天然纖維—木棉纖維的研究探討

丁 帥 , 許曙亮 ,周 鐳 ，李娟娟，劉 壯，馮洪成

(1.山東省紡織科學(xué)研究院, 山東 青島 266032 ；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266032)

1 木棉纖維的簡(jiǎn)介

木棉纖維是一種天然纖維，與棉纖維有很多相似之處，尤其在光澤、吸濕性和保暖性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在崇尚天然材料的今天具有良好的應(yīng)用前景。木棉纖維是從木棉樹的種子里提取出來的天然植物纖維，內(nèi)部中空，充滿空氣，壁厚約1.0 μm，就像一個(gè)壁非常薄的彎曲的空心管子，水不容易穿過。它質(zhì)地光滑，但由于容易斷裂，所以不易被紡成紗線。木棉纖維長(zhǎng)約10～35 mm，直徑約8～10 μm，易碎有光澤，絕熱并且防水[1]。木棉的線密度大約是0.4～0.7 dtex，約為棉的半。它的顏色主要為白色、淺灰、黃棕色。木棉纖維內(nèi)的中空部分約占整個(gè)體積的64%，這使得它比棉以及其他天然纖維或者合成纖維更適合做絕熱材料。一般合成材料中空體積只達(dá)到總體積的35%～40%。

木棉纖維有許多優(yōu)點(diǎn)：浮力好、彈性佳、疏水性好、防蛀、光滑、輕柔。木棉纖維表面有一層蠟，因此它的防水性能與鴨子背部羽毛的防水性能非常類似。木棉纖維可以迅速干燥、浮性好并且拒水，這在天然纖維中非常突出[2]。木棉纖維在水中可以承受相當(dāng)于自身38.6倍的重量而不下沉，而且浮力損失也很慢，把木棉纖維浸入水中30天，浮力只損失10%。沒有任何天然纖維比木棉纖維更適合做防水材料。木棉纖維不含有蛋白成分，所以能夠防腐。木棉纖維只有棉纖維重量的12.5%，具有羊毛的保暖性和絲綢的光滑性。木棉纖維比較脆，很容易斷裂。如果我們過度使用化學(xué)物質(zhì)來去除木棉纖維表面的蠟或者對(duì)表面施加過大的壓力，會(huì)破壞纖維細(xì)胞壁的完整[3]。

2 木棉纖維的常規(guī)應(yīng)用

2.1 絮料填充物

木棉纖維具有薄壁大中空結(jié)構(gòu)，利用纖維中形成的大量靜止空氣，可獲得良好的保暖效果，這使其在被褥、枕頭、棉衣被等的絮料填充物方面應(yīng)用較多。由于其具有質(zhì)輕、柔軟、光滑、鮮艷、抗靜電、不易纏結(jié)、吸濕導(dǎo)濕、不霉不蛀、常溫下耐酸堿、綠色天然環(huán)保等特點(diǎn)，受到消費(fèi)者青睞。以木棉纖維為填充物的保暖按摩床褥，表面縫制成許多球面狀的凸塊，可以起到保健按摩、消除疲勞、改善睡眠的作用。利用木棉纖維防蟲防蛀的功能，可以使用木棉為主要填充材料制作保健枕。但是由于木棉纖維壓縮彈性較差，填充料容易被壓扁氈化，尤其在濕、熱環(huán)境和反復(fù)持久壓縮下，產(chǎn)品的柔軟舒適性和保暖性衰減較快，蓬松性能會(huì)明顯降低，且絮片強(qiáng)度低，局部會(huì)出現(xiàn)破洞。最近市場(chǎng)上又出現(xiàn)了一種持久柔軟保暖木棉絮片的制造技術(shù)，即選用25%～90%天然木棉纖維、5%～40%低熔點(diǎn)纖維、0%～70%壓縮回彈性好的化學(xué)纖維，將纖維原料混合開松后進(jìn)行成網(wǎng)，再將成網(wǎng)后的纖網(wǎng)進(jìn)行粘合處理，從而實(shí)現(xiàn)了木棉纖維集合體較為合理的聚集狀態(tài)。利用該技術(shù)制造的木棉絮片，其強(qiáng)度、壓縮彈性、保暖性能的持久性都可與市場(chǎng)上的九孔滌綸絮片相媲美，而且在柔軟舒適度、透氣性和綠色環(huán)保性能等方面與滌綸絮片相比具有一定優(yōu)勢(shì)，制造成本與滌綸相當(dāng)，可作為中高檔被褥絮片、芯片、靠墊等的填充料[4]。

2.2 木棉纖維的可紡性

木棉纖維長(zhǎng)度較短，強(qiáng)度較低，表面較光滑，相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度大，抱合力差，因此紡紗難度大，成紗質(zhì)量較低。采用棉型或毛型紡紗方法難以單獨(dú)紡紗，這也是過去木棉纖維一直沒有被很好地利用最主要原因。木棉纖維一般難純紡，多采用與棉、粘膠或其它纖維素纖維混紡的方法來制備光澤和手感良好的服裝面料。許多企業(yè)應(yīng)用嵌入紡、緊密紡等技術(shù)研發(fā)出的各種木棉紗線，主要是混紡紗。目前已研制開發(fā)出木棉產(chǎn)品百余種，包括用木棉與各種天然纖維(棉花、駝毛、羊毛、羊絨、兔毛、蠶絲、麻等)以及人造纖維(錦綸、腈綸、滌綸、丙綸、各種粘膠、PTT等)混合進(jìn)行紡紗。近些年來隨著紡織科技的發(fā)展，紡紗技術(shù)不斷完備，木棉纖維的可紡性問題開始逐漸引起紡織界科研人員和專家學(xué)者的重視，新的研究成果不斷出現(xiàn)。1992年最早出現(xiàn)用轉(zhuǎn)杯紡紗技術(shù)紡出木棉和棉混紡比為60/40和50/50的紗線，該混紡紗光澤較好，但強(qiáng)度比棉低得多，很多其它性能也不如棉，僅限于對(duì)紗線強(qiáng)度要求不高的領(lǐng)域。后來還通過轉(zhuǎn)杯紡紗技術(shù)紡制成棉和木棉混紡比分別為80/20、70/30、60/40、50/50的紗線，并進(jìn)一步研究了木棉纖維的可紡性能及不同混紡比例下纖維的機(jī)械力學(xué)性能。木棉纖維混紡技術(shù)尚有待改進(jìn)。因木棉纖維表面光滑，隨著混紡紗中木棉纖維含量的增加，纖維間滑移增加，導(dǎo)致混紡紗強(qiáng)度降低、斷裂伸長(zhǎng)增加；由于木棉質(zhì)輕，不能在轉(zhuǎn)杯附近均勻積聚，從而使混紡紗紗疵增加，條干不勻率增加。研究發(fā)現(xiàn)木棉纖維以低于50%含量和棉纖維混紡，其混紡紗條干不勻，強(qiáng)度等各項(xiàng)物理指標(biāo)均滿足織造要求。研究人員通過對(duì)木棉纖維進(jìn)行前處理，使纖維表面形成毛刺，抱合力增大，可紡性大大提高，不僅能夠與其他纖維順利進(jìn)行混紡，還實(shí)現(xiàn)了木棉纖維的純紡紗。2006年， 通過環(huán)錠紡技術(shù)生產(chǎn)出了純木棉纖維紗線——賽帛爾 C E I B O R，并成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)錠紡木棉紗的工業(yè)化生產(chǎn)。

3 木棉纖維的吸油性

有效控制及去除油污是一項(xiàng)新興研究領(lǐng)域。其中控油時(shí)間、從吸收劑中還原油、吸收劑吸油數(shù)量、吸收劑的使用概率和可降解程度等都是研究重點(diǎn)，在這些研究中，木棉作為一種環(huán)保天然纖維逐漸脫穎而出[5]。

當(dāng)用吸收劑吸收油時(shí)，油的狀態(tài)由液態(tài)變?yōu)榘肽z狀。這時(shí)候油漬就可以輕而易舉地被天然可降解木棉纖維非織造布去掉。疏水性是木棉纖維的一個(gè)重要特征，從水中有選擇地吸取油正是得益于木棉的這種疏水性表面特點(diǎn)。研究表明，把木棉纖維應(yīng)用到吸油領(lǐng)域是一個(gè)非常有效的方法，它不僅有著優(yōu)秀的吸附能力，而且可以反復(fù)使用。在以往的吸油實(shí)驗(yàn)中，很多吸附劑，象聚丙烯和聚氨酯都被使用過，其中聚丙烯因?yàn)槠涞兔芏刃?、低吸水性和良好的物理和化學(xué)特點(diǎn)，被認(rèn)為是吸油劑中的佳品。但是這些合成物均不能循環(huán)使用和生物降解。

為探討木棉纖維的吸油情況，用于吸油的不同GSM(每平方米克重)的棉網(wǎng)由微塵雜質(zhì)分析機(jī)制造，通過加上聚丙烯網(wǎng)使得棉網(wǎng)更加堅(jiān)固。原油采用阿拉伯重油和阿拉伯輕油。

我們對(duì)木棉網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，分為以下幾項(xiàng)：針對(duì)不同粘度的原油，每GSM的棉網(wǎng)的最大吸油量；吸收量和吸收時(shí)間的關(guān)系；油膜厚度與吸收時(shí)間的關(guān)系；原油粘度與吸油量的關(guān)系；有孔性對(duì)吸油作用的影響。

3.1 吸油量與棉網(wǎng)的關(guān)系

我們準(zhǔn)備了兩種特點(diǎn)非常不同的原油進(jìn)行比對(duì)，分別是阿拉伯重油和阿拉伯輕油，其中阿拉伯重油的粘度為35.8厘斯(cTs)，阿拉伯輕油的粘度為10.2厘斯(cTs)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每平方米克重的棉網(wǎng)增加時(shí)，吸油量也增加。例如，79 GSM 棉網(wǎng)能夠吸取80 g阿拉伯輕油，而400 GSM 棉網(wǎng)能夠吸收240 g阿拉伯輕油。同時(shí)，當(dāng)棉網(wǎng)質(zhì)量增加時(shí)，吸取每克油的時(shí)間減少了。這是一個(gè)連續(xù)的線性關(guān)系。但是另一方面，隨著棉網(wǎng) GSM 的增加，每克纖維的吸油量有所下降。例如，79 GSM 棉網(wǎng)中，每克纖維吸收45.1 g油；400 GSM棉網(wǎng)中，每克纖維吸收20.66 g油。

棉網(wǎng)中有很多孔隙，一般來講，孔隙越多的結(jié)構(gòu)吸收能力越強(qiáng)，吸收時(shí)間越快。但實(shí)際上纖維含量影響著吸收能力和吸收時(shí)間。當(dāng)纖維含量增加，纖維之間的孔隙會(huì)減少，因?yàn)殡m然結(jié)構(gòu)更加密實(shí)了，但是總的孔隙空間增加了，所以吸收能力和吸收速度都增加了。

由于木棉的易碎性和相對(duì)短的纖維長(zhǎng)度，制造棉網(wǎng)是比較困難的。但由于木棉棉網(wǎng)極佳的吸油效果，還是非常值得一試的。它能夠輕而易舉的吸收原油，并且牢牢控制住。我們總結(jié)有以下參數(shù)對(duì)吸油過程有重要影響：原油粘稠度越低，吸收速度越快；油膜越厚，吸油速度越快；棉網(wǎng)GSM越大，吸油速度越快。隨著研究深入，將木棉纖維應(yīng)用到油漬吸附材料的市場(chǎng)前景一定會(huì)越來越廣泛。

3.2 原油粘度與棉網(wǎng)吸油能力的關(guān)系

吸油量與油的粘度有很大關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原油粘度減小時(shí)，吸油量也減小。例如，400 GSM 棉網(wǎng)能夠吸收342.13 g阿拉伯重油，而同樣的棉網(wǎng)只能吸收240 g阿拉伯輕油。主要原因是吸油只是一個(gè)單純的物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，油和纖維之間也不會(huì)建立強(qiáng)有力的聯(lián)系，因此當(dāng)油的粘度降低時(shí)，吸收率也降低。當(dāng)棉網(wǎng)從每個(gè)邊垂直掛起后都不吸油了，我們說它達(dá)到了飽和狀態(tài)[6]。

3.3 吸油量和棉網(wǎng)克重的關(guān)系

我們用不同GSM 的棉網(wǎng)分別吸取阿拉伯重油和阿拉伯輕油發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GSM 增加時(shí)，吸油量呈線性增加。即79 GSM 棉網(wǎng)，含有1.77 g纖維，分別吸收80 g阿拉伯輕油和116.73 g阿拉伯重油。同理400 GSM 棉網(wǎng)，含有9 g纖維，分別吸收250 g阿拉伯輕油和342.13 g阿拉伯重油。吸油量隨著GSM增加，主要是因?yàn)槔w維質(zhì)量增加，從而增加了吸附能力。另一方面，隨著GSM增加，平均每克纖維的吸油量降低，這種情況同時(shí)適合于阿拉伯重油和阿拉伯輕油。對(duì)于79 GSM 棉網(wǎng)，平均每克纖維吸收45.19 g阿拉伯輕油和65.95 g阿拉伯重油，而對(duì)于400 GSM 棉網(wǎng)來說，平均每克纖維吸收26.66 g阿拉伯輕油和38.01 g阿拉伯重油。這是因?yàn)槲兆饔冒l(fā)生于表面， 79 GSM 棉網(wǎng)和400 GSM 棉網(wǎng)的表面積是一樣的，只是纖維質(zhì)量不一樣。這主要是因?yàn)樵偷恼扯却?，?nèi)部流動(dòng)性不強(qiáng)，因此吸油劑的表面積一旦固定，原油就不容易穿過層層纖維向內(nèi)移動(dòng)，所以隨著棉網(wǎng) GSM 增加，單位纖維的吸油量反而下降[7]。

3.4 油膜厚度和吸油時(shí)間的關(guān)系

吸油時(shí)間也取決于油膜厚度。油膜越厚，吸油時(shí)間越短，吸油速度越快。當(dāng)原油重量增加時(shí)，在一定范圍內(nèi)形成的油膜厚度也有所增加。油膜厚度的大小與原油的種類、密度、粘度和體積有很大關(guān)系。當(dāng)原油體積增加時(shí)，油膜厚度增加，吸油時(shí)間減少。例如，400 GSM 棉網(wǎng)吸收100 mL原油的時(shí)間比同樣的棉網(wǎng)吸收同樣性質(zhì)的300 mL原油的時(shí)間要長(zhǎng)[8]。

4 木棉纖維的印染

木棉纖維含有約64%左右的纖維素，約13%的木質(zhì)素，此外還含有8.6%的水分、1.4%～3.5%的灰分、4.7%～9.7%的水溶性物質(zhì)和2.3%～2.5%的木聚糖以及0.8%的蠟質(zhì)。 木棉纖維可用直接染料染色，但由于木棉纖維含有大量木質(zhì)素和半纖維素，它們和纖維素互相糾纏的分子間力作用導(dǎo)致了纖維素部分羥基被阻止，并且導(dǎo)致了染料分子不能順利進(jìn)入，使得其上染率僅為63%，而同樣條件下棉的上染率為88%[9]。

5 結(jié)論

木棉纖維是豐富的可再生資源，具有價(jià)廉、可降解、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在崇尚低碳經(jīng)濟(jì)的今天，越來越受到人們歡迎。木棉纖維有很好的浮性，可以用來制造能夠飄在水上的墊子，在度假勝地非常受歡迎。它的中空結(jié)構(gòu)用來做隔音和絕緣材料非常有效。木棉纖維的天然抗菌性，可以用來織造內(nèi)衣以及醫(yī)學(xué)用紡織品。目前，很多天然纖維的產(chǎn)量降低，與木棉相關(guān)的新型紡織技術(shù)在紡織和服裝業(yè)越來越受到人們的關(guān)注。我國(guó)在木棉的織造技術(shù)上也取得了重大突破，能夠用自己的專利技術(shù)織造出木棉含量為70%的混合纖維，在國(guó)際上屬于領(lǐng)先地位，推動(dòng)了木棉在針織內(nèi)衣、羊毛衫、床單、被罩等紡織品方面的應(yīng)用。隨著木棉纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)的擴(kuò)大，深入研究新型紡紗技術(shù)、加大產(chǎn)品開發(fā)力度、充分發(fā)揮木棉纖維的優(yōu)勢(shì)、保證充足的原料供應(yīng)就成為了當(dāng)前木棉纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。我國(guó)也非常重視木棉方面的研究，計(jì)劃在10年內(nèi)，種植木棉800公頃，大力開發(fā)木棉紡織技術(shù)，木棉纖維一定具有廣闊的空間。

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