竹纖維研究進展

于偉岸 李青山

劉君 呂珍珍 邢廣忠

(燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室 河北 秦皇島 066004)

竹纖維是一種真正意義上的天然環(huán)保型綠色纖維，是從自然生長的竹子中提取出的一種纖維素纖維，是繼棉、麻、毛、絲之后的第五大天然纖維。竹纖維具有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性和良好的染色性等特性，同時又具有來源豐富、綠色環(huán)保、負(fù)離子保健、天然抗菌、抑菌、除螨、防臭、吸濕放濕性和透氣性好和抗紫外線等其他纖維無法比擬的天然特性[1-2]。

竹纖維紡織品因其完全復(fù)制了竹纖維的固有特性，而倍受消費者青睞，產(chǎn)品需求量逐年上升[3]。竹纖維服裝服飾不僅能滿足人們回歸自然的需求，符合天然、環(huán)保、保健的要求，更重要的是具有其它纖維所不具備的優(yōu)良特性。用竹纖維紗線生產(chǎn)的針織、機織面料和服裝，具有明顯不同于棉、麻和木質(zhì)纖維素纖維的獨特風(fēng)格。我國具有非?？捎^的竹類資源儲量，但我國竹類資源的產(chǎn)業(yè)化程度較低，如果對竹類資源進行開發(fā)，既有利于森林資源的綜合保護，也為我國竹資源的合理利用尋找了一條理想途徑。竹纖維的開發(fā)突破了傳統(tǒng)的竹材應(yīng)用領(lǐng)域，豐富了竹文化的內(nèi)涵，符合開發(fā)綠色紡織品的潮流，提高了紡織品的附加值，增加了產(chǎn)品在國際市場上的競爭力[4-5]。

1 竹原纖維

竹原纖維是指采用物理或者機械的方法去除竹子中的木質(zhì)素、多戊糖、竹粉、果膠等雜質(zhì)，從毛竹中直接分離出來的純天然的原竹纖維[6]，該纖維具有綠色環(huán)保、性能優(yōu)異、風(fēng)格特殊、穿著舒服、保健功效顯著等優(yōu)點。在所有纖維中，竹纖維的吸濕透氣性是最好的。竹原纖維中含有“銀琨”的抗菌物質(zhì)，具有天然抗菌、防螨、防臭的藥物特性，可有效地抑制細(xì)菌生長、預(yù)防傳染病，這種抗菌性不會因為織物的反復(fù)洗滌、日曬等因素而失去作用，這與通過后整理獲得抗菌效果的織物有著根本的區(qū)別，同時竹纖維的天然抗菌性不會對皮膚引起任何過敏反應(yīng)。田慧敏[7]等對竹原纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進行了測試，并與苧麻纖維、亞麻纖維和棉纖維作對比，結(jié)果表明，竹原纖維呈圓柱形，有溝槽、裂縫和明顯的橫向接縫；竹原纖維的次生層呈現(xiàn)3層同心層結(jié)構(gòu)，次生外層微纖的取向角很小，與纖維軸近乎平行排列；竹原纖維的結(jié)晶度和側(cè)向有序指數(shù)與苧麻纖維相近，高于棉纖維，竹原纖維具有更強的分子間氫鍵，結(jié)晶度高于亞麻纖維。

2 再生竹纖維素纖維

再生纖維素竹纖維又叫竹漿粘膠纖維，是指采用化學(xué)處理方法生產(chǎn)的纖維，屬于化學(xué)纖維中的再生纖維素纖維，竹纖維中的某些優(yōu)良性能和含有的保健成分在化學(xué)加工中受到影響[8]。

目前我國再生纖維素纖維已自行研發(fā)成功并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。把竹子切片、風(fēng)干后，采用水解堿法及多段漂白法，將竹片精制成符合纖維生產(chǎn)要求的槳粕，經(jīng)人工催化，多次漂白，精制成可滿足生產(chǎn)要求的竹漿粕，然后由氫氧化鈉溶解，經(jīng)紡絲、凝固等工藝制成竹漿纖維，同時確保天然抗菌成分“竹醌”不受破壞，將甲種纖維素含量在35%左右的竹漿纖維提純到93%以上，在滿足纖維生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上，再由粘膠廠加工制成竹纖維，所以再生竹纖維也被稱為竹漿纖維。竹漿纖維不易褪色，染色吸收性好，滲透性強，富有絲質(zhì)感覺，手感柔和光滑，而且具有抗菌功效[9]?？筛鶕?jù)要求做成短纖維、長絲、純紡紗或與其它天然纖維、化學(xué)纖維混紡制成混紡紗線。

李瑞洲[10]等對竹漿纖維的強伸性、膨潤性進行了測試和分析，結(jié)果表明竹漿纖維吸濕性較好，織物涼爽舒適，但吸濕后竹漿纖維橫向膨脹使紗線變粗，紗線在織物中的彎曲程度增加，當(dāng)織物干燥后紗線直徑相應(yīng)變小，紗線表面切向滑動阻力限制了紗線的自由移動，紗線不能恢復(fù)到原來狀態(tài)，使織物穩(wěn)定性變差。因此采用竹漿纖維混紡紗線或復(fù)合紗線織造各種織物，面料將具有強力高、耐磨性好、吸濕性、懸垂性、手感柔軟、穿著舒適、染色性能好、光澤亮麗、抗菌、防臭等優(yōu)點。楊旭紅[11]等采用松弛干熱法對竹漿纖維進行處理，與普通粘膠纖維進行對比，研究了熱處理對竹漿纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)、白度及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，竹漿纖維經(jīng)180℃處理后，結(jié)晶度有明顯下降趨勢，熱處理對竹漿纖維的晶型結(jié)構(gòu)比普通粘膠纖維大，且白度下降明顯，斷裂強度、斷裂伸長率的下降也大于普通粘膠纖維，說明竹漿纖維耐熱性不如普通粘膠纖維。

3 竹炭纖維

3.1 竹炭

竹炭是以豐富的老竹為資源，經(jīng)過60～100℃預(yù)干燥，100～150℃ 干燥，150～270℃ 預(yù)炭化，270～450℃ 炭化，450～1000℃ 煅燒精心燒制而成。由于其分子結(jié)構(gòu)呈六角形，炭質(zhì)致密，比重大，孔隙多，礦物質(zhì)含量豐富，碳含量93%～96%，還含有鉀、鎂、鈣、鋁、鋯、錳等物質(zhì)，表面積高達360～1000m2/g，由于具有較高的孔隙度和比表面積，結(jié)構(gòu)獨特，具有較強的吸附分解能力、吸濕干燥、消臭抗菌，具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線、抗紫外線、負(fù)離子發(fā)生功能[12-13]。燕山大學(xué)[14]運用高能納米球磨機將竹炭微粉化，再將納米級的竹炭微粉經(jīng)過高科技工藝加工，然后采用傳統(tǒng)的化纖制備工藝流程，即可紡絲成型，制備竹炭纖維；制成了竹炭改性滌綸短纖維[15]，對竹炭改性滌綸纖維的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率及負(fù)離子發(fā)生量進行了測試。結(jié)果表明，竹炭改性滌綸短纖維的竹炭粉體具有多孔結(jié)構(gòu)，且在纖維中能均勻分散，負(fù)離子發(fā)射量達5200個/cm3，高于普通滌綸，負(fù)離子釋放穩(wěn)定，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率高達0.88。此外課題組徐明雙[16]等研究了竹炭粘膠纖維與普通纖維的鑒別問題，提出了通過密度法、溶解法、掃描電鏡法、熱分析法、吸附法、抗菌檢測法和負(fù)離子測定法對竹炭粘膠進行分析鑒別，解決了二者鑒別困難的問題。

華富蘭[17]等人研究了竹炭改性滌綸對負(fù)離子濃度的影響，結(jié)果表明竹炭改性聚酯纖維能釋放負(fù)離子，對空氣有改善作用。楊荔[18]等利用竹炭的導(dǎo)電性、多孔型將石墨化竹炭、酚醛樹脂、炭黑以模壓成型法成功制備了導(dǎo)電透氣多孔石墨化竹炭/酚醛樹脂復(fù)合材料，該材料具有導(dǎo)電、加工成型容易成本低等優(yōu)點，梁浩祥[19]等研究了竹炭滌綸纖維交織物中竹炭滌綸纖維的含量與織物防紫外線性能的關(guān)系。指出竹炭滌綸纖維具有良好的防紫外線輻射性能，達到了國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的UVA透過率。李曉燕[20]等利用竹炭的導(dǎo)電性和特殊的多孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合聚苯胺的導(dǎo)電性，通過原位溶液聚合法制備了具有導(dǎo)電性的聚苯胺/竹炭復(fù)合材料，結(jié)果表明竹炭的加入提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。

3.2 白竹炭

白竹炭是將竹材用800℃以上的高溫長時間燒制而成的，是竹材高溫?zé)峤獾墓腆w產(chǎn)物，孔隙發(fā)達，比表面積更大，高達1400m2/g，外觀為閃亮的銀色，具有更強的吸附能力，同時具有較強的去污、調(diào)濕、除臭、殺菌等功能。

燕山大學(xué)[21-22]對竹炭和白竹炭進行了電鏡形貌表征（圖1），由圖1中可知白竹炭結(jié)構(gòu)致密、孔隙大，礦物質(zhì)含量高，因此負(fù)離子釋放量更大且具有極佳發(fā)射遠(yuǎn)紅外線能力，有助于血液循環(huán)，并具備優(yōu)異的儲熱保溫效果。將白竹炭以納米化技術(shù)研磨成粉，用納米覆層技術(shù)，將竹炭粉表面覆上一層白觸媒，再經(jīng)紡絲成為白色的優(yōu)質(zhì)新纖維，可染任何淡、淺顏色及鮮艷顏色，不僅解決竹炭纖維染色局限問題還具有一定的釋放負(fù)離子、發(fā)射遠(yuǎn)紅外功能。此外課題組[23]還將白色竹炭超細(xì)粉體與PET樹脂混合，紡絲制得了具有保健功能的白竹炭負(fù)離子復(fù)合功能滌綸短纖維，這種短纖維具有良好的吸附性，負(fù)離子釋放量高于普通布料，且穩(wěn)定持久，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率大于0.86，有益于人體健康。

圖1 竹炭、白竹炭電鏡形貌

4 竹纖維氨基甲酸酯

再生纖維素纖維生產(chǎn)方法大多還是采用傳統(tǒng)粘膠法生產(chǎn)工藝。它不但生產(chǎn)流程長，能源消耗大，生產(chǎn)成本高，而且在生產(chǎn)中會釋放出大量有毒的CS2和H2S氣體，給人們的身體健康造成了巨大的傷害。同時，產(chǎn)生了大量的酸性和堿性廢水、廢液、廢渣，給人類賴以生存的環(huán)境造成了巨大的污染，破壞了生態(tài)平衡。

目前，一種新生產(chǎn)工藝是以N-甲基氧化嗎啉(NMMO)為溶劑，利用氧化胺衍生物在受控條件下溶解纖維素的能力，將纖維素溶解，然后紡絲。但合成的條件比較苛刻且價格昂貴，不易回收，其回收率只有達到99%以上，在工業(yè)上才有可行性，因此由該溶劑生產(chǎn)商業(yè)用的纖維素纖維發(fā)展仍然很慢[24]。

燕山大學(xué)[25]使用氫氧化鈉對竹原纖維進行活化處理，活化后的纖維素與尿素在N, N-二甲酰甲酰胺中反應(yīng)生成纖維素氨基甲酸酯。研究了活化用堿液濃度、活化時間、老成時間、尿素預(yù)處理和反應(yīng)條件對纖維素氨基甲酸酯氮含量的影響，確定了酯化反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件；對不同氮含量的纖維素氨基甲酸酯的結(jié)構(gòu)和性能進行了研究。結(jié)果表明，纖維素氨基甲酸酯同纖維素一樣在沒有熔融之前就會分解，纖維素氨基甲酸酯的熱穩(wěn)定性比纖維素稍差，纖維素經(jīng)酯化反應(yīng)后發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，反應(yīng)后纖維形態(tài)發(fā)生膨脹，結(jié)構(gòu)變得疏松，提高其溶解性。還對纖維素氨基甲酸酯的溶解性及成膜性進行了研究，結(jié)果表明，氫氧化鈉濃度、尿素濃度、溶解溫度和氮含量對纖維素氨基甲酸酯的溶解特性具有明顯的影響；同時也研究了制膜液濃度、凝固浴組成、凝固浴條件、塑化條件及干燥條件等因素對其成膜性的影響，確定最佳溶解和成膜條件。纖維素氨基甲酸酯是現(xiàn)有的粘膠工藝中纖維素磺酸酯最有潛力的替代品，隨著竹纖維素氨基甲酸酯纖維應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)研究的進展和突破，在不遠(yuǎn)的將來有望替代粘膠纖維，市場前景比較樂觀。

5 納米改性竹炭纖維

納米改性竹炭是將具有光催化性能的納米材料TiO2（二氧化鈦）經(jīng)過特殊工藝負(fù)載到竹炭微孔壁上，納米光觸媒材料TiO2在光的照射下，能生成氫氧自由基，具有超強的氧化能力，其可破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，使細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)流失而死亡，達到徹底降解細(xì)菌，防止內(nèi)毒素二次污染，還能凝固病毒蛋白質(zhì)而抑制病毒的活性。氫氧自由基還能與空氣中的有機物質(zhì)反應(yīng)，破壞有機物分子的能量鍵，使有機氣體成為單一的氣體分子，提高空氣清潔度[26]。周建斌[27-28]等用納米TiO2對竹炭進行了改性，在無光

照條件下對黑曲霉菌、綠色木霉菌進行了抑菌實驗，結(jié)果表明，納米TiO2改性竹炭比普通竹炭的抑菌效果好；并且還以竹炭為載體，采用浸漬-焙燒法制備竹炭/納米TiO2材料，研究了對甲苯的凈化效果，結(jié)果表明竹炭上負(fù)載的TiO2能將部分有機物污染物直接氧化為二氧化碳和水，并且具有較好的吸附能力。程大莉[29]等采用比表面積及孔徑分析技術(shù)，測定了浸漬法制備的TiO2/竹炭復(fù)合光催化材料的氮吸附等溫線，并依據(jù)BJH模型分析了其中孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔徑分布。結(jié)果表明TiO2的加入保留了竹炭固有的孔隙結(jié)構(gòu)，而且比表面積、孔容積、孔徑有所增加。經(jīng)TiO2改性制備的光催化材料的中孔孔容積比竹炭提高了65.86%。

6 小結(jié)

竹纖維是我國再生纖維素纖維制造上的又一突破，竹纖維性能優(yōu)越，具有天然纖維和化學(xué)纖維的眾多優(yōu)點，竹纖維可滿足人們對面料的功能性、保健性、舒適性、美觀性的追求，使得該纖維在紡織工業(yè)具有廣闊的發(fā)展空間。我國的竹炭產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，科技研發(fā)還不充足，應(yīng)加大投入，使其盡快產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化，抓住當(dāng)前紡織產(chǎn)品的發(fā)展機遇，充分利用好竹纖維，迎合世界紡織領(lǐng)域的發(fā)展潮流，開發(fā)出一系列具有高附加值的產(chǎn)品，作為企業(yè)經(jīng)濟增長點的同時，為我國竹行業(yè)發(fā)展和西部大開發(fā)做出更大的貢獻。

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