棕榈纤维形态与表面形貌结构的研究

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　　摘要：为了全面评估棕榈纤维的潜在应用，通过数码相机和扫描电镜观察纤维各部位的纤维形态与表面形貌，并通过光学显微镜对棕榈纤维不同部位进行直径测试。研究发现：棕榈树的叶鞘即棕片是由棕榈纤维通过独特的织态结构构成，是一种天然的双轴向织物。从织态上看棕片主要由左斜和右斜纤维构成，并由固结纤维将两类纤维结合在一起，形成结构稳定的天然片状纤维堆砌结构。单根棕榈纤维的形态结构为树形，呈现多级分叉。分叉纤维是从主体纤维发育生长而成，细度较细，呈弯曲状离开主体纤维，是形成固结纤维的主体。单根棕榈纤维呈圆柱状，表面粗糙，有大量的鳞片状突起覆盖。棕榈纤维是一种粗径不均匀的粗径纤维，不同部位直径分布范围差异较大。
　　关键词：棕榈纤维;表面形貌;天然织态结构;扫描电镜
　　中图分类号：TS102.1文献标志码：A文章编号：1009-265X（2020）01-0001-05Study on Morphology and Surface Topography of Palm Fiber
　　FANG Tiantian， CHEN Yida， ZHOU Wenlong
　　（Silk Institute， College of Materials and Textiles， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）Abstract：To comprehensively assess the potential applications of palm fiber， the fiber morphology and surface topography of each part of the fiber were observed by digital camera and scanning electron microscope， and the diameters of different parts of palm fiber was tested by optical microscope. The study found that the sheath of palm tree is a kind of natural biaxial fabric， which is compose of palm fiber through a unique texture structure. Regarding the texture， palm sheet is mainly composed of left and right oblique fibers， which are combined by consolidated fibers to form a stable natural sheet fiber packing structure. The morphological structure of a single palm fiber is in tree form， having multilevel bifurcations. The bifurcated fiber is developed from the main fiber， fine， bent away from the main fiber， and is a main body that forms consolidated fiber. A single palm fiber has a cylindrical shape with a rough surface covered by a large number of scaly protrusions. Palm fiber is a largediameter fiber with uneven diameter， and its diameter distribution range in different parts varies greatly.
　　Key words：palm fiber; surface topography; natural weaving structure; scanning electron microscope
　　棕櫚（拉丁名：Trachycarpus fortunei）又名棕树，属于棕榈科（Arecaceae）植物，是一种自然界广泛分布的槟榔目单子叶植物[12]。棕榈科共约有220属2 500种，主要分布于热带和亚热带地区。巴西是世界上棕榈植物最丰富的国家，中国约有22属72种。其中棕榈属约有8种，中国拥有3种，分别是棕榈、龙棕和山棕榈[34]。棕榈原产于中国，是世界上最耐寒的植物之一[3]。现今，中国的棕榈主要分布在亚热带与热带交界处的山区，云贵川渝地区较常见，云贵高原山区最集中，陕西汉中、两湖两广、皖浙闽地区有少量零星分布[5]。
　　棕榈为多年生的常绿乔木，树干直立，呈圆柱形且不分枝[6]，高7～15 m，有大型掌状或羽状叶片，常聚生于树干的顶端，叶鞘为棕黑色网状纤维体[5]，由纵向束的坚韧纤维（棕榈纤维）呈环形交叉网状排列而成[7]。棕榈纤维是历史悠久并得到广泛使用的产业用纤维之一，在家用场合有棕绑床、棕榈纤维床垫、蓑衣等，棕榈纤维的耐腐蚀性和高强高模特性还被广泛应用于工程领域，如用于岸坝植被加固、绳索、防雨棚顶等。棕榈纤维来源广，产量大，价格低廉，可再生，可循环利用，可生物降解[8]，是一种独特的天然资源，近年来已经有许多学者予以关注并开展研究。在棕榈纤维的结构研究方面，Chen等[9]利用扫描电镜观察，表明棕榈鞘原纤维的纵向呈细长形状，无卷曲。叶鞘中部原纤维较厚，而原纤维末端逐渐变细和密封，横截面为圆形或椭圆形，有一个不规则的圆形腔，而细胞壁的厚度不均匀，单纤维的平均长度为640.80μm，直径在7.33～10.35 μm之间。陈长洁[5]研究表明棕榈纤维由大量排列紧密的棕榈单纤维组成，横截面呈蜂窝状，每根单纤维横截面大小不一，呈类椭圆形，有较大的中腔，中空度高达47.21%，棕榈纤维中含有大量以木质素和半纤维素为主的胶质，纤维素含量仅为28.16%，通过脱胶可去除棕榈单纤维之间大量胶质，得到棕榈单纤维。Zhang等[10]指出在高倍放大倍率下，棕榈纤维在表面上除了有机残留物外表现出光亮区域;在纤维表面有突起、颗粒阵列特征，有孔状结构。在几种棕榈科纤维中也观察到这种特征[11]。纤维的形态结构对纤维的性能如可纺性、质感等都有很大的影响。前人关于棕榈纤维形貌的研究主要是对纵横向以及单根纤维的长度和直径进行简单的描述，并未对棕榈纤维精细结构做一个系统分析。本文主要在前人研究的基础上，运用扫描电子显微镜和数码相机对棕榈纤维各部位的表面形态做进一步的研究，观察纤维各部位的纤维形态与表面形貌，并通过光学显微镜对棕榈纤维不同部位进行直径测试。发现了棕榈单纤维的树形形态结构，这是对天然纤维直线形态结构的一个重要补充。分析纤维的形态结构，为棕榈纤维在纺织加工中的应用提供参考。 　　1试验
　　1.1试验材料与仪器
　　试验材料：棕榈叶鞘（纤维）（湖北恩施咸丰县西部旺仔工作室）。
　　试验仪器：数码相机，Vltra55型热场发射扫描电子显微镜（德国Carl Zeiss SMT Pte Ltd），Leica DM2700M光学显微镜（上海徕卡显微系统贸易有限公司）。
　　1.2试验方法
　　1.2.1表面形态表征
　　对纤维的整体形态采用数码相机进行拍照分析，主要有棕片、纤维的织态结构、单根纤维形态等的分析。对棕榈叶鞘的根部、中部和梢部，分别取样，用于扫描电镜观察。用导电胶将纤维样品固定于样品台上后镀金，置入扫描电子显微镜内，设置加速电压为2.0 kV，对样品进行照片拍摄。
　　1.2.2直径测量
　　测量纤维直径时，先将纤维截成25 mm的小段，放在载玻片上，盖上盖玻片，调节光学显微镜的焦距，对棕榈叶鞘的根部、中部和梢部分别取样，测量直径，各重复实验320次。
　　2结果与讨论
　　2.1棕榈叶鞘的织态结构
　　图1（a）和图1（b）分别为剥取后未作任何处理的棕片和清洗干净后的叶鞘部分纤维织态。棕片是由数百根棕榈纤维自然交织形成的多层网状织态结构。从棕片整个形态来看，可以大体分为梢部、中部和根部三部分。棕片的根部，其纤维被一层膜状结构完全覆盖;棕片的中部，其纤维肉眼可见，但也可见零星破损的膜状结构;棕片的梢部，其纤维相对凌乱，纤维也相对较细。从根部到顶部，纤维的排列逐渐由紧密到疏松[7]。但无论是哪部分纤维，都呈现出天然的织态结构，使棕片呈结构稳定的片状，并可直接用于制作蓑衣、棚顶等材料。图1（b）为棕片叶鞘部分纤维织态形貌。从纤维的取向看，主要有两类纤维，即左斜纤维和右斜纤维，相互呈35°左右角;从分层情况看，有内层、外层和固结纤维之分，每层纤维的斜向是一致的，固结纤维起到上下层交织的作用，但并不是一上一下的规律交织[12]，固结纤维和内层、外层纤维相比在数量上较少;从纤维的粗细程度看，内层和外层纤维粗细基本相同，但固结纤维相对较细。棕片的纤维织态结构非常稳定，在拆解纤维时，用手横向轻扯叶鞘纤维片，感受到明显的回弹力，停止拉扯后叶鞘纤维片形状可以完全恢复。从织态结构看，棕片是一种天然的双轴向织物结构。
　　2.2棕榈纤维的形态结构
　　将棕榈纤维从棕片中小心拆解，尽量不损伤纤维，可以获得单根棕榈纤维，如图2（a）所示，单根棕榈纤维不是一种直线纤维，而是一种树形纤维，纤维有很多的分叉结构。纤维的分叉有一级分叉、二级分叉乃至更多级分叉的可能。一级分叉指从主干纤维分叉出的纤维，而二级分叉是指从分叉纤维中进一步分叉出来的纤维，三级分叉指二级分叉继续分叉出来的纤维，如图2（b）所示。从纤维的分叉结构看，分叉纤维有粗细之分，但也有粗细基本相同的分叉。棕榈单纤维的树形结构形态独特，此前未见任何相关研究报道。
　　图3显示棕榈纤维的两种分叉在不同放大倍数下的表面形态特征。无论是一级分叉还是二级分叉，分叉处的纤维均有主次之分，主纤维呈笔直生长，纤度较粗，而分叉纤维呈弯曲状，纤度较细。分叉纤维的表面形貌和主纤维基本一致，即呈圆形，表面有鳞片状突起覆盖。毫无疑问，无论是一级分叉纤维还是二级分叉纤维，都是从主纤维发育生长形成，在结构上和主干纤维无异。但由于分叉纤维从主干纤维发育时，呈弯曲状从主干纤维分离，使生长方向离开了棕片平面，是形成固结纤维的主体。
　　2.3棕榈纤维的表面形貌
　　前人研究都是对纤维整体做一个描述，从未把单根纤维分根部、中部和梢部进行分类描述。本研究分别取棕榈纤维的根部、中部、梢部纤维进行SEM观察，如图4所示。根据图4 SEM图，根部、中部和梢部表面形态还是不同的。纤维整体呈圆柱状，表面凹凸明显、粗糙。根部和中部被大量鳞片状物质覆盖，鳞片状的排列方式和形状都不同于鱼鳞或者羊毛鳞片。鳞片大小不一，形状主要分为3类：鳞片边缘扁平，呈圆圈状;鳞片边缘微翘;鳞片边缘严重上翘。鳞片之间排列緊密，或有重叠。根部表面绝大多数鳞片四周边缘扁平，在纤维表面形成圆圈状，少数鳞片边缘微翘，部分鳞片之间出现裂缝，如图4（d）、图4（g）。中部表面翘起的鳞片又变得比较扁平，如图4（h）所示。绝大多数鳞片边缘严重上翘，在纤维表面凸起，如图4（e）所示。梢部纤维表面相对光滑，未发现和根部、中部类似的鳞片，而是被一层膜状物质覆盖，不过出现了大量的小孔，如图4（f）、图4（i）所示，这和有关的研究报道一致。表面鳞片状突起的形貌可能和棕榈纤维不同的发育生长过程有关。从纤维生长发育的过程看，梢部纤维是最早形成的，原先表面的鳞片状突起可能已经剥落，根部纤维是较迟发育形成的，其鳞片状物质覆盖在纤维表面，而中部表面的鳞片状突起从细胞发育过程来看处于两者之间。梢部纤维呈现的圆孔结构可能是表面鳞片细胞脱落形成。棕榈纤维的表面鳞片状突起，可以增加纤维之间的摩擦，有利于提高可纺性。图4棕榈纤维各部位的SEM图
　　2.4棕榈纤维的直径分布
　　棕榈纤维每根纤维之间的直径粗细不均匀，将单根纤维的不同部位分为根部、中部、梢部，并将3个部位的纤维分开收集起来，利用光学显微镜测量具体直径。棕榈纤维不同部位直径的分布如图5所示，最细纤维直径为49.29 μm，最粗纤维直径为586.29 μm。根部直径范围在300～600 μm，但主要集中在390～510 μm，纤维平均直径为460.17 μm;中部直径范围在90～420 μm，但主要集中在210～300 μm，纤维平均直径为261.92 μm;梢部直径范围在40～150 μm，但主要集中在80～110 μm，纤维平均直径为95.58 μm;根据数据统计结果，单根纤维的不同部位之间的直径存在差异，根部最粗，中部次之，梢部最细，总的来说，纤维直径在其生长方向上逐渐变小。棕榈纤维粗细无论从总体上下限和范围跨度，都显著大于其他天然纤维（如黄麻，剑麻，亚麻等）[8]，是一种粗径纤维，不能用于纺纱和纺织面料的加工，但能用于产业用纺织品及其他材料行业[7]。图5棕榈纤维各部位的直径分布直方图 　　3结论
　　a）棕榈叶鞘纤维的织态结构独特，主要由左斜和右斜两类纤维组成，并由固结纤维上下不规则交织而成，是一种天然的双轴向织物。
　　b）单根棕榈纤维是一种树形纤维，有一级分叉、二级分叉甚至多级分叉结构。主干纤维形成了棕片的主体，即左斜和右斜纤维，而分叉纤维承担了固结纤维的功能。
　　c）棕榈纤维整体呈圆柱状，纤维的根部和中部表面分布着大量鳞片状的赘生物，表面凹凸明显、粗糙，有利于纺织加工。分叉纤维从主体纤维发育分离形成，形貌结构和主体纤维一致。
　　d）棕榈纤维是一种粗径纤维，根部、中部和梢部的直径分布范围差异很大，根部最粗，梢部最细，纤维直径在其生长方向上逐渐变小。
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　　收稿日期：2018-12-06网络出版日期：2019-03-15
　　作者简介：方甜甜（1992-），女，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事新型纺织材料与绿色纺织品方面的研究。
　　通信作者：周文龙，Email：wzhou@zstu.edu.cn
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