中国能源资讯网随着现代化技术的蓬勃发展和越来越多的环境问题，人们越来越多地研究和应用天然纤维，以减少对传统石油基材料的依赖。通过水浸渍或人工分离从植物中获得的天然纤维具有产量丰富，重量轻，可生物降解，可再生，易于加工，无毒，低成本等特点被广泛使用。由一种或多种纤维与一种或多种聚合物基质结合得到的天然纤维/聚合物杂化复合材料已被广泛应用于汽车行业。然而由于天然纤维容易吸水，导致其复合材料耐用性成为一个重要问题。
近日，南京林业大学韩景泉教授、蒋少华教授等人通过脱木质素和浸渍丙酮稀释的环氧树脂，创新性地制备了基于植物纤维的透明纤维。环氧树脂在不恶化其机械性能的情况下提高了纤维的热稳定性，也赋予了纤维透明性。3种直径透明纤维的拉伸强度分别为34.5、58.6和100.3 MPa，相应的杨氏模量分别达到1.1、1.7和2.3 GPa。此外，用绿色激光显示透明纤维的导光性能，并且光纤沿纤维生长方向表现出良好的透光性。透明光纤因其高热稳定性、良好的机械性能和导光性能而有望用于光纤。
/ 透明纤维的制备 /
透明纤维的制备过程如图1所示，首先从天然的玛瑙藤中提取得到长度为3 cm 三种直径不同的（1.20 mm,0.60 mm, 0.30 mm）天然纤维（NFL，NFM，NFS）。随后三种天然纤维经过NaCO2溶液在70°C下进行脱木质素处理得到脱木质素纤维（DFL，DFM，DFS）。最后将所得脱木质素纤维在真空下浸入丙酮稀释过的环氧树脂中进行充分浸滞，经过风干、固化后得到三种透明纤维（TFL，TFM，TFS）。
图1. 透明纤维的制备示意图。
/ 透明纤维的表征 /
透明纤维的纵向SEM图像和拉伸试验后透明纤维的断裂表面SEM图像如图2所示。脱木质素后，藤纤维由黄色变为白色（图1）。经过环氧树脂浸渍后，由于纤维表面的固化树脂，透明纤维的表面比脱木质素纤维的表面更光滑（图2 a-c）。DFL和TFL至少有两条后生木质部导管，DFM和TFM有一条后生木质部导管，而DFS和TFS没有导管，只有管胞（图2d-f）。此外，与脱木素纤维相比，透明纤维的导管和管胞被环氧树脂完全填充（图2d-i）。
图2.（a）TFL、（b）TFM以及（c）TFS的纵向SEM图像，（d）TFL、（e）TFM以及（f）TFS的断裂表面SEM 图像L，（g）TFL、（h）TFM、（i）TFS的管胞断裂表面SEM图像。
天然纤维、脱木质素纤维和透明纤维的FTIR光谱如图3a，b所示，在天然纤维中发现的关于木质素的特征吸收峰在脱木质素后消失，表明木质素被去除。图3c，d显示了透明纤维和环氧树脂的热重（TG）及其导数热重（DTG）曲线。图3d中100-250 °C之间的峰表明半纤维素和一小部分环氧树脂的降解。250-450 °C之间的强峰对应于环氧树脂，纤维素和剩余少量木质素的热解。由于环氧树脂的保护作用，透明纤维中纤维的热解被延迟，热稳定性优于脱木质素纤维。
图3. （a）天然纤维、脱木素纤维和透明纤维的FTIR光谱（（b）是虚线框中的放大图片）。透明纤维和环氧树脂的（c）TG和（d）DTG曲线。
/ 透明纤维的机械性能 /
TFL、TFM和TFS干燥后的密度分别为 0.88、0.92 和 0.99 g cm?3（图 4a）。三种透明纤维和环氧树脂的应力-应变曲线如图4b所示。曲线初始线性部分的斜率为杨氏模量，而曲线的非线性部分表示拉伸实验中纤维细胞的分层和较弱初级细胞壁的塌陷。TFL、TFM和TFS的杨氏模量分别为1.1、1.7和2.3 GPa（图4c），相比脱木质素纤维显著增高，这归因于透明纤维中的固化环氧树脂。此外，TFL、TFM和TFS的抗拉强度分别为34.5、58.6和100.3 MPa，显著高于DFL， DFM和DFS，（分别为32.7、60.3和103.3 MPa）（图4d）。同时随着纤维直径的减小，纤维的拉伸强度和韧性增加。
图4. (a) TFL、TFM和TFS的密度。(b) TFL、TFM、TFS和环氧树脂的应力应变曲线。(c) TFL、TFM和TFS的杨氏模量，(d)抗拉强度和韧性。
/ 透明纤维的光学特性 /
明纤维的光学特性如图5a-c所示，可以看出，三种不同直径的纤维表现出相似的规律。天然纤维和脱木素纤维不能传导绿色激光。由于反射的激光，光纤的下部是绿色的，而光纤的上部仍然是黑暗的，没有发现光传导。然而，透明光纤可以很好地将光从光纤的一端传输到另一端，并且透明光纤从下到上完全发光。图5d-f是光纤到达激光器正上方时的照片。当透明光纤在激光器正上方移动时，整个光纤立即发光，光从光纤的中点传输到两端。但是，当天然光纤和脱木素光纤在激光器正上方移动时，仅在光纤中点附近看到反射光，而光纤的其他部分呈现原始颜色并且不发光，表明光无法从光纤的中点传输到两端。以上结果表明透明光纤可以很好地导光，并具有用作光纤芯材的潜力。在偏振光下，透明纤维表现出明亮的双折射，表明无定形木质素的去除和透明纤维的有序结构（图5g-i）。
图5. 经绿色激光照射的(a)天然纤维、(b)脱木质素纤维和(c)透明纤维的一端照片。经绿色激光照射的(d)天然纤维、(e)脱木质素纤维和(f)透明纤维中点照片。(g)TFL、(h)TFM和(i)TFS偏振光显微镜图像。
/ 总结 /
在本文中，作者首次报道了基于天然纤维素纤维和环氧树脂的透明纤维的制备。与天然纤维和脱木素纤维相比，由于环氧树脂和纤维之间的协同作用，透明纤维表现出良好的热稳定性、力学性能和透光性。随着直径的减小，透明纤维同时显示出增强的拉伸强度和杨氏模量。具有良好导光性的透明光纤具有用作聚合物光纤芯材的潜力。这些透明纤维将拓宽天然纤维素纤维基复合材料的应用，开辟光纤芯材的新领域。
