張　有，陳長(zhǎng)潔，孫廣祥，王國(guó)和

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

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棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用

張有，陳長(zhǎng)潔，孫廣祥，王國(guó)和

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

摘要：介紹了棕櫚纖維在結(jié)構(gòu)性能方面的特點(diǎn)，并闡述了棕櫚纖維在復(fù)合材料、環(huán)境保護(hù)、資源利用等方面國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀，說明了棕櫚纖維具有優(yōu)良的性能及廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)總結(jié)了棕櫚纖維在進(jìn)一步開發(fā)利用中所面臨的問題與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞:棕櫚纖維，結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)用現(xiàn)狀，挑戰(zhàn)

棕櫚，外形幽雅美觀，頗具熱帶風(fēng)光特色，作為經(jīng)濟(jì)作物及城市園林綠化樹種，于熱帶亞熱帶地區(qū)被廣泛種植。在我國(guó)，其主要分布于秦嶺以南和長(zhǎng)江中下游的溫暖、濕潤(rùn)、多雨地帶。棕櫚纖維一般指棕櫚葉鞘纖維，其作為早期的紡織材料，多用于傳統(tǒng)生活中的蓑衣、編織井繩、地毯、墊材(如床墊、坐墊)，以及用于漁業(yè)中的纜繩、漁網(wǎng)等的制作。隨著環(huán)境意識(shí)材料的提出，棕櫚纖維作為一種性能優(yōu)良的天然植物纖維，其研究開發(fā)的重視程度逐漸提高。本文總結(jié)了棕櫚纖維在結(jié)構(gòu)性能方面的特征，以及在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)性能

1.1棕櫚纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)

棕櫚纖維縱向整體呈銳端圓柱狀，表面凹凸明顯，呈鏈狀分布著大量刺球形的硅石，如圖1(a)。棕櫚纖維的橫截面呈蜂窩狀，由大量緊密排列的棕櫚單纖維組成，每根單纖維橫截面大小不一，呈類橢圓形，有較大的中腔，中空度達(dá)47.21%，如圖1(b)。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%，通過脫膠去除單纖維間大量膠質(zhì)得到棕櫚單纖維。單纖維外形細(xì)長(zhǎng)，表面不光滑，銳端封閉，縱向無轉(zhuǎn)曲，單纖維的平均長(zhǎng)度為640.80μm，直徑為7.33～10.35μm，如圖1(c)。

圖1　棕櫚纖維掃描電鏡圖

1.2棕櫚纖維的性能

棕櫚纖維纖維素含量和結(jié)晶度較低，導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)力較小，并且具有分散性；濕態(tài)強(qiáng)度明顯較干態(tài)強(qiáng)度低，只有干態(tài)強(qiáng)度的50%～60%；斷裂強(qiáng)力隨溫度的增加逐漸降低，并且在160～180℃為棕櫚纖維斷裂強(qiáng)力的突變區(qū)域[5-7]。

棕櫚纖維脂蠟質(zhì)含量高，有助于提高纖維的柔軟性能，并且纖維具有多孔結(jié)構(gòu)、極性基團(tuán)較多、亞甲基數(shù)量較多，從而給予了纖維良好的彈性性能；棕櫚纖維含有大量的親水基團(tuán)、無定形區(qū)域比重高、纖維比表面積大、孔隙多等特點(diǎn)，使得纖維有非常良好的吸濕性能，高于棉、亞麻纖維；棕櫚纖維表面具有大量硅石，具有非常好的抗菌性和耐生物降解性。除此之外棕櫚纖維還有保暖性好、上染率高、隔音效果好等優(yōu)良性能。

2棕櫚纖維在各領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1纖維復(fù)合材料

棕櫚纖維的纖維較長(zhǎng)，斷裂伸長(zhǎng)率較大，具有極好的韌性及彈性，甚至在彎曲180°時(shí)也不折斷，因此棕櫚纖維適合于復(fù)合材料的研制，并伴隨棕櫚纖維復(fù)合材料的不斷研究開發(fā)，其制品將會(huì)廣泛應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其強(qiáng)度高、耐腐蝕而逐漸成為重要的建筑材料。水泥在工程中獲得了極廣泛的應(yīng)用，但由于其抗拉強(qiáng)度低、耐水性和耐久性不理想，直接限制了在特殊工程中的應(yīng)用。棕櫚纖維是質(zhì)輕且較柔軟的材料，力學(xué)性能較好，長(zhǎng)度適中易與水泥混合。水泥基棕櫚纖維復(fù)合材料，與水泥相比，其抗折、抗壓強(qiáng)度顯著提高，表面開裂減少，抗震性也得到了明顯的提升。

在聚合物基體棕櫚纖維復(fù)合材料的研發(fā)中，親水性的棕櫚纖維與疏水性的基體之間會(huì)產(chǎn)生界面，將嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，圍繞這個(gè)問題國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多的嘗試與研究。陳卉穎[10]通過對(duì)棕櫚纖維進(jìn)行堿處理和硅烷交聯(lián)，使棕櫚纖維棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力和彈性模量得到明顯提高。Kaddam[11]等人通過馬來酸酐對(duì)棕櫚纖維進(jìn)行表面改性，使棕?cái)R纖維與不飽和聚酯及環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的機(jī)械性能和彎曲模量得到提高，同時(shí)促進(jìn)應(yīng)力自材料破壞處更好地傳遞和吸收。在國(guó)外，棕櫚纖維與天然橡膠、聚氯乙烯、酚醛等聚合物的復(fù)合材料正在不斷深入研究，并且正在探討棕櫚纖維與可降解基質(zhì)制成復(fù)合材料的開發(fā)可行性[12]。

3.2環(huán)境保護(hù)

棕櫚纖維具有低密度和多孔結(jié)構(gòu)。董靜[13]使用直接隔絕氧氣，灼燒炭化的方法制備棕櫚纖維活性炭，并以化學(xué)共沉淀法將納米MgO顆粒分散在棕櫚纖維活性炭的孔道和表面，進(jìn)而改性棕櫚纖維活性炭。其對(duì)陰離子染料有非常好的吸附作用，且產(chǎn)品原料廉價(jià)易得，程序簡(jiǎn)單，利于推廣。在國(guó)外，以棕櫚纖維為原料制成的高功能過濾器，具有成本低、過濾功能強(qiáng)等特點(diǎn)，在凈化飲水和空氣領(lǐng)域有著非常廣闊的前景。

棕櫚纖維不易腐爛，具有一定的彈性結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于生物過濾床，來處理污水處理站、垃圾填埋場(chǎng)等場(chǎng)所會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體。棕櫚纖維和碎木片填料制作的生物過濾床與傳統(tǒng)的泥炭和碎木相比，棕櫚纖維復(fù)合填料生物過濾床的密度小、比表面積大、孔隙率高，并且其持水特性好，壽命長(zhǎng)，耐壓實(shí)，富含微生物所需的養(yǎng)分，更適合于生物過濾床填料使用[14]。

利用棕櫚纖維涵養(yǎng)水分功能優(yōu)良、不易腐蝕霉變的特點(diǎn)，通過特殊工藝將其編制成纖維墊。棕櫚纖維墊對(duì)岸邊植物群落的恢復(fù)與重建非常有利，進(jìn)而對(duì)改善水體生態(tài)狀況，防止岸邊侵蝕有著重大作用。事實(shí)證明，將扦插柳枝、蘆葦?shù)雀鞣N生活習(xí)性的植物種植在鋪蓋的棕桐纖維墊上，可成功地恢復(fù)庫邊植物。在扦插的植物當(dāng)中，柳枝的成活率最高，達(dá)到90%以上，其它扦插植物也有較好的成活率。在水、陸地均有很高的成活率高，并且長(zhǎng)勢(shì)較好，能夠快速起到防止雨水沖刷、保持土壤的作用，同時(shí)提高了周邊環(huán)境的綠化程度[15]。

3.3資源利用

棕櫚纖維的應(yīng)用效率較低，大量的棕櫚纖維被當(dāng)作垃圾處理掉，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。如果將其充分利用，將會(huì)對(duì)緩解能源緊缺提供巨大的幫助。

紙張作為人們?nèi)粘１匦杵?，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其需求量逐年增加，給世界森林資源造成沉重的壓力。棕櫚纖維屬中等長(zhǎng)度纖維，雜細(xì)胞含量較高，纖維素含量低，木質(zhì)素含量高，十分有利于制漿過程中獲取較高的得漿率，實(shí)踐證明，棕櫚纖維是一種產(chǎn)量大、性能優(yōu)良的造紙?jiān)希鶕?jù)纖維特征選用合適的工藝技術(shù)與設(shè)備，可生產(chǎn)出具有不同性能的紙產(chǎn)品，尤其是在牛皮箱板紙、高強(qiáng)瓦楞紙等包裝產(chǎn)品上有廣闊的前景[16]。

油氣資源做為關(guān)系人類發(fā)展的能源，其儲(chǔ)量的逐漸匱乏，已成為限制全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要屏障。如今，各國(guó)已逐漸將發(fā)展可再生能源做為主要的發(fā)展戰(zhàn)略，燃料乙醇作為一種重要清潔被廣泛重視，甚至在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐步成為能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分[17]。若使大量浪費(fèi)掉的棕櫚纖維轉(zhuǎn)化為乙醇的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，將對(duì)緩解世界能源危機(jī)作出巨大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)階段研究主要是利用氨水、稀硫酸、NaOH等方法對(duì)棕櫚纖維進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)材料水解反應(yīng)，再使用相應(yīng)的菌種發(fā)酵水解得到乙醇[18]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，若用所有馬來西亞與印度尼西亞的棕櫚纖維制作成乙醇替代汽油，可以超過兩國(guó)汽油消耗量的140%、中國(guó)的63%，可以看出棕櫚纖維生產(chǎn)乙醇經(jīng)濟(jì)回報(bào)將非常豐厚[19]。除此之外，棕櫚纖維還可以用來制作建筑隔音材料、人造板，以及利用棕櫚纖維優(yōu)良的彈性來制作床墊、坐墊等。

3結(jié)語

如今，棕櫚纖維研究取得了一定的成果，并且在多個(gè)領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用前景。但仍需對(duì)棕櫚纖維以及棕櫚單纖維進(jìn)行更層次的研究，提高棕櫚纖維的應(yīng)用價(jià)值，解決應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)，如：

(1)棕櫚纖維作為一種優(yōu)良的天然纖維，在紡織領(lǐng)域，其可紡性的研究仍不夠，需要對(duì)棕櫚纖維進(jìn)一步開發(fā)，使其能紡紗形成織物，發(fā)揮其服用價(jià)值。

(2)國(guó)內(nèi)外棕櫚纖維復(fù)合材料的研究不斷加深，解決親水性的棕櫚纖維與疏水性的基體界面問題已成為研究的難題，尋找高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方法對(duì)棕櫚纖維改性，對(duì)棕櫚纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

(3)棕櫚纖維在能源開發(fā)方面具有巨大的潛力，采用生物、化學(xué)等方法將大量浪費(fèi)掉的棕櫚纖維轉(zhuǎn)化乙醇等能源，對(duì)保護(hù)環(huán)境、緩解能源短缺和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義，但提高其生產(chǎn)速率及轉(zhuǎn)化率的方法仍需不斷探索研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軍, 范海闊, 孫程旭. 棕櫚科植物資源研究現(xiàn)狀與建議. 農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用, 2013(6): 52-55.

[2]ZHANG Tonghua, GUO Min, CHENG Lan,et. al. Investigations on the structure and properties of palm leaf sheath fiber.Cellulose, 2015, 22: 1039-1051.

[3]陳長(zhǎng)潔, 棕櫚原纖及其非織造材料的制備與性能研究.蘇州：蘇州大學(xué), 2015.

[4]CHEN Changjie, ZHANG You, WANG Guohe. Structure and properties of medical hollow palm sheath fibril. Journal of Donghua University, 2014, 31(5): 617-620.

[5]郭敏, 張同華, 程嵐, 等. 棕櫚葉鞘纖維的拉伸性能. 河南工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 26(1): 26-29

[6]劉曉霞, 茅琛. 粽葉纖維性能研究. 上海紡織科技, 2006, 34(9): 20-21.

[7]劉鑫, 吳智慧, 張繼雷等. 加熱溫度和時(shí)間對(duì)棕櫚纖維拉伸性能的影響. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,40,149-154.

[8]曾昭乾, 朱利軍. 棕櫚纖維彈性材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì). 中國(guó)西部科技, 2006(1): 23-24.

[9]熊瑞生, 周錫武, 鮑鵬玲. 棕櫚纖維增強(qiáng)水泥用于防水工程表面防裂的實(shí)驗(yàn)研究. 混凝土與水泥制品, 2002(3): 38-40.

[10] 陳卉穎. 棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料制備和力學(xué)性能的研究. 東華大學(xué)，2012.

[11] Hamid Kaddami, Abdelkader Bendahou, Moha Taourirte. Short palm tree fibers-Thermoset matrices composites. Composites,2006，37:1413-1422.

[12] S.Shinoj, R.Visvanathan, S.Panigrahi. Oil palm fiber (OPF) and its composites: A review. Industrial Crops and Products, 2011，33:7-22.

[13] 董靜, 黃建驊, 程嵐, 等. 改性棕櫚纖維活性炭對(duì)活性染料的吸附性能. 紡織學(xué)報(bào), 2014, 35(5): 72-77.

[14] 陶佳, 朱潤(rùn)曄, 王家德, 等.棕纖維復(fù)合生物填料床凈化三甲胺和臭氣的研究. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2008, 28(2): 111-115.

[15] 肖興富, 李文奇, 常佩麗, 等. 棕櫚纖維墊法恢復(fù)水庫岸邊植被施工技術(shù). 南水北調(diào)與水利科技, 2005, 3(4): 26-28.

[16] 王三平, 劉安江, 于宏. 棕櫚纖維制漿技術(shù)與裝備研究. 輕工機(jī)械, 2010, 28(2): 76-78.

[17] 馮文生, 張?zhí)煸? 楊國(guó)勛. 世界生物燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測(cè). 現(xiàn)代化工, 2013, 33(8): 18-20.

[18] 張海燕, 周玉杰, 李晉平, 等. 稀堿預(yù)處理棕櫚殘?jiān)苽淅w維乙醇. 生物工程學(xué)報(bào), 2013, 29(4): 490-500.

[19] Ming J.Lau, Ming W.Lau, Christa Gunawan. Ammonia Fiber Expansion (AFEX), Pretreatemt Enzymatic Hydrolysis, and Fermentation on Empty Palm Fruit Bunch Fiber (EPFBF) for Cellulosic Ethanol Production. Appl Biochem Biotechnol, 2010(162): 1847-1857.

收稿日期：2016-03-25