田新霽

（1. 武漢紡織大學(xué)，湖北武漢 201861；2. 武漢紡織大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 201862）

關(guān)鍵字 艾草脫膠纖維；菠蘿麻；形態(tài)結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

隨著21世紀(jì)的來(lái)臨，紡織行業(yè)不僅僅具有 “能穿”、“耐用”等基本屬性，而大眾需要更加多元化的元素進(jìn)入到服裝之中，健康、時(shí)尚、環(huán)保已經(jīng)成為紡織行業(yè)更加重視的元素。因此，對(duì)新型的紡織材料的研究刻不容緩。艾草是家喻戶曉的一種植物，有著許多藥用功效，本課題就艾草韌皮纖維的特性展開(kāi)研究和討論。

1 幾種天然纖維的簡(jiǎn)介

1.1 棉纖維[1-4]

棉植株的生長(zhǎng)周期大多都是一年左右，整個(gè)植株都是由種子上的表皮按細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)形成的。而棉纖維的主要是由纖維素，纖維素為天然高分子化合物，纖維素是由碳元素44.45%、氫元素6.18%、氧元素49.37%等組成。

1.2 艾草纖維[5-7]

艾草（Ay Tsao）大都為多年生草本科植株，也有部分會(huì)生長(zhǎng)成為類似灌木裝的植株，植株會(huì)帶有一種淡淡且特殊的香氣。

1.3 菠蘿麻纖維

菠蘿麻纖維(pineapple leaf fiber)，一般稱為菠蘿麻，又名鳳梨麻，可以從鳳梨植物的葉脈中提取出來(lái)，以束纖維的形式存在于菠蘿麻片中。菠蘿麻植株的葉片長(zhǎng)度一般在三到五英尺左右，其葉片的寬度約在一到三英尺[8-10]。

2 脫膠工藝實(shí)驗(yàn)部分

2.1 菠蘿麻纖維的脫膠工藝

參考菠蘿麻纖維的脫膠工藝流程：新鮮菠蘿麻葉片→捶打→水洗→堿煮→水洗→中和→水洗→烘干。堿煮試劑用量為：3g/L三聚磷酸鈉溶液，3g/L碳酸鈉溶液，3g/L硅酸鈉溶液濃度，10g/L氫氧化鈉溶液。試劑浴比為1 : 20，在100℃的恒溫水浴鍋中堿煮120min。

選取新鮮菠蘿麻葉片，用橡膠錘反復(fù)錘打葉片正反面。新鮮菠蘿麻片中膠質(zhì)尚未與纖維干結(jié)在一起，用橡膠錘擊打時(shí)，容易被破壞，菠蘿麻片表面分裂，露出纖維束。由于半纖維素和木質(zhì)素的強(qiáng)度塑性弱于纖維素，對(duì)纖維束使用橡膠錘擊打，纖維中的膠質(zhì)會(huì)先被破壞，需將捶打出來(lái)的纖維束用清水清洗干凈。

按照浴比1 : 20，根據(jù)菠蘿麻纖維束的重量配好堿液，將纖維束放入燒杯中，在100℃的恒溫水浴鍋中堿煮100min。在高溫條件下，菠蘿麻束纖維中的大部分非纖維素成分能夠通過(guò)堿煮除去，從而得到菠蘿麻纖維。

2.2 艾草韌皮纖維的脫膠工藝

實(shí)驗(yàn)器材和試劑：燒杯，玻璃棒，硫酸（98%），氫氧化鈉（片狀），硅酸鈉（可溶固體98%）等，恒溫水浴鍋（HH-4），電子天平（FA22004），金屬鑷子，玻璃皿，橡膠錘，高壓鍋等。

采用兩次煮練，一次酸浸與酸洗，兩次酶處理的方法，如下：

取干凈的艾草桿捶打——洗凈——調(diào)配5g/L的硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%～98%）——浸酸80min左右——撈出洗凈，捶打（放入烘箱）烘干后測(cè)質(zhì)量——調(diào)配氫氧化鈉溶液（40g/L）——進(jìn)行一次堿煮——約1h撈出——捶打洗凈，烘干后測(cè)質(zhì)量——倒入干凈燒杯放入果膠酶放入水浴鍋40℃30min——撈出洗凈——導(dǎo)入干凈燒杯放入半纖維素酶放入水浴鍋40℃——使用相同堿液進(jìn)行第二次堿煮——約1h撈出——捶打洗凈，烘干后測(cè)質(zhì)量——調(diào)配相同濃度硫酸溶液浸泡實(shí)驗(yàn)材料沖洗——捶打——烘干裝好。

實(shí)驗(yàn)常量：油浴鍋的溫度約120℃，HHT—4數(shù)顯恒溫水浴鍋的溫度約80℃；高壓鍋溫度，助劑硅酸鈉使用劑量為3g/800mL；酸液浴比為1 : 30，堿液浴比為1 : 70，烘干機(jī)烘干溫度為65℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 纖維橫截面形態(tài)分析

纖維橫截面形態(tài)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 菠蘿麻纖維截面形態(tài)

圖2 艾草纖維截面形態(tài)

由圖1和圖2可知，菠蘿麻纖維和艾草纖維都是一小束一小束的分布，單纖維沿著莖稈的長(zhǎng)度方向平行排列，環(huán)形圍繞。從圖中可以明顯地看到一個(gè)個(gè)纖維束，纖維束內(nèi)又是一根根的單纖維。這說(shuō)明對(duì)艾草纖維的脫膠不完全，粘合單纖維的膠質(zhì)沒(méi)有被完全分解破壞，從而形成工藝?yán)w維。

由圖2可知，艾草單細(xì)胞都有中腔且中腔大小不一，細(xì)胞的壁厚度基本相同。截面形態(tài)為圓形或者橢圓形，纖維結(jié)合的較為緊密。由圖1可知，菠蘿麻纖維的截面呈多角形至卵圓形，有中腔,纖維間結(jié)合比較緊密。

3.2 纖維縱向形態(tài)

從圖3和圖4可以看出，菠蘿麻纖維表面較為粗糙，有明顯的溝槽。纖維表面有縱向裂縫和孔洞，沒(méi)有天然扭曲。圖3中菠蘿麻纖維縱向有細(xì)小粗節(jié)，可以看出纖維中仍存在一些膠質(zhì)。通過(guò)機(jī)械捶打提取的菠蘿麻纖維是束纖維，纖維間存在著大量膠質(zhì)。

從圖5可以看出，艾草纖維表面也比較光滑，沒(méi)有明顯的溝壑，纖維表面沒(méi)有縱向裂縫和孔洞，有一點(diǎn)自然扭曲。

圖3 菠蘿麻纖維縱向形態(tài)

圖4 菠蘿麻纖維縱向形態(tài)

圖5 艾草纖維縱向形態(tài)

4 纖維物理機(jī)械性能測(cè)量

4.1 纖維拉伸強(qiáng)力測(cè)試

4.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

艾草工藝?yán)w維、艾草纖維、黑絨板、 絨板擦、鑷子、張力夾、電子單纖強(qiáng)力儀(LLY-06型)。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）艾草纖維試樣分別平鋪于黑絨板，除去游離纖維、雜質(zhì)、并絲等。

（2）再將麻纖維束分成長(zhǎng)度25mm左右的工藝?yán)w維樣品。

（3）連接好電源線，依次打開(kāi)電腦測(cè)試主機(jī)開(kāi)關(guān)鍵及空壓機(jī)開(kāi)關(guān)。。

（4） 開(kāi)機(jī)時(shí)，氣缸自動(dòng)將上、下夾持器打開(kāi)，儀器應(yīng)顯示復(fù)位狀態(tài)，如果顯示實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，需要先按“總清”鍵，再按“復(fù)位”鍵，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

（5）打開(kāi)電腦主界面上的斷裂強(qiáng)力軟件，在主機(jī)上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置夾距、拉伸速度、試驗(yàn)次數(shù)、濕度、溫度等參數(shù)。

（6）聯(lián)機(jī)時(shí)需要關(guān)閉上夾持器，儀器進(jìn)行自動(dòng)校零，點(diǎn)擊“聯(lián)機(jī)成功”、“試驗(yàn)”鍵進(jìn)入實(shí)驗(yàn)程序。所測(cè)麻纖維為工藝?yán)w維，強(qiáng)度較大，選擇大號(hào)張力夾。抽取出工藝?yán)w維，用張力夾夾住。使用鑷子將纖維放在上下夾持器中。

（7）先按“上夾持器”按鈕夾住纖維上端，再按“下夾持器”按鈕，再點(diǎn)拉伸鍵，就可以得到纖維拉伸強(qiáng)力及曲線。

（8）重復(fù)（6）（7）步驟，測(cè)完完所需要的全部試樣。試驗(yàn)結(jié)束，打印出全部的測(cè)試報(bào)告。

4.2 纖維細(xì)度

4.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

采用中段切斷稱重法測(cè)得的菠蘿麻纖維、艾草纖維的細(xì)度，用顯微鏡和電腦軟件測(cè)出單纖維直徑，見(jiàn)表1、2。

表1 工藝?yán)w維線密度

表2 單纖維寬度

4.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

從表1和表2可以看出,菠蘿麻纖維和艾草纖維單纖維都很短，不能用于紡紗，因此，必須進(jìn)行一定處理。即對(duì)艾草纖維和菠蘿麻纖維進(jìn)行脫膠處理，采用殘脫膠工藝，使單纖維間有一定的膠質(zhì)可以連接。

菠蘿麻纖維與艾草纖維經(jīng)過(guò)濃堿處理后，纖維發(fā)生溶脹，纖維線密度稍有增大。

纖維的細(xì)度對(duì)后序紡紗工藝紗線的質(zhì)量有很大的影響。菠蘿麻纖維細(xì)度和艾草纖維相差不大，可以參考苧麻的精細(xì)化工藝，對(duì)艾草纖維進(jìn)行精細(xì)化處理，提高艾草纖維的可紡性。

4.3 纖維拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、4、5、6。

表3 菠蘿麻纖維的物理機(jī)械性能

表4 經(jīng)堿煮后的菠蘿麻纖維的物理機(jī)械性能

表5 艾草纖維的物理機(jī)械性能

表6 經(jīng)堿煮后的艾草纖維的物理機(jī)械性能

從表3、表4中數(shù)據(jù)能夠看出，菠蘿麻纖維經(jīng)過(guò)堿液處理改性后，纖維發(fā)生溶脹，纖維分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致菠蘿麻纖維強(qiáng)力下降。從表5、表6中可以看出，艾草纖維在干態(tài)條件下斷裂強(qiáng)力，斷裂強(qiáng)度和斷裂功相差較大，這明顯不利于紡織品的后續(xù)加工，說(shuō)明艾草纖維不適合作為線紡材料，可以考慮非織造材料。對(duì)艾草纖維來(lái)說(shuō)，同樣通過(guò)表6和表5來(lái)看，艾草纖維通過(guò)堿煮改性之后，有的機(jī)械性能包括斷裂強(qiáng)力，斷裂強(qiáng)度等都有所下降，考慮到堿液可能使艾草纖維損傷或者發(fā)生少量的腐蝕，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而使其部分機(jī)械性能有所下降。同時(shí)，艾草纖維在干態(tài)下的各項(xiàng)強(qiáng)力指數(shù)均有提高，表明其中果膠半纖維素雜質(zhì)較多。此外，艾草纖維的強(qiáng)度，強(qiáng)力等物理性能都比菠蘿麻強(qiáng)，但由于其干態(tài)下與濕態(tài)下的強(qiáng)力等屬性差別太大，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中可能由于機(jī)械攪拌，或者烘干過(guò)程，針刺過(guò)程，敲打過(guò)程，梳理過(guò)程的自然因素而導(dǎo)致斷裂，從而失去部分纖維，導(dǎo)致所收的成果大大降低，對(duì)比表3、表4能夠看出，菠蘿麻纖維的各項(xiàng)屬性較艾草纖維來(lái)說(shuō)，都比較穩(wěn)定，濕態(tài)和干態(tài)下的物理性能相差很小，方便加工。

5 結(jié)論

菠蘿麻纖維橫截面形狀為多角形，均有空腔，纖維縱向形態(tài)有豎紋。艾草纖維的橫截面形狀為圓形或者橢圓形，有細(xì)小空腔，縱向形態(tài)較光滑。

菠蘿麻單纖維和艾草單纖維都很短，需要?dú)埫撃z，使用工藝?yán)w維紡紗。艾草纖維細(xì)度和菠蘿麻纖維相差不大，可以參考苧麻的參脫膠和精細(xì)加工工藝，對(duì)艾草纖維進(jìn)行參脫膠和精細(xì)化的處理，提高艾草纖維的可紡性。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，艾草纖維比較細(xì)，長(zhǎng)度比較短，纖維束中含的雜質(zhì)較多，去除的難度較大，相對(duì)的強(qiáng)度比較高，干態(tài)下的強(qiáng)度和濕態(tài)下的強(qiáng)度差別有較大的區(qū)別，這點(diǎn)不利于工業(yè)化的生產(chǎn)。菠蘿麻纖維雖然強(qiáng)力等物理性能沒(méi)有艾草高，但是其雙態(tài)下的性能較穩(wěn)定，質(zhì)地較柔軟，更適合紡織編造使用。而艾草纖維的強(qiáng)力比較高，總的來(lái)說(shuō)比較脆，比較適合脫膠成單纖維用于非織造產(chǎn)品，或者作為再生纖維的原料添加到其他的纖維里面混合成一種新型的再生纖維。