莲纤维形态结构探讨

摘要:

以开发新型纺织原料为目的,从一种资源丰富的农业废弃物荷秆中提取纤维原料――莲纤维。经物理方法提取的莲纤维,细长柔软飘逸,外观乳白泛黄。经SEM观测,发现莲纤维是由数根直径约4μm的单丝横向缔合而成,纵向有横节,间距3μm～5μm。纵向形态为螺旋卷曲,单丝横截面有中腔。既为纺织等行业提供了绿色纺织原料,又为农业深加工开辟了新出路,具有较大的社会效益和经济效益。

关键词:荷秆;莲纤维;形态结构;螺旋卷曲

Abstract: In order to develop the new raw textile materials, we withdraw lotus fiber from rejected lotus stalks, which are abundant in agriculture. After physical extraction, the fiber is slender and soft, breast yellow with appearance. Through the SEM observation, we discover the single lotus fiber is composed of several tiny fibers with diameter approximately 4μm, and has horizontal burls in the lengthwise direction. spacing 3~5μm. Lengthwise direction assumes the belt-shaped spiral revolving tune, and the lateral section has mesocoeles and holes. It has provided both the green ecology raw materials and the new outlet for the intensive process of agriculture, with big social efficiency and economic efficiency.

Key works: lotus stalks; lotus fiber; shape structure; spiral revolving

合成纤维,绝大部分是经由石油等不可再生资源提炼而成,如涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、乙纶等。天然纤维,又分为天然植物纤维、天然动物纤维和矿物纤维。天然植物纤维,是通过土地栽培、自然生长获得。天然动物纤维,是通过动物饲养繁殖获得。从世界经济发展和环境保护角度上看,这些天然纤维或合成纤维未必能够持续满足纺织工业生产与居民消费的需要。例如,对于合成纤维,地球上的石油资源恐有枯竭的危险;对于天然纤维,全面开发土地栽培和动物饲养繁殖,将会受到土地资源限制,甚至会破坏生态环境,势必产生粮食危机等等。为避免已有纤维产量或增长量不能满足将来纺织工业发展的需要,近年来,世界范围内正在积极兴起一股开发新型纤维材料[1] 的热潮。

莲植物是被子植物中起源最早的种属之一,多年生长在水中。莲分藕莲、子莲、花莲三种,可供人们食用或观赏。而莲之梗秆,自古以来作为农业废弃物而被广泛忽略。据资料统计,我国莲藕种植面积有近千万亩,每年收获莲藕后,大量荷秆不是枯萎腐烂就是被随意扔弃,而富含纤维素的荷秆一直没有得到有效重视和利用。如果每亩荷秆按2.5t计算,每年有上千万吨荷秆被抛弃,粗略估计,可以从中提取10万t以上的莲纤维。莲纤维的开发与应用不仅为传统的天然纤维增添新品种,而且为农业废弃物的综合利用开辟了新途径,还可为部分农民提供就业与创收的机会,具有潜在的经济、社会价值。从这种农业废弃物――莲秆中提取莲纤维的研究与探索[2],笔者与有关科研工作者一起自2004年以来进行不断探索和尝试,从服用纤维的提取加工方法、纤维表面形态结构研究和纤维的物理机械性能测试出发,为综合开发应用莲纤维奠定理论基础,本文仅对手工制取莲纤维的形态结构进行探讨。

1试验

1.1 莲纤维(试样)制取与准备

将收取莲子或莲藕后的荷秆,经物理或机械方法分离提取茎秆内部的纤维;或将荷秆以生物酶与化学溶液处理后再借助纤维分离器机械分离茎秆内部的纤维[3]。基于文献[3]的方法,本文采用实验室物理提取。提取过程见图1,用物理方法将荷秆茎秆部分折断至3 cm～4cm,经手工抽取拉伸得到一定长度的莲纤维,将其叠合或搓捻,即可获得莲纤维的纤维束团。实验室物理制取的莲纤维试样,外观乳白泛黄,细长柔软飘逸,略带莲藕清香。

1.2试验准备

试样一:取正常成熟的荷秆,清洗晾干、去刺切断、制作荷秆横截面与纵向切片;

试样二:实验室物理制取莲纤维束若干;扫描电镜试样需经喷金预处理;

仪器与试剂:JSM6700F扫描电子显微镜(SEM)、E-220G生物显微镜、Y172哈氏切片器、液体石蜡、液体火胶棉等。

2结果与讨论

2.1莲纤维原始形态结构研究

经生物纤维镜观察,荷秆横截面分布众多大小不一的多边形孔洞,似蜂窝状,如图2。纵向呈现许多竖直的微细孔道,莲纤维在孔道中螺旋紧密排列,如图3、图4所示。当遇外力,荷秆被折断分离时,莲纤维将会被拉伸出孔道,如图5,类似藕断丝连,莲纤维原始形态结构发生改变。

2.1.1纤维卷曲方面

随着外力抽拔拉扯,莲纤维在荷秆孔道中螺旋紧密排列的状态被打破,逐步转变为卷曲比较少的状态,卷曲强度降低,弹性变差,甚至没有卷曲,如径直棒状,如图6～图8所示,并且,这种改变受莲纤维取至荷叶秆梢部、中部及根部的位置不同而不同。

2.1.2纤维直径方面

SEM观察发现,莲纤维纵向由多根单丝(或称为微细莲纤维)缔合而成,如图6。通过测量,单丝直径约为4μm,比羊毛、棉纤维细得多,只有其1/6～1/3,莲纤维束一般由3~10根单丝组成。

在莲纤维束受到外力拉伸过程中,如果外力等于或大于单丝间缔合联结抱合力,则单丝之间产生互相滑移,一根或几根单丝从缔合体纵向脱离开来,形成直径介于莲纤维束与单丝之间的莲纤维,这样,通过抽拔拉扯而出的莲纤维,其直径不匀率增加,经检测,CV值达66.17%。 假设,莲纤维中单丝呈图6所示的平行缔合联结,则莲纤维束直径为各单丝之和。

D束纤维 = n × d单丝 (n=1, 2, 3...)

2.1.3纤维长度方面

在莲纤维试样的物理制取过程中,莲纤维从荷秆孔道中被拉扯出来时会受到孔道壁的粘黏阻力。当阻力或外力大于莲纤维断裂强力时,莲纤维发生断裂,其结果是,一部分纤维继续留在荷秆的孔道中,一部分纤维被拉出。这样,导致制取的莲纤维平均长度变短,长度整齐度变差,而且这种简单的物理制取方法大大降低了莲纤维的制取率。

2.2莲纤维形态结构研究

根据图6～图8所示,莲纤维是由数根单丝缔合联结而成的束纤维,这种单丝缔合体结构的表面呈现出大量缝隙孔洞和凹凸不平的特征,莲纤维的形态结构与棉纤维有着显著区别,如图6～图9,单丝缔合体横截面变为任意组合或是散乱的复杂形状,如圆形、月牙形、线形或其他不规则形状,如图10～图12。

莲纤维单丝经SEM放大6000×观察,表面光滑略有清晰横纹,单丝直径约为4μm,横纹距离10μm～20μm,在单丝表面常有一些为糖类黏性物质攀附[4],如图13。单丝横截面近似圆形,有中腔,如图14。

经实验研究测试得出,莲纤维的长度、细度、强力、螺旋卷曲程度、卷曲率等各物理指标与莲藕品种、生长环境、收割季节、提取部位及提取方法等有密切联系。试验进一步对荷秆梢部、中部和根部三个部位分别提取、制得的莲纤维,经观察测试发现,取自稍部的莲纤维细长柔软飘逸,单丝呈并排缔合联结,如图6,带状螺旋卷曲,卷曲大,数量多;取自荷秆根部的莲纤维短而粗,单丝呈紧密抱合状,如图7,棒状,卷曲少,甚至没有;取自荷秆中部的莲纤维表面形态则基于两者之间。

3结束语

莲纤维可经物理方法直接提取,制得的纤维细长柔软飘逸,外观乳白泛黄,略带莲藕清香。本试验中的物理提取方法会使莲纤维原始形态结构发生改变,使纤维的外观形态、物理和机械性能等纤维基本特性发生显著变化。同时,经观测发现,莲纤维是由数根单丝缔合联结而成,单丝缔合体表面呈现众多缝隙空洞,截面形态也并不规则。单丝纵向光滑,略有细微横纹,截面近似圆形,有中腔。试想在不久的将来,可以通过广泛回收农业废弃物,改善制取方法和加工工艺,莲纤维这种独特的天然形态结构,定会赋予其制品优良的吸湿透气性和良好的上染率,而莲纤维制品自然、亲和、环保的特性和传承莲藕本体的抗菌保健功效,也必将在服用穿着中得到完美展示[5]。

参考文献:

[1]何军,陈东生.新型植物纤维的研究与应用[J].纺织科技进展,2006(6):17-19.

[2]陈东生,甘应进.莲纤维及其制备方法与制品:中国,200610140888.4[P].2008-04-23.

[3] 陈东生,甘应进.莲纤维及其制取[J].闽江学院学报,2008,29(5):107-109.

[4]沈,唐笠,沈青,等.天然藕丝的纤维特征[J].纤维素科学与技术2005.9,13(3):45-48.

[5] 严守雷,王清章,彭光华,等.莲藕多酚对微生物抑制作用的研究[J].食品研究与开发,2006,27(2):150-153.

(作者单位:何军,福建省纤维检验所;陈东生,闽江学院服装与艺术工程系)