莊志凱 李明福 張 鵬 連文偉 何俊燕 黃 濤 張 勁

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所 廣東湛江 524091)

菠蘿，又名鳳梨，是鳳梨科鳳梨屬，多年生單子葉草本植物。菠蘿是世界上著名的熱帶水果[1]。在中國(guó)被廣泛種植在海南、廣東、廣西、云南、福建和臺(tái)灣6省(區(qū))，近年來(lái)種植面積均保持在70 000 hm2左右[2]。每 666.7 m2廢棄葉片約 5～10 t，全國(guó)總量近1 000萬(wàn)t/年，造成大量資源浪費(fèi)及生態(tài)環(huán)境的污染[3]。菠蘿葉中含纖量?jī)H為1.5%左右（干基），所提取出的纖維屬葉脈纖維，既具有麻的風(fēng)格，又有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種新興的工業(yè)原料，在紡織、包裝、建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

研究植物纖維的力學(xué)特性，可間接反映出纖維增強(qiáng)體的復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)纖維的開(kāi)發(fā)利用，為纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-7]。本試驗(yàn)以菠蘿葉纖維為原材料，研究干 （13%）、濕 （84%）2種狀態(tài)下菠蘿葉纖維不同部位的拉伸力學(xué)行為，掌握菠蘿葉纖維不同采樣部位于干、濕2種狀態(tài)下拉伸性能的變化規(guī)律，為菠蘿葉纖維的開(kāi)發(fā)利用奠定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 試材

菠蘿葉纖維來(lái)源于湛江市徐聞縣菠蘿種植基地的菠蘿葉，品種為卡因，通過(guò)自主研發(fā)的半自動(dòng)刮麻機(jī)對(duì)菠蘿葉進(jìn)行纖維提取。干態(tài)菠蘿葉纖維樣品制備：隨機(jī)抽取5束纖維；將每束纖維分成根、中、梢3小截，每截長(zhǎng)約10 cm，并標(biāo)有根、中、梢等標(biāo)簽，然后分別放于5個(gè)編號(hào)為A、B、C、D、E的密封袋中；取出已編好號(hào)的根部纖維，用特制的梳子分別將每束纖維梳理至呈單根纖維的狀態(tài)。然后將刮好的每束纖維分成2部分，分別用來(lái)做干態(tài)、濕態(tài)試驗(yàn)；用纖維切斷器將要做實(shí)驗(yàn)的根部纖維切出30 mm長(zhǎng)度的纖維，并從中挑選通直、無(wú)彎曲、無(wú)分支、粗細(xì)度均勻的單根纖維，用于做拉伸試驗(yàn)，每種水平下取30組有效數(shù)據(jù)；中、梢部的纖維制樣步驟同上。

1.1.2 儀器

纖維切斷器：切斷長(zhǎng)度30 mm；TG328B分析天平：量程200 g，精度0.1 mg；黑絨板：150 mm×250 mm；絨板刷；鑷子；直尺：300 mm，精度1 mm；德國(guó)Binder VD烘箱；YG(B)008E型單纖維強(qiáng)力機(jī)。

1.2 方法

1.2.1 纖維細(xì)度測(cè)定

取一定數(shù)量的纖維，將調(diào)濕后的纖維整理后，用稀梳輕輕梳理8～10次，使其呈單根纖維狀態(tài)后，放置于纖維切斷器中間，并與切刀保持垂直，然后將纖維切斷，將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，然后從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，參照GB/T 12411-2006黃、紅麻纖維試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定[8]。

1.2.2 纖維拉伸試驗(yàn)

采用農(nóng)機(jī)所纖維檢測(cè)室YG(B)008E型單纖維強(qiáng)力機(jī)，空氣溫度25℃，空氣相對(duì)濕度60%；夾持距離10 mm，量程500 cN；預(yù)加張力0.5 cN；拉伸速度10 mm/min[9-11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菠蘿葉不同部位纖維細(xì)度分析測(cè)定

將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，并依照GB/T 12411-2006的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。纖維根、中、梢部各測(cè)量5次，取其平均值，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 菠蘿葉原纖維細(xì)度 單位：dt ex

由表1可知，根部細(xì)度平均18.54，中部細(xì)度平均15.38，梢部細(xì)度平均14.73，根據(jù)纖維不同部位的細(xì)度差異，梢部纖維較細(xì)，易脫膠，脫膠后柔軟舒適，適宜制成睡衣等紡織產(chǎn)品；根部纖維較粗，脫膠困難，宜于制作襪子等紡織產(chǎn)品。

從表2中可以看出，菠蘿葉纖維的細(xì)度同苧麻（細(xì)）、漢麻一樣，都是梢部單纖維細(xì)度最低、中部次之、根部最高。

表2 菠蘿葉原纖維、苧麻 （細(xì)）和漢麻的細(xì)度單位：dt ex

2.2 菠蘿葉原纖維拉伸過(guò)程分析

選擇庫(kù)存菠蘿葉原麻纖維制成試樣后，分成干態(tài)和濕態(tài)，根、中、梢3個(gè)部位進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每種水平下得到30個(gè)有效數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并繪制載荷伸長(zhǎng)曲線。如圖1和2分別為干、濕2種狀態(tài)下纖維拉伸試樣的載荷伸長(zhǎng)曲線。

由圖1可知，干態(tài)下隨著纖維伸長(zhǎng)的加大，載荷也漸漸增大。從圖上可以看出，纖維的載荷伸長(zhǎng)曲線從開(kāi)始到最大載荷(111.7 cN)時(shí)呈直線上升趨勢(shì)，然后在達(dá)到最大載荷時(shí)突然斷裂并伴有清脆的斷裂聲，同時(shí)載荷迅速減小，試驗(yàn)結(jié)束。由此可以看出，干態(tài)纖維的拉伸試驗(yàn)在載荷達(dá)到最大載荷之前并沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，而在結(jié)束時(shí)是干脆的斷裂。

圖2是菠蘿葉纖維濕態(tài)的拉伸試驗(yàn)，從圖中可以看出其拉伸的大致過(guò)程：在初始階段，其拉伸曲線載荷和伸長(zhǎng)呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，而在載荷達(dá)到一定值后，濕態(tài)纖維并沒(méi)有出現(xiàn)像干態(tài)那樣的脆性斷裂，其載荷隨著纖維伸長(zhǎng)的增加呈波浪式漸漸增大，然后在載荷達(dá)到最大值(142.5 cN)后，濕態(tài)纖維迅速斷裂，并伴有輕微的斷裂聲。

圖1 干態(tài)纖維拉伸試驗(yàn)載荷伸長(zhǎng)曲線

圖2 濕態(tài)纖維拉伸試驗(yàn)載荷伸長(zhǎng)曲線

2.3 菠蘿葉纖維拉伸特性分析

對(duì)菠蘿葉纖維根、中、梢3個(gè)采樣部位分別進(jìn)行干態(tài) （13%） 和濕態(tài)（84%）的拉伸試驗(yàn)，每一種水平下取5組纖維進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)得到30個(gè)有效數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到其均值，如表3所示。

通過(guò)試驗(yàn)探究菠蘿葉纖維干、濕狀態(tài)下不同采樣部位對(duì)其拉伸特性指標(biāo)的影響，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到其方差分析表。結(jié)果見(jiàn)表4～7。

表3 干、濕2種狀態(tài)下纖維根、中、梢拉伸均值

表4 斷裂強(qiáng)力雙因素等重復(fù)方差分析

表5 斷裂強(qiáng)度雙因素等重復(fù)方差分析

表6 中、梢部斷裂強(qiáng)力雙因素等重復(fù)方差分析

表7 中、梢部斷裂強(qiáng)度雙因素等重復(fù)方差分析

由表3可知，濕態(tài)纖維抗拉能力大于干態(tài)纖維，與其他麻類纖維濕強(qiáng)比干強(qiáng)大的拉伸規(guī)律一致，這是因?yàn)樘烊焕w維有較高聚合度，纖維大分子間有較強(qiáng)的結(jié)合力，所以在干態(tài)情況下纖維有一定的內(nèi)應(yīng)力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會(huì)膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內(nèi)應(yīng)力幾乎消失，使得纖維強(qiáng)度增大[14-16]。

從表4、5可以看出菠蘿葉纖維干、濕態(tài)的變化、采樣部位的不同對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度的影響是極顯著的(p＜0.01)。而表6、7中可以看出，采樣部位不同對(duì)中、梢部纖維的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度差異影響并不顯著(p＞0.05)。這可能與菠蘿葉纖維細(xì)度差異性有關(guān)，前期研究結(jié)果表明，纖維根部細(xì)度值比中、梢部大，根部纖維整體較粗，中、梢部纖維細(xì)度值差異不大，纖維粗細(xì)較為一致。

3 討論與結(jié)論

從表1和2中可以看出菠蘿葉原纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度介于苧麻和漢麻之間，比苧麻小，略高于漢麻；而斷裂伸長(zhǎng)率則均比苧麻和漢麻高，說(shuō)明原纖維承受外力沖擊的能力比二者要強(qiáng)，纖維更不易斷裂。通過(guò)方差分析可知，菠蘿葉纖維干、濕態(tài)的變化、采樣部位的不同對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度的影響是極顯著的 （p＜0.01）。此外，采樣部位不同對(duì)中、梢部纖維的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度差異影響并不顯著 （p＞0.05）。即根部纖維抗拉能力較中、梢部強(qiáng)，中、梢部抗拉能力差異不大。這可能與菠蘿葉纖維細(xì)度存在顯著差異有關(guān)。

結(jié)合圖1和2可以看出二者載荷伸長(zhǎng)曲線存在明顯區(qū)別，這是因?yàn)闈駪B(tài)纖維包含了大量水分的緣故，水分子間的結(jié)合力增加了纖維的黏性，使得濕態(tài)纖維比干態(tài)纖維斷裂伸長(zhǎng)率更大，這也與其他麻類纖維濕態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率比干態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率大的規(guī)律相似[17-18]。這是因?yàn)樘烊焕w維有較高聚合度，纖維大分子間有較強(qiáng)的結(jié)合力，所以在干態(tài)情況下纖維有一定的內(nèi)應(yīng)力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會(huì)膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內(nèi)應(yīng)力幾乎消失，使得纖維強(qiáng)度增大。