菠蘿葉纖維拉伸力學行為研究①

莊志凱 李明福 張 鵬 連文偉 何俊燕 黃 濤 張 勁

(中國熱帶農業科學院農業機械研究所 廣東湛江 524091)

菠蘿，又名鳳梨，是鳳梨科鳳梨屬，多年生單子葉草本植物。菠蘿是世界上著名的熱帶水果[1]。在中國被廣泛種植在海南、廣東、廣西、云南、福建和臺灣6省(區)，近年來種植面積均保持在70 000 hm2左右[2]。每 666.7 m2廢棄葉片約 5～10 t，全國總量近1 000萬t/年，造成大量資源浪費及生態環境的污染[3]。菠蘿葉中含纖量僅為1.5%左右（干基），所提取出的纖維屬葉脈纖維，既具有麻的風格，又有獨特的優點，是一種新興的工業原料，在紡織、包裝、建筑等領域有著廣泛的應用。

研究植物纖維的力學特性，可間接反映出纖維增強體的復合材料力學性質，促進纖維的開發利用，為纖維應用于紡織、醫學、軍事等領域提供理論依據和基礎數據[4-7]。本試驗以菠蘿葉纖維為原材料，研究干 （13%）、濕 （84%）2種狀態下菠蘿葉纖維不同部位的拉伸力學行為，掌握菠蘿葉纖維不同采樣部位于干、濕2種狀態下拉伸性能的變化規律，為菠蘿葉纖維的開發利用奠定了理論基礎。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 試材

菠蘿葉纖維來源于湛江市徐聞縣菠蘿種植基地的菠蘿葉，品種為卡因，通過自主研發的半自動刮麻機對菠蘿葉進行纖維提取。干態菠蘿葉纖維樣品制備：隨機抽取5束纖維；將每束纖維分成根、中、梢3小截，每截長約10 cm，并標有根、中、梢等標簽，然后分別放于5個編號為A、B、C、D、E的密封袋中；取出已編好號的根部纖維，用特制的梳子分別將每束纖維梳理至呈單根纖維的狀態。然后將刮好的每束纖維分成2部分，分別用來做干態、濕態試驗；用纖維切斷器將要做實驗的根部纖維切出30 mm長度的纖維，并從中挑選通直、無彎曲、無分支、粗細度均勻的單根纖維，用于做拉伸試驗，每種水平下取30組有效數據；中、梢部的纖維制樣步驟同上。

1.1.2 儀器

纖維切斷器：切斷長度30 mm；TG328B分析天平：量程200 g，精度0.1 mg；黑絨板：150 mm×250 mm；絨板刷；鑷子；直尺：300 mm，精度1 mm；德國Binder VD烘箱；YG(B)008E型單纖維強力機。

1.2 方法

1.2.1 纖維細度測定

取一定數量的纖維，將調濕后的纖維整理后，用稀梳輕輕梳理8～10次，使其呈單根纖維狀態后，放置于纖維切斷器中間，并與切刀保持垂直，然后將纖維切斷，將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，然后從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，參照GB/T 12411-2006黃、紅麻纖維試驗方法進行測定[8]。

1.2.2 纖維拉伸試驗

采用農機所纖維檢測室YG(B)008E型單纖維強力機，空氣溫度25℃，空氣相對濕度60%；夾持距離10 mm，量程500 cN；預加張力0.5 cN；拉伸速度10 mm/min[9-11]。

2 結果與分析

2.1 菠蘿葉不同部位纖維細度分析測定

將切斷的纖維試樣用鑷子夾出放在黑絨板上，從中挑選出100根單纖維，再在分析天平上稱量，做下記錄，并依照GB/T 12411-2006的試驗方法進行測定。纖維根、中、梢部各測量5次，取其平均值，所得數據如表1所示。

表1 菠蘿葉原纖維細度 單位：dt ex

由表1可知，根部細度平均18.54，中部細度平均15.38，梢部細度平均14.73，根據纖維不同部位的細度差異，梢部纖維較細，易脫膠，脫膠后柔軟舒適，適宜制成睡衣等紡織產品；根部纖維較粗，脫膠困難，宜于制作襪子等紡織產品。

從表2中可以看出，菠蘿葉纖維的細度同苧麻（細）、漢麻一樣，都是梢部單纖維細度最低、中部次之、根部最高。

表2 菠蘿葉原纖維、苧麻 （細）和漢麻的細度單位：dt ex

2.2 菠蘿葉原纖維拉伸過程分析

選擇庫存菠蘿葉原麻纖維制成試樣后，分成干態和濕態，根、中、梢3個部位進行拉伸試驗，每種水平下得到30個有效數據，試驗中計算機自動采集數據并繪制載荷伸長曲線。如圖1和2分別為干、濕2種狀態下纖維拉伸試樣的載荷伸長曲線。

由圖1可知，干態下隨著纖維伸長的加大，載荷也漸漸增大。從圖上可以看出，纖維的載荷伸長曲線從開始到最大載荷(111.7 cN)時呈直線上升趨勢，然后在達到最大載荷時突然斷裂并伴有清脆的斷裂聲，同時載荷迅速減小，試驗結束。由此可以看出，干態纖維的拉伸試驗在載荷達到最大載荷之前并沒有明顯的屈服現象，而在結束時是干脆的斷裂。

圖2是菠蘿葉纖維濕態的拉伸試驗，從圖中可以看出其拉伸的大致過程：在初始階段，其拉伸曲線載荷和伸長呈現出一定的線性關系，而在載荷達到一定值后，濕態纖維并沒有出現像干態那樣的脆性斷裂，其載荷隨著纖維伸長的增加呈波浪式漸漸增大，然后在載荷達到最大值(142.5 cN)后，濕態纖維迅速斷裂，并伴有輕微的斷裂聲。

圖1 干態纖維拉伸試驗載荷伸長曲線

圖2 濕態纖維拉伸試驗載荷伸長曲線

2.3 菠蘿葉纖維拉伸特性分析

對菠蘿葉纖維根、中、梢3個采樣部位分別進行干態 （13%） 和濕態（84%）的拉伸試驗，每一種水平下取5組纖維進行試驗，每組試驗得到30個有效數據，對試驗數據進行處理得到其均值，如表3所示。

通過試驗探究菠蘿葉纖維干、濕狀態下不同采樣部位對其拉伸特性指標的影響，經數據處理，得到其方差分析表。結果見表4～7。

表3 干、濕2種狀態下纖維根、中、梢拉伸均值

表4 斷裂強力雙因素等重復方差分析

表5 斷裂強度雙因素等重復方差分析

表6 中、梢部斷裂強力雙因素等重復方差分析

表7 中、梢部斷裂強度雙因素等重復方差分析

由表3可知，濕態纖維抗拉能力大于干態纖維，與其他麻類纖維濕強比干強大的拉伸規律一致，這是因為天然纖維有較高聚合度，纖維大分子間有較強的結合力，所以在干態情況下纖維有一定的內應力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內應力幾乎消失，使得纖維強度增大[14-16]。

從表4、5可以看出菠蘿葉纖維干、濕態的變化、采樣部位的不同對纖維斷裂強力、斷裂強度的影響是極顯著的(p＜0.01)。而表6、7中可以看出，采樣部位不同對中、梢部纖維的斷裂強力、斷裂強度差異影響并不顯著(p＞0.05)。這可能與菠蘿葉纖維細度差異性有關，前期研究結果表明，纖維根部細度值比中、梢部大，根部纖維整體較粗，中、梢部纖維細度值差異不大，纖維粗細較為一致。

3 討論與結論

從表1和2中可以看出菠蘿葉原纖維的拉伸斷裂強度介于苧麻和漢麻之間，比苧麻小，略高于漢麻；而斷裂伸長率則均比苧麻和漢麻高，說明原纖維承受外力沖擊的能力比二者要強，纖維更不易斷裂。通過方差分析可知，菠蘿葉纖維干、濕態的變化、采樣部位的不同對纖維斷裂強力和斷裂強度的影響是極顯著的 （p＜0.01）。此外，采樣部位不同對中、梢部纖維的斷裂強力、斷裂強度差異影響并不顯著 （p＞0.05）。即根部纖維抗拉能力較中、梢部強，中、梢部抗拉能力差異不大。這可能與菠蘿葉纖維細度存在顯著差異有關。

結合圖1和2可以看出二者載荷伸長曲線存在明顯區別，這是因為濕態纖維包含了大量水分的緣故，水分子間的結合力增加了纖維的黏性，使得濕態纖維比干態纖維斷裂伸長率更大，這也與其他麻類纖維濕態斷裂伸長率比干態斷裂伸長率大的規律相似[17-18]。這是因為天然纖維有較高聚合度，纖維大分子間有較強的結合力，所以在干態情況下纖維有一定的內應力，而在水中浸泡吸濕后，纖維會膨脹，便使得纖維大分子獲得一定程度松弛，內應力幾乎消失，使得纖維強度增大。