椰丝生态复合片材制备及应用性能研究

张 峰，赵 阳，张 丽，母 军

(北京林业大学材料科学与技术学院，木质材料科学与应用教育部重点实验室，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083)



椰丝生态复合片材制备及应用性能研究

张 峰，赵 阳，张 丽，母 军*

(北京林业大学材料科学与技术学院，木质材料科学与应用教育部重点实验室，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083)

[目的] 椰丝生态复合片材用于土壤水分状况改善的可行性探究。[方法] 通过研究椰丝材料抗拉强度和伸长率，以及复合片材的密度、厚度回弹率、吸水厚度膨胀率等指标来评价椰丝生态复合片材的性能。同时对椰丝生态复合片材的保水性能、透水性能和吸水性能等进行评价并得出较优工艺参数。[结果] 椰丝材料本身具有良好的拉伸强度与韧性，在低施胶量条件下生态复合片材具有明显的厚度回弹现象，施胶量与目标密度越低厚度回弹现象越明显；浸水24 h后试件在厚度方向上均出现不同程度的膨胀，吸水厚度膨胀率与目标密度、施胶量成正比关系，试件的保水性能与目标密度成正比关系，透水性能、吸水性能与施胶量、目标密度成反比关系。[结论] 椰丝生态复合片材最优生产工艺条件为施胶量2%、目标密度0.3 g/cm3，此时椰丝生态复合片材蓄水保墒效果最显著。

关键词：椰丝；生态复合片材；厚度回弹；应用性能

近年来，国民经济建设和人民群众基本物质生活对木材的需求量不断上升，但木材资源日益减少，这严重制约着经济社会的进步，也制约着林木行业的可持续发展，寻找新型木材替代原料对缓解我国木材供不应求的矛盾具有重要的现实意义[1-3]。棕榈科植物纤维年产量高，具有质地坚实，弹性、耐磨性和耐候性佳等特点，是地板家具、床垫、绳等产品的优良原材料来源[4-6]，是重要的原木替代天然可再生材料，能有效缓解我国木质资源短缺的问题。随着对天然纤维研究的发展，棕榈纤维的应用逐步扩大，在对其进行利用前，要充分掌握棕榈纤维的优势特点加以利用。郭敏[7]利用生物光学显微镜SEM和TEM对棕榈纤维结构进行观察分析，结果表明棕榈纤维具有良好的力学性能；谷昊伟[8]等对棕榈纤维及其制品棕榈床垫进行研究，通过建立力学等效模型与利用ANSYS分析软件，对棕榈纤维片状结构的力学性能进行分析，进一步探究了棕榈纤维的结构特性及其弹性片材制品的工艺优化。可见棕榈纤维具备良好性能并能替代木质材料在一些领域的应用。其中，作为棕榈类纤维中产量较大的一种，椰丝纤维具有更广阔的发展前景，但是椰丝纤维的力学强度在同类植物纤维中偏低，性脆且拉断永久变形大[9-10]，因此在开发新型椰丝纤维复合材料时，应对椰丝纤维的纤维特性及力学性能优势进行合理利用。

在北京地区特殊的气候条件下，部分林木种植地区土壤蓄水保墒能力差、养分含量低，不利于林木行业的可持续发展，因此迫切需要找到有效蓄水保墒措施来保持土壤水分含量。2001年Grace[11]发现通过生态垫的覆盖能有效改善土壤水分含量；国内研究也表明，由棕榈纤维制造的一种网状生态复合片材，有促进植物生长、提高微生物活性、改善土壤结构和蓄水保墒能力等功效，可有效应用于生态系统改良[12-15]。椰丝纤维具有良好的弹性、韧性与耐候性，是生产生态复合片材的理想材料。椰丝生态复合片材的引入将对林木保护具有一定的指导意义，这也是椰丝材料利用的新方向，既能有效缓解木质资源短缺的实际问题，又能为生态保护和园林绿化提供技术支持。

该研究以椰丝为原材料，探究椰丝为主体的生态复合片材制备工艺，通过对椰丝生态复合片材应用性能的评价，探究其改善土壤水分的能力，为其在生态保护和园林绿化上的应用提供理论依据，也为其实现规模化、工厂化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器 椰丝纤维(东南亚购置)，呈棕色丝状单元；脲醛树脂胶黏剂(柯诺森华地板有限公司)。

XLW(L)-PC型智能电子拉力机(济南兰光机电技术有限公司)；MWD电脑控制人造板万能试验机(济南耐而试验机有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(XMTD-8222)；电子天平；游标卡尺。

1.2 试验方法

1.2.1 椰丝物理性能测试。随机各选取30根椰丝(如图1所示)，分别在干态、浸泡24 h 2种状态下，利用XLW(L)-PC型智能电子拉力机测试试件的抗拉强度、断裂伸长率与平均直径，分析评价椰丝基本力学性能。

图1 椰丝形态Fig.1 Form of coconut

1.2.2 生态复合片材的制备。将椰丝进行干燥处理至含水率10%左右，根据热压压力2.0 MPa、热压时间600 s、热压温度120 ℃、幅面300 mm×300 mm、厚度10 mm、密度0.1 g/cm3、密度0.2 g/cm3、密度0.3 g/cm3、施胶量2%、施胶量4%、施胶量8%等参数施胶热压制成椰丝生态复合片材，并分别测量片材的幅面和厚度数值，计算求出平均密度。

1.2.3 应用性能测试。

(1)保水性能。在尺寸为95 mm×95 mm的塑料盒中，分别加入100 g左右接近绝干状态的育苗土与40 g水，覆盖不同条件下制备的椰丝生态复合片材试件(幅面为100 mm×100 mm，含水率为10%)，放入电热鼓风干燥箱中，在80 ℃下每隔30 min记录其总重量变化，通过失水量的数值，表征材料保水性能。

(2)透水性能。在尺寸为95 mm×95 mm的塑料盒上，分别覆盖不同条件下制备的椰丝生态复合片材试件，将20 mL水均匀倒在其表面上并开始计时，记录水分通过片材所需要的时间，表征透水能力。

(3)吸水性能。将试件放入5个2 000 mL的烧杯中，加水至1 800 mL刻度线，在室温条件下，放置24 h后，取出试件，擦去表面附水，在10 min内完成测量，由吸水量与试件质量的吸水率表征吸水性能。

2 结果与分析

2.1 椰丝的物理性能 由表1可知，椰丝纤维直径较粗且分布极不均匀，离散度大，力学性能存在较大差异。干态下拉伸试验测得抗拉强度与伸长率平均值分别为73.52 MPa与10.439%，表明椰丝材料具有良好的力学强度与伸长率；浸泡24 h后水分进入椰丝细胞壁间隙，椰丝直径略微增大，测量值更趋于稳定，平均抗拉强度值与断裂伸长率分别提高51.91%与158.41%，这是由于水分进入椰丝纤维细胞，对纤维细胞内的微纤丝等起到了一定程度润湿作用，增强了椰丝的韧性，表明椰丝纤维具有良好的韧性和抵抗冲击破坏的能力，可用于制备耐候性生态片材。

表1 椰丝物理性能

2.2 热压工艺对尺寸稳定的影响 椰丝生态复合片材具有明显的回弹现象，片材密度远低于目标密度，这是材料本身良好韧性的缘故。由表2可知，在施胶量为2%的条件下，平均密度相较于目标密度的偏差较大，变异系数最大可达0.142。这是因为在低施胶量条件下，胶黏剂的作用难以保证片材的尺寸稳定，复合片材的成型主要靠椰丝纤维之间的勾连作用，在椰丝纤维本身良好弹性的作用下，片材发生蠕变现象，缓慢回弹导致密度减少。当目标密度增大时，椰丝纤维总量也相应增加，其回弹现象也更加显著。

椰丝纤维与基体树脂材料结合时的界面特征与椰丝纤维的表面特征有关，椰丝纤维表面粗糙度高，含有大量的刺状突起和凹坑，这些突起结构为椰丝之间的相互勾连提供了有力的保障。正是这种勾连作用，使得椰丝生态复合片材具有一定弹性，在厚度方向上会出现不同程度的回弹，这有利于增大椰丝生态复合片材本身的透水透气性，亦有利于之后通过覆盖方式改善土壤蓄水保墒能力。

2.2.1 椰丝生态复合片材厚度回弹率。厚度回弹是椰丝生态复合片材固有的现象。由图2可知，随施胶量的增加、目标密度的增加，厚度回弹率呈下降趋势。在施胶量为2%、目标密度为0.1 g/cm3的条件下，厚度回弹率达最大值60.2%。原因是在该工艺条件下，椰丝生态复合片材的强度及定型一方面依靠胶的作用，另一方面则依靠椰丝互相之间的勾连作用。密度与施胶量的减少，使得椰丝纤维的连结作用力较少，停止施加载荷后片材缓慢回弹。增加施胶量和提高目标密度能有效改善片材的回弹率。

表2 椰丝生态复合片材密度

2.2.2 椰丝生态复合片材吸水厚度膨胀率。由图3可看出，椰丝生态复合片材浸水24 h后，在厚度方向上均出现不同程度的膨胀，总体上，随目标密度的增大和施胶量的增加，吸水厚度膨胀率呈增大趋势。这是由于浸水后胶黏剂的作用有所减弱，其定型能力下降，同时椰丝纤维由于水分进入而体积膨胀，因而在厚度方向上出现不同程度的尺寸变化。

图2 厚度回弹率Fig.2 The rebound rate of thickness

2.3 生态片材应用性能分析

2.3.1 保水性能。图4表明，试件水分散失量随时间变化持续增大，同时随着密度增大，水分流失的速率明显减少，保水能力增强。原因是密度的增大会使片材更加致密，水气更难以通过片材，透水透气能力也会相应降低。此外，相同目标密度条件下施胶量对水分流失速率的影响并不明显，水分流失是通过椰丝纤维间的间隙，由于椰丝间的勾连和回弹作用，脲胶不能完全使椰丝纤维间的间隙闭合，而密度的增加使得纤维间的间隙减少，失水速率降低。在较高目标密度条件下，施胶量为8%的片材失水量略高于低施胶量，推测原因是椰丝纤维比表面积较小，随施胶量的增加，会在椰丝纤维表面形成致密光滑胶层，阻隔椰丝纤维与水分的直接接触，降低了椰丝材料的吸水性能，从而增大了水分流通速率。

图3 吸水厚度膨胀率Fig.3 Absorbent thickness expansion rate

图4 保水性能测试结果Fig.4 Result of water retention performance test

2.3.2 透水性能。由图5可知，椰丝生态复合片材的渗透系数随椰丝生态复合片材密度的增大而逐步降低，原因是椰丝纤维本身吸水性较好，随着目标密度的增加，生态复合片材中椰丝数量增加，因此蓄水能力增强，相同时间内的透水能力则相应降低，同时密度的增加使得片材的致密程度增大，透水能力相应下降。渗透系数随施胶量增加而减小，这是由于施胶量的增加加强了试件内部的胶合强度，纤维之间的空隙减少，因而渗透系数降低。但在低密度条件下，施胶量为8%的片材透水系数出现增加趋势，推测原因是在低目标密度条件下，施胶量的增加并不能增强片材间的胶合，反而会在椰丝材料表面形成一层胶层，降低椰丝材料的吸水性能，透水速率增大。

图5 透水性能测试结果Fig.5 Result of water permeability test

图6 吸水性能测试结果Fig.6 Result of water absorption test

2.3.3 吸水性能。由图6可知，吸水率随施胶量的增加而减少，这是因为随施胶量的增加，椰丝生态复合片材的致密程度增大，因此材料的吸水能力也随之有所下降。另一方面，参照之前的分析结果，施胶量的增加会在椰丝表面形成胶层，阻隔了椰丝与水分的接触，从而降低了吸水率。片材的吸水能力随目标密度的增大而减弱，原因是椰丝生态复合片材目标密度的增大使其更加致密，与水分接触面积较少导致吸水能力相应降低。同时椰丝纤维的半纤维素含量同比较低，而半纤维素属亲水性物质，其吸水性显著高于纤维素，因此椰丝纤维含水率相对较低，亲水性较差。椰丝纤维的吸水性虽然相对较弱，但是椰丝生态复合片材的吸水性一方面与椰丝本身的吸水能力有关，另一方面也取决于其结构形态，椰丝生态复合片材是一种疏松多孔状结构，有良好的蓄水能力。

3 结论

该试验所采用椰丝的直径为0.32 mm左右，干态下椰丝的抗拉强度为76.21 MPa，伸长率为10.79%；24 h浸泡后椰丝纤维的抗拉强度为116.45 MPa，伸长率为26.07%；经过24 h浸泡后椰丝纤维的抗拉强度相较于干态下均有所提高，浸泡后椰丝的断裂伸长率增大。

椰丝生态复合片材的密度普遍低于目标密度，平均密度与目标密度的偏差为22%～51%，并且均存在厚度回弹以及吸水厚度膨胀现象，其中随目标密度的增加，厚度回弹率和吸水厚度膨胀率增大。椰丝生态复合片材的渗透系数和水分散失速率随密度和施胶量增加而降低，保水能力增强；椰丝生态复合片材的吸水率随密度和施胶量的增大而减小。

椰丝生态片材的较优工艺参数为：施胶量2%，目标密度0.3 g/cm3。在该工艺条件下制备的椰丝生态复合片材厚度回弹率较大，吸水性佳，保水能力强，能有效防止土壤水分的挥发并从空气中吸收水蒸气，储水保墒效果好。

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Manufacturing Process of Ecological Composite Sheet Based on Coconut and Its Application Properties

ZHANG feng, ZHAO Yang, ZHANG Li, MU Jun*

(Key Laboratory of Wood Materials Science and Application of Ministry of Education, Key Laboratory of Beijing for Wood Science and Engineering, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083)

[Objective]To explore the feasibility of coconut ecological composite sheet in soil moisture conditions improvement.[Method]To evaluate the material characteristics of ecological composite sheet,tensile strength and elongation of coconut, density, the thickness resilience ratio and the thickness swelling rate of ecological-mat was selected to investigate. Performance of coconut ecological composite sheet induding was evaluated and the optimal manufacturing parameters were obtained the water holding capacity, the water permeability and the water absorption.[Result] Coconut has a great tensile strength and toughness. An obviously thickness resilience was observed in the condition of low resin content on ecological composite sheet and it became more intense with the decline of resin content and the target density. The results also revealed that specimen had different levels of inflation in thickness direction after soaking for 24h. Meanwhile, thickness swelling rate and the water holding capacity had a positive relation with resin content and the target density, while the water permeability and the water absorption had a negative relation with resin content and the target density. [Conclusion]The optimal water-stored ability of ecological composite sheet is obtained under the condition of 2% resin content and the target density 0.3 g/cm3.

Coconut; Ecological composite sheet; Thickness resilience; Performance of application

北京市教委共建项目。

张峰(1993- )，男，广西河池人，硕士研究生，研究方向：木质复合材料。*通讯作者，教授，博士，从事木质生物质材料应用。

2016-08-10

S 781

A

0517-6611(2016)28-0146-04