书城科普读物探究式科普丛书-无处不在的纤维
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第9章 人类智慧的结晶——化学纤维(6)

⑤水溶性膳食纤维具有很强的吸水膨胀性能,吸水后膨胀,体积和重量增加10~15倍,既能增加人的饱腹感,又能减少食物中脂肪的吸收,降低膳食中脂肪的热比值,相对控制和降低膳食的总能量,防止体内脂肪累积。

⑥科学研究发现,在控制餐后血糖急剧上升和改善糖耐量方面,可溶性膳食纤维效果最佳。膳食纤维能够延缓葡萄糖的吸收,避免进餐后血糖急剧上升。还可直接影响胰岛a细胞功能,改善血液中胰岛素的调节作用,提高人体耐糖的程度,有利于糖尿病的治疗和康复。研究表明,膳食纤维含量充足的饮食,无论是在预防或者治疗糖尿病方面都具有特殊的功效。

膳食纤维主要成分的结构及特性

①纤维素

纤维素不能被人体肠道的酶所消化。纤维素具有亲水性,在肠道内起吸收水分的作用。纤维素是膳食纤维的主要成分。日常的饮食中纤维素的含量如下:

麦麸:31%。

谷物:4%~10%,从多到少排列为小麦粒、大麦、玉米、荞麦面、薏米面、高粱米、黑米。

麦片:8%~9%;燕麦片:5%~6%。

马铃薯、白薯等薯类的纤维素含量大约为3%。

豆类:6%~15%,从多到少排列为黄豆、青豆、蚕豆、芸豆、豌豆、黑豆、红小豆、绿豆。

无论谷类、薯类还是豆类,一般来说,加工得越精细,纤维素含量越少。

蔬菜类:笋类的含量最高,笋干的纤维素含量达到30%~40%,辣椒超过40%。其余含纤维素较多的有:蕨菜、菜花、菠菜、南瓜、白菜、油菜。

菌类(干):纤维素含量最高,其中松蘑的纤维素含量接近50%,30%以上的按照从多到少的排列为:发菜、香菇、银耳、木耳。

此外,紫菜的纤维素含量也较高,达到20%。

坚果:3%~14%。10%以上的有:黑芝麻、松子、杏仁;10%以下的有白芝麻、核桃、榛子、胡桃、葵花子、西瓜子、花生仁。

水果类含量最多的是红果干,纤维素含量接近50%,其次有桑椹干、樱桃、酸枣、黑枣、大枣、小枣、石榴、苹果、鸭梨。

各种肉类、蛋类、奶制品、各种油、海鲜、酒精饮料、软饮料都不含纤维素;各种婴幼儿食品的纤维素含量都极低。

②半纤维素

在人的大肠内半纤维素比纤维素易于被细菌分解。它有结合离子的作用。半纤维素中的某些成分是可溶的,大部分为不可溶性,但有一定的生理作用。

③果胶

果胶是一种无定形的物质,存在于水果和蔬菜的软组织中,可在热溶液中溶解,在酸性溶液中遇热形成胶态。柠檬、菠萝、香蕉、柑橘、苹果等水果中果胶的含量比较高;卷心菜、豌豆、蚕豆等蔬菜的果胶含量也比较高。

④树胶

树胶的化学结构因来源不同而有差别。主要的成分是土套躺醛酸、半乳酸、阿拉伯糖及甘露糖所形成的多糖,可溶于水中(酸类或糖类中都含有亲水基),具有黏稠性,可起到增稠剂的作用。

⑤木质素

木质素不是多糖物质,而是苯基类丙烷的聚合物,具有复杂的三维结构。因为木质素在细胞壁中难以与纤维素分离,故在膳食纤维的组成成分中包括了木质素。该成分人和动物均不能消化,食后随粪便排出。

⑥抗性淀粉

抗性淀粉包括改性淀粉和淀粉经过加热后又经冷却的淀粉,它们在小肠内不被吸收。

膳食纤维的副作用及摄入过量的表现

膳食纤维有妨碍消化与吸附营养的副作用。因此,胃气不强的人,吃了粗粮就会感觉胃不舒服。由于粗纤维不易被吸收且营养成分含量少,吃多了粗粮易引起营养不良。也正是因为如此,必须在提升胃气、适量增补额外营养物质的情况之下,才能坚持吃粗粮。

过多的摄食膳食纤维会致腹部不适,如增加肠蠕动和增加产气量,影响其他营养素如蛋白质的消化和钙、铁的吸收。因此,日常生活中只需适量的食用一些膳食纤维即可,可以促进肠胃的消化和维持身体健康。

10.金属材料理想的替代品——玻璃纤维

玻璃中也存在纤维吗?玻璃是种混合物,日常生活用途广泛,没有固定的熔沸点,也就决定了玻璃纤维的用途广泛。

玻璃纤维概述

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。

它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺,最后形成各类产品。玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几个微米,相当于一根头发丝的1/20到1/5,每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成,通常作为复材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等,广泛应用于国民经济各个领域。

玻璃纤维的特性

一般人看来,玻璃为质硬易碎物体,并不适于作为结构用材,但如其抽成丝后,则其强度大为增加,且具有柔软性,所以配合树脂赋予形状以后,最终可以成为优良的结构用材。玻璃纤维随其直径变小,其强度增加。作为补强材料玻璃纤维具有以下特点:①拉伸强度高,伸长小。②弹性系数高,刚性佳。③弹性限度内伸长量大且拉伸强度高,故吸收冲击能量大。

④为无机纤维,具不燃性,耐化学性佳。⑤吸水性小。⑥尺度安定性,耐热性均佳。⑦加工性佳,可制作股、束、毡、织布等不同形态之产品。⑧透明,可透过光线。⑨与树脂接着性良好的表面处理剂已经开发完成。⑩价格比较低。

这些特点使玻璃纤维的性能和使用远比其他类纤维广泛,其发展速度“居高临下,势如破竹”。

玻璃纤维的分类

玻璃纤维按形态和长度,可分为连续纤维、定长纤维和玻璃棉;按玻璃成分,可分为无碱、耐化学、高碱、中碱、高强度、高弹性模量和抗碱玻璃纤维等。

玻璃纤维按组成、性质和用途,分为A、C、E、S等不同的级别。

按标准级规定,E级玻璃纤维使用最普遍,广泛用于电绝缘材料;S级为特殊纤维,虽然产量小,但很重要,因具有超强度,主要用于军事防御,如防弹箱等;C级比E级更具耐化学性,用于电池隔离板、化学滤毒器;A级为碱性玻璃纤维,用于生产增强材料。

生产玻璃纤维的主要原料是石英砂、氧化铝和叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等。生产方法大致分两类:一类是将熔融玻璃直接制成纤维;另一类是将熔融玻璃先制成直径20毫米的玻璃球或棒,再以多种方式加热重熔后制成直径为3~80微米的细纤维。通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长的纤维,称为连续玻璃纤维,通常称长纤维。通过辊筒或气流制成的非连续纤维,称为定长玻璃纤维,通常称短纤维。借离心力或高速气流制成的细、短、絮状纤维,称为玻璃棉。玻璃纤维经加工,可制成多种形态的制品,如纱、无捻粗纱、短切原丝、布、带、毡、板、管等。

玻璃纤维的生产原料以及性能

玻璃纤维特殊的构造和性能使它不同于普通的玻璃制品。

因此,生产玻璃纤维用的玻璃不同于其他玻璃制品的玻璃。目前国际上已经商品化的玻璃纤维用的玻璃成分如下:

①E-玻璃,亦称无碱玻璃,是一种硼硅酸盐玻璃。目前是应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分,具有良好的电气绝缘性及机械性能。广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维,也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维。

它的缺点是易被无机酸侵蚀,故不适于用在酸性环境。

②C-玻璃,亦称中碱玻璃,其特点是耐化学性,特别是耐酸性优于无碱玻璃,但电气性能差,机械强度低于无碱玻璃纤维10%~20%,通常国外的中碱玻璃纤维含一定数量的三氧化二硼,而我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。

在国外,中碱玻璃纤维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品,但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半(60%),因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。

③高强玻璃纤维,其特点是高强度、高模量,它的单纤维抗拉强度为2800兆帕,比无碱玻璃纤维抗拉强度高25%左右,弹性模量86000兆帕,比E-玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。但是由于价格昂贵,目前在民用方面还不能得到推广,全世界产量也就几千吨。

④AR玻璃纤维,亦称耐碱玻璃纤维,主要是为了增强水泥的强度而研制的。

⑤A玻璃亦称高碱玻璃,是一种典型的钠硅酸盐玻璃,因耐水性很差,很少用于生产玻璃纤维。

⑥E-CR玻璃,是一种改进的无硼无碱玻璃,用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维。其耐水性比无碱玻璃纤维改善7~8倍,耐酸性比中碱玻璃纤维也优越不少,是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。

⑦D玻璃,亦称低介电玻璃,用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。

除了以上的玻璃纤维成分以外,近年来还出现一种新的无碱玻璃纤维,它完全不含硼,从而减轻了环境污染,但其电绝缘性能及机械性能都与传统的E-玻璃相似。另外还有一种双玻璃成分的玻璃纤维,已用在生产玻璃棉中,在作为玻璃钢增强材料方面也有潜力。

此外还有无氟玻璃纤维,是为环保要求而开发出来的改进型无碱玻璃纤维。

玻璃纤维制品的品种与用途

①无捻粗纱

无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。无捻粗纱按玻璃成分可划分为无碱玻璃无捻粗纱和中碱玻璃无捻粗纱。生产玻璃粗纱所用玻璃纤维直径为12~23微米。

无捻粗纱的号数为150号到9600号。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中,因其张力均匀,也可织成无捻粗纱织物,在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。

Ⅰ.喷射用无捻粗纱

适合于玻璃钢喷射成型使用的无捻粗纱,具备如下性能:

良好的切割性,在连续高速切割时产生的静电少;分束率高,即无捻粗纱切割后分散成原丝的效率要高,通常要求在90%以上;优良的覆模性,可覆盖在模具的各个角落;树脂浸透快,易于被辊子辊平,并易于驱赶气泡;原丝筒退解性能好,粗纱线密度均匀,适合于各种喷枪及纤维输送系统。

喷射用无捻粗纱都是由多股原丝络制而成,每股原丝含200根玻璃纤维单丝。

Ⅱ.SMC用无捻粗纱

SMC即片状模塑料,主要用于压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成25毫米的长度,分散在树脂糊中。

因此对SMC用纱中的要求是短切性好,毛丝少,抗静电性优良,在切割时短切丝不会黏附在刀辊上。而无捻粗纱正好具备以上所有优良性能,特别适合SMC的使用。对着色的SMC而言,无捻粗纱要在高颜料含量的树脂糊中被树脂浸透。

Ⅲ.缠绕用无捻粗纱

缠绕用无捻粗纱的要求如下:

成带性好,呈扁带状;无捻粗纱退解性好,在从纱筒退解时不脱圈,不形成“鸟巢”状乱丝;张力均匀,无悬垂现象;线密度均匀,一般须小于7%;无捻粗纱浸透性好,从树脂槽通过时,易为树脂润湿及浸透。

Ⅳ.拉挤用无捻粗纱

拉挤用于制造断面一致的各种型材,其特点是玻璃纤维含量高,单向强度大。拉挤用无捻粗纱可以是多股原丝并合的,也可以是直接的无捻粗纱,其线密度范围为1100号到4400号。各种性能要求与缠绕无捻粗纱大体相同。

Ⅴ.织造用无捻粗纱

对织造用无捻粗纱有如下要求:

良好的耐磨性;良好的成带性;织造用无捻粗纱在织造前需经强制烘干;无捻粗纱张力均匀,悬垂度应符合一定标准。无捻粗纱退解性好,浸透性好。这就决定了无捻粗纱的一个重要用途是织造各种厚度的方格布或单向无捻粗纱织物,大多用于手糊玻璃钢成型工艺中。

Ⅵ.预型体用无捻粗纱

在预型体工艺中,无捻粗纱被短切并喷附在预定形状的网上,同时喷少量树脂使纤维网固定成型,然后将成型的纤维网片移入金属模具中,注入树脂热压成型,即得制品。对于这种工艺的无捻粗纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。

②无捻粗纱织物(方格布)

方格布是无捻粗纱平纹织物,是手糊玻璃钢的重要基材。方格布的强度主要在织物的经纬方向上,对于要求经向或纬向强度高的场合,也可以织成单向方格布。它可以在经向或纬向布置较多的无捻粗纱。用方格布铺敷成型的复合材料其特点是层间剪切强度低,耐压和疲劳强度差。