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《东华大学》 2011年
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莲纤维的结构与性能研究

潘颖  
【摘要】:天然纤维素纤维的开发利用一直是纺织行业的重要课题。近年来,随着棉粮争地、生态环境恶化和能源短缺等问题日益凸显,人们在不断地对常规植物纤维资源(如棉、麻等)加以利用之外,对新型纤维资源的开发也随之加强。采用可再生、可循环的植物纤维资源,尤其是农业废弃资源生产纤维素纤维,不仅可以缓解能源、环境问题,还丰富了纺织原料种类,对于产业的可持续发展有着重要意义。据目前国内外的研究现状而言,人们对莲纤维的认识和研究尚不深入,莲纤维的开发利用程度还非常低,对莲纤维的基础研究更是极少见诸报道。莲纤维在生物结构上与韧皮纤维存在本质的区别,因而评估莲纤维作为纺织材料的应用价值、研究莲纤维的提取制备和加工工艺均不能参照现有的植物纤维的分析和研究模式。因此,针对上述存在的问题,首先从植物解剖学的角度出发,详细研究了莲叶柄的结构组成特征、莲纤维在叶柄中的分布方式和来源组织,同时明确了莲纤维的定义及其形态结构特点,为研究莲纤维提取技术和解释莲纤维及其制品区别于其它植物纤维的结构与性能奠定基础。对于不同来源的植物纤维材料,其化学组成和纤维性能差异很大。论文在前人初步研究的基础上,深入分析了手工提取莲纤维的组成、结构及其与性能之间的关系。论文的主要工作及结论如下: (1)研究了莲叶柄的生物结构特征,明确了莲纤维的来源组织。 利用石蜡切片技术研究了莲叶柄的解剖结构特征,发现莲叶柄主要是由致密的表皮组织、大量的薄壁细胞、发达的气道以及众多散生的维管束构成。其中气道约占叶柄横截面积的30%,基本薄壁组织占组织总量的60%左右。在一个发育成熟的莲叶柄横截面上可观察到100多个明显的维管束,一个维管束中通常含有1-4个不等的木质部管状分子。 将成熟的新鲜莲叶柄进行组织离析,结果发现莲叶柄中主要含有5种植物细胞类型,即纤维细胞、表皮细胞、筛管、薄壁细胞和木质部管状分子细胞。除了木质部管状分子外,其它细胞均不适合用作纺织纤维材料,是被视为杂细胞而需要除去的组织。在扫描电子显微镜下观察发现,不同类型的维管束中,其木质部管状分子均可见螺旋状次生壁加厚。 采用Jeffrey方法离析出单个木质部管状分子细胞,借助电子显微镜研究了其次生壁加厚类型及端壁微观结构。莲叶柄的木质部管状分子主要有环纹和螺纹两种加厚方式,但只有呈紧密带状螺旋式加厚的次生壁才能从叶柄中抽取出来成为莲纤维。管状分子的端壁微观结构特征显示,莲叶柄木质部中除了含有管胞外,还有处于发育早期的原始导管。 由莲叶柄的生物结构研究可知莲纤维是存在于莲叶柄维管束中木质部管胞和原始导管的带状螺旋式次生壁加厚物。手工抽取的莲纤维呈黄白色,手感柔软,具有荷叶的天然清香,长度可达30 cm以上。每根莲纤维由数根细丝组成,细丝直径3μm左右,属于超细纤维范畴。 (2)运用现代测试技术和植物纤维化学成分分析方法研究了莲纤维的主体成分及其在纤维中的分布、莲纤维的单糖组成及其功能成分的含量等。 红外光谱分析表明莲纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,属于典型的木质纤维素纤维。化学成分分析表明,莲纤维中纤维素含量仅为41%左右,半纤维素、木质素和果胶质的含量达50%以上。透射电镜、激光扫描共聚焦显微镜等研究结果显示,大量的木质素成分主要分布在纤维的外围部分,而半纤维素嵌合在纤维素微纤丝之间,在整个纤维横截面上都有分布。 采用高效液相色谱法分析了莲纤维的单糖组成,结果显示莲纤维多糖主要由葡萄糖、木糖、甘露糖和半乳糖组成,其中半纤维主要由木糖组成。 高效液相色谱、电感耦合等离子体发射光谱和比色分析研究结果表明,总蛋白、总黄酮和生物碱含量分别为2.08%、0.34%和0.13%。微量矿质元素如Fe、Zn、Ca、Si的含量分别是棉纤维的33、4、7和12倍。 (3)利用凝胶渗透色谱、广角X-射线衍射、原子力显微镜和透射电镜等详细研究了莲纤维纤维素的分子量和微细结构特征。 莲纤维纤维素的平均聚合度为5696。成熟莲纤维的结晶度和取向度分别为48%和84%,微晶尺寸仅为2.5 nm,远小于棉纤维的。莲纤维表面形貌粗糙,呈现出颗粒状、纤维状和块状的形貌特征,并伴有大小不一的沟槽和孔隙。 莲纤维经碱溶胀后制作超薄切片,置于透射电镜下观察,结果发现莲纤维主要是由非常薄的S1层和作为纤维主体的S2层组成,没有棉和竹纤维的次生壁多层次构造。纤维素微原纤在整个S2内以几乎平行于纤维轴的方向取向。微原纤的横向尺寸为5 nm左右。 (4)研究了莲纤维的物理机械性能和抑菌性能,并分析了纤维性能与纤维组成和结构的关系。 利用FAVIMAT AIROBOT全自动测试仪研究了莲纤维的线密度和一次拉伸断裂性能。莲纤维的平均细度、断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为0.91dtex、2.29 cN/dtex、2.58%和78.5 cN/dtex。统计分析结果表明,上述各指标测试值的分布离散程度大,但通过频数分析清楚地描述了各指标的取值分布状态。 莲纤维的吸、放湿平衡回潮率分别为9.37%和12.30%,而在同样条件下测得棉纤维的吸、放湿平衡回潮率分别为6.22%和7.16%。莲纤维的吸、放湿速率亦高于棉纤维。莲纤维热降解过程中出现了两个明显的热失重峰,纤维素的热裂解起始温度约为361℃。 抑菌性能研究发现,莲纤维对大肠杆菌只有在较短的接触时间内才表现出抑制作用,而对金黄色葡萄球菌则具有持续较强的抑菌效果,接触18h后测得抑菌率达99%以上。莲纤维的抑菌性能与它自身较多的黄酮和生物碱类化合物密切相关。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TS102.2

【引证文献】
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