苎麻纤维物理、力学及VOC性能分析

苎麻纤维物理、力学及VOC性能分析作者：范文正贺文婷任子龙张荫楠王春红来源：《中国纤检》2014年第01期摘要：主要对苎麻纤维的性能进行了测试，所测试的性能有纤维长度、细度、回潮率、单纤维强度、表面摩擦系数、接触角、表面形貌等基本性能以及挥发性有机物含量（VOC）测定。

论文所表征的苎麻纤维物理、力学及VOC性能可为苎麻纤维的产业应用提供参考。

关键词：苎麻；强度；VOC 测试方法引言苎麻纤维作为天然植物纤维的一种，具有优良的冲击性能、抗拉强度、较高的比模量和很小的比重、可循环利用等优点，适合用作复合材料增强材料[1-2]。

同时，作为麻类纤维中唯一可以单纤维纺纱的纤维，苎麻纤维易满足开松梳理工艺要求，适合非织造工艺。

因此，苎麻纤维具有广阔的发展前景和社会经济意义。

但对于苎麻纤维的VOC含量尚不明确，故本文通过对苎麻纤维进行基本性能和挥发性有机物含量测定，对苎麻进行更深入研究。

1 试验样品及仪器1.1 试验样品苎麻纤维，市售。

样品照片如图1所示。

图1 苎麻纤维照片1.2 仪器试验过程中使用到的设备仪器如表1。

2 试验结果与分析2.1 苎麻纤维长度测量参考标准GB 5887—86《苎麻纤维长度试验方法》，采用梳片式羊毛长度分析仪对苎麻纤维长度进行了测量。

梳片之间距离：10mm；梳针号×密度：26×14；试验前对实验室的温湿度进行记录，温度为26℃，湿度为35%。

如下图2为苎麻纤维长度重量分布图。

测试结果为苎麻纤维长度：96.23mm；长度不匀率38.74%；短纤维率2.69%。

图2 为苎麻纤维长度重量分布图从图2可以看出，苎麻纤维中大多数纤维长度分布在60～90mm之间，且大于90mm的纤维比小于60mm纤维多，说明苎麻纤维中长纤维较多。

2.2 苎麻纤维细度测定参考标准GB 5884—86《苎麻纤维支数试验方法》，测试方法为中断切断法[3]，测试环境温、湿度分别为22℃、45%。

测试结果为0.59tex。

2.3 苎麻纤维回潮率测定苎麻纤维中果胶质和水溶物的含量较高，而果胶质和水溶物为亲水性物质，对苎麻纤维的吸湿性能也有较大的影响。

参考标准GB/T 12411.5—90《黄、洋（红）麻纤维回潮率试验方法——烘箱法》[4]，对3种苎麻纤维回潮率进行测量，测试环境的温、湿度分别为：29℃、55%。

测试结果为5.91%。

2.4 苎麻纤维单纤维强度采用VHX-1000光学显微镜直径分析仪在放大倍数为1000倍条件下对苎麻纤维直径进行了分析，在此基础上，参考标准ASTM D3822—07 《Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》及王春红[5]等的文献，分别对每根纤维进行单纤维强度测试。

单纤维强力仪拉伸试样隔距按照标准选择20mm，拉伸速度为5mm/min，测试环境的温、湿度分别为：22℃、35%。

如图3所示为苎麻纤维拉伸强度分布图。

图3 苎麻纤维拉伸强度分布图测试与计算结果为：苎麻单纤维强度592.70MPa，强度不匀率为42.51%，模量为18.23GPa，模量不匀率47.73%。

与洋麻纤维相比，强度大于洋麻纤维（强度427MPa～519MPa[6]），模量与洋麻纤维（模量23.1GPa～27.1GPa）相差不大。

同时，苎麻纤维强度和模量都远远大于椰子壳纤维（强度131MPa～175MPa；模量4GPa～6GPa）[6]；小于亚麻纤维（强度2000MPa；模量85GPa）[7]。

2.5 苎麻纤维表面形貌观察采用SEM扫描电子显微镜对苎麻纤维的表面进行观察，如图4所示为SEM照片。

图4 苎麻纤维表面SEM照片由图4可知，苎麻纤维表面显现出明显的横节竖纹，纤维没有明显的转曲。

2.6 苎麻纤维表面摩擦系数测定表面摩擦系数是纤维的基本物理性能之一，采用绞盘法测定苎麻纤维与金属间、苎麻纤维与聚丙烯纤维间的动、静摩擦系数，测试结果如表2所示。

表2 苎麻纤维摩擦系数测量结果苎麻纤维与聚丙烯纤维间的动、静摩擦系数均大于与金属间的摩擦系数，这保证了两种纤维混梳时纤维间具有良好的抱合力，有利于纤维网的均匀性。

苎麻纤维与聚丙烯纤维间动、静摩擦系数差异很小，因此，苎麻“粘—滑”现象不明显，有利于纤维分梳和纤网均匀性。

2.7 苎麻纤维接触角测定纤维的极性可采用纤维与液体亲和性来表示，即可用纤维的接触角来表示。

接触角越大，极性越小。

表3 苎麻纤维接触角测量结果从表3可以看出，苎麻单纤维接触角为75.02°，接触角小于90°，说明纤维极性较强，当苎麻纤维用于复合材料时，基体材料多为非极性树脂材料，如聚丙烯、聚乳酸、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等，纤维与疏水聚合物基体之间相容性很差，同时苎麻纤维中较强的分子内氢键使得其在和聚合物基体纤维共混时易聚集成团，造成分散性不佳，这使得应力在界面不能有效地传递，导致复合材料性能下降[8-10]。

因此将苎麻纤维用作复合材料增强材料时，为了提高复合材料的性能，需要对苎麻纤维的表面进行改性。

2.8 VOC含量测定设备试验条件：热脱附-气质联用仪：采用二级热脱附；气相色谱分析选用极性指数液相色谱分析条件：色谱柱采用等效C18反相高效液相色谱柱；流动相选择乙腈/水；洗脱采用均相等梯度，60%乙腈/40%水；检测器为紫外检测器360nm，或二极管阵列；流速为1.0mL/min；进样量为25µL。

如表4和表5分别为检测条件和采样管条件。

表4 检测条件表5 采样管条件对纤维的苯类物质和醛类物质进行测定，测试结果如表6。

测试结果表明，苎麻纤维苯类物质含量较少，几乎为0，这主要是因为纤维在受热分解时，挥发物中的苯系物主要产生于木质素，苎麻木质素含量仅为0.8%～1.5%[11]，因此所释放出的苯系物极少；而对于醛类物质，苎麻所释放的甲醛和乙醛含量较高，这是因为，醛类物质主要产生于半纤维素等的分解，苎麻纤维半纤维素含量为14%～16%，因此纤维在230oC～310oC受热分解会产生大量醛类物质[12]。

因此，今后在使用过程中，一定要注意高温下醛类物质的释放，采取必要的防护措施。

3 结论通过对苎麻纤维各种性能的测试，得到了苎麻纤维的基本参数：纤维长度96.23mm，细度0.59tex；回潮率5.91%；与金属间静摩擦系数0.18；单纤维强度529.70MPa；模量18.23GPa；接触角75.02°等。

通过与其他植物纤维对比得出，苎麻纤维力学性能与洋麻纤维相差不大，远远超过椰子壳纤维，但小于亚麻纤维。

通过接触角的测试，得出其极性较大，与非极性的聚丙烯等材料相容性差，因此使用前需要对苎麻纤维进行处理。

此外，对苎麻纤维的VOC含量进行了测试，结果表明，苎麻纤维苯类物质释放较少，几乎为0，但醛类物质含量较高，甲醛和乙醛分别为218.8µg/m3和2352.8µg/m3，因此在后续使用过程中对苎麻在高温下的使用，需要做好相应防护措施。

参考文献：[1]胡石，王春红，王洪龙，等.苎麻织物与玻璃织物的力学性能研究[J].中国纤检，2011，（8）：80-83.[2]肖加余.高性能天然纤维复合材料及其制品研究与开发现状[J].玻璃钢/复合材料，2000，（2）：38-43.[3]纺织工业科学技术发展中心.GB 5884—86 苎麻纤维支数试验方法[S].北京：中国标准出版社.2001.[4]纺织工业科学技术发展中心.GB/T 12411.5—90 黄、洋（红）麻纤维回潮率试验方法——烘箱法[S]. 北京：中国标准出版社.2001.[5]王春红.亚麻落麻纤维/聚乳酸基完全可降解复合材料的成型工艺[J].复合材料学报，2008.[6]李岩，罗业.天然纤维增强复合材料力学性能及其应用[J]. 固体力学学报，2010，12（6）：613-630.[7] G.Bogoeva-Gaceva，M.Avella. Natural fiber eco-comosites[J]. Polymer Composites，2007，（10）：98-107.[8] 黄丽，白绘宇，姜志国，等.表面改性剂对植物纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响[J].北京化工大学学报，2001，（3）：85-87.[9] 杨珊，宫永宽.精确测定表面动态接触角的方法及影响因素[J].西北大学学报（自然科学版），2011，41（5）：821-826.[10] R.S. Rengasamy， Dipayan Das， C. Praba Karan. Study of oil sorption behavior of filled and structured fiber assemblies made from polypropylene， kapok and milkweed fibers[J]. Journal of Hazardous Materials， 2011 （186）：526–532.[11] 黄山，周培国，等. 松木、杨木纤维干燥排气总挥发性有机物与醛酮的排放特征[J]. 木材工业，2012，26（6）：17-21.[12] A.Zeriouh，L.Belkbir. Thermal decomposition of a Moroccan wood under a nitrogen atmosphere[J]. Thermochimica Acta，1995，（258）：243-248.（作者单位：范文正：宁波汽车零部件检测中心；贺文婷、任子龙、王春红：天津工业大学；张荫楠：东华大学纺织学院）。