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蕉麻纤维的特性及研究应用进展

花匠小妙招
2024-12-08 10:06

1. 引言

随着世界科技经济的飞速发展，中国的生态文明建设也向着推绿、减污、节资的方向不断推进。现阶段的实际生产应用中，纤维材料可以分为人造纤维和天然纤维，其中人造纤维例如聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维由于不易降解，会对自然环境造成不可逆的危害，而天然植物纤维凭借其来源广、可再生、无污染、价格低等特点，具有人造纤维不可比拟的优势[1] [2]，天然纤维还有着可再生、重量轻和出色的机械、隔热、隔音等优势，但同时也具有热稳定性低、吸水易膨胀等缺点[3] [4]。对天然纤维的探索和应用，是践行可持续发展的重要方向。

蕉麻(Musa textilis Née)也称马尼拉麻，属于芭蕉科、芭蕉属，产于菲律宾，目前在中国广东、云南、广西等地均有少量种植。蕉麻纤维产于其叶部，属于天然硬质纤维，长度可达3米，具有高拉伸、高折叠强度、高浮力及孔隙率、抗盐水破坏能力强等优点[5]，可在一定程度上代替大部分的天然植物纤维。蕉麻还可用于绳索、纤维工艺品、纸浆和阻拦索的制作，能够生产防伪纸、茶包、卷烟纸等纸制品[6]。然而，目前蕉麻在国内的种植面积较小，国内外相关的基础研究缺乏，随着天然纤维在纺织、材料、环保等领域的优势逐渐受到重视[7]-[9]，蕉麻以其独特的优势带来的需求和应用前景日益广阔[5] [10]。本文旨在总结分析蕉麻纤维在建筑、结构、纺织等领域的应用潜力，探讨蕉麻纤维未来发展和研究的趋势，为今后蕉麻在不同领域的深度开发提供科学参考。

2. 蕉麻的种植

目前菲律宾和厄瓜多尔是世界蕉麻的主要生产地，其中菲律宾是世界上最大的蕉麻纤维生产国，年产量为57,000吨，供应全球约87%的需求，其次是厄瓜多尔，年产量为10,000吨。已知的蕉麻约有200多个变种和20个栽培品种[11]，是菲律宾重要的经济作物，为该国人民创造了更多的就业机会[12]。蕉麻属于多年生草本植物，形似芭蕉，假茎笔直柔软，由12~30层叶鞘包裹，长度可达7 m以上，叶片长圆形，螺旋排列，向顶端变窄，基部圆形，长度可达近3 m，叶柄长30~62 cm，以高角度向上支撑叶子[13]。蕉麻的果实平均长3~7 cm，每个果实约有36~160粒种子，不宜食用[14]。

蕉麻的纤维产量和质量差异在不同的生长条件下非常显著。其中，降雨、遮荫和土壤是影响蕉麻纤维质量的重要因素[15]。过少的降雨会导致土壤水分含量的下降，进而造成蕉麻蒸腾作用的降低，影响其纤维质量，降水量超过2000毫米、湿度高达78%~88%、温度为22℃~26℃的地区最适合种植蕉麻，降雨分布均匀、没有长时间的旱季也是蕉麻生长需要的条件之一[14]。而蕉麻幼苗则需要间歇性的遮荫以获得更加快速的生长，随着上世纪蕉麻种植面积的增加，能够给蕉麻提供的遮荫物逐渐减少，影响了幼苗的生长，在50%的遮荫培养中，蕉麻幼苗的生长明显优于遮荫较多或遮荫较少的那部分[16]。由于蕉麻还是多年生的草本植物，所以保持土壤的长期肥力也是影响蕉麻生长的关键因素。研究发现，蕉麻更倾向于肥沃、保水、通气以及具有良好排水条件的中性土壤，其中最合适蕉麻生长的是火山土壤，或近代火山冲积造成的砂质土壤，在土壤肥力下降后，蕉麻纤维的产量也会随之降低[17]。此外，在先前的研究中还发现，蕉麻需要大量的K、Ca和Mg，以保证良好的生长[14] [18]。种植蕉麻的土地还应该补充其他植物起到遮荫效果，如芒果、椰子、咖啡、榴莲等一些多年生植物，能够对幼苗起到较好的遮荫效果，同时还可以间作一年生植物如花生、玉米，可以帮助调节土壤，控制杂草，防止水土流失。

3. 蕉麻纤维的性质和提取

成熟的蕉麻纤维束直径约为400 μm，长度为2500~3000 mm，横截面均呈多边形，大部分为规则的五边形、六边形，主要由20~60根单纤维组成，单纤维中含有中腔，主要成分为纤维素、木质素和半纤维素，其余为蜡质和其他表面杂质[19]。其纤维含量约为56%~63%，半纤维素含量约为20%~25%，木质素含量约为12%~13% [19] [20]。蕉麻束纤维长度可达2~12毫米，直径从12~36微米不等[21]，密度为1.5 g/cm3，杨氏模量为9~33.6 GPa，断裂伸长率为2.7%~13.6%。蕉麻纤维的各种成分在不同温度下会发生分解。其中，半纤维素、纤维素和木质素分别在298℃、335℃和337℃分解，纤维的分解则发生在200至370℃之间[22]。蕉麻纤维还具有羟基、羧基、酯基、乙酰基等功能基团[23]，这些功能基团主要存在于纤维素、半纤维素、木质素、果胶和其他粘合材料中，这些基团往往会在麻蕉纤维的化学处理过程中浸出[24]。通过热解耦合气相色谱质谱法和高温气质联用对蕉麻纤维进行分析表明，蕉麻纤维提取物主要是游离甾醇、脂肪酸和羟基肉桂酸酯，以及丁香醇、丁香醛、芥子醛和芥子醇等木质素衍生化合物[25]。由于木质素含量较高，蕉麻纤维不易被酸水解。但溶于热碱，易氧化，易与苯酚产生凝结[26]。

能够被提取的蕉麻纤维主要分布在叶鞘的外层和中层，而位于叶鞘内层的纤维目前主要用于有机肥料的制作。蕉麻在种植后的18~24个月达到成熟状态，此后每3~4个月可以进行一次纤维的收获。未成熟的蕉麻叶鞘纤维通常较为脆弱，而过熟的叶鞘则含有过多的粗纤维和褐色纤维[14]。目前蕉麻主产国菲律宾的主要产麻方式仍然以手工为主，通过人工剥离的方法仅能产生2%左右的蕉麻纤维。提取蕉麻纤维的方法是通过抽丝(tuxy)、剥离、干燥三个步骤进行，这种方法是将包含初级纤维的外鞘与次级纤维的内鞘分离的过程，再通过固定的刀片(Stripping Knife)或者石头滚筒(Decortication Drum)将树胶、维管组织和其他残留的叶子物质从纤维中分离出来。最后晒干纤维中多余的水分，相比于传统的手工提取，这种方法能够将蕉麻纤维的产率提高到3.0%~3.5%。但是目前这些提取工艺中仍然存在许多废料和废弃纤维无法利用。

4. 蕉麻纤维的加工

天然纤维通过其特有的优势受到越来越多领域的青睐，其中关于蕉麻纤维的应用和研究也在不断增加。天然纤维中具有的羟基使得其本身具有一定的亲水性基[27]，而纤维和聚合物基质之间的粘附性能会降低它们作为增强剂的潜力，当疏水基质中的亲水纤维吸收基质中的水分时，可能会发生“溶胀”，使其容易变弱和变质，为了获得品质更好、更稳定以及更有潜力的纤维复合材料，通常需要对天然纤维进行加工处理，目前常见的处理方式分为物理处理和化学处理[28] [29]，物理处理有冷等离子体、热处理、辐射处理和电晕等方式，化学处理有马来酸、有机硅烷、氢氧化钠、高锰酸钾、过氧化物和酶改性等方式[30]。研究表明，经过碱处理的蕉麻纤维吸湿性明显降低，根据碱处理程度最高可达67% [31]。氢氧化钠是常见的蕉麻纤维碱处理方法，但是其浓度、温度和时间是处理过程中的关键因素，例如浓度和温度过高会导致纤维束的分解，纤维性能下降。研究发现，用5% NaOH溶液处理的蕉麻纤维的杨氏模量增加了41%，而用10%和15% NaOH溶液处理的蕉麻纤维杨氏模量分别降低了24%和29%，并且纤维发生了扭曲，10%以上的NaOH处理会导致蕉麻纤维内腔严重受损[32]。Valášek等人的研究表明，与未经过碱处理的纤维相比，5% NaOH进行处理的蕉麻纤维的杨氏模量提高到90%，拉伸强度提高到74% [33]。而在另一项研究中则发现，未经碱预处理、在Al2(SO4)3溶液中浸泡12小时并调节pH为6的蕉麻纤维在处理过的纤维中表现出最高的拉伸强度，这是由于铝化合物的沉积使纤维表面变得更粗糙，改善了地质聚合物基体和蕉麻纤维之间的界面结合，同时保护处理过的纤维免受热降解[22]。此外，使用酶对蕉麻纤维复合材料进行改性，能够除去纤维表面一些不需要的元素，由于部分纤维成分的去除和表面积的增加导致增加界面结合，酶改性后的纤维降低20%~45%的吸湿性，增强5%~45%的拉伸强度和10%~35%的弯曲强度，并且在酸碱介质中具有更好的耐受性[34]，并且酶改性技术还具有降低成本、节能节水以及保护环境等优点。使用六甲基二硅氧烷(HMDS)树脂改性的蕉麻复合材料在机械和阻燃性能方面有所改善，这是由于形成的硅氧烷键与基体和织物的官能团相兼容[35]。

在纤维处理的过程中加入偶联剂也能提高纤维的机械性能或者复合材料的粘合力。使用苯重氮氯化物对蕉麻纤维进行处理发现，与未处理的复合材料相比，经过重氮处理的复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度更高，且不含偶联剂蕉麻纤维含量为40%的复合材料表现出最佳性能[23]。由于偶联剂的加入，蕉麻聚丙烯的机械性能和阻尼性能分别提高了30%~80%和30%~120%。此外，通过十六烷基三甲氧基硅烷与MAPP结合处理蕉麻纤维有助于蕉麻和聚丙烯复合材料的结合[36]。

5. 蕉麻及其复合材料的研究现状

蕉麻纤维及其复合材料具有价格低廉、减轻重量、可降解、不易腐烂、弯曲强度与玻璃纤维相当、增强隔热和隔音等优势，在未来有望应用于纺织产业、汽车制造、建筑材料和包装等领域[37]。

在纺织领域中，蕉麻纤维已经被证明能与人造纤维混合制造出较为舒适的床单，将75%蕉麻纤维和25%人造纤维进行混合制作出的床单，触感柔软光滑，并且具有高吸水性和适度的伸长率，是一种理想的护理型床单[38]。对蕉麻制作的纸纱和棉纱混合的织物进行检测发现，随着纸纱比例的增加，织物表面粗糙度增加，摩擦系数降低，接触面积减少，导热系数增加，水分扩散率增加，通过两者比例的调整，可以开发出即使潮湿也能使皮肤感到舒适的衣服[39]。在菲律宾，蕉麻纤维常被用于制作高档服装，例如巴隆衫[40]。使用软化技术能够有效降低蕉麻纤维的粗糙程度，通过棉等其他纤维进行混纺有望将蕉麻纤维运用于更多类型的服装制作[41]。目前，蕉麻纤维还是制作手工编织包、玩偶等特色工艺品的原材料[41]。

有研究表明，蕉麻纤维已经应用于汽车外部结构的制造，并且是第一种适用于制造公路车辆外部部件的天然纤维，在一些汽车底盘的保护装置中也有添加蕉麻纤维的先例[42]，可以起到抗风化、抗打击和抗湿性等作用[43]。在复合材料的研究中发现，蕉麻纤维能够运用于制造环氧复合材料，通过改变添加的纤维含量，从而增加复合材料的隔热性[44]。蕉麻纤维聚丙烯复合材料还具有在冲击强度要求较低的应用中作为替代品的潜力[45]。玻璃纤维和天然纤维的复合材料也是当前研究的重要方向，Paglicawan等人使用真空辅助树脂转移法(VARTM)制备了蕉麻与玻璃纤维的复合材料，虽然复合材料中蕉麻纤维的增加会导致层压板的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度下降，但是合适的玻璃纤维和蕉麻纤维配比显示出了合适船体工业的最佳性能[46]。在PP复合材料的试验中发现，相比于黄麻和亚麻，蕉麻纤维聚丙烯复合材料表现出最佳的缺口夏比冲击性能和落锤冲击性能[47]。在杂化蕉麻环氧复合材料中添加赤泥后发现，随着蕉麻重量的百分比从2.6%增加到5.26%，再增加到7.9%发现，复合材料的弯曲强度先降后升高，赤泥粒的增加则会降低复合材料的冲击强度[48]。

通过蕉麻和其他天然纤维进行组合杂交也能改善复合材料的机械性能。使用蕉麻和黄麻纤维和玻璃纤维制造复合材料，根据不同的叠层方法能够体现出材料不同的优势，并且蕉麻含量较高的样品表现出更好的机械性能[49]。将蕉麻纤维置于黄麻纤维的两边，再用玻璃纤维在复合材料的顶部和底部进行层压，可以改善材料表面的光洁度并增加强度，天然纤维在水平和垂直方向上进行排列，能够提供各方面的强度[50]。

6. 结论和展望

本文对已有关于蕉麻纤维的研究进行了分析，总结了蕉麻的种植方式，其纤维的特性、处理方式、提取和加工工艺。可以看出，蕉麻纤维由于其性质有别于其他的天然纤维，在一定程度上能够替代剑麻、亚麻等植物纤维，蕉麻产业的刮麻设备机械化、批量化是提高产业规模的必要手段，但由于其规模化程度低、刮麻手段原始等因素，蕉麻进出口市场仍然局限于部分地区。混合蕉麻复合材料比非混合蕉麻复合材料表现出更好的机械性能，但是其性能的高低还取决于填料的百分比、填料尺寸、纤维长度、排列方式和堆叠顺序等因素。蕉麻纤维的处理方式主要还是集中于碱处理，对于加入偶联剂和酶处理的研究尚少。

相比于亚麻、椰壳纤维、剑麻增强聚丙烯复合材料，运用蕉麻纤维制作的复合材料的弯曲和冲击强度以及良好的拉伸强度都表明了其潜力和优势。除去传统机械性能的研究，在隔热、抗打击、降解速度等方面也是蕉麻纤维复合材料需研究的新领域。蕉麻纤维处理也是未来研究的重要方向。从目前的研究可以看出，偶联剂和酶具有碱处理纤维没有的优势。可以看出，蕉麻纤维合成材料在纺织、建筑、结构、汽车工业等领域的应用有着巨大潜力，是未来发展和研究的趋势。

基金项目

南宁剑麻试验站(2021~2025) (CARS-16-S14)；广西农业科学院基本科研业务专项资助项目，桂农科2024YP128。

NOTES

*通讯作者。

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