贵州不同种源山棕纤维结晶度的分析与比较*

2018-04-25方忠艳廖薇余丽萍向进兵

西部林业科学 2018年1期

方忠艳，廖薇，余丽萍，向进兵

(贵州大学林学院，贵州贵阳 550025)

由于煤炭、石油等不可再生资源不断耗竭及大量使用含污染物的化学合成纤维给自然环境带来严重破坏，当下开发并利用可再生绿色资源已迫在眉睫。天然植物纤维作为一种可再生的环境友好型材料而备受关注，充分利用天然植物纤维，发挥其特有的功能特性，开发新的应用领域，不仅是对植物纤维、植物废弃物的开发利用，也是当今复合型材料研究的一大热点及突破点。

山棕(Arengaengleri)纤维是指棕榈树干外围叶鞘形成的网状棕衣纤维[1-2]。它是一种天然的可再生的环境友好型纤维材料，有使用历史悠久、可再生性、绿色环保等优点。结晶度是表征物质性质的重要参数之一，能影响到纤维材料的韧性和机械强度[3-4]。山棕纤维的一些物理力学性能和化学性能与其结晶度有密切关系[5]。一般结晶度愈大，微粒尺寸稳定性愈好，其强度、硬度、刚度愈高；同时耐热性和耐化学性也愈好；但与运动有关的性能会降低，如弹性、断裂伸长、抗冲击强度、溶胀度、韧性及延展性等较差[6-8]。因此，有必要进一步做不同种源山棕纤维结晶度的比较与分析，为后续研究与分析棕榈纤维的力学性能及其它相关性能提供一定的参考，同时，为生活及生产中按需求选择最优山棕纤维原材料提供一定的参考价值；为充分利用山棕植物纤维，发挥其特有的功能特性，选择最优山棕纤维原材料，开发新的应用领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及来源

试验所需的山棕纤维原材料采集于贵州省内14个种源地(市、区、县)，在每个种源随机采集5株山棕树上最新一层(当年形成)的山棕片。对每个种源的山棕纤维原材料进行手工随机抽丝，抽出的单根棕纤维束放置于温度为25℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中调节1周。试验样本编号及其对应种源地气温、降水状况见表1。

表1 山棕纤维种源地的气温与降水量

1.2 测试样本的制备

因为山棕细丝本身韧性很强，不能直接将其磨成粉末，故先将其剪成约0.5cm长的碎节，再用液氮充分冷凝研磨成粉末，为后续试验数据测试做样本准备。具体制备方法见图1。

图1 山棕纤维粉末样本制备过程

1.3 山棕纤维XRD波谱测试

1.3.1 测试方法

目前，植物纤维结晶度的测试方法主要有密度法[9]、差示扫描量热法[10]、X射线衍射法[11]、红外光谱法[12]、反气相色谱法[13]等；其中，X射线衍射法是目前最直接、最常用的测试方法[14-15]。因此，本次测试选用X射线衍射法，每个样本测3次重复，再取其平均值做数据分析。

1.3.2 测试原理及目的

组成物质的分子本身空间排列是否规则或有序，则相应地形成结晶区与非结晶区；而晶区电子密度大于非晶区，在X射线下发生衍射则相应地产生晶区衍射峰和非晶区弥散峰，峰线形中包含大量物质结构信息[16]，再通过与之匹配的电脑程序运行，从而生成特定形状的波谱。XRD波谱数据是后续使用MDI Jade软件计算结晶度并获取峰高高度值的前提。

1.3.3 测试条件

采用高分辨率全自动多功能X射线衍射分析仪，型号为X’Pert Powder，出厂于荷兰帕纳科公司。测试条件为，Cu靶射线源，管电压40KV，管电流40mA，衍射波长λ=1.540 6×10-10m，广角衍射扫描范围2θ为5°-90°，室温下测定。

1.4 山棕纤维粉末XRD图谱处理

1.4.1 Jade软件及其分析原理

1.4.2 结晶度分析方法

采用Jade6.5软件的曲线作图法[20]处理并进一步分析山棕纤维的XRD波谱特征。

1.4.3 XRD波谱处理技术

为较精确拟合波谱及避免XRD测试的K系辐射干扰，首先进行仪器固有半价宽校正、扣除背景及Kα2操作。为达到较好处理效果及减小数据误差，对波谱进行1次平滑值为15点的平滑处理。山棕纤维分子式为(C6H10O5)n，故物相检索以C、H、O元素为检索依据；选择衍射角在10°-40°的图谱进行手动拟合，拟合误差小于9%[21]，见图2。

图2 XRD波谱结晶化度处理过程

2 结果与分析

2.1 山棕纤维XRD波谱比较与分析

由图3中XRD波谱图像对比可知：在5°-90°的广角扫描内，山棕纤维粉末在x射线作用下发生衍射而生成的波谱均生成2个明显的衍射峰，并且2个衍射峰的峰位角均出现在10°-30°之间，因为是同种物质；其中，最强衍射峰的峰位角在20°-30°之间，而其余范围内的波谱相对较平缓。

图3 不同种源的XRD波谱对比

2.2 结晶度的比较与分析

由表2和图4可知，不同种源山棕纤维结晶度在平均值以下(36.43%-37.49%)的有6个，在平均值以上(37.59%-38.21%)有8个，结晶度最大值为38.21%，出现在7号样本，最小值为36.43%，出现在6号样本。最大值与最小值仅相差1.78%，不同种源山棕纤维的变异系数仅为0.014，说明不同种源的山棕纤维结晶度差异不明显，这是因为贵州省气候类型属亚热带高原季风湿润气候的大前提下，各地区的小气候环境差异不大。

图4 不同种源山棕纤维的结晶度

项目平均值以下平均值以上样本编号 6，5，13，14，3，108，2，9，1，11，12，4，7总计/个 68占总数比例/%4357极差/% 178平均值/% 37497标准差 0543变异系数 0014

2.3 结晶度与最强衍射峰峰高度的相关分析

从图5可看出，14个种源山棕纤维结晶度值与对应的XRD波谱的最大强度衍射峰的峰高度值变化趋势一致，相关系数都达到0.989。这表明，在一定范围内，山棕纤维粉末测试得到的XRD波谱的最强衍射峰峰高度越大，计算相应结晶度越大。二者呈极显著正相关。这遵循X衍射分峰法计算结晶度的原理。

图5 结晶度与最强衍射峰峰高度关系

2.4 不同种源地山棕纤维结晶度与气温、降水量相关性分析

由表3分析可知，山棕纤维结晶度值大小与种源地1月均温、7月均温、年均温、年降雨量和年均日照时数均成负相关关系，尤其是与7月均温的负相关关系显著。根据孙东磊等[22]、韩春丽等[23]关于气象因子对棉花纤维品质影响的研究结果可知，适宜的降水量对棉花纤维长度有利，降水量过大则导致植物纤维强度降低，结晶度减小，而影响植物纤维的品质。而本次研究的种源地1月均温、年均温和年降雨量对山棕纤维结晶度的影响不明显，说明各种源地的气温和年降水量均在山棕生长所需气温和水分的适应范围内。另外，植物纤维材料的品质是由自然环境和植物本身的基因型对环境的响应综合决定的，因此，可根据以上综合因子选择或人工改造环境因子来种植实际生产中所需的山棕纤维材料。

表3 结晶度与不同种源地气温、降雨量的相关性

注：**为在0 .01 水平(双侧)上显著相关，*为在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

2.5 不同种源地山棕纤维结晶度与海拔相关性分析

从图6可看出，山棕纤维结晶度大小与不同种源地的海拔有一致的变化趋势，且不同种源地山棕纤维结晶度与海拔的相关性系数为0.493。这表明：结晶度与种源地的海拔呈正相关关系，但是海拔变化对山棕纤维结晶度的影响不大，这可能是因为本次研究所选取的山棕纤维材料均在其正常生长的海拔范围内。

图6 结晶度与种源地海拔的关系

3 结论与讨论

3.1 结论

以贵州省内14个种源的山棕纤维样品为研究材料，采用X衍射法测试山棕纤维的XRD波谱，应用jade6.5软件处理与分析波谱并计算其结晶度，进而对不同种源山棕纤维结晶度进行分析，并进一步讨论不同种源地气候环境差异对山棕纤维结晶度的影响。研究结论如下：

(1)14个种源山棕纤维粉末XRD波谱曲线线形变化一致，且波谱曲线上均出现两个明显的衍射峰，其峰位角均在10°至30°之间。

(2)山棕纤维结晶度值大小与其生成的XRD波谱形成的最大强度衍射峰平均峰高度呈极显著相关，相关系数高达0.989；遵循山棕纤维结晶度的计算原理，在一定范围内，山棕纤维粉末形成的XRD波谱的最强衍射峰峰高度愈大，则该山棕纤维的结晶度值越大。

(3)14个种源山棕纤维结晶度值在36.43%-38.21%；在平均值37.5%以下样本6个；在平均值37.5%以上的样本8个；其中，最大值38.21%在7号样本(黔南州福泉市采取)，最小值36.43%在6号样本(铜仁市碧江区采取)。总体看，本试验测试的结晶度最大值与最小值相差不大，差值仅为0.017 8，且不同种源山棕纤维的变异系数仅为0.014；这说明不同种源的山棕纤维结晶度的最大值与最小值相差不大，其可能原因是各山棕的生长环境及气候条件差异不大。

(4)山棕纤维结晶度的大小与山棕种源地的气温呈负相关，结晶度值大小受种源地1月均温影响较小，受年均温和7月均温影响较大，尤其是与7月均温有显著负相关。据此可根据实际需求选择相应的环境条件培育所需的山棕纤维植物进而生产相应的山棕纤维材料。