棕榈纤维结构与力学性能研究

【摘要】棕榈纤维作为一种天然高分子材料,具有产量大,易收获,较强的天然防腐功能,吸湿性强,弹性模量低等优点,正逐渐得到人们的关注而被应用到水利工程,环境工程,造纸业,弹性材料和复合材料的领域中。为了更好的发挥纤维性能,提高纤维制品的使用价值,需要对纤维的性能进行深入的探究了解,结构和力学性能是纤维材料在应用过程中最基础也是最重要的性能特征。本文利用生物光学显微镜,SEM和TEM观察分析原纤维和单纤维的结构特征,包括表面、横截面、纵切面等结构形态,并根据天然纤维的化学脱胶方法探索了适合于棕榈纤维的分离方法;采用ASTMD3379-75标准中的方法制作纤维拉伸试样,在拉伸隔距10,20,30和40mm,拉伸速度05mm/min条件下进行准静态拉伸实验；利用传统二参数和三参数Weibull以及修正Weibull模型研究了棕榈纤维的拉伸力学性能,并与剑麻纤维和黄麻纤维做了相应的对比,建立纤维结构与力学行为的联系。研究结果表明：(1)棕榈纤维属于粗制纤维,直径主要集中分布在300-450μm,纤维表面存在大量规律排列的硅石物质。纤维横截面近似圆形,内部含有大量紧密平行排列的中空的单纤维细胞,是一种单向天然生物复合材料。TEM显示纤维细胞由中腔,初生层,次生层组成。采用KC103和HN03联合处理方法分离棕榈单纤维,单纤维细胞中间粗头端细且封闭,整体呈现纺锤形状,细胞表面存在细小纹路,有利于纤维间的牢固连接。单纤维的直径与长度随机分布,且纤维长短粗细不均匀。(2)棕榈纤维的应力应变曲线由3部分组成,具有明显的屈服特征,其拉伸力学指标具有分散性,断裂强度和断裂伸长率随着拉伸隔距的增大而变下,而杨氏模量则随着隔距的增大而增大。在纤维的拉伸断裂过程中,微纤丝的取向发生变化,给予棕榈纤维特殊的拉伸力学行为。棕榈纤维的拉伸断裂面SEM图显示断裂面不平整,揭示了纤维细胞的四个变化过程：细胞之间的分离,细胞壁的撕裂,细胞壁的剥离和分层。棕榈纤维由于细胞壁厚度,纤维素含量和结晶度小于剑麻纤维,使得前者对尺度的敏感度高于后者。(3)通过极大似然估计法和AD检验法分别对Weibull参数进行估算和拟合优度检验,传统Weibu模型下的棕榈纤维断裂强度值几乎全部落在两条置信曲线内部,数据呈现出较好的线性分布特征。、Veibu模量随着纤维拉伸隔距的增大而减小,说明纤维强度分散性随着试样长度的增大而增大。、Veibull分布曲线图显示,黄麻纤维和棕榈纤维的拉伸强度呈现出类似的线性分布,而棕榈纤维的强度和其分散性均小于黄麻纤维,主要是因为棕榈纤维的纤维素含量和结晶度较低。且两种纤维的实验数据和线性回归拟合数据的线性相关性较高,说明Weibull模型能够较为准确的描述纤维强度的分散规律,进一步验证了Weibull模型分析天然纤维材料的良好适应性。修正、Veibull引入了直径参数,通过拉伸长度和直径不匀率的关系计算得到是0.2266。其分布曲线显示了模量随着拉伸隔距的减小而增大的关系。与剑麻纤维和黄麻纤维相比,由于纤维结构和前处理的不同,棕榈纤维的拉伸强度对隔距的变化更敏感。
【作者】郭敏；
【导师】张同华；
【作者基本信息】西南大学，资源纤维学，2014，硕士
【关键词】棕榈纤维；结构；拉伸力学性能；Weibull模型；

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