牛角瓜纤维的结构与性能研究

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摘要：

采用SEM、FT-IR、XRD和TG分析研究了牛角瓜纤维的形态、微观结构、结晶结构和热稳定性能，测定了其机械性能、含水率、回潮率，分析了其溶解性能，并与棉纤维进行了比较。

关键词：牛角瓜纤维；微观结构；热稳定性能；机械性能

牛角瓜（见图1）是近年来发现的有利用潜力的能源植物之一，主要分布在我国广东、广西、海南、四川、云南等地，以及印度、印度尼西亚、老挝、马来西亚、尼泊尔、巴基斯坦、斯里兰卡、泰国、越南、非洲等干旱、半干旱及盐碱地区。牛角瓜属(Calotropis R.Br.)，隶属于萝摩科牛角瓜属植物，该属约有6种，广泛分布于亚洲和非洲的热带亚热带地区。我国盛产其中的两种，一种为牛角瓜(Calotropis gigantea L.)，又名断肠草、五狗卧花，分布于海南、广东、四川和云南，另一种为白花牛角瓜( Calotropis procera L.) ，在广东、广西、云南有零星分布[1−3]。

图1牛角瓜照片

牛角瓜在民间具有广泛的药用价值，其根、茎、叶、果及各部位的白色汁液均可药用，具有抗菌、消炎、驱虫、化痰、解毒等作用，用于哮喘、咳嗽、麻风病、溃疡、痔疮、肿瘤等疾病的治疗[4-7]。牛角瓜汁液含有多种化学成分，可用来开发液体燃料和有用化学品[8-9]。以甲苯提取白花牛角瓜，不同提取方法提取物得率为8%～18%，用红外光谱和核磁谱等检测提取物含有烷烃，但未报道其含量[10-11]。对印度东北部产的白花牛角瓜研究表明，整株植物中油脂的含量为4.7%左右，热值与原煤接近[12]。

牛角瓜纤维(akund)[13]是从牛角瓜的种子上生长出来的，属天然植物纤维，其成分基本上由纤维素组成，与现在大量种植和使用的原料纤维――棉同属天然植物种子纤维，与逐步应用于家纺填充原料的木棉纤维同属，是一种亟待开发和利用的天然纤维。初步研究表明，牛角瓜纤维有足够的潜力用于纺织面料或作为纤维增强复合材料的替代原料[14-15]。但是目前国内外对于牛角瓜纤维结构与性能的报道较少。

本文从牛角瓜纤维的外观形态、结晶结构、机械性能和热稳定性能等方面进行了研究，并与普通棉纤维进行了比较。

1试验部分

1.1材料

来源于我国云南地区的天然野生植物。

1.2测试及表征方法

1.2.1红外吸收光谱测试(FT-IR)

Nicolet 380 傅里叶红外(FT-IR)光谱仪，美国Thermo Electron公司。

1.2.2扫描电子显微镜（SEM）

JSM-5600 LV扫描电子显微镜，日本。加速电压20 kV。

1.2.3X-射线衍射测试(XRD)

P/MAX-B型X-射线测试仪，日本理光公司。

1.2.4热重分析(TG)

测试仪器NETZSCH TG 209 F1。测试温度从25℃到700℃，升温速率为10℃/min，氮气流量为20mL/min。

1.2.5纤维力学性能测试

FAFEGRAPH-M型短纤维强力拉伸仪，德国Textechna公司。测定条件：样长20mm，拉伸速度10mm/min。

2结果与讨论

2.1化学组成分析

牛角瓜纤维主要成分全纤维素69%，α-纤维素49%，木质素23%，灰分3.8%[15] 。牛角瓜纤维与棉纤维红外谱图见图2。棉纤维的红外吸收光谱，显示的是典型的纤维素的特征峰，没有出现非纤维素的吸收峰，这是因为棉纤维具有很高的纤维素的含量，通常在97%以上。牛角瓜纤维的特征峰与棉纤维相比有明显的差异，这些差异主要是由非纤维素成分导致的。

在3300cm-1附近为O―H的伸缩振动，1030cm-1左右为六元环醚键的伸缩振动。2845cm-1～2920cm-1的区域为C―H伸缩振动区，在这一区域两种纤维均在2916cm-1和2847cm-1处显示了一个双重峰，Andreeva等人把该处的吸收峰归结为非纤维素多糖的C―H不对称伸缩和对称伸缩振动[16]。棉纤维几乎不含有木质素，而牛角瓜纤维有较高的木质素含量，因此牛角瓜纤维的红外光谱中1508cm-1处归结为木质素的芳环骨架振动有较强的振动吸收[17]，而在1650 cm-1～1900 cm-1之间为来自木素和半纤维素的醛基、酮基、羧基、酯基等基团的振动吸收峰。

图2牛角瓜纤维与棉纤维的红外吸收光谱

2.2纤维形貌

众所周知，棉纤维为细长不规则转曲的带状，牛角瓜纤维纵向外观显然与棉纤维有明显不同(如图3所示)，其呈现的是光滑的圆柱形，几乎没有什么转曲。

图3牛角瓜纤维的纵向形态

两种棉纤维的横截面也有显著差异(如图4所示)，最为明显的是牛角瓜纤维的壁很薄，平均仅有0.6µm~1.2µm，而直径达20µm~28µm，中空的程度达80%，纤维宽壁厚的比值达20(如表1所示)。因而牛角瓜纤维作为保暖絮料具有优势，相比而言，棉纤维是相当丰满的，胞壁厚而胞腔小，胞宽壁厚的比值只有2.1。

(a)牛角瓜纤维横截面(b)棉纤维横截面

图4牛角瓜纤维(a)和棉纤维(b)的横截面

从图5牛角瓜纤维梢端和末端的比较可知，梢端较细、顶端封闭、末端开口。

(a) 牛角瓜纤维的梢端( b)牛角瓜纤维末端

图5牛角瓜纤维的梢端（a）与末端图（b）

图6为末端（a）与中部截面（b）比较，末端壁厚较薄，内外壁结合较好，而中部截面可以明显看出内外壁及中间存在空隙。

（a）牛角瓜纤维末端（b）牛角瓜纤维中部截面

图6牛角瓜纤维末端（a）与中部截面（b）比较

牛角瓜纤维长度20mm~40.5mm，平均长度34.175mm，标准偏差为4.2493。直径约20µm~28µm，壁厚0.6µm~1.2µm。纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲；梢端较细，顶端封闭，中段较粗，末端开口。纤维截面为圆形或椭圆形的大中空管壁，中空度高达80%～90%。

表1牛角瓜纤维和棉纤维的形态特征参数

2.3X-衍射分析

牛角瓜纤维的广角X射线衍射曲线见图7，其结晶度为34.07%，明显小于棉纤维的结晶度。很显然木质素、半纤维素和蜡质等无定形成分导致了牛角瓜纤维结晶度的降低。

图7牛角瓜纤维的X射线衍射图

2.4热性能分析

牛角瓜纤维的TG曲线分别如图8所示，40 ℃~100 ℃的失重对应的是水分的挥发。牛角瓜纤维在250℃左右开始降解，而棉纤维在270℃左右开始降解[17]。因为较多的结晶结构有利于改善纤维素的热稳定性[18]，同时在半纤维素、纤维素和木质素等三种植物材料的主要成分中，半纤维素的热分解温度最低，而木质素的热稳定性能最好[19]。显然，牛角瓜纤维中较低的结晶度和半纤维素含量较高是其热稳定性较低的主要原因。

图8牛角瓜纤维的热失重曲线

2.5吸湿性和机械性能

由表2、表3可以看出，牛角瓜纤维比棉纤维的回潮率和含水率略高，牛角瓜纤维比棉纤维线密度小、断裂伸长低，但是断裂强度基本相同。

表2牛角瓜纤维和棉纤维的吸湿性(二级标准大气条件)

表3牛角瓜纤维和棉纤维的机械性能

2.6耐酸耐碱性及化学溶解性

牛角瓜纤维具有较好的化学性能，耐酸性好，常温下稀酸对其没有影响。将木棉纤维置于不同的溶剂中，在不同的溶解条件下观察其化学溶解情况，结果见表4。

表4牛角瓜纤维的耐酸耐碱性及化学溶解性

3结论

（1）牛角瓜纤维具有较高含量的木质素和半纤维素。

（2）牛角瓜纤维壁很薄，平均仅有0.6µm~1.2µm，而直径达20µm~28µm，长约34mm，纤维截面为圆形或椭圆形的大中空管壁，中空的程度达80%，纤维宽壁厚的比值达20。纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲；梢端较细，顶端封闭，中段较粗，末端开口。

（3）牛角瓜纤维结晶度为34.07%，明显小于棉纤维的结晶度。木质素、半纤维素和蜡质等无定形成分导致了牛角瓜纤维结晶度的降低。

（4）牛角瓜纤维热分解温度低于棉纤维，在250℃左右开始降解，而棉纤维在270℃左右开始降解。

（5）牛角瓜纤维回潮率13.5%、含水率11.8%，比棉纤维的略高。线密度0.93dtex~0.97dtex、断裂伸长2.6%，比棉纤维低。断裂强度3.42cN/dtex，与棉纤维基本相同。

（6）牛角瓜纤维具有较好的化学性能，耐酸性好，常温下稀酸对其没有影响。

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（作者单位：费魏鹤、李璇、李卫东，上海市纤维检验所；胡惠民，上海魔树生物科技有限公司）