荻花纤维及其轴向压缩的初步研究

摘要

通过手工制取荻花纤维,测试分析了纤维的长度、细度指标,测试了单纤维的轴向压缩性能,分析了这种纤维对人体皮肤的刺激,不会产生刺痒感。

关键词:荻花;纤维;轴向压缩;刺痒;SEM

Abstract: Dihua fiber is got by hand-made. The fibers’ length , fineness and axial compression performance were tested. The stimulation of the human skin by the fiber was discussed, and the results show that it will not produce prickle feeling.

Keywords: Di Hua; Fiber; Axial Compression; Prickle; SEM

1荻和芦苇的植物特性

荻和芦苇是多年生禾本科挺水植物,荻与芦苇常混生,常见于水库、湖泊、江河及其水渠、路旁,其生长期是每年的4至11月,叶片广,披针形,排列成两行,夏秋开花,圆锥花序长10~40cm,如图1是混生野外的植物状态,只是荻分枝稍伸展,而芦苇的分枝较为合拢。这类水生植物具有净化污水、调节气候、防止水土流失、改良土壤、维持生物多样性等生态功能[1-2]。我国年收获芦苇、荻混合植物80万吨左右,大多数都用做造纸原料。我尝试对芦苇和荻的植物种子(简称荻花)上的纤维进行了初步研究分析。图2是荻花小枝的形状。

荻和芦苇等河道、湖泊中的水生植物具有独特的遮蔽作用,可以起到降低水温,改善局部微型气候的作用。荻、芦苇对改善河水水质效果明显,其根系发达,有许多不定根悬浮于水体中,既能提供较大的微生物附着面积,又有较强的泌氧能力,对氮、磷的降解显示出优异的效果[3]。这类水生植物是保持水土,改善水体环境的良好植物,同时植物体含有大量纤维。图3是带有外壳的一朵荻花,纤维已经外露。图4是除去外壳后依附在种子柄上的荻花纤维的状态,纤维洁白,伸直蓬松。

2荻和芦苇的化学组成成分

荻和芦苇多数是以植物茎秆、叶等的整体用作造纸原料,其造纸制浆后的纤维状态和化学组成,如表1和表2所示,荻和芦苇的化学成分中,纤维素占的比重最大。

表3是荻、芦苇在造纸制浆过程中纤维的横向形态,给出的是整个植物经过造纸的制浆加工后的纤维横向状态。

荻花纤维呈现的是植株上的原始纤维状态,没有出现加工断裂现象。但是纤维与植株的分离难度较大,要去掉纤维绒朵的外壳,还要去掉纤维绒朵中心的种子。工业加工难度大。经过单纤维长度测试,得出的荻花平均长度为11.5mm。

荻花纤维的长度短,长度整齐度较好,基本都在11mm到12mm之间,没有更长的纤维,也极少出现更短的纤维,并且纤维的韧性较好,测试过程中没有出现因纤维分离折断造成的短绒。经过单纤维宽度测试进行平均得出宽度为8.435μm。

荻花纤维的细度差异较大。图5、图6是同一朵荻花上的两根纤维放大5000倍的扫描电镜(SEM)照片,我们也容易发现:纤维的粗细差异明显。不仅如此,就是在同一根纤维上,我们也能清楚地看到粗细的变化,如图5的右上部较细。

3荻花纤维的单纤维轴向压缩性能

将荻花纤维制成一端固定,另一端呈自由状态的纤维针,如图7中纤维针的形态。纤维自由端与测试传感器成活络铰链接触,进行轴向压缩测试。测试用仪器是东华大学纺织材料与技术实验室(TMT)和上海中晨数字技术设备有限公司联合研制的JXW03单纤维压缩弯曲仪。测试过程中的实测过程如图8。

图9是荻花单纤维针轴向压缩测得的应力曲线图,图10中粗线为拟合曲线,细线为荻花单纤维的轴向压缩实测曲线。因为荻花纤维测试的应力很小,测试过程中的测试因素影响相对较大,但从实测曲线上分析可以得出,曲线符合压缩曲线应力变化特征。

根据东华大学纺织学院的刘宇清,戚媛,于伟东对织物刺痒感机制的研究发现,刺痒感是由粗硬纤维毛羽对表皮下层神经末梢的机械刺激所致。同时,神经学家研究证明至少需要0.75 mN力的阈值才能触发神经细胞的刺痛感觉。但该阈值大小会因人而异,而且无论织物表面毛羽的弯曲如何,只要载荷超过激发阈值即会产生刺痒[6]。

从表4中的数据分析可以看出:荻花单纤维的轴向压缩最大应力平均0.0182 mN,测试过程中的最大数值也只有0.028 mN,远远小于使人体皮肤产生刺痒的阈值0.75 mN,所以,荻花纤维不会对人体产生刺痒感。

4结语

荻花纤维是水生挺水植物荻和芦苇的种子上的纤维。这类纤维的分离难度较大,荻花纤维的分离制取尚须探讨,如能找到合理的分离制取方法,将为新纤维的利用提供新的资源。荻花纤维长度较短,平均只有11.5mm,但是,纤维的长度整齐度较高,纤维细度较细,纤维平均宽度为8.435μm,宽度差异较大,纤维的轴向压缩测试表现出应力较小,不会产生对人体皮肤的刺痒感。

参考文献:

[1] 冯大兰,刘芸,黄建国,等.三峡库区消落带芦苇穗期光合生理特性研究[J].水生生物学报, 2009(9):867-873.

[2]冯大兰,刘芸,钟章成,等. 三峡库区消落带芦苇(Phragmites communis ( reed) )的光合生理响应和叶绿素荧光特性[J].生态学报,2008(5):2014-2021.

[3] 李睿华,管运涛,何苗,等.河岸芦苇、茭白和香蒲植物带处理受污染河水中试研究[J].环境科学, 2006(3):493-497.

[4] 张菊先,王志杰. 芦苇浆纤维特性及造纸前景[J].纸和造纸,2006(3): 19-21.

[5] 胡惠仁,石淑兰,冯文英. 芦苇与荻木素结构及对制浆性能的影响[J].纤维素科学与技术,2000 (2):23-29.

[6] 刘宇清,戚媛,于伟东. 毛纤维刺扎力学行为的测量[J].纺织学报,2005(4):64-66.

(作者单位:济南工程职业技术学院;纺织面料技术教育部重点实验室,东华大学)