量程為10 mg的JN-A型扭力天平稱量，計(jì)數(shù)纖維根數(shù)，計(jì)算纖維線密度。

1.5 纖維拉伸性能測(cè)試

參照GB/T 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，選用YG004型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測(cè)試?yán)w維拉伸性能，夾持距離為20 mm，預(yù)加張力為0.1 cN，下夾頭下降速度為10 mm/min。

1.6 纖維可撓度(柔軟度)測(cè)試

用Y171型纖維切斷器將纖維切成30 mm的試樣。取一定量的纖維，用Y331型捻度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行加捻直至斷裂，計(jì)數(shù)斷裂時(shí)的捻回?cái)?shù)，在JN-A型扭力天平上稱取捻斷的纖維的質(zhì)量，根據(jù)式(1)[10]計(jì)算纖維可撓度T。

(1)

式中：U為斷裂捻回?cái)?shù)，捻；L為纖維夾持長(zhǎng)度，mm；G為纖維質(zhì)量，mg。

1.7 纖維回潮率測(cè)試

參照GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率試驗(yàn)方法 烘箱法》測(cè)定纖維回潮率。

1.8 紅外光譜分析

采用美國(guó)Thermo Nicolet公司生產(chǎn)的FT-IR 5700傅里葉紅外光譜儀對(duì)稻秸稈纖維進(jìn)行紅外光譜掃描。測(cè)試條件：掃描次數(shù)為10，分辨率為4 cm-1。

1.9 X射線衍射分析

采用XRD-7000型X射線衍射分析儀(日本)，測(cè)試條件：Ni片濾波， CuKα 靶，管電壓為40.0 kV，管電流為40.0 mA，掃描速度為6(°)/min，掃描范圍2θ為5°～50°。利用Segal經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算纖維的結(jié)晶度，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：I002為晶格衍射角的極大強(qiáng)度；Iam為非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度。對(duì)纖維素Ⅰ，Iam為2θ=18.0°附近的衍射強(qiáng)度，I002為2θ=22.5°附近的衍射強(qiáng)度[11]。

根據(jù)Bohn 等描述的方法，依據(jù)式(3)[12]計(jì)算取向度f(wàn)。

(3)

式中，H為極大衍射峰一半處所對(duì)應(yīng)的角度寬度，對(duì)于纖維素Ⅰ，極大衍射峰為002晶面峰的位置，即2θ=22.5°附近。

1.10 纖維表面形態(tài)觀察

將纖維表面真空鍍金后，采用美國(guó)FEI公司QUANTA600F掃描電鏡觀察稻秸稈纖維的表面形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻秸稈纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.1.1 外觀形態(tài)

圖1示出經(jīng)脫膠提取的稻秸稈纖維。由圖可見(jiàn)纖維分離度較好，纖維縱向細(xì)度均勻度差，手感較粗硬，表面呈現(xiàn)淺黃色，為稻秸稈原有的顏色，還需要漂白工序來(lái)提高纖維的白度。圖2示出稻秸稈纖維縱向形態(tài)SEM照片。可看出，稻秸稈纖維縱向不光滑，具有很多溝槽，比表面積大，這種形態(tài)特點(diǎn)與麻類纖維相似。

圖1 稻秸稈纖維Fig.1 Fibers from rice straw

圖2 稻秸稈纖維縱向形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of lengthwise morphology of rice-straw fibers

2.1.2 稻秸稈纖維紅外光譜分析

圖3 稻秸稈纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of rice-straw fibers

2.1.3 稻秸稈纖維X射線衍射分析

圖4 稻秸稈纖維X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction of rice-straw fibers

纖維結(jié)晶度取向度稻秸稈纖維61.594.7亞麻 66.793.4

2.2 稻秸稈纖維性能

2.2.1 長(zhǎng) 度

纖維長(zhǎng)度是影響紡紗性能和紗線品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是確定紡紗工藝參數(shù)的重要依據(jù)。表2示出稻秸稈纖維的長(zhǎng)度?？芍窘斩捓w維單纖維長(zhǎng)度很短，不能滿足紡紗的要求，所以必須采用半脫膠的方式，靠果膠、木質(zhì)素等物質(zhì)將單纖維黏連在一起形成工藝?yán)w維。但果膠、木質(zhì)素的存在會(huì)使纖維柔軟度下降，影響其紡紗性能。通過(guò)上述脫膠方案獲得的工藝?yán)w維平均長(zhǎng)度為61.82 mm(殘膠率為9.02%)，能滿足作為紡紗用纖維的要求。但纖維長(zhǎng)度的離散程度很大，且短纖維率高。當(dāng)纖維長(zhǎng)度離散度大、短纖維率高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?tīng)可爝^(guò)程中對(duì)浮游纖維運(yùn)動(dòng)控制不利，加捻過(guò)程中纖維的一端或兩端不能很好地捻入紗體，所以必須在紡紗初期排除大量短纖維，才能提高成紗的條干均勻度和強(qiáng)度，減少成紗毛羽數(shù)量，但去除短纖維會(huì)降低紗線的制成率，造成纖維原料的浪費(fèi)。

表2 稻秸稈纖維的長(zhǎng)度

2.2.2 細(xì)度與回潮率

表3示出稻秸稈纖維與亞麻纖維的細(xì)度與回潮率。可知，稻秸稈單纖維細(xì)度接近亞麻，工藝?yán)w維的線密度大于亞麻，纖維偏粗。纖維的細(xì)度對(duì)成紗的線密度影響最大，纖維越細(xì)，紡出的紗線就越細(xì)越勻，所以稻秸稈纖維適合紡制較粗的紗線品種。稻秸稈纖維的回潮率小于亞麻，但高于棉纖維，屬于吸濕性能很好的纖維。這是因?yàn)榈窘斩捓w維的主要成分是纖維素，其結(jié)構(gòu)中含有大量親水性基團(tuán)羥基，電鏡照片顯示稻秸稈纖維表面有很多溝槽，比表面積很大，增加了纖維的吸濕功能。

表3 稻秸稈纖維與亞麻纖維的細(xì)度與回潮率

2.2.3 力學(xué)性能

表4示出稻秸稈纖維和亞麻、棉纖維的力學(xué)性能?？煽闯?，稻秸稈纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率與亞麻接近，但都小于亞麻。稻秸桿纖維的斷裂強(qiáng)度高于棉，斷裂伸長(zhǎng)率小于棉。從強(qiáng)伸性角度來(lái)看，稻秸稈纖維的斷裂強(qiáng)度高，而斷裂伸長(zhǎng)率低，屬于高強(qiáng)低伸型纖維，這與稻秸稈纖維的結(jié)晶度取向度高有關(guān)?？蓳隙仁欠从忱w維柔軟度的指標(biāo)，對(duì)成紗毛羽和纖維間的抱合影響較大?？蓳隙仍叫?，說(shuō)明纖維柔軟性能越差，脆硬易斷，成紗毛羽多且強(qiáng)度低。因?yàn)樵诩幽頃r(shí)，由于纖維剛硬，纖維兩端不能被有效地捻入紗體內(nèi)而形成毛羽，同時(shí)減少了單纖維對(duì)紗線強(qiáng)度的貢獻(xiàn)?？蓳隙仍酱?，說(shuō)明纖維的柔軟性越好，抱合能力越強(qiáng)，有利于提高紡紗性能。稻秸稈纖維的可撓度低于棉和亞麻，柔軟度差，在紡紗時(shí)容易形成大量毛羽。

表4 稻秸稈纖維與其他纖維的力學(xué)性能對(duì)比

3 結(jié) 論

1)稻秸稈單纖維長(zhǎng)度很短，采用半脫膠獲得的工藝?yán)w維可用作紡紗原料。

2)從稻秸稈纖維各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)看，稻秸稈纖維的紡紗性能與成紗質(zhì)量不及亞麻纖維，可作為粗特紗或部分工業(yè)用紗的原料。

3)電鏡照片顯示，稻秸稈纖維縱向有大量溝槽，纖維具有較大的比表面積，有利于纖維的吸濕和放濕，可作為吸附材料的纖維基材。

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Morphological structure and properties of rice-straw fibers

CHEN Li, LIU Yusen, LIU Bing, HUA Zhaohui, SUN Weiguo

(SchoolofTextile&Material,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

In order to deeply understand the morphological structure, physical and mechanical properties of fibers from rice straw, the morphology, chemical structure, crystallinity and orientation of fibers were tested by the scanning electron microscopy, infrared spectra and X-ray diffraction.The length, linear density, moisture regain, breaking strength, breakage elongation and flexibility of rice-straw fibers were tested. The experimental results indicated that the lengthwise of the fiber appears a large number of grooves and the specific surface area is large. Rice straw contains natural cellulose and some concomitants such as lignin and pectin. The crystallinity and orientation of rice-straw fibers are high. The length of the single fiber is very short. The processing fibers is made by half degumming process. The linear density of processing fibers is relatively great and the softness of processing fibers is poor. The moisture absorption of fibers is good.

rice-straw fiber; cellulose fiber; morphological structure; property

10.13475/j.fzxb.20140103905

2014-01-23

2014-05-28

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目(12JK0565)

陳莉(1973—)，女，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)樾滦屠w維原料的紡織加工技術(shù)。E-mail：fzchenli@126.com。

TS 102.2

A