竹原纖維結(jié)構(gòu)和力學性能研究

1、竹原纖維結(jié)構(gòu)和力學性能研究發(fā)布于:2006-6-19 點擊次數(shù):160    陶麗珍1，蔣耀興2，王明芳1(1常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州213164；2蘇州大學材料工程學院，江蘇蘇州215021)摘要；文章主要研究了竹原纖維的基本形態(tài)特征：同時對竹原纖維的力學性能特點作了詳細分析。關(guān)鍵詞：竹原纖維；形態(tài)結(jié)構(gòu)；力學性能中圖分類號：TSlO1921  文獻標識碼：A  文章編號：1009-265x(2006)03-0001-04       竹子是一種常綠植物，具有分布廣、適應(yīng)性強

2、、生長快、成材早、經(jīng)濟價值高等特點。在我國，我們的祖先早在四、五千年前就開始對竹子進行研究開發(fā)了1。近年來，通過科技人員的努力，竹子纖維已被成功地用于紡織行業(yè)，成為一種被業(yè)內(nèi)人士普遍看好的又一種新型紡織材料。    以竹子為原料的竹纖維，包括用物理方法生產(chǎn)的竹原纖維2以及用化學方法生產(chǎn)的竹漿纖維3后者屬再生纖維素纖維。本文所研究的是前者，即純天然的竹纖維竹原纖維。1  試樣與試驗方法11試樣    竹原纖維、苧麻纖維、棉纖維、粘膠纖維等。12試驗方法121  竹原纖維縱向、橫截面形態(tài)特征測定  

3、  儀器：上海電光研究所生產(chǎn)的I)XS一10A型10萬倍掃描電子顯微鏡4：    測試條件：恒溫20，濕度RH65；122竹原纖維的長度、細度測定    儀器：采用Y3ll型梳片式羊毛長度分析儀實際比較測量分析竹原纖維、苧麻纖維的長度分布特征。采用Y171纖維長度切斷器、JN-A型精密扭力天平(稱量10mg，分度值002mg)比較測定竹原纖維、苧麻纖維的細度。    測試條件：恒溫20，濕度RH65；123竹原纖維的結(jié)晶度測定    儀器：日本理學2027型x衍射儀

4、3-7    測試條件：管電壓為40kV，管電流為30mA，掃描速度為2°min；2試驗結(jié)果21竹原纖維縱向、橫截面形態(tài)特征    利用掃描電子顯微鏡對竹原纖的形態(tài)特征進行了分板，縱向(圖1、圖3、橫截面(圖2、圖4)    由圖1和圖3可知，竹原纖維的縱向表面有許多微細的凹槽，伴有少許裂紋，并且橫向有明顯的橫節(jié)，沒有天然轉(zhuǎn)曲。正是因為這些凹槽和裂紋，使得竹纖維可以在瞬間吸收或蒸發(fā)水份，具有良好的透氣性。    橫截面的SEM結(jié)果顯示(圖2、圖4)，竹纖維的截面呈扁

5、平的多邊形，內(nèi)有中腔，在中腔內(nèi)分布有分裂狀的絲狀纖維，部分截面上有輻射狀裂紋，這些中腔也使得竹纖維的吸濕、透濕性較好。    經(jīng)過測量得到：竹原纖維縱面寬度在2028tm范圍之間，橫截面的長徑在300500m范圍之間，平均值為359m；短徑在11320Om范圍之間，平均值為149m；短徑與長徑之比在030067范圍之間，平均值為043。    由于竹原纖維的縱向和橫截面的結(jié)構(gòu)特征，可以迅速地吸收大量的水分、透過大量的氣體，具有良好的吸濕放濕性和透氣性，因此專家稱之為具有“呼吸功能”的纖維3。22竹原纖維的長度、細度特征221竹原纖維的

6、長度    測試結(jié)果如表1和圖5所示。表1  竹原纖維與苧麻纖維的長度特征指標    由表l和圖5可以看出：竹原纖維的長度分布范圍為150215mm，重量加權(quán)主體長度為601mm，短纖維率為49，長度變異系數(shù)為462。苧麻纖維的長度分布為150255mm，重量加權(quán)主體長度為695mm，短纖維率為25，長度變異系數(shù)為427。從以上實驗數(shù)據(jù)可知，竹原纖維的長度比苧麻纖維略短，長度整齊度稍差。同時圖5顯示，竹原纖維和苧麻的長度一重量分布狀態(tài)是相似的，說明竹原纖維與苧麻纖維的長度、細度指標非常接近，所以在苧麻紡設(shè)備上加工竹原纖維是可

7、行的，而且苧麻紗的紡紗工藝的配置對竹原纖維的紡紗具有一定的參考價值。222竹原纖維的細度    試驗結(jié)果(表2)表明：    a)竹原纖維的平均細度為1734Nm，即58dtex，與苧麻纖維的細度相似(紡織廠用的苧麻纖維，一般為5dtex左右，)比棉、羊毛等其他天然纖維粗。株洲雪松麻業(yè)有限責任公司已經(jīng)用這種竹原纖維生產(chǎn)出24Nm、36Nm、51Nm純紡竹原紗和51Nm竹棉、51Nm竹竹粘、51Nm竹天絲、68Nm竹棉混紡紗和其他規(guī)格紗線3。    b)竹原纖維的細度較粗，與棉纖維細度相差太大，因此混紡中各

8、工序需要選擇合適的工藝參數(shù)。例如梳棉是竹纖維混合均勻的關(guān)鍵工序，采用低速度，優(yōu)選各梳理隔距等，將減少對纖維的損傷并且保證混合的均勻性；細紗工序，由于竹纖維與棉纖維之間的差異較大，導致纖維之間的抱合能力差，采用較高的捻系數(shù)可以保證紡紗過程的順利進行，并加強成紗的強力。    c)化學纖維與竹原纖維混紡時，化纖的規(guī)格要盡量與竹原纖維相匹配，以保證成紗過程中混紡纖維的均勻混合，保證成紗強力和紗線的質(zhì)量。表2竹原纖維的細度測試結(jié)果及與苧麻纖維的實測比較23竹原纖維的微觀結(jié)構(gòu)特征    竹原纖維是通過物理、機械方法直接從竹材中提取的，是純天然的

9、纖維素纖維。根據(jù)文獻資料介紹，與棉、麻等天然纖維素纖維一樣，竹原纖維的主要組成物質(zhì)是纖維素。    纖維素有4種主要的結(jié)晶變體8即纖維素I、纖維素、纖維素和纖維素。天然纖維素均為纖維素工，而經(jīng)過堿處理、溶解和纖維素皂化等加工手段處理后的纖維素則轉(zhuǎn)化為纖維素。纖維素制品中不同的纖維素結(jié)晶變體的存在，對物理機械性能有很大的影響。    圖69分別為竹原、棉、粘膠、麻纖維的x射線衍射強度曲線，4張圖反映了這些纖維各自的結(jié)晶度和取向度。把它們進行對照比較后發(fā)現(xiàn)：       

10、;                        圖8粘膠纖維x-射線            圖9麻纖維x-射線             &

11、#160;                    衍射圖                             衍射圖 

12、;   a)竹原纖維的x射線衍射特征峰1、2、3的2角分別為152°、228°、346°。與苧麻、棉的x射線衍射峰相同，說明竹纖維結(jié)晶變體屬于典型的纖維素I，由竹材提取竹纖維的工藝并未改變天然竹纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性。    b)結(jié)晶度可根據(jù)結(jié)晶峰面積和整個衍射曲線和基線之問的面積比計算，通過稱重法獲得。經(jīng)過計算，竹原纖維的結(jié)晶度為72，這與文獻所報道的6070相近，高于棉的結(jié)晶度。竹原纖維是一種高結(jié)晶、高取向的天然纖維素纖維9。24竹原纖維的力學性能    通過YG004A單纖維強力儀測

13、定竹原纖維的斷裂強度、斷裂伸長等力學性能，測試結(jié)果見表3。    由表3可以看出竹原纖維具有的拉伸特征。241  干態(tài)下竹原纖維具有較高的斷裂強度    干態(tài)下，竹原纖維的斷裂強度最大值達到1469cNdtex，最小為169cNdtex，平均值為671cNdtex，與苧麻的斷裂強度(6668cNdtex)接近。大大超過竹粘、棉、粘膠和天絲的干態(tài)的斷裂強度。 (竹粘為1922cNdtex；棉為1935cNdtex；粘膠為1520cNdtex；天絲為4244cNdtex10。這與它本身的超分子結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。由于竹原纖維的結(jié)晶

14、度為70，較普通的棉、竹粘等纖維高，說明纖維的大分子排列規(guī)整，分子之間的作用力大，在拉伸過程中要使大分子斷裂，破壞大分子間的結(jié)合力較困難，所以導致竹原纖維斷裂強度高。242濕態(tài)下竹原纖維的斷裂強度    濕態(tài)下，竹原纖維的斷裂強度最大值達到1733cNdtex，最小為186cNdtex，平均值為758cNdtex，平均增幅13，cv值小。這說明：竹原纖維是一種高結(jié)晶的多孔性纖維材料，同時具有很強的吸水能力，隨著水分子進入到竹原纖維內(nèi)部，使竹原纖維分子之間或原纖之間的纏結(jié)點作用減弱，其受力比較均勻，同時受力的分子增多，導致纖維強度增大、變異系數(shù)下降。表3竹原纖維在干

15、態(tài)、濕態(tài)條件下的力學性能測試結(jié)果243竹原纖維具有較低的斷裂伸長率    竹原纖維的斷裂伸長率較小，干態(tài)下平均斷裂伸長率為348，接近于苧麻的斷裂伸長率，大大低于竹粘、棉、粘膠和天絲等纖維素纖維的斷裂伸長率。這主要是因為纖維結(jié)晶度高，大分子間的結(jié)合力較大，破壞大分子結(jié)合力后產(chǎn)生的滑移較小，使得纖維的斷裂伸長較小。竹原纖維濕態(tài)下平均斷裂伸長率為402，濕態(tài)下纖維的斷裂伸長率增加，平均增幅16。主要原因是水分子進入到纖維內(nèi)部以后，竹原纖維大分子之間或原纖之間的聯(lián)系相對減弱，分子間受力后產(chǎn)生位移的可能性增大，所以纖維的斷裂伸長率明顯增大。244竹原纖維具有較高的初始模量

16、    竹原纖維的初始模量干態(tài)下為19282cNdtex,與苧麻的初始模量相近，大于竹粘、棉、粘膠和天絲的初始模量。初始模量大，說明纖維在小負荷作用下不易變形，剛性較好，竹原制品比較挺括。這主要是竹原纖維的結(jié)晶度高，在拉伸力作用下大分子間不易產(chǎn)生滑移，所以伸長率小。濕態(tài)下的初始模量為19856cNdtex，與干態(tài)下的初始模量接近，變異系數(shù)減小。表明竹原纖維在濕態(tài)下變形能力仍然較小，而且更加均勻。245拉伸曲線特征    圖10是幾種常見纖維的拉伸曲線，通過與苧麻、棉、粘膠、羊毛等常見纖維的拉伸曲線相比   

17、;  1竹原纖維(干態(tài))  2苧麻纖維3竹原纖維(濕態(tài))  4棉纖維5普通粘膠6羊毛                                       圖lO幾種纖維的拉

18、伸曲線比較 較10,可以看到，竹原纖維與苧麻纖維的拉伸特征相似，具有高強度、低伸長的特點；從拉伸曲線看到，濕態(tài)下竹原纖維的斷裂強度和斷裂伸長率均有提高，初始模量也較大，整個曲線仍然保持了高強低伸的特點。所以，竹原纖維是一種剛性較好的纖維。3結(jié)  語    本文通過測試分析，初步探明了竹原纖維的基本形態(tài)特征及力學性質(zhì)。竹原纖維的長度，細度分布完全能滿足紡紗的工藝要求，而且它具有高強低伸的力學性能特點，是一種新型的天然纖維素纖維。參考文獻：1黃知清，楊春波竹及其纖維的研究開發(fā)狀況和發(fā)展前景J廣西化纖通訊，2003(2)：32-362羅蒙川竹纖維在棉紡設(shè)備上的可紡性探討J四川紡織科技，2000(6)：6-83周衡書，鐘文燕竹纖維的開發(fā)與應(yīng)用J紡織科學研究，2003(4)：30-364朱宜掃描電鏡圖的形成處理和顯微分析M北京：北京大學出版社，1998：12-155李汝勤纖維和紡織品的測試原理與儀器M上海：中國紡織大學出版社，1995：20-236李烯化學纖維