艾草纤维与菠萝麻纤维的对比分析

田新霁

（1. 武汉纺织大学，湖北武汉 201861；2. 武汉纺织大学实验室，湖北武汉 201862）

关键字 艾草脱胶纤维；菠萝麻；形态结构；力学性能

随着21世纪的来临，纺织行业不仅仅具有 “能穿”、“耐用”等基本属性，而大众需要更加多元化的元素进入到服装之中，健康、时尚、环保已经成为纺织行业更加重视的元素。因此，对新型的纺织材料的研究刻不容缓。艾草是家喻户晓的一种植物，有着许多药用功效，本课题就艾草韧皮纤维的特性展开研究和讨论。

1 几种天然纤维的简介

1.1 棉纤维[1-4]

棉植株的生长周期大多都是一年左右，整个植株都是由种子上的表皮按细胞发育生长形成的。而棉纤维的主要是由纤维素，纤维素为天然高分子化合物，纤维素是由碳元素44.45%、氢元素6.18%、氧元素49.37%等组成。

1.2 艾草纤维[5-7]

艾草（Ay Tsao）大都为多年生草本科植株，也有部分会生长成为类似灌木装的植株，植株会带有一种淡淡且特殊的香气。

1.3 菠萝麻纤维

菠萝麻纤维(pineapple leaf fiber)，一般称为菠萝麻，又名凤梨麻，可以从凤梨植物的叶脉中提取出来，以束纤维的形式存在于菠萝麻片中。菠萝麻植株的叶片长度一般在三到五英尺左右，其叶片的宽度约在一到三英尺[8-10]。

2 脱胶工艺实验部分

2.1 菠萝麻纤维的脱胶工艺

参考菠萝麻纤维的脱胶工艺流程：新鲜菠萝麻叶片→捶打→水洗→碱煮→水洗→中和→水洗→烘干。碱煮试剂用量为：3g/L三聚磷酸钠溶液，3g/L碳酸钠溶液，3g/L硅酸钠溶液浓度，10g/L氢氧化钠溶液。试剂浴比为1 : 20，在100℃的恒温水浴锅中碱煮120min。

选取新鲜菠萝麻叶片，用橡胶锤反复锤打叶片正反面。新鲜菠萝麻片中胶质尚未与纤维干结在一起，用橡胶锤击打时，容易被破坏，菠萝麻片表面分裂，露出纤维束。由于半纤维素和木质素的强度塑性弱于纤维素，对纤维束使用橡胶锤击打，纤维中的胶质会先被破坏，需将捶打出来的纤维束用清水清洗干净。

按照浴比1 : 20，根据菠萝麻纤维束的重量配好碱液，将纤维束放入烧杯中，在100℃的恒温水浴锅中碱煮100min。在高温条件下，菠萝麻束纤维中的大部分非纤维素成分能够通过碱煮除去，从而得到菠萝麻纤维。

2.2 艾草韧皮纤维的脱胶工艺

实验器材和试剂：烧杯，玻璃棒，硫酸（98%），氢氧化钠（片状），硅酸钠（可溶固体98%）等，恒温水浴锅（HH-4），电子天平（FA22004），金属镊子，玻璃皿，橡胶锤，高压锅等。

采用两次煮练，一次酸浸与酸洗，两次酶处理的方法，如下：

取干净的艾草杆捶打——洗净——调配5g/L的硫酸（质量分数为95%～98%）——浸酸80min左右——捞出洗净，捶打（放入烘箱）烘干后测质量——调配氢氧化钠溶液（40g/L）——进行一次碱煮——约1h捞出——捶打洗净，烘干后测质量——倒入干净烧杯放入果胶酶放入水浴锅40℃30min——捞出洗净——导入干净烧杯放入半纤维素酶放入水浴锅40℃——使用相同碱液进行第二次碱煮——约1h捞出——捶打洗净，烘干后测质量——调配相同浓度硫酸溶液浸泡实验材料冲洗——捶打——烘干装好。

实验常量：油浴锅的温度约120℃，HHT—4数显恒温水浴锅的温度约80℃；高压锅温度，助剂硅酸钠使用剂量为3g/800mL；酸液浴比为1 : 30，碱液浴比为1 : 70，烘干机烘干温度为65℃。

3 实验结果与讨论

3.1 纤维横截面形态分析

纤维横截面形态见图1、图2。

图1 菠萝麻纤维截面形态

图2 艾草纤维截面形态

由图1和图2可知，菠萝麻纤维和艾草纤维都是一小束一小束的分布，单纤维沿着茎秆的长度方向平行排列，环形围绕。从图中可以明显地看到一个个纤维束，纤维束内又是一根根的单纤维。这说明对艾草纤维的脱胶不完全，粘合单纤维的胶质没有被完全分解破坏，从而形成工艺纤维。

由图2可知，艾草单细胞都有中腔且中腔大小不一，细胞的壁厚度基本相同。截面形态为圆形或者椭圆形，纤维结合的较为紧密。由图1可知，菠萝麻纤维的截面呈多角形至卵圆形，有中腔,纤维间结合比较紧密。

3.2 纤维纵向形态

从图3和图4可以看出，菠萝麻纤维表面较为粗糙，有明显的沟槽。纤维表面有纵向裂缝和孔洞，没有天然扭曲。图3中菠萝麻纤维纵向有细小粗节，可以看出纤维中仍存在一些胶质。通过机械捶打提取的菠萝麻纤维是束纤维，纤维间存在着大量胶质。

从图5可以看出，艾草纤维表面也比较光滑，没有明显的沟壑，纤维表面没有纵向裂缝和孔洞，有一点自然扭曲。

图3 菠萝麻纤维纵向形态

图4 菠萝麻纤维纵向形态

图5 艾草纤维纵向形态

4 纤维物理机械性能测量

4.1 纤维拉伸强力测试

4.1.1 实验器材

艾草工艺纤维、艾草纤维、黑绒板、 绒板擦、镊子、张力夹、电子单纤强力仪(LLY-06型)。

4.1.2 实验步骤

（1）艾草纤维试样分别平铺于黑绒板，除去游离纤维、杂质、并丝等。

（2）再将麻纤维束分成长度25mm左右的工艺纤维样品。

（3）连接好电源线，依次打开电脑测试主机开关键及空压机开关。。

（4） 开机时，气缸自动将上、下夹持器打开，仪器应显示复位状态，如果显示实验状态，需要先按“总清”键，再按“复位”键，进入复位状态。

（5）打开电脑主界面上的断裂强力软件，在主机上根据标准要求设置夹距、拉伸速度、试验次数、湿度、温度等参数。

（6）联机时需要关闭上夹持器，仪器进行自动校零，点击“联机成功”、“试验”键进入实验程序。所测麻纤维为工艺纤维，强度较大，选择大号张力夹。抽取出工艺纤维，用张力夹夹住。使用镊子将纤维放在上下夹持器中。

（7）先按“上夹持器”按钮夹住纤维上端，再按“下夹持器”按钮，再点拉伸键，就可以得到纤维拉伸强力及曲线。

（8）重复（6）（7）步骤，测完完所需要的全部试样。试验结束，打印出全部的测试报告。

4.2 纤维细度

4.2.1 测试数据

采用中段切断称重法测得的菠萝麻纤维、艾草纤维的细度，用显微镜和电脑软件测出单纤维直径，见表1、2。

表1 工艺纤维线密度

表2 单纤维宽度

4.2.2 测试结果分析

从表1和表2可以看出,菠萝麻纤维和艾草纤维单纤维都很短，不能用于纺纱，因此，必须进行一定处理。即对艾草纤维和菠萝麻纤维进行脱胶处理，采用残脱胶工艺，使单纤维间有一定的胶质可以连接。

菠萝麻纤维与艾草纤维经过浓碱处理后，纤维发生溶胀，纤维线密度稍有增大。

纤维的细度对后序纺纱工艺纱线的质量有很大的影响。菠萝麻纤维细度和艾草纤维相差不大，可以参考苎麻的精细化工艺，对艾草纤维进行精细化处理，提高艾草纤维的可纺性。

4.3 纤维拉伸性能测试数据及结果分析

测试数据见表3、4、5、6。

表3 菠萝麻纤维的物理机械性能

表4 经碱煮后的菠萝麻纤维的物理机械性能

表5 艾草纤维的物理机械性能

表6 经碱煮后的艾草纤维的物理机械性能

从表3、表4中数据能够看出，菠萝麻纤维经过碱液处理改性后，纤维发生溶胀，纤维分子结构发生变化，导致菠萝麻纤维强力下降。从表5、表6中可以看出，艾草纤维在干态条件下断裂强力，断裂强度和断裂功相差较大，这明显不利于纺织品的后续加工，说明艾草纤维不适合作为线纺材料，可以考虑非织造材料。对艾草纤维来说，同样通过表6和表5来看，艾草纤维通过碱煮改性之后，有的机械性能包括断裂强力，断裂强度等都有所下降，考虑到碱液可能使艾草纤维损伤或者发生少量的腐蚀，分子结构发生了变化，从而使其部分机械性能有所下降。同时，艾草纤维在干态下的各项强力指数均有提高，表明其中果胶半纤维素杂质较多。此外，艾草纤维的强度，强力等物理性能都比菠萝麻强，但由于其干态下与湿态下的强力等属性差别太大，不利于工业化生产，在生产过程中可能由于机械搅拌，或者烘干过程，针刺过程，敲打过程，梳理过程的自然因素而导致断裂，从而失去部分纤维，导致所收的成果大大降低，对比表3、表4能够看出，菠萝麻纤维的各项属性较艾草纤维来说，都比较稳定，湿态和干态下的物理性能相差很小，方便加工。

5 结论

菠萝麻纤维横截面形状为多角形，均有空腔，纤维纵向形态有竖纹。艾草纤维的横截面形状为圆形或者椭圆形，有细小空腔，纵向形态较光滑。

菠萝麻单纤维和艾草单纤维都很短，需要残脱胶，使用工艺纤维纺纱。艾草纤维细度和菠萝麻纤维相差不大，可以参考苎麻的参脱胶和精细加工工艺，对艾草纤维进行参脱胶和精细化的处理，提高艾草纤维的可纺性。

从实验结果来看，艾草纤维比较细，长度比较短，纤维束中含的杂质较多，去除的难度较大，相对的强度比较高，干态下的强度和湿态下的强度差别有较大的区别，这点不利于工业化的生产。菠萝麻纤维虽然强力等物理性能没有艾草高，但是其双态下的性能较稳定，质地较柔软，更适合纺织编造使用。而艾草纤维的强力比较高，总的来说比较脆，比较适合脱胶成单纤维用于非织造产品，或者作为再生纤维的原料添加到其他的纤维里面混合成一种新型的再生纤维。