天然纤维素长丝――莲纤维

摘要:

莲纤维的主要组成物质是纤维素,莲纤维在莲秆内呈螺旋状排列,单纤维长度很长,是天然纤维素长丝。探索莲纤维的制取方法,将为新型纤维的工业化生产提供可能。

关键词:莲纤维;纤维素;长丝;形态结构;扫描电镜;红外光谱

Abstract: Cellulose is the main component of lotus fiber. In the lotus,the fiber is spirally arranged. The single lotus fiber is very long, and it is a natural cellulose filament. It will provide possibility for lotus fiber’s industrial production to explore the method of preparation lotus fiber.

Key words:Lotus Fiber;Cellulose;Filaments;Morphology;Scanning Electron Microscopy; Infrared Spectroscopy

1背景

纺织纤维材料在近一个世纪的发展中,不仅在数量上有了巨大发展,而且在纤维品种、性能或功能上突飞猛进。但是,纤维生产数量的增加,主要依赖化学纤维的生产量的增加,而化学纤维原料是来源于地球上石油、煤和天然气等有限资源[1],这些有限的矿物资源的枯竭是可以预见的,为此,人们已经尝试开发了多种天然纤维[2]。

蚕丝是中国织造业应用的优质天然原材料,其细、长、柔、爽、滑的特点为世人所称赞,受此启发,人们采用化学方法生产化学长丝。天然状态下能否获取与蚕丝相类似的优质天然纺织原料呢?笔者进行了一些尝试和探索。

在世界上存在的天然纤维中,蜘蛛丝长期以来凭借其独特的、兼具强度和韧性的性质,被认为是一种奇特的纤维。较早的研究表明蜘蛛丝的强度高达1.75 GPa,断裂伸长达26%以上,它的韧性是芳香族纤维和工业纤维的3倍多。蜘蛛丝将会继续引起科学家们的注意[3]。但是,蜘蛛丝具有黏性,自然获取难度大,同时,蜘蛛的人工饲养难度大。

人工生产蜘蛛丝也有难度。蜘蛛丝吐丝机理的研究尚须深入,这一机理非常复杂,需要科研人员协作攻关才可能完成[4]。

我们设想利用农业生产的废弃物进行简单加工,开发可持续的新型纤维材料,在不增加环境污染的前提下,生产出可以加工和利用的纤维,这是我们的理想选择。

莲是被子植物中起源最早的种属之一,分布很广,南起海南岛,北至黑龙江,东临上海及台湾,西至天山北麓。我国的莲藕种植面积有近千万亩,主要以收获莲藕和莲子为主。大量荷秆,不是枯萎腐烂,就是被随意扔弃,如果每亩荷秆重量按2.5吨计算,每年有上千万吨荷秆被抛弃[5]。如果能够对这种天然的农业废弃物进行科学合理的加工,成为一种新型纤维,将会带来巨大的经济效益和社会效益。图1是成片的莲藕,图2是荷塘内干枯的莲的茎秆。

图1荷塘内的成片的莲藕

图2荷塘内的干枯莲茎秆

2环境保护的要求

地球承担了太多的负担,通过光合作用生产的各种有机天然材料,为我们的生活、生产提供了物质基础,我们要充分利用这类可再生的资源,减轻地球的负担。参照莲纤维及其制备方法与制品发明专利[6],可以采用几种制取方法:人工方法抽取、机械制取、生物制取、化学方法制取、生物与化学方法相结合制取方法等。我尝试用人工方法制取了鲜莲茎秆的纤维,利用机械加工的方法制取了干态莲秆中的纤维。为了避免环境污染,放弃了利用化学方法的制取工艺。

3莲纤维的主要组成物质

经过红外光谱测试,鲜茎秆人工抽取的纤维得到的红外光谱图,如图3;干态机械加工制取的纤维得到的红外光谱图,如图4,可以看出莲纤维主要的组成物质是纤维素。

图3鲜态获得的莲纤维的红外光谱图

图4干态获得的莲纤维的红外光谱图

4湿态莲秆人工抽取莲纤维

将鲜莲秆折断抽取莲纤维,并将纤维并合、适当加捻、干燥,即可以制得莲纤维。这种方法制得的纤维,非常柔软,自然状态下具有天然的螺旋状。如图5是莲的鲜茎秆;图6是莲的鲜茎秆断面,从中容易看出丝状体的出现;图7是人工抽取的莲纤维,带有明显的天然的螺旋形;图8下光学显微镜下的抽出纤维。

图5莲的鲜茎秆

图6莲的鲜茎秆断面

图7从鲜莲茎秆中人工抽取的莲纤维

图8光学显微镜下抽取纤维的形态

纤维主要的组成物质是并排平行的单纤维,可以根据需要将纤维组合成不同的粗细,但是,抽取的加工全靠人工进行,劳动量大,纤维的产量低。

5干态莲秆机械方法制取莲纤维

切取干燥莲秆的长度,经过机械的挤压揉搓,将莲秆内的纤维与较粗硬的杂质分离的加工方法。这种加工方法简单,成本较低,但是纤维中的杂质较多,明显与麻类纤维相类似,纤维细度粗,杂质多,手感硬,弯曲能力差。

干态机械加工的莲纤维,是由多组纤维束依靠莲茎秆内的其他物质连接在一起的,纤维硬挺,色泽棕白。纤维内部的单纤维并未受到太多的牵伸,在纤维中往往会保持原来的螺旋状态。

6莲纤维的形态

莲纤维是由多根纤维平行并列排放在一起,具有弹簧状的圈状螺旋。色泽洁白,抽取过程的外力会将这种螺旋破坏,纤维变成由几根到十几根单纤维组成的复丝,长度很长,主要根据莲茎秆的长度决定纤维的长度,单纤维的纤维截面是圆形或椭圆形的实心体,单纤维的纵向粗细较一致,但有横向连接的缔合组织或微细纤维,细度为4μm左右。

图9较为松散的莲纤维扫描电镜照片

图10紧密黏结的莲纤维纵向排列扫描电镜照片[7]

图9、图10是莲纤维的扫描电镜照片,紧密黏结状态和松散状态下的扫描电镜照片,图10是莲纤维单纤维之间的黏结状态。单纤维依靠连接物质将4到10根左右的单丝连接成一排,形成平行排列的竹排状结构。图11是在莲秆中原始状态的莲纤维,图12是抽出的丝状莲纤维松弛后的纤维状态,从中可以看到部分纤维单丝恢复了在莲秆中的原始状态。

图11在莲秆中的莲纤维形态

图12松弛后的莲纤维形态

7莲纤维长度的理论计算

设定莲纤维在莲秆内的螺旋线状排列为规则的螺旋状态排列,则莲纤维长丝的单丝长度计算公式就是:

L――为莲纤维长丝的理论长度;

L0――莲秆的长度;

D――螺旋线直径;

d――螺距;

∏――圆周率;

n――莲纤维的单丝根数。

经实测:莲纤维的螺旋线螺距d为0.005mm,螺旋线的直径D为0.03mm,并排的单丝根数n为4~10根,取中间值7根,那么,L0为30cm长的莲秆中莲纤维的长度为:

莲纤维单丝的长度为861.43mm,可见莲纤维是长丝状纤维。实际的莲秆长度经常达到1m以上,可以获取莲纤维单丝的长度将会更长。

8结束语

莲纤维是天然纤维素长丝,长度长,细度细,具有纺纱需要的强韧性,是优质天然植物纤维素长丝。探索莲纤维的制取方法,如何能够高效生产莲纤维长丝,将为新型纤维的工业化生产提供可能,将是今后莲纤维生产的研究内容。

参考文献:

[1]于伟东. 纺织材料学[M].北京:中国纺织出版社,2006.

[2]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.

[3]F.K.Ko等. 蜘蛛丝的机械性能[J].国外纺织技术,2004(2):7-9.

[4]邵敬党. 蜘蛛丝的性能特征分析[J].棉纺织技术,2005(11):653-657.

[5]陈东生,甘应进. 莲纤维及其制取[J].闽江学院学报, 2008,29(5):101-103.

[6]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.

[7]刘迪. 莲纤维的形态结构及物质组成初探[D].青岛大学,2008.

(作者单位:济南工程职业技术学院)