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竹原纤维结构和力学性能研究
发布于:2006-6-19 点击次数：160

    陶丽珍1，蒋耀兴2，王明芳1
(1．常州纺织服装职业技术学院,江苏常州213164；2．苏州大学材料工程学院，江苏苏州215021)
摘要；文章主要研究了竹原纤维的基本形态特征：同时对竹原纤维的力学性能特点作了详细分析。
关键词：竹原纤维;形态结构；力学性能
中图分类号：TSlO1．921  文献标识码:A  文章编号：：1009—265x(2006）03—0001-04
       竹子是一种常绿植物，具有分布广、适应性强、生长快、成材早、经济价值高等特点.在我国，我们的祖先早在四、五千年前就开始对竹子进行研究开发了［1］.近年来，通过科技人员的努力，竹子纤维已被成功地用于纺织行业,成为一种被业内人士普遍看好的又一种新型纺织材料。
    以竹子为原料的竹纤维，包括用物理方法生产的竹原纤维［2］以及用化学方法生产的竹浆纤维[3］后者属再生纤维素纤维。本文所研究的是前者，即纯天然的竹纤维-—竹原纤维。
1  试样与试验方法
1．1试样
    竹原纤维、苎麻纤维、棉纤维、粘胶纤维等。
1．2试验方法
1．2．1  竹原纤维纵向、横截面形态特征测定
    仪器：上海电光研究所生产的I)XS一10A型10万倍扫描电子显微镜[4]：
    测试条件：恒温20℃，湿度RH65％；
1．2．2竹原纤维的长度、细度测定
    仪器：采用Y3ll型梳片式羊毛长度分析仪实际比较测量分析竹原纤维、苎麻纤维的长度分布特征。采用Y171纤维长度切断器、JN-A型精密扭力天平（称量10mg,分度值0．02mg）比较测定竹原纤维、苎麻纤维的细度。
    测试条件：恒温20℃,湿度RH65％；
1．2．3竹原纤维的结晶度测定
    仪器：日本理学2027型x衍射仪［3-7]
    测试条件：管电压为40kV，管电流为30mA，扫描速度为2°／min；
2试验结果
2．1竹原纤维纵向、横截面形态特征
    利用扫描电子显微镜对竹原纤的形态特征进行了分板，纵向(图1、图3、横截面(图2、图4）
    由图1和图3可知,竹原纤维的纵向表面有许多微细的凹槽，伴有少许裂纹，并且横向有明显的横节，没有天然转曲。正是因为这些凹槽和裂纹，使得竹纤维可以在瞬间吸收或蒸发水份，具有良好的透气性。

    横截面的SEM结果显示（图2、图4）,竹纤维的截面呈扁平的多边形，内有中腔，在中腔内分布有分裂状的丝状纤维，部分截面上有辐射状裂纹，这些中腔也使得竹纤维的吸湿、透湿性较好。
    经过测量得到：竹原纤维纵面宽度在20~28t～m范围之间，横截面的长径在30．0~50．0μm范围之间，平均值为35．9μm；短径在11．3～20．Oμm范围之间,平均值为14．9μm；短径与长径之比在0．30～0．67范围之间,平均值为0．43。
    由于竹原纤维的纵向和横截面的结构特征，可以迅速地吸收大量的水分、透过大量的气体,具有良好的吸湿放湿性和透气性，因此专家称之为具有“呼吸功能”的纤维[3]。
2．2竹原纤维的长度、细度特征
2．2．1竹原纤维的长度
    测试结果如表1和图5所示。
表1  竹原纤维与苎麻纤维的长度特征指标

    由表l和图5可以看出：竹原纤维的长度分布范围为15．0～215mm，重量加权主体长度为60．1mm，短纤维率为4．9％，长度变异系数为46．2％。苎麻纤维的长度分布为15．0～255mm，重量加权主体长度为69．5mm,短纤维率为2．5％，长度变异系数为42．7％。从以上实验数据可知，竹原纤维的长度比苎麻纤维略短，长度整齐度稍差。
同时图5显示，竹原纤维和苎麻的长度一重量分布状态是相似的，说明竹原纤维与苎麻纤维的长度、细度指标非常接近，所以在苎麻纺设备上加工竹原纤维是可行的，而且苎麻纱的纺纱工艺的配置对竹原纤维的纺纱具有一定的参考价值.
2．2．2竹原纤维的细度
    试验结果(表2)表明:
    a)竹原纤维的平均细度为1734Nm,即5．8dtex，与苎麻纤维的细度相似(纺织厂用的苎麻纤维，一般为5dtex左右,）比棉、羊毛等其他天然纤维粗。株洲雪松麻业有限责任公司已经用这种竹原纤维生产出24Nm、36Nm、51Nm纯纺竹原纱和51Nm竹／棉、51Nm竹／竹粘、51Nm竹／天丝、68Nm竹／棉混纺纱和其他规格纱线[3].
    b）竹原纤维的细度较粗，与棉纤维细度相差太大，因此混纺中各工序需要选择合适的工艺参数。例如梳棉是竹纤维混合均匀的关键工序，采用低速度,优选各梳理隔距等,将减少对纤维的损伤并且保证混合的均匀性；细纱工序，由于竹纤维与棉纤维之间的差异较大，导致纤维之间的抱合能力差，采用较高的捻系数可以保证纺纱过程的顺利进行，并加强成纱的强力。
    c）化学纤维与竹原纤维混纺时，化纤的规格要尽量与竹原纤维相匹配，以保证成纱过程中混纺纤维的均匀混合，保证成纱强力和纱线的质量.
表2竹原纤维的细度测试结果及与苎麻纤维的实测比较

2．3竹原纤维的微观结构特征
    竹原纤维是通过物理、机械方法直接从竹材中提取的,是纯天然的纤维素纤维.根据文献资料介绍,与棉、麻等天然纤维素纤维一样，竹原纤维的主要组成物质是纤维素.
    纤维素有4种主要的结晶变体[8］即纤维素I、纤维素Ⅱ、纤维素Ⅲ和纤维素Ⅳ。天然纤维素均为纤维素工,而经过碱处理、溶解和纤维素皂化等加工手段处理后的纤维素则转化为纤维素Ⅱ。纤维素制品中不同的纤维素结晶变体的存在，对物理机械性能有很大的影响。
    图6～9分别为竹原、棉、粘胶、麻纤维的x射线衍射强度曲线，4张图反映了这些纤维各自的结晶度和取向度。把它们进行对照比较后发现:

                               图8粘胶纤维x-射线            图9麻纤维x-射线
                                  衍射图                             衍射图

    a)竹原纤维的x射线衍射特征峰1、2、3的2θ角分别为15．2°、22．8°、34．6°。与苎麻、棉的x射线衍射峰相同,说明竹纤维结晶变体属于典型的纤维素I，由竹材提取竹纤维的工艺并未改变天然竹纤维的结晶结构属性.
    b）结晶度可根据结晶峰面积和整个衍射曲线和基线之问的面积比计算，通过称重法获得。经过计算，竹原纤维的结晶度为72%,这与文献所报道的60%~70%相近，高于棉的结晶度。竹原纤维是一种高结晶、高取向的天然纤维素纤维[9]。
2．4竹原纤维的力学性能
    通过YG004A单纤维强力仪测定竹原纤维的断裂强度、断裂伸长等力学性能,测试结果见表3.
    由表3可以看出竹原纤维具有的拉伸特征。
2．4．1  干态下竹原纤维具有较高的断裂强度
    干态下,竹原纤维的断裂强度最大值达到14．69cN／dtex，最小为1．69cN／dtex，平均值为6．71cN／dtex，与苎麻的断裂强度（6．6～6．8cN／dtex）接近。大大超过竹粘、棉、粘胶和天丝的干态的断裂强度。 （竹粘为1．9～2．2cN／dtex；棉为1．9～3．5cN／dtex；粘胶为1．5～2．0cN／dtex；天丝为4．2～4．4cN／dtex[10]。这与它本身的超分子结构有很大的关系。由于竹原纤维的结晶度为70％，较普通的棉、竹粘等纤维高，说明纤维的大分子排列规整，分子之间的作用力大，在拉伸过程中要使大分子断裂,破坏大分子间的结合力较困难,所以导
致竹原纤维断裂强度高。
2．4．2湿态下竹原纤维的断裂强度
    湿态下，竹原纤维的断裂强度最大值达到17．33cN／dtex，最小为1．86cN／dtex，平均值为7．58cN／dtex，平均增幅13％,cv值小。这说明:竹原纤维是一种高结晶的多孔性纤维材料，同时具有很强的吸水能力，随着水分子进入到竹原纤维内部,使竹原纤维分子之间或原纤之间的缠结点作用减弱，其受力比较均匀，同时受力的分子增多，导致纤维强度增大、变异系数下降。
表3竹原纤维在干态、湿态条件下的力学性能测试结果

2．4．3竹原纤维具有较低的断裂伸长率
    竹原纤维的断裂伸长率较小,干态下平均断裂伸长率为3．48％，接近于苎麻的断裂伸长率，大大低于竹粘、棉、粘胶和天丝等纤维素纤维的断裂伸长率。这主要是因为纤维结晶度高，大分子间的结合力较大,破坏大分子结合力后产生的滑移较小,使得纤维的断裂伸长较小。竹原纤维湿态下平均断裂伸长率为4．02％，湿态下纤维的断裂伸长率增加，平均增幅16％。主要原因是水分子进入到纤维内部以后，竹原纤维大分子之间或原纤之间的联系相对减弱，分子间受力后产生位移的可能性增大，所以纤维的断裂伸长率明显增大。
2．4．4竹原纤维具有较高的初始模量
    竹原纤维的初始模量干态下为192．82cN／dtex,与苎麻的初始模量相近，大于竹粘、棉、粘胶和天丝的初始模量。初始模量大，说明纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好,竹原制品比较挺括。这主要是竹原纤维的结晶度高，在拉伸力作用下大分子间不易产生滑移，所以伸长率小.湿态下的初始模量为198．56cN／dtex，与干态下的初始模量接近，变异系数减小.表明竹原纤维在湿态下变形能力仍然较小，而且更加均匀。
2．4．5拉伸曲线特征
    图10是几种常见纤维的拉伸曲线，通过与苎麻、棉、粘胶、羊毛等常见纤维的拉伸曲线相比

     1．竹原纤维(干态)  2．苎麻纤维3．竹原纤维（湿态）  4．棉纤维5．普通粘胶6．羊毛
                                       图lO几种纤维的拉伸曲线比较
 较[10]，可以看到，竹原纤维与苎麻纤维的拉伸特征相似,具有高强度、低伸长的特点；从拉伸曲线看到，湿态下竹原纤维的断裂强度和断裂伸长率均有提高,初始模量也较大，整个曲线仍然保持了高强低伸的特点。所以，竹原纤维是一种刚性较好的纤维。
3结  语
    本文通过测试分析，初步探明了竹原纤维的基本形态特征及力学性质。竹原纤维的长度，细度分布完全能满足纺纱的工艺要求，而且它具有高强低伸的力学性能特点,是一种新型的天然纤维素纤维。
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 收稿日期：2005—10-0l
 作者简介:陶丽珍（1973一)女,江苏丹阳人，讲师，
主要从事新型纤维、纱线的结构和性能、纱线质量控制的研究。