超声辅助提取对竹纤维结构和机械性能的影响

摘要

植物纤维作增强材料应用于复合材料制备正日渐兴起.竹纤维属高性能植物纤维,具有资源广泛,比强度、比模量高等多种优势,但目前竹纤维提取仍是制约竹纤维作为增强材料应用发展的一个难题.竹材木质素含量高、刚性大,碱煮联合机械分离是竹纤维制备的一种常用方式,但常规碱煮存在工艺时间长、使用试剂量大等问题.超声波在一定的媒介中传播时可产生一系列特殊的空化、力学、热学、电学、光学、化学等效应,应用于植物纤维提取可促进植物纤维的高效、环保、快速分离.本文以超声波辅助提取竹纤维,研究超声波处理以及超声波处理方式(前超声和后超声)对低试剂量条件下提取竹纤维结构和热性能的影响.结果表明:超声波处理应用于低试剂量竹纤维提取,可明显降低竹纤维含胶率,显著改善纤维竹细度和细度均匀性.以后超声辅助提取竹纤维,竹纤维含胶率由25.10％降至21.78％,纤维直径由489±247um降至224±52um,平均直径降低率达54.2％.通过电镜观察,经纤维提取工艺,原竹材结构中被胶质包覆的单纤维形态暴露,单丝状明显,超声辅助提取增加了纤维表面褶皱,后超声辅助提取进一步使竹纤维微纤化加剧,单丝分散性增加;傅里叶红外光谱分析表明,竹纤维化学结构变化主要由纤维提取工艺引起,超声处理对纤维结构影响不明显,但超声处理红外光谱图整体吸收峰增强,这可能是由于超声使纤维结构氢键增强引起;经提取工艺,竹纤维结晶度增加,但超声辅助提取竹纤维结晶度又略有下降,未超声竹纤维结晶度为56.50％,后超声竹纤维结晶度为55.89％,前超声竹纤维结晶度为56.25％,后超声辅助提取竹纤维结晶度降低程度更高,说明超声处理不利于纤维素结晶的重排,因而反而降低了竹纤维结晶度;超声辅助提取对竹纤维机械性能有一定程度影响,对竹纤维拉伸强度略有降低,拉伸模量下降明显,断裂伸长率略有提高,机械强度均匀性增加;后超声辅助提取较前超声辅助提取对竹纤维的机械性能降低程度较低.总体上,超声辅助提取可促进低试剂量条件下的长竹纤维提取,对纤维细度有明显改善效果,但对纤维结构和机械性能影响不大.超声辅助是实现长竹纤维环保、高效提取的一种可行性方法.采用后超声辅助提取综合效果更佳.