全 文 ：书纤 维 与 纱 线
轻质牛角瓜茎纤维生物复合材料
T． Karthik，P． Ganesan PSG技术学院( 印度)
摘 要:近年来，由于环境意识增强，工业领域一直在尝试减少对石油燃料及产品的依
赖。环境友好型、可替代性材料替代现有材料的研究十分必要。牛角瓜的茎
纤维和聚乳酸已分别用作为增强成分和基质成分。化学处理，如碱处理和乙
酰化处理，可用于提高复合材料的机械性能。
关键词:牛角瓜茎纤维，生物复合材料，性能
用于特殊用途，具有具体特点
且无毒、对环境无害材料的需求正
在不断增加。生物纤维，如剑麻纤
维、椰子壳纤维、大麻纤维和油椰
子纤维，在工业上有广泛应用。尽
管生物增强聚合物复合材料日渐
受到关注，但用生物复合材料替代
传统玻璃增强塑料，在贮藏和使用
过程中材料的结构和功能稳定，并
且在销毁处理时还能通过环境降
解，这些依然是个挑战。
1 试验
1． 1 材料和方法
手工提取纤维时，首先去除半
干的牛角瓜(calotropis gigantea)茎
的外皮，再用小刀简单地刮，抽出
纤维。
1． 2 纤维构成
根据 AOAC 973． 18 方法，纤
维里的纤维素被定义为酸降解纤
维(ADF)。根据检测纤维灰分含
量的 ASTM D 1106-96 方法和
ASTM E 1755-01方法，纤维里的
木质素被定义为 Klason木质素。
1． 3 化学处理
方法一:室温下，将未处理的
牛角瓜茎纤维在 10%(质量分数)
NaOH溶液中浸 1 h，纤维质量和
溶液比为 1∶50，处理后，用 5%(质
量分数)乙酸中和并干燥纤维。
方法二:纤维在蒸馏水中浸泡
1 h后，过滤并放入含乙酰溶液的
圆底烧瓶中。乙酰化过程温度为
60 ℃，持续 30 min。
1． 4 纤维物理性能测试
－单纤维强度(测试25个试样)
采用 Instron(5500Ｒ)拉伸强
度试验仪，根据 ASTM 标准，测试
速度和测量长度分别为 100 mm/min
和 100 mm。
－纤维直径
采用投影显微镜(Weswox，
Optic Model 385 /385A) ，放大倍数
为 200。
－纤维回潮率
将纤维在无水 CaCl2 中保存
一星期左右，然后在含有饱和亚硝
酸钠溶液的干燥器(相对湿度 65%，
温度 26 ～ 28 ℃)中调湿 28 h。
1． 5 复合织物
复合材料基体用的是聚乳酸
树脂。首先，纤维切成 30 ～ 50 mm
长，再制成纤维均匀分布的纤维
网，聚乳酸树脂和其混合物以颗粒
形式随机分布，随后再添上第二层
纤维网，形成“三明治”结构。芯材
的纤维 /树脂的体积分数比为
40 /60。采用压模技术生产纤维增
强复合材料。模具的熔体温度保
持在180 ～200 ℃，压力为4 ～6 MPa，
在该条件下，芯材处理 1 h。
1． 6 复合材料性能测试
复合材料拉伸性能:采用
Instron 3365 万能试验机，按 ASTM
D 638-99 和 D 790-99 标准进行测
试。
牛角瓜复合材料弯曲性能:采
用 Kalpak KIC-2-0200-C 万能测试
仪，按 ASTM D-790 标准进行测试。
复合材料压缩性能:采用
Frank 试验机，按 ASTM D-256 标
准进行测试。
2 结果和讨论
2． 1 纤维成分
牛角瓜茎纤维主要包含 80%
(质量分数)全纤维素、3%(质量
分数)蜡状物和 2． 2%(质量分数)
灰分。牛角瓜茎纤维的纤维素含
量比棉低，与棉相比，牛角瓜茎纤
维木质素含量很高，是一种适合生
51国际纺织导报 2013 年第 6 期
纤 维 与 纱 线
图 1 牛角瓜茎纤维复合材料
产更高强度、更耐用的复合材料的
原材料。
2． 2 纤维物理性能
未处理、NaOH 处理、乙酰化
处理的纤维试样的直径分别为
134． 87、140． 00 和 139． 74。由结
果可见:经过碱处理，纤维直径增
大是由于纤维的溶胀效应。经乙
酰化处理后，原纤化增加，导致纤
维表面损伤增加，羟基被乙酰基取
代，因此吸水性下降。
未处理、NaOH 处理、乙酰化
处理的单纤维强力和断裂伸长如
表 1 所示。
表 1 纤维性能
牛角瓜茎
纤维
断裂强力 /
g
断裂伸长 /
%
未处理 427． 70 1． 60
NaOH处理 400． 28 2． 90
乙酰化处理 267． 85 1． 27
牛角瓜茎纤维的强度与棉相
似，但牛角瓜茎纤维的强度和断裂
伸长与其他普通韧皮纤维相似或
更高。与未处理的纤维相比，经
NaOH处理的纤维强度较低、断裂
伸长较大，这是因为木质素减少
了;乙酰化处理的纤维强度明显下
降，是因为羟基被乙酰基取代和破
坏了。
未处理、NaOH 处理、乙酰化
处理的纤维试样的回潮率分别为
9． 7%、13． 5%和 6． 3%。与未处理
纤维相比，碱处理的纤维回潮率增
大，这是因为除去了纤维的蜡成分
和杂质。乙酰化处理的纤维回潮
率减小，是因为其羟基被乙酰基取
代，通过这样的改性可使纤维具有
疏水性。
2． 3 复合材料的机械性能
牛角瓜茎纤维制成的复合材
料如图 1 所示。
复合材料的机械性能如表 2
所示。由表 2 可知:复合材料的强
度随纤维表面改性程度的增加而
增大。与未处理的纤维制作的复
合材料相比，碱处理和乙酰化处理
的纤维制作的复合材料拉伸强度
更高，分别提高了 9%和 12%。拉
伸强度的增加是由于纤维表面的
改性导致纤维与基体界面强度增
加，同时增加的表面自由能使复合
材料的拉伸强度增加。
表 2 复合材料的机械性能
拉伸强度 /
MPa
弯曲强度 /
MPa
冲击能量 /
J
未处理 32． 00 49． 238 0． 895
NaOH处理 35． 07 52． 435 0． 807
乙酰化处理 36． 26 53． 841 0． 797
经处理的纤维制作的复合材
料的弯曲性能得到改善是由于去
除了外表面。乙酰化处理通过去
除纤维的半纤维素、木质素和其他
纤维素物质而提高了纤维疏水性，
纤维和树脂的相容性得到改善，从
而获得更好的机械性能。结果显
示:与未处理的纤维制作的复合材
料相比，碱处理和乙酰化处理的纤
维制作的复合材料有更好的弯曲
性能，分别提高约 6． 0%和 8． 5%。
复合材料的压缩性能受到很多因
素的影响，包括增强部分的强硬
度、界面性质和将纤维从基质中抽
出时的摩擦功。复合材料的压缩
性没有显示很大差异，是因为碱处
理没有改变纤维的负荷分布性质。
乙酰化处理减少了复合材料的压
缩强度，是因为复合材料中纤维基
材料脆性和内部变形增加。
3 结语
从牛角瓜茎中可获得强度和
伸长好的天然纤维素纤维。研究
了纤维复合材料和茎纤维的物理
性能，发现牛角瓜茎纤维性能好，
可应用于复合材料。利用压模法
将牛角瓜茎纤维和聚乳酸(PLA)
树脂制成的复合材料，经化学处
理，纤维疏水性得到改善。由研究
可知，纤维的化学处理改善了纤维
和树脂的黏附性，从而提高了复合
材料的机械性能。
王云云 译 李毓陵 校
( 下转第 28 页)
61 国际纺织导报 2013 年第 6 期
纤 维 生 产
纤维的水洗;
－漫浴式丝片水洗装置在进行
丝片水洗过程中，水洗液始终处于
紊流状态，这十分有利于提高丝片
的水洗效率。该装置的水洗效率高
于浸浴式水洗，介于浸浴式水洗和
喷浴式水洗之间［3］。
目前，图 2 所示漫浴式丝片水
洗装置已在一些 Lyocell 纤维生产
线上应用，从用户现场的样品检测
结果来看，Lyocell 纤维上有机溶剂
NMMO的洗出率≥99． 8%，很好地
满足了水洗工艺的要求。
3 结语
喷浴式丝片水洗装置在应用范
围上存在着一定的局限性。为了满
足 PAN基碳纤维原丝、Lyocell等特
种纤维的高效水洗工艺要求，研制
了漫浴式丝片水洗装置。在工作原
理上克服了喷浴式丝片水洗装置所
存在的各种缺点，具有较高的水洗
效率。目前，这种新型丝片水洗装
置已开始在中国国内一些 Lyocell
纤维生产线上应用，并能较好地满
足使用要求。
参 考 文 献
［1］ 李晔．对位芳纶的发展现状、技术分析及
展望［J］．合成纤维，2009，38(9) :2-3．
［2］ 成大先．机械设计手册［M］．北京:化学
工业出版社，1998:135-156．
［3］ 胡小兰．高效水洗的浅析及其设计实践
［J］．纺织机械，2001，30(2) :34-36．
Development on overflow type tow washing device
Gao Zhanyong，Handan Textile Machinery Co．，Ltd．，Handan /China
Abstract: An overflow type tow washing device was developed． The shortcomings of spray type tow washing device were
overcome by this device． The washing efficiency of overflow type tow washing device was between the dip type
and spray type． At present，the overflow type tow washing device was applied in some special fiber production
line，and good effect was received．
Keywords:washing device，tow，spray bath，
檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵
overflow bath
(上接第 16页)
Light-weight bio-composites from calotropis
gigantea stem fiber
Thangavel Karthik，Palanisamy Ganesan
PSG College of Technology，Coimbatore / India
Abstract: In recent years，industry has been attempting to decrease the dependence on petroleum based fuels and prod-
ucts due to an increased environmental consciousness． This necessitates an investigation on environmentally
friendly，sustainable materials to replace existing ones． In this work，the stem fiber of calotropis gigantea
and PLA have been used as a reinforcement and matrix respectively． The chemical treatments such as alkali
treatment and acetylation were done to improve the mechanical properties of the composites．
Keywords: calotropis gigantea stem fiber，bio-composite，property
82 国际纺织导报 2013年第 6期