椰殼纖維和椰炭纖維的性能與應(yīng)用

王吉祥,左洪芬

(煙臺南山學(xué)院 工學(xué)院,山東 煙臺265706)

隨著紡織科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高,在崇尚環(huán)境友好、綠色消費(fèi)的理念下,天然纖維材料越來越受到青睞。由于棉麻等天然纖維種植面積有限,合成纖維不可再生且生產(chǎn)過程對環(huán)境破壞嚴(yán)重,而椰殼屬于農(nóng)林廢棄物并含有大量的纖維素,可以作為新型纖維的紡紗原料。合理開辟椰殼在紡織纖維中的應(yīng)用,不僅有利于緩解紡織纖維原料短缺,利于廢棄資源的再利用,更有利于紡織業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。國內(nèi)關(guān)于以椰殼資源為原料的紡織纖維的研究不多,因此深入研究適合紡織的椰殼纖維和椰炭纖維十分必要。

1 椰殼纖維的成分及性能

椰殼纖維是利用取走果肉和椰汁后廢棄的椰殼經(jīng)過一系列物理機(jī)械加工而成,其制備工藝流程見圖1。

由圖1可以看出,椰殼纖維是椰殼經(jīng)過浸泡、敲打、打松、除雜、晾曬等過程而獲得的天然纖維素纖維。椰殼纖維與麻、竹、棉等均為天然纖維素纖維,其主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及果膠等[3-5],與其他天然纖維的化學(xué)成分、形態(tài)及性能差異見表1、表2。

由表1可知,椰殼纖維的纖維素及半纖維素含量低于亞麻、竹、棉纖維,木質(zhì)素含量高于亞麻、竹、棉纖維,則椰殼纖維內(nèi)部羥基基團(tuán)的數(shù)量少,纖維細(xì)胞含水率較低,故椰殼纖維親水性較亞麻、竹、棉纖維差。

表1 椰殼纖維與其他天然纖維的化學(xué)成分對比

表2 椰殼纖維與其他天然纖維的形態(tài)及性能對比

由表2可知,椰殼纖維的單纖維長度、細(xì)度大于亞麻、竹、棉纖維,粗細(xì)不勻差異大,這是由于椰殼纖維中木質(zhì)素等物質(zhì)含量偏高,導(dǎo)致椰殼纖維結(jié)晶度較低,其密度低于亞麻、棉,但高于竹纖維。由于椰殼纖維由若干纖維細(xì)胞組成束狀結(jié)構(gòu),單根纖維長短不一[6],抱合性差,強(qiáng)力的一致性降低,分散性變大,力學(xué)性能變差,受力時易出現(xiàn)斷裂,其拉伸強(qiáng)度低于亞麻、竹和棉纖維。

椰殼纖維的楊氏模量較其他天然纖維偏低,容易發(fā)生變形,鑒于椰殼纖維的斷裂伸長率高于亞麻、竹和棉纖維,具有保持形態(tài)完整及恢復(fù)初始狀態(tài)的能力,可利用該優(yōu)勢特征對木塑復(fù)合材料進(jìn)行增韌設(shè)計。椰殼纖維內(nèi)部呈現(xiàn)多細(xì)胞聚集的結(jié)構(gòu)特征,由管纖維和細(xì)胞間基質(zhì)組成,眾多單細(xì)胞的管纖維平行排列使椰殼纖維整體呈中空結(jié)構(gòu),可以對沖擊破壞起到緩沖作用,且內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和低密度特性決定了椰殼纖維質(zhì)輕、吸聲、保溫的功能特性[7]。

2 椰炭纖維的制備及特性

2.1 椰炭纖維制備與性能

目前,椰炭纖維的制備根據(jù)載體的不同分為聚酯基椰炭纖維和黏膠基椰炭纖維。聚酯基椰炭纖維是以聚酯為載體來制備椰炭纖維,黏膠基椰炭纖維是以黏膠為載體來制備椰炭纖維[8]。聚酯基椰炭纖維加工工藝流程,見圖2。

椰炭纖維橫截面為四葉形結(jié)構(gòu),縱向有連續(xù)且不規(guī)則的條紋和黑色斑點顆粒,眾多的微孔消除了纖維表面的鏡面反射,使反射光全部成為漫反射,滌綸的極光消失,觸感更接近天然纖維的質(zhì)感。為更加了解其性能,對聚酯基椰炭纖維和普通聚酯纖維的性能[9]進(jìn)行對比分析,其結(jié)果見表3。

表3 聚酯基椰炭纖維和聚酯纖維的性能對比

由表3可知,聚酯基椰炭纖維的斷裂強(qiáng)度小于普通聚酯纖維,表明椰炭粉的加入造成纖維應(yīng)力分布不勻,薄弱環(huán)節(jié)增多,導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度降低。而聚酯基椰炭纖維的斷裂伸長率高于普通聚酯纖維,且干態(tài)初始模量較低,增加了纖維的緩彈性變形和松弛性,故聚酯基椰炭纖維具有優(yōu)良的延伸性。但聚酯基椰炭纖維保形性不如普通聚酯纖維,相較于滌綸纖維的剛性降低柔性增加,抗起毛起球性能也有一定提高。

聚酯基椰炭纖維比普通聚酯纖維的質(zhì)量比電阻降低,回潮率提高,這是由于椰炭粉末的吸附作用,纖維的抗靜電性及吸濕性能提高,更有利于纖維的可紡性及制品的服用性能。

2.2 椰炭及其纖維特性

2.2.1 椰炭特性

椰殼活性炭是多孔物質(zhì),分子結(jié)構(gòu)呈六角形,炭質(zhì)致密,孔隙多,制備出的活性炭炭含量高達(dá)93%～96%,灰分低、強(qiáng)度高[10],而煤質(zhì)活性炭形成的孔隙表面比較雜亂,孔隙結(jié)構(gòu)不明顯,炭質(zhì)成分為80%～90%;因此,椰殼炭化料比煤質(zhì)炭化料更加容易形成孔隙結(jié)構(gòu),吸附性能更優(yōu)異。

2.2.2 椰炭纖維特性

(1)強(qiáng)大吸附性,有效去除異味。

椰炭纖維可以在短時間內(nèi)有效吸收空氣中的異味、甲醛、油煙味、苯等氣體,平均除臭率在30%～35%之間[11],其微孔結(jié)構(gòu)直接分布于固體表面,使吸附質(zhì)分子可直接到達(dá)微孔的吸附部位,縮短了吸附行程,加快了吸附速率,具有強(qiáng)大的吸附力。

(2)釋放負(fù)離子,提高空氣質(zhì)量。

椰炭纖維能引起負(fù)離子晶體之間的電勢差從而形成電場,高電壓使電場中的空氣發(fā)生電離,其負(fù)離子能滅菌除塵,減少疾病傳染,對空氣有一定的消毒和凈化作用。椰炭纖維針織物的負(fù)離子發(fā)射量為5000個/mL,遠(yuǎn)超過維持生命健康基本需要的負(fù)離子濃度。

(3)礦物質(zhì)豐富,功能持續(xù)性佳。

椰炭纖維富含各種礦物質(zhì),其中炭93%～96%、鉀0.647%、鈣 0.036%、鎂 0.030%、錳 0.017%、鋁0.004%,鋯0.001%[12]。椰炭粉末聚合于聚酯纖維高分子中,多種微量元素對人體具有活化細(xì)胞、消除疲勞等保健作用,不會因穿著或洗滌次數(shù)的增加而消失,持久性好。

(4)放射遠(yuǎn)紅外線,促進(jìn)新陳代謝。

椰炭纖維通過吸收人體和外界的熱量,分子結(jié)構(gòu)受熱激發(fā)產(chǎn)生震蕩,可吸收和發(fā)射電磁波波長為4～14 μm的遠(yuǎn)紅外線,這一波段區(qū)間的紅外線與人體輻射波峰的遠(yuǎn)紅外線相近,從而產(chǎn)生共振吸收,分子之間摩擦生熱,皮下溫度上升,加速血液循環(huán),促進(jìn)新陳代謝,從而達(dá)到保暖保健的效果。

3 椰殼纖維與椰炭纖維的應(yīng)用

3.1 椰殼纖維的應(yīng)用

3.1.1 服裝及家居用品

椰殼纖維較粗,纖維支數(shù)低,可通過與滌、棉等混紡用于服裝面料、箱包或鞋子,不僅具有良好的延伸性,同時具備吸濕速干的優(yōu)點,能夠快速地將汗液從皮膚表面?zhèn)鬟f到織物外層,符合戶外運(yùn)動裝對活動自如和吸濕透氣的功能需要。

椰殼纖維韌性大、強(qiáng)度高、易恢復(fù)原狀,可加工制成緩沖防震材料代替聚氨醋泡沫塑料,用于家居床墊、座靠墊、地毯等;也可以和聚丙烯等纖維混合制成堅固輕盈的合成材料,從而取代通常使用的合成聚酯纖維材料,用于繩索、汽車后備箱襯墊、隔音內(nèi)襯、工藝品等。

3.1.2 農(nóng)林及園藝景觀

椰殼纖維具有可生物降解、保水性、保濕性、透氣性好等特點,可作為農(nóng)作物、園藝等有機(jī)無土栽培基;用其制成的纖維網(wǎng)可用于固定沙化土地,防止水土流失;在河流護(hù)坡方面,具有較強(qiáng)蓄水能力,可減緩水流速度;與丙綸、尼龍等混紡制成土工布經(jīng)久耐用。

椰殼纖維具有出色的力學(xué)性能和較高的飽和吸水率,且密度僅為1.15 g·c m-3,利用椰殼纖維編織成的無框架人工浮島,具有凈化水質(zhì)、創(chuàng)造生物的生息空間、改善景觀等綜合性功能,視覺效果柔和,不怕相互間的撞擊,耐久性也較好[13]。

3.2 椰炭纖維的應(yīng)用

3.2.1 服裝

椰炭纖維可用于開發(fā)保健服、襪子、護(hù)腰護(hù)膝帶等貼身服裝面料,將椰炭纖維應(yīng)用于貼身服裝面料,具有蓄熱保暖、促進(jìn)血液循環(huán)的功能,其表面的活性炭孔隙可吸收人體產(chǎn)生的不愉快氣味,增強(qiáng)織物快速吸水性,使人體在活動過程中保持面料干爽。椰炭纖維還可以用于嬰兒紙尿褲等婦嬰衛(wèi)生用品,以及在特殊防護(hù)場合中使用的醫(yī)療防護(hù)服、繃帶、口罩等產(chǎn)品,可釋放負(fù)離子預(yù)防潮濕環(huán)境下細(xì)菌滋生而引發(fā)皮膚病等疾病。

3.2.2 家紡

以椰炭纖維為原料開發(fā)的紡織品如窗簾、床單被罩、枕芯、毛毯、浴巾、毛巾等產(chǎn)品具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線和釋放負(fù)離子的功能,相較用于吸附和降解室內(nèi)有機(jī)污染物的空調(diào)過濾材料,具有與空氣直接接觸、接觸面積大、無需耗能等優(yōu)勢,既滿足了實用性需求,又具室內(nèi)空氣自清潔能力。

4 結(jié)語

通過對比分析椰殼纖維與其他幾種天然纖維,結(jié)果表明:椰殼纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能、防水性好、密度小、拉伸強(qiáng)度較低、斷裂伸長率高,是具有保持形態(tài)完整及恢復(fù)初始狀態(tài)的能力纖維,可用于服裝、家紡、綠色復(fù)合材料的強(qiáng)化材料、農(nóng)林及園藝景觀等;椰炭纖維是一種新型功能纖維,柔軟、吸濕透氣,具有吸附除臭、釋放負(fù)離子等生物功效,適合開發(fā)速干運(yùn)動服、保暖內(nèi)衣、特殊防護(hù)服、家紡用品,不僅舒適保健還可實現(xiàn)能源的循環(huán)再利用。