Structure and properties of natural cellulose fibers obtained from sorghum leaves and stems

For the first time, sorghum leaves and stems have been used to produce natural cellulose fibers with properties suitable for composite, textile, and other high-value fibrous applications. The leaf and stems fibers produced are multicellular and have similar cellulose contents. The breaking tenacity and elongation of the fibers are similar to that of natural cellulose fibers such as kenaf and cornstalk fibers. However, the sorghum fibers have a modulus of about 113 g/denier (15 GPa) similar to the modulus of cornstalk fibers but higher than that of cotton and cornhusk fibers. At least 7 million tons of natural cellulose fibers can be produced by using the sorghum stems and leaves available as byproducts every year. Using the sorghum byproducts as a source for cellulose fibers will help to add value to the sorghum crops and also make the fiber industry more sustainable.     

Properties of high-quality long natural cellulose fibers from rice straw

This paper reports the structure and properties of novel long natural cellulose fibers obtained from rice straw. Rice straw fibers have 64% cellulose with 63% crystalline cellulose, strength of 3.5 g/denier (450 MPa), elongation of 2.2%, and modulus of 200 g/denier (26 GPa), similar to that of linen fibers. The rice straw fibers reported here have better properties than any other natural cellulose fiber obtained from an agricultural byproduct. With a worldwide annual availability of 580 million tons, rice straw is an annually renewable, abundant, and cheap source for natural cellulose fibers. Using rice straw for high-value fibrous applications will help to add value to the rice crops, provide a sustainable resource for fibers, and also benefit the environment.     

籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建

为深入研究籽棉压缩及应力松弛过程的力学特性并构建其本构模型,该研究以籽棉为研究对象开展试验,分别利用改进西原模型和五元件广义Maxwell模型对压缩和应力松弛的应力应变曲线进行描述。通过定义的本构模型对不同含水率及喂入量的籽棉力学特性试验数据结果进行参数辨识,得到相关模型参数,并探究不同因素对压缩及松弛过程应力的影响规律。研究结果表明:曲线拟合法求解籽棉压缩及应力松弛过程本构模型参数的决定系数均大于0.9,改进西原模型、五元件广义Maxwell模型可以较好地描述籽棉压缩力学特性和应力松弛特性。对籽棉压缩及应力松弛力学特性解析显示,模型参数表现出明显的应力规律:通过Duncan均值比较结果可知:籽棉压缩本构模型参数中不同含水率组间弹性模量差异均显著(P0.05),不同喂入量组间串联虎克体弹性模量差异显著(P0.05),压缩应力值与含水率、喂入量呈正相关关系;籽棉应力松弛模型参数中不同含水率及喂入量组间弹性模量及粘性模量差异均显著(P0.05),弹性模量、粘性模量与含水率及喂入量均呈正相关关系。籽棉压缩与应力松弛力学特性的研究可为籽棉压缩过程机理研究、模拟仿真提供理论依据,缩短机具研发过程。     

不同表面处理麦秸秆对木塑复合材料性能的影响

为提高麦秸秆纤维与聚丙烯(polypropylene,PP)基体的界面结合力,采用复合处理法对麦秸秆纤维进行表面处理:先分别用NaOH、乙酸溶液浸泡、水热处理、蒸汽爆破和微波等方法对麦秸秆纤维进行预处理,再复合偶联剂法处理麦秸秆纤维;用熔融共混、模压成型方法制备麦秸秆/废弃PP木塑复合材料,探讨了麦秸秆不同表面处理方法制备PP木塑复合材料力学性能和吸湿吸水性能;用体视显微镜对不同处理的麦秸秆及木塑复合材料拉伸断面进行观察。结果表明:经复合处理的麦秸秆与PP木塑复合材料力学性能和吸湿吸水性能均优于单纯使用偶联剂处理的麦秸秆与PP木塑复合材料;NaOH和乙酸复合处理的复合材料力学性能和抗吸湿吸水性能较好,水热和蒸汽爆破复合处理的复合材料次之。麦秸秆经复合处理后,表面变粗糙,秸秆纤维和PP基体的界面黏合性得到改善。该文研究结果对通过麦秸秆纤维表面处理提高麦秸秆/废弃PP木塑复合材料的性能有重要的实际意义。     

Preparation and characterization of durum wheat (Triticum durum) straw cellulose nanofibers by electrospinning

Cellulose nanofibers from durum wheat straw ( Triticum durum ) were produced and characterized to study their potential as reinforcement fibers in biocomposites. Cellulose was isolated from wheat straw by chemical treatment. Nanofibers were produced via an electrospinning method using trifluoroacetic acid (TFA) as the solvent. The nanofibers were 270 ± 97 nm in diameter. Analysis of the FT-IR spectra demonstrated that the chemical treatment of the wheat straw removed hemicellulose and lignin. XRD revealed that the crystallinity of the cellulose was reduced after electrospinning, but nanofibers remained highly crystalline. The glass transition temperature (T(g) value) of the fibers was 130 °C, higher than that of cellulose (122 °C), and the degradation temperature of the fibers was 236 °C. Residual TFA was not present in the nanofibers as assessed by the FT-IR technique.     

麦秸石膏复合材料力学性能和抗火性能研究

为提高麦秸利用率,增强石膏板力学性能,改善现有木基石膏板的抗火性能,试验以粒径分别为0.30～0.60和0.18～0.30 mm的粗、细2种麦秸纤维为增强相,以建筑石膏为连续相,采用复合常温固化型结构胶粘剂代替添加石膏缓凝剂的传统方式,提出了麦秸石膏复合材料初步成型和加湿增强的两步法制备工艺,并与杉木纤维和杉木刨花石膏复合材料的力学性能和抗火性能进行对比。结果表明,细麦秸纤维石膏复合材料的物理力学性能优于粗麦秸纤维石膏复合材料,其内结合强度、静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率分别为0.33 MPa、7.1 MPa、2370 MPa和2.82%,满足《LY/T1598-2011石膏刨花板》标准的要求。由于麦秸本身具有较低的导热系数和较高的灰分含量,麦秸石膏复合材料具有较杉木石膏复合材料更优的抗火性能,其点燃时间较杉木纤维石膏复合材料高,无明显热释放速率峰值。与杉木纤维石膏材料和杉木刨花石膏材料相比,细麦秸纤维石膏复合材料的总热释放量分别低48.18%和35.87%,CO2生成速率主峰分别低42.25%和38.81%,CO生成速率主峰相近,残重率略高。试件残照表明麦秸石膏复合材料试件燃烧后外观形貌更完整,炭化程度减轻。通过扫描电镜发现,麦秸纤维的外表面较光滑,石膏主要吸附在麦秸的内表面,较小纤维单元有利于增加石膏与麦秸内表面的接触面积。因此,从微观上说明了细麦秸纤维石膏复合材料的力学性能较高的原因。麦秸秆光滑的外表面几乎充满SiO2,这也说明了麦秸石膏复合材料有较好抗火性能的原因。研究可为石膏基复合材料的功能提升和麦秸石膏复合材料产品的工程应用提供参考。     

理化预处理麦秸改善其聚丙烯复合材料抗霉菌腐蚀力学性能

为探讨麦秸秆不同处理方法对其制备的聚丙烯（polypropylene,PP）复合材料耐霉菌腐蚀性能影响,采用NaOH、HAc、水热、微波4种方法对麦秸秆纤维进行表面预处理,并对未处理和4种处理麦秸秆制备的复合材料进行霉菌加速腐蚀试验,测试了5种复合材料腐蚀前后的力学性能、颜色变化和吸水性,用傅立叶红外光谱分析其官能团的变化,观察并分析复合材料表面霉菌生长情况及表面微观结构。结果表明：霉菌能腐蚀麦秸秆纤维中的纤维素、半纤维素和木质素,使复合材料表面产生裂纹和孔洞,预处理可改善麦秸秆纤维和PP基体间的界面结合,有效地阻止霉菌腐蚀复合材料中麦秸秆的纤维素、半纤维素和木质素,其中5%NaOH预处理效果最佳,其弯曲强度、拉伸和冲击强度分别比未处理的提高了1.68%、3.67%和75.28%,吸水率和色差值降低12.99%和55.25%,经预处理麦秸秆制备复合材料腐蚀后表面裂纹和较大孔洞减少。该研究结果可为提高木塑复合材料防霉效力提供试验数据和理论参考,有利于延长木塑复合材料使用寿命。     

In vitro fermentation of bacterial cellulose composites as model dietary fibers

Plant cell walls within the human diet are compositionally heterogeneous, so defining the basis of nutritive properties is difficult. Using a pig fecal inoculum, in vitro fermentations of soluble forms of arabinoxylan, mixed-linkage glucan, and xyloglucan were compared with the same polymers incorporated into bacterial cellulose composites. Fermentation rates were highest and similar for the soluble polysaccharides. Cellulose composites incorporating those polysaccharides fermented more slowly and at similar rates to wheat bran. Bacterial cellulose and cotton fermented most slowly. Cellulose composite fermentation resulted in a different short-chain fatty acid profile, compared with soluble polysaccharides, with more butyrate and less propionate. The results suggest that physical form is more relevant than the chemistry of plant cell wall polysaccharides in determining both rate and end-products of fermentation using fecal bacteria. This work also establishes bacterial cellulose composites as a useful model system for the fermentation of complex cell wall dietary fiber.     

沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析

以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象,采用振动筛分分组、统计分析、图像处理和Fibertec 2010&M6纤维分析系统分析等方法,对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析。研究结果表明,沼渣主要由质量分数为64%的纤维、35%的非矿物质和1%的矿物质组成;沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。从而得出结论：反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素含量较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素含量较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。研究结果为沼渣资源化、高值化利用技术研究奠定了基础。     

基于费舍尔评分与离散粒子群优化的棉花异性纤维在线检测

为改进基于机器视觉的棉花异性纤维在线检测效率,提出一种基于费舍尔评分与离散粒子群优化的棉花异性纤维特征选择方法。该方法将费舍尔评分滤波式特征选择方法及基于离散粒子群优化的捆绑式特征选择方法组合在一起,首先利用费舍尔评分方法过滤噪声特征,然后利用离散粒子群算法从已去噪的特征集中选取最优特征子集。提出的方法应用于棉花异性纤维数据集,并与费舍尔评分方法、离散粒子群方法、遗传算法、蚁群算法进行对比,试验结果表明该方法可以更有效地选择出有较少特征数目、较高分类精度的特征子集。从75个棉花异性纤维原始特征中选出18个特征组成的特征集,其分类准确度达到93.5%,检测时间仅为0.8231 s,有效地改进了棉花异性纤维在线检测的精度与效率,从而减少异性纤维对棉纺织品的危害,提高棉纺企业经济效益。     

废旧棉与水稻秸秆纤维混合地膜制造工艺参数优化

为提高废旧棉织物和农作物秸秆的利用率,对废旧棉纤维与水稻秸秆纤维混合制取地膜的工艺及性能进行了试验研究。以废旧棉纤维为"骨架",水稻秸秆纤维为填充辅料,添加功能助剂,应用四因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法,以打浆度、棉纤维添加量、定量和湿强剂质量分数为影响因子,以混合地膜的干抗张强度、干伸长率、湿抗张强度、湿伸长率为响应函数,研究得出了定量77~90 g/m2、湿强剂质量分数1.5%~1.8%、棉纤维打浆度45°SR、棉纤维添加量25%的废旧棉与水稻秸秆纤维混合地膜最佳工艺参数组合,所得混合纤维地膜的干抗张强度大于32 N、干伸长率大于1.8%、湿抗张强度大于10 N、湿伸长率大于5.5%,可满足地膜田间覆盖机械性能要求。研究结果为综合利用废旧棉织物和水稻秸秆制备可降解地膜提供理论依据和技术支撑。     

棉花纤维素累积与高强纤维的形成

本文对成熟棉样纤维素含量与纤维强度的关系进行了分析,并用~8H标记法研究了纤维素沉积速度对纤维强度的影响。结果表明,不同品种正常成熟棉样的纤维素含量一般均在85％以上,对纤维强度的影响较小;但是当纤维素含量低于80％时,纤维素含量提高,则纤维强度提高。用~3H标记法测定表明,纤维素合成速度对纤维强度有明显影响。棉铃发育过程中,纤维素合成速度变化比较均匀,有利于均匀紧密结构纤维的形成,纤维强度较高(海岛棉)。如棉铃发育后期吐絮之前,再次出现纤维素合成与沉积高峰,则只能使纤维变粗,于强度无益(鲁棉1号)。     

小麦秸秆纤维素均相醚化制备羧甲基纤维素工艺优化

为了利用小麦秸秆通过均相反应制备羧甲基纤维素(CMC,carboxymethyl cellulose),采用氢氧化钠和过氧化氢回流加热法制备小麦秸秆纤维素。以加入氧化锌的氢氧化钠/尿素/硫脲体系为溶剂,采用冻融循环法溶解小麦秸秆纤维素,利用正交试验获得了该溶解体系的最佳组成。在溶解了小麦秸秆纤维素的氢氧化钠/尿素/硫脲/氧化锌的体系中,以氯乙酸钠为醚化剂制备CMC,并对其进行红外光谱分析和取代度(degree of substitution,DS)测定。结果表明:在固液比为1∶20 g/mL,质量分数为10%NaOH,反应温度为85℃,回流3.5 h和固液比为1∶30 g/m L,质量分数为3%H_2O_2,反应温度为85℃,回流3 h处理小麦秸秆,纤维素提取率最高为84.61%,同时能较好的脱除半纤维素和木质素;最佳溶解体系为:质量分数为7%NaOH,11%硫脲,5%尿素,0.05%氧化锌,0℃时,最大溶解度为2.880 1 g。红外光谱试验表明小麦秸秆纤维素与微晶纤维素特征吸收峰基本一致,醚化反应生成的CMC与商品CMC的特征吸收峰基本一致。CMC的取代度受纤维素用量、温度和氯乙酸钠与纤维素葡萄糖单元(AGU,anhydroglucose unit)的摩尔比影响,随纤维素用量和氯乙酸钠与纤维素AGU的摩尔比增大而提高,随醚化温度的增加先增大(55℃)后降低。研究结果为以小麦秸秆为原料,经NaOH和H_2O_2处理获得纤维素,溶解在加入氧化锌的氢氧化钠/尿素/硫脲体系中,与氯乙酸钠经过均相醚化反应合成取代度较高的CMC提供参考。     

麦秸配施纤维素降解细菌对果园土壤有机碳库及生化特性的影响

  目的  研究果园土壤有机碳库及生化性质对小麦秸秆还田配施不同纤维素降解细菌的响应特点。  方法  以豫北碱性果园土壤为研究对象,采用室内培养法,以不添加麦秸及纤维素降解菌为对照（CK）,研究仅添加麦秸（S）及麦秸分别配施尼氏芽孢杆菌（Bacillus nealsonii,S + B）、科恩氏菌（Cohnella,S + C）、灿烂类芽孢杆菌（Paenibacillus lautus,S + P）处理对土壤有机碳含量、酶活性、速效养分含量及盐碱性的影响。  结果  培养100 d内有机碳矿化速率呈现先升高后下降的趋势,且与一级动力学模型高度拟合。麦秸配施纤维素降解菌处理的土壤有机碳矿化速率、累计矿化量及潜在可矿化碳含量均高于S处理。S + B处理的土壤总有机碳、微生物量碳、水溶性有机碳和易氧化有机碳含量分别比S处理提高10.14%、35.53%、26.27%和24.34%。麦秸配施纤维素降解菌提高土壤碳库管理指数和土壤酶活性,其中S + B处理的纤维素酶、碱性磷酸酶及脱氢酶活性均显著高于S处理。与仅添加麦秸相比,麦秸配施纤维素降解菌显著增加土壤速效氮、磷、钾及可交换性镁含量,降低可交换钙含量和pH值。土壤速效氮、磷及微生物量碳是影响有机碳矿化的主要因素。  结论  麦秸配施纤维素降解菌显著提高土壤有机碳库活度及含量,改善土壤生化性质,以尼氏芽孢杆菌的促进作用相对较高。     

不同黏结剂组合甘蔗渣/麦秆碳复合材料制备与性能研究

该文以甘蔗渣、麦秆为原料,以酚醛树脂、羧甲基纤维素为黏结剂,采用混合后热压再烧结的工艺制各碳复合材料,试验制备了各温度点下的材料并对其残碳率、密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行了测试,对该材料的性能、形成机理及规律进行了分析,初步揭示了原料选择、配比、温度等参数对整个制备过程及复合材料性能的影响.试验结果证明:通过该工艺用甘蔗渣(麦秆)和酚醛树脂(羧甲基纤维素)制备复合材料可行的,同时也表明黏结剂和烧结温度对碳复合材料性能影响很大,该试验为甘蔗渣(麦秆)等植物残渣的利用开辟了新的途径.     

皮棉表面单类异性纤维的高光谱图像检测

皮棉杂质直接影响棉包定级和棉纺织品品质。国内外学者采用机器视觉等技术,能够有效检测着色较深、面积较大和含有荧光物质的部分棉花杂质。但是,针对纤细、浅色、白色和透明杂质检测效果不佳。因此,该文采用高光谱成像系统获取纤细、浅色、白色及透明异性纤维的棉花高光谱图像,异性纤维包括灰色,白色和透明的丙纶丝、黑色人发、黑色和白色的猪毛、黑色或者透明的聚乙烯地膜碎片。采用主成分分析、独立成分分析、双波段比分析和波长合并四种降维方法,对比其异性纤维分割效果,确定最佳预分割图像。随后,采用Sobel算子边界提取和形态学处理分割这些图像,再采用膨胀和收缩等形态学运算分割出目标区域,最后采用面积单值滤波剔除二进制图像中的噪声点和伪目标区域。统计结果,训练和验证集异性纤维的识别准确度分别为73.2%和75.3%,其中,灰色丙纶丝和黑色毛发的识别率超过93%,白色丙纶丝的精确分割大于80%,结果表明,高光谱图像系统可以准确检测部分浅色、白色和黑色纤细的异性纤维,白色纤细毛发和透明的聚乙烯地膜碎片检测效果较差。     

植物纤维及其增强复合材料的研究进展

简要介绍了植物纤维主要组成成分，植物纤维复合材料的发展历史和应用领域。分别阐述了竹纤维、剑麻纤维、秸秆纤维及木质材料中的纤维的化学组成及结构，以及其增强复合材料的制备方法、研究现状及研究成果。针对现有植物纤维复合材料研究中存在的问题，提出了利用TRIZ理论进行计算机辅助创新设计、发展植物纤维编织及混杂工艺、提高植物纤维与树脂间相容性及复合材料降解性能、大力发展农业生物纤维复合材料等方面的未来发展方向。     

少免耕对小麦/玉米农田玉米还田秸秆腐解的影响

为了研究高产灌溉条件下土壤耕作模式对还田玉米秸秆腐解的影响,在山东龙口采用4种土壤耕作模式（常规耕作秸秆还田、旋耕秸秆还田、耙耕秸秆还田、免耕秸秆覆盖）进行了一年两季田间试验,测定了秸秆腐解率、秸秆腐解速率和秸秆的纤维素含量。结果表明：秸秆腐解速率与土壤温度具有显著的相关性。旋耕秸秆还田和耙耕秸秆还田两种少耕模式和常规耕作秸秆还田模式的秸秆腐解率、平均秸秆腐解速率无显著差异,说明少耕模式并不因减少耕作程序而降低作物秸秆在田间的腐解。免耕模式的秸秆腐解率和腐解速度显著低于以上3种耕作模式,经过小麦和玉米两个生长季节后仍有37.78%的玉米秸秆剩余,而且秸秆中纤维素质量分数为20.69%,腐解质量差,会对下年作物的出苗产生 影响。     

棉花中白色异性纤维的激光成像快速检测方法

现有的棉花异性纤维分拣机采用可见光照明成像,难以识别棉花中混杂的白色异性纤维。为了有效地检测出与棉花颜色相同或相近的白色异性纤维,该文采用线激光照明成像的方法,在固定线激光功率、波长和相机光圈的条件下,利用不同的曝光时间,获取了12种典型的白色异性纤维与皮棉的图像,分析其成像曝光时间与图像对比度之间的关系,发现不同的关系曲线存在一段共有的最优曝光峰值时间。在此曝光时间内,同一图像中的白色异性纤维已经"过曝",而棉花还处于欠饱和状态。二者图像灰度值的明显差异可用于检测棉花中的白色异性纤维。该文在线激光功率为0.8 W,波长650 nm,相机光圈为8C,曝光时间为1.6 ms的条件下获取了1 500幅图像。试验表明,采用简单的固定阈值法,皮棉中12种典型的白色异性纤维的识别率达到了95.8%。研究结果为提高棉花中白色异性纤维的识别率和速度提供了一条新途径。     

Suitability of wheat straw decomposition,cotton strip degradation and bait-lamina feeding tests to determine soil invertebrate activity

The activities of earthworms, springtails and mites in the decomposition of different substrates were examined by applying three different test methods: wheat straw degradation, the cotton-strip assay and the bait-lamina test. The main aim was to determine the potential of these three methods to describe the (direct and indirect) contribution of soil invertebrates to decomposition processes in soil. Animals were introduced at different densities to mesocosms consisting of intact soil cores taken from grassland. Wheat straw mass loss, determined after 27 days, and cotton tensile strength loss, measured after 14 days, did not significantly differ for the different densities of earthworms, springtails and mites. These findings indicate that cellulose degradation and wheat straw decomposition are more dependent on microbial activity, rather than on the abundance and activity of soil invertebrates. Soil microbial activity, measured as dehydrogenase activity at the end of the 75-day incubation period, did not show any correlation with animal density. Bait-lamina consumption rate was highest for the mesocosms containing earthworms, and increased with increasing earthworm density. Bait-lamina consumption in the mesocosms inoculated with springtails or mites only was not significantly different from that in the controls without animals. In the case of the mites this might at least partly be explained by the low densities used in this experiment. It may be concluded that whilst the bait-lamina test gives the best reflection of the biological activity of soil animals, in particular earthworms, wheat straw and cotton strip decomposition rates are more indicative of microbial activity in the soil.