陳 莉， 劉玉森， 劉 冰， 花兆輝， 孫衛(wèi)國

(西安工程大學 紡織與材料學院， 陜西 西安 710048)

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稻秸稈纖維的形態(tài)結構與性能

陳 莉， 劉玉森， 劉 冰， 花兆輝， 孫衛(wèi)國

(西安工程大學 紡織與材料學院， 陜西 西安 710048)

為深入了解稻秸稈纖維的形態(tài)結構與物理力學性能，利用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射等方法對纖維的外觀形態(tài)、化學結構和結晶度、取向度等進行測定分析，并測試纖維的長度、細度、回潮率、斷裂強度、斷裂伸長率和可撓度等指標。結果表明：稻秸稈纖維縱向具有大量溝槽，比表面積很大；水稻秸稈中除含有天然纖維素外，還含有木質(zhì)素、果膠等伴生物；結晶度、取向度較高；單纖維長度很短，必須采用半脫膠工藝獲得工藝纖維；工藝纖維較粗，且纖維縱向細度均勻度差；屬高強低伸型纖維，纖維剛硬，柔軟度差；具有良好的吸濕性能。

稻秸稈纖維； 纖維素纖維； 形態(tài)結構； 性能

我國是水稻種植大國[1]，每年產(chǎn)生的水稻秸稈約為2億t[2]。水稻秸稈中含有大量的纖維素，大部分秸稈被廢棄或焚燒，沒有得到有效利用[3]。從秸稈中提取天然纖維素纖維，可為紡織工業(yè)提供可降解、可再生的纖維原料；緩解纖維原料供給不足的問題，并能變廢為寶，提高秸稈的利用率，具有較好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益[4]。

目前關于稻秸稈纖維的研究多集中在纖維提取與開發(fā)非織造布產(chǎn)品方面。劉冰等[5]利用堿煮法提取稻秸稈纖維，并對稻秸稈化學成分進行了分析?；ㄕ纵x等[6-7]利用化學-生物酶聯(lián)合脫膠的方法提取稻秸稈纖維。韓永俊等[8]利用稻秸稈纖維開發(fā)地膜。陶金[9]研究了利用稻秸稈纖維與麻混合開發(fā)農(nóng)用非織造布。本文主要研究稻秸稈纖維的形態(tài)結構與性能，以期為稻秸稈纖維應用領域的拓展提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

原料：稻秸稈(產(chǎn)地為陜西戶縣)；亞麻纖維，棉纖維(河南志永達紡織有限公司提供)。

藥品：AU-PE89木聚糖酶活力>10 000 u/g；硫酸，氫氧化鈉，雙氧水，無水亞硫酸鈉，硅酸鈉等均為分析純，表面活性劑JFC為工業(yè)級。

1.2 纖維制備

將稻秸稈洗凈、晾干，從秸稈中部剪取10 cm，通過脫膠提取稻秸稈纖維。由于獲得的原纖維中含有稈屑等雜質(zhì)，所以測試前需經(jīng)過梳理去屑。從稻秸稈中提取纖維的制成率為1.5%～2%。

脫膠工藝：浸酸(H2SO42 g/L, 浴比1∶30，溫度50 ℃，時間2 h)→水洗→木聚糖酶處理(3 g/L, JFC 2 mL/L，浴比1∶30，溫度50 ℃，時間10 h，pH=9)→熱水失活→水洗→堿煮[NaOH 30%(o.w.f)，H2O26 mL/L,Na2SiO33%(o.w.f)，Na2SO35%(o.w.f)，JFC 2 mL/L]→水洗→抖松→烘干。

1.3 纖維長度測試

單纖維長度采用投影放大后直接量取。工藝纖維長度采用梳片法，用Y131型梳片式羊毛長度分析儀將纖維按長度分組，依次在JA-A型精密扭力天平上稱取各長度組的纖維的質(zhì)量，計算質(zhì)量加權平均長度。

1.4 纖維細度測試

單纖維細度在顯微鏡下量取。工藝纖維細度測試采用中段切斷稱量法,用Y171型纖維切斷器切取20 mm長的稻秸稈工藝纖維，采用量程為10 mg的JN-A型扭力天平稱量，計數(shù)纖維根數(shù)，計算纖維線密度。

1.5 纖維拉伸性能測試

參照GB/T 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》，選用YG004型電子單纖維強力機測試纖維拉伸性能，夾持距離為20 mm，預加張力為0.1 cN，下夾頭下降速度為10 mm/min。

1.6 纖維可撓度(柔軟度)測試

用Y171型纖維切斷器將纖維切成30 mm的試樣。取一定量的纖維，用Y331型捻度計對試樣進行加捻直至斷裂，計數(shù)斷裂時的捻回數(shù)，在JN-A型扭力天平上稱取捻斷的纖維的質(zhì)量，根據(jù)式(1)[10]計算纖維可撓度T。

(1)

式中：U為斷裂捻回數(shù)，捻；L為纖維夾持長度，mm；G為纖維質(zhì)量，mg。

1.7 纖維回潮率測試

參照GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率試驗方法 烘箱法》測定纖維回潮率。

1.8 紅外光譜分析

采用美國Thermo Nicolet公司生產(chǎn)的FT-IR 5700傅里葉紅外光譜儀對稻秸稈纖維進行紅外光譜掃描。測試條件：掃描次數(shù)為10，分辨率為4 cm-1。

1.9 X射線衍射分析

采用XRD-7000型X射線衍射分析儀(日本)，測試條件：Ni片濾波， CuKα 靶，管電壓為40.0 kV，管電流為40.0 mA，掃描速度為6(°)/min，掃描范圍2θ為5°～50°。利用Segal經(jīng)驗法計算纖維的結晶度，計算公式見式(2)。

(2)

式中：I002為晶格衍射角的極大強度；Iam為非結晶背景衍射的散射強度。對纖維素Ⅰ，Iam為2θ=18.0°附近的衍射強度，I002為2θ=22.5°附近的衍射強度[11]。

根據(jù)Bohn 等描述的方法，依據(jù)式(3)[12]計算取向度f。

(3)

式中，H為極大衍射峰一半處所對應的角度寬度，對于纖維素Ⅰ，極大衍射峰為002晶面峰的位置，即2θ=22.5°附近。

1.10 纖維表面形態(tài)觀察

將纖維表面真空鍍金后，采用美國FEI公司QUANTA600F掃描電鏡觀察稻秸稈纖維的表面形態(tài)。

2 結果與討論

2.1 稻秸稈纖維形態(tài)結構

2.1.1 外觀形態(tài)

圖1示出經(jīng)脫膠提取的稻秸稈纖維。由圖可見纖維分離度較好，纖維縱向細度均勻度差，手感較粗硬，表面呈現(xiàn)淺黃色，為稻秸稈原有的顏色，還需要漂白工序來提高纖維的白度。圖2示出稻秸稈纖維縱向形態(tài)SEM照片?？煽闯觯窘斩捓w維縱向不光滑，具有很多溝槽，比表面積大，這種形態(tài)特點與麻類纖維相似。

圖1 稻秸稈纖維Fig.1 Fibers from rice straw

圖2 稻秸稈纖維縱向形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of lengthwise morphology of rice-straw fibers

2.1.2 稻秸稈纖維紅外光譜分析

圖3 稻秸稈纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of rice-straw fibers

2.1.3 稻秸稈纖維X射線衍射分析

圖4 稻秸稈纖維X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction of rice-straw fibers

纖維結晶度取向度稻秸稈纖維61.594.7亞麻 66.793.4

2.2 稻秸稈纖維性能

2.2.1 長 度

纖維長度是影響紡紗性能和紗線品質(zhì)的重要指標，也是確定紡紗工藝參數(shù)的重要依據(jù)。表2示出稻秸稈纖維的長度?？芍?，稻秸稈纖維單纖維長度很短，不能滿足紡紗的要求，所以必須采用半脫膠的方式，靠果膠、木質(zhì)素等物質(zhì)將單纖維黏連在一起形成工藝纖維。但果膠、木質(zhì)素的存在會使纖維柔軟度下降，影響其紡紗性能。通過上述脫膠方案獲得的工藝纖維平均長度為61.82 mm(殘膠率為9.02%)，能滿足作為紡紗用纖維的要求。但纖維長度的離散程度很大，且短纖維率高。當纖維長度離散度大、短纖維率高時，會導致牽伸過程中對浮游纖維運動控制不利，加捻過程中纖維的一端或兩端不能很好地捻入紗體，所以必須在紡紗初期排除大量短纖維，才能提高成紗的條干均勻度和強度，減少成紗毛羽數(shù)量，但去除短纖維會降低紗線的制成率，造成纖維原料的浪費。

表2 稻秸稈纖維的長度

2.2.2 細度與回潮率

表3示出稻秸稈纖維與亞麻纖維的細度與回潮率?？芍?，稻秸稈單纖維細度接近亞麻，工藝纖維的線密度大于亞麻，纖維偏粗。纖維的細度對成紗的線密度影響最大，纖維越細，紡出的紗線就越細越勻，所以稻秸稈纖維適合紡制較粗的紗線品種。稻秸稈纖維的回潮率小于亞麻，但高于棉纖維，屬于吸濕性能很好的纖維。這是因為稻秸稈纖維的主要成分是纖維素，其結構中含有大量親水性基團羥基，電鏡照片顯示稻秸稈纖維表面有很多溝槽，比表面積很大，增加了纖維的吸濕功能。

表3 稻秸稈纖維與亞麻纖維的細度與回潮率

2.2.3 力學性能

表4示出稻秸稈纖維和亞麻、棉纖維的力學性能?？煽闯?，稻秸稈纖維的斷裂強度和斷裂伸長率與亞麻接近，但都小于亞麻。稻秸桿纖維的斷裂強度高于棉，斷裂伸長率小于棉。從強伸性角度來看，稻秸稈纖維的斷裂強度高，而斷裂伸長率低，屬于高強低伸型纖維，這與稻秸稈纖維的結晶度取向度高有關。可撓度是反映纖維柔軟度的指標，對成紗毛羽和纖維間的抱合影響較大。可撓度越小，說明纖維柔軟性能越差，脆硬易斷，成紗毛羽多且強度低。因為在加捻時，由于纖維剛硬，纖維兩端不能被有效地捻入紗體內(nèi)而形成毛羽，同時減少了單纖維對紗線強度的貢獻?？蓳隙仍酱?，說明纖維的柔軟性越好，抱合能力越強，有利于提高紡紗性能。稻秸稈纖維的可撓度低于棉和亞麻，柔軟度差，在紡紗時容易形成大量毛羽。

表4 稻秸稈纖維與其他纖維的力學性能對比

3 結 論

1)稻秸稈單纖維長度很短，采用半脫膠獲得的工藝纖維可用作紡紗原料。

2)從稻秸稈纖維各項物理力學指標來看，稻秸稈纖維的紡紗性能與成紗質(zhì)量不及亞麻纖維，可作為粗特紗或部分工業(yè)用紗的原料。

3)電鏡照片顯示，稻秸稈纖維縱向有大量溝槽，纖維具有較大的比表面積，有利于纖維的吸濕和放濕，可作為吸附材料的纖維基材。

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Morphological structure and properties of rice-straw fibers

CHEN Li, LIU Yusen, LIU Bing, HUA Zhaohui, SUN Weiguo

(SchoolofTextile&Material,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

In order to deeply understand the morphological structure, physical and mechanical properties of fibers from rice straw, the morphology, chemical structure, crystallinity and orientation of fibers were tested by the scanning electron microscopy, infrared spectra and X-ray diffraction.The length, linear density, moisture regain, breaking strength, breakage elongation and flexibility of rice-straw fibers were tested. The experimental results indicated that the lengthwise of the fiber appears a large number of grooves and the specific surface area is large. Rice straw contains natural cellulose and some concomitants such as lignin and pectin. The crystallinity and orientation of rice-straw fibers are high. The length of the single fiber is very short. The processing fibers is made by half degumming process. The linear density of processing fibers is relatively great and the softness of processing fibers is poor. The moisture absorption of fibers is good.

rice-straw fiber; cellulose fiber; morphological structure; property

10.13475/j.fzxb.20140103905

2014-01-23

2014-05-28

陜西省教育廳自然科學專項項目(12JK0565)

陳莉(1973—)，女，副教授，碩士。主要研究方向為新型纖維原料的紡織加工技術。E-mail：fzchenli@126.com。

TS 102.2

A