海滨锦葵茎皮纤维在纺织产业上的应用研究

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衣食住行是人们生存的基本条件,首当其冲的是纺织业。随着世界人口的快速增长,纺织品的需求迅猛增加。目前世界上人类优质可耕地大约13.5亿hm2,而每年由于严重退化而放弃耕地有1000万耐左右,现全人类人均不到0.25hm2的优质耕地,为保证粮食安全,用于纺织原料生产的土地面积正不断减少;而用于替代天然纺织纤维的合成纤维因化石能源将在大约100年后枯竭,合成纤维的生产也将难以为继,因此人类必须寻找可持续发展的纺织纤维原料。海滨锦葵是一种耐盐植物,它可以生长在生态恶劣的高含盐的海滨盐土上,不与粮争地,既能改善海滨盐土的生态系统,而且由于其茎皮中含有较丰富的纤维素,又可以用来开发成为纺织纤维,因此研究海滨锦葵茎皮纤维在纺织产业上的应用,是发展盐土农业生态系统和生态纺织产业系统一个良好的选择。本文的研究目标是探索海滨锦葵纤维在植物中的生长规律,优选茎皮的最佳脱胶工艺,探明海滨锦葵茎皮纤维的结构与性能,为海滨锦葵茎皮纤维的应用打下坚实的基础。本文利用化学脱胶、高温高压脱胶和超声波脱胶等工艺对海滨锦葵茎皮进行脱胶试验,通过正交试验得出高温高压脱胶的优选工艺。然后对脱胶后的茎皮纤维进行长度、细度、热学性能、吸湿性能、力学性能、染色性能等进行测试与分析,并将这些性能指标与棉、麻等常用纤维的性能进行对比,证明了海滨锦葵茎皮纤维是一种良好的纺织纤维。最后阐述了海滨锦葵茎皮纤维的应用前景及其生态工程评价。主要研究内容与结论如下:(1)通过对海滨锦葵茎皮化学组成的测定,明确了茎皮中各成分的百分比,其中脂腊质占4.02%,水溶物占6.64%,果胶占18.50%,半纤维素占22.33%,木质素占8.78%,灰份占4.98%,纤维素占39.73%;根据茎皮中各部分的微量元素的测定,重金属元素在茎皮中的吸收含量呈尖部>基部>茎中部的一般规律。(2)通过对茎皮纤维生物量的测量,可知茎皮约占茎干的13-17%,通过单细胞纤维形态的分析,可知茎皮单细胞纤维长度为1.5-8mm,中部细度为10-15微米,呈纺锤状,表面有少量横节。(3)通过高温高压脱胶的正交试验,其高温高压脱胶的优选工艺为第一次脱胶为优选工艺为NaOH:20g/L,温度:130℃,时间:60min,尿素:1.5g/L;第二次脱胶工艺为优选工艺为H202:15g/L,温度:95℃,时间:80min,pH:8。脱胶后纤维各成分含量为:脂腊质占0.25%,水溶物占3.58%,果胶占0.73%,半纤维素占10.05%,木质素占12.44%,灰份占3.28%,纤维素占72.95%;高温高压脱胶和超声波脱胶能有效的减少碱的用量,提高脱胶效率。通过对脱胶后防粘措施的对比,可知煮练酶的使用,既可提高纤维的脱胶率,又可防止脱胶后纤维的粘连,十六烷基苯磺酸钠也具有类似的功能。(4)对其聚合度与分子量的测定结果显示,海滨锦葵的聚合度在完全脱胶后可达519,与棉粕相当;通过对其红外光谱分析,可知其与棉纤维的光谱相似,主要物质均为纤维素Ⅰ型;茎皮不同部位脱胶后的微观形态存在一定的差异,而其红外光谱则非常相似;通过对其XRD测试,可知其结晶度为69%,比棉略高;通过对其SEM测试分析,可知其纵向有明显的凹凸槽,横截面呈不规则椭圆形。(5)通过对其细度与长度的测量与分析,可知其两指标呈一定的相关性,工艺纤维细度愈大,则长度愈长;通过对其DSC-TGA的测试分析,可知其具有良好的热稳定性;通过对其吸放湿性能和芯吸的测试,可知其具有比棉优越的吸湿性能;通过对其力学性能的测试分析,可知其具有较棉高的初始模量,纤维在拉伸断裂时表现出一定的脆断性;通过对其防辐射性能的测试可知其在1200-1300MHz频率内具有良好的屏蔽效能;通过对其染色性能的测试,可知其在直接染料的染色情况下,其上染率随着温度上升而提高;使用活性艳红X-3B染海滨锦葵茎皮纤维在温度小于35℃时,其上染率随着染色温度的升高而增加,当温度超过35℃时,随着温度的上升,海滨锦葵茎皮纤维上染率提升不显著;使用活性染料B-2BF对其进行染色,随着温度升高,上染率增大,在65℃上染率值达最高,以后逐渐下降。染色动力学试验结果表明海滨锦葵茎皮纤维染色75℃时的染色速率常数大约是60℃时的1.21倍,大约是45℃染色速率常数的1.58倍;在75℃下,海滨锦葵茎皮纤维的半染时间明显小于60℃时和45℃的半染时间,充分说明高温有利于提高纤维染色速率;不同染色温度下直接染料4BS染色纤维的颜色特征值K/S、△E随着染色温度的提高而逐渐增大,但L*随着染色温度的升高降低;皂洗后的染色牢度测试显示采用高温度的染色工艺,其样品的皂洗牢度优于低温染色工艺。(6)本文对海滨锦葵茎皮纤维的应用进行了展望。由于海滨锦葵茎皮纤维具有优秀的吸放湿性能和热湿舒适性能,因此可用作夏布的开发。通过海滨锦葵茎皮纤维的纯纺,或与棉、毛、丝及化学纤维进行混纺,一方面可改善其纺织工艺性能,另一方面,也可改善纱线和织物的综合质量,充分发挥海滨锦葵茎皮纤维的特性;由于海滨锦葵茎皮纤维具有良好的热稳定性及类似于麻的粗旷的外观,可用来生产沙发布、壁布、窗帘等室内装饰织物;海滨锦葵茎皮纤维因其性能与麻类纤维相似可以用来生产增强复合材料等,具有广阔的应用前景。(7)本文初步构建了以经济效益、社会效益、生态效益为基础生态工程评价体系,采用AHP层次分析法对海滨锦葵茎皮纤维的生态工程进行评价。海滨锦葵茎皮纤维的开发利用为实现沿海滩涂生态系统的改善和对盐土的垦殖打下了坚实的基础;促进农业结构调整和增长方式转变;促进企业的产品升级换代,实现纺织品的绿色化生产;带动农民就业和创收,为沿海地区的可持续发展提供新的途径。本文的创新之处在于以海滨锦葵茎皮为研究对象,用产业生态学原理作指导,设计了海滨锦葵茎皮纤维为核心的生态产业系统,将其生长发育、脱胶工艺及结构与性能进行耦合,明显地提升了海滨锦葵茎皮在该产业系统中的利用价值。
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