非麻類韌皮纖維的研究與開發(fā)利用

沈銀姣，崔運花，張木子，錢震揚，余秋曉

（東華大學，上海201620）

隨著生活的改善，人們對穿著舒適性的要求越來越高。天然纖維因其良好的舒適性、環(huán)保性而備受青睞。由于傳統(tǒng)天然纖維資源的短缺，科研工作者將目光轉向其他天然纖維。植物韌皮纖維是一種理想的纖維素聚合物，既能滿足環(huán)保的要求又能彌補天然纖維短缺的狀況。

韌皮纖維一般是指從植物莖韌皮部獲得的纖維，由纖維素纖維和膠質交疊膠著成束，其主要化學成分包括：纖維素、半纖維素、果膠、水溶物、木質素等?，F(xiàn)已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應用的韌皮纖維有亞麻、大麻、黃麻等。表1為2010年我國麻類纖維的產(chǎn)量。

表1 2010年中國麻類纖維的產(chǎn)量

1 韌皮纖維制取方法

現(xiàn)階段，韌皮纖維制取主要參照苧麻的脫膠工藝，常見的脫膠方法有天然漚麻法、化學脫膠法；新型脫膠技術有酶脫膠［1］、生物脫膠［2］、超聲波脫膠［3］、閃爆法脫膠等。在實際生產(chǎn)過程中，為縮短時間，提高脫膠效率，常采用多方法合一脫膠，如微生物－化學聯(lián)合脫膠法［2］、酶－化 學 聯(lián) 合 脫 膠 法［4］、超 聲 波－化 學 聯(lián) 合 脫 膠法［5］等。

圖1 麻類纖維脫膠方法

2 新型韌皮纖維

2.1 香蕉韌皮纖維

香蕉樹是一種多年生常綠大型草本單子葉植物，屬芭蕉科。香蕉韌皮纖維是從香蕉莖中取出柔軟的纖維內皮，經(jīng)過干燥、精練、解纖而制成的纖維，主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成，香蕉莖的含纖量因部位不同而存在差異［6］。

香蕉韌皮最早用手工剝取方法，后來采用機械方法，即將香蕉莖切割成段后再破片撕開成片狀，然后在簡單的設備上反復刮取制得纖維?，F(xiàn)常采用化學脫膠法：預酸→堿煮→燜煮→漂白→酸洗。后有人在此基礎上改進其工藝，采用酶－化學聯(lián)合脫膠法［7］，即在預酸過程中加入酶處理，這不僅能成功去除大部分雜質，而且可將木質素含量降到1.58%。

香蕉纖維橫截面既具有棉纖維橫截面的部分特征，又具有麻類纖維的橫截面部分特征。其橫截面呈腰圓形，大多數(shù)纖維含有中腔，在中腔與胞壁之間存在明顯的裂紋和縫隙；較少的纖維上只有中腔，而在中腔與胞壁之間沒有裂紋。纖維的縱向形態(tài)呈扁平狀，一部分有天然的轉曲，一部分纖維的表面還具有橫節(jié)結構［8］。

根據(jù)FTIR測試發(fā)現(xiàn)，其分子結構中有大量羥基，具有良好的吸濕性能，在65%相對濕度下的回潮率可達14.5%。香蕉莖纖維單纖維較細，約8～20μm，長度比較短，大約只有2.0～3.8mm。纖維采用半脫膠生產(chǎn)工藝，因為纖維束中的單纖維根數(shù)分布不均勻，導致纖維的細度差異較大，質量不穩(wěn)定。細的束纖維平均纖度約3～5tex，粗的束纖維平均纖度約為8～10 tex［9］。

香蕉纖維抗堿、酚、甲酸、氯仿、丙酮和石油醚的能力較好，可溶于熱濃硫酸中。其抗酸、抗堿性介于棉纖維和羊毛之間，抗酸性好于棉而抗堿性不如棉，抗堿性優(yōu)于羊毛而抗酸性不如羊毛［10］。

香蕉纖維的染色性能與亞麻纖維相似，但比亞麻纖維更易染色。采用活性染料染香蕉纖維，元明粉質量濃度為30～60g／L，純堿質量濃度為10～20g／L時，染色效果較好［11］。

香蕉纖維目前尚未得到大規(guī)模開發(fā)利用，主要用于生產(chǎn)手提包和其他裝飾品、簡單的家庭用品，繩索和麻袋。日本開發(fā)出一種用香蕉莖纖維制造的強度較高的紙，可以用于制作咖啡的包裝袋。哥斯達黎加使用大量的香蕉莖纖維進行造紙。蘇州一家紡織企業(yè)，將生產(chǎn)的香蕉纖維，織造成了輕薄休閑面料。廣東省造紙研究所用香蕉莖為材料，成功制成水泥袋內層紙。

2.2 桑皮纖維

桑樹是落葉性多年生雙子葉木本植物，屬蕁麻木?？?。韌皮中纖維素含量達32.48%，高于竹原纖維中纖維素的含量［12］。

桑樹枝條趁鮮剝下韌皮，不經(jīng)過刮青過程，經(jīng)自然曬干后即可用于脫膠。對桑皮纖維的制取主要有兩種方法。一是化學脫膠法，其主要工藝為：桑皮除雜→水浸→水洗→預處理→一煮→水洗→二煮→酸洗→水洗→皂洗→水洗→烘干→后整理。二是生物－化學聯(lián)合脫膠法，其主要工藝為：試樣浸潤→水洗→生物酶漚制→瀝水→堿液煮練→水洗→漂白→水洗→烘干。后者對纖維的損傷較小。

桑皮纖維的橫截面形狀為三角形、橢圓形和少量多角形，其中以橢圓形的居多，纖維中間無胞腔；縱向有溝槽和隆起，與麻纖維縱向側面帶有豎紋的結構較為相似，且表面有稀疏的折迭痕，可能會造成了桑皮纖維上的弱節(jié)［13］，無天然轉曲。由于桑皮纖維單纖維較短，常采用半脫膠的方法將其制成工藝纖維用于紡紗［14］，纖維的平均長度為21～23.0mm，最長者可達25.0mm，線密度為2.3dtex，桑皮纖維的強度為8.0～13.0cN／dtex，斷裂伸長率為3.5%～8.5%，好于棉、麻［15］，質量比電阻為106～107Ω·g／cm2，優(yōu)于桑蠶絲、麻，與棉花相當［16］。

桑皮纖維可采用活性染料染色。染色性能與脫膠工藝效果和脫膠桑皮纖維的形態(tài)有關，殘膠率高則上染率低［17］。桑皮纖維適合中低溫型活性染料，得色率較高，可達65%。

桑皮纖維的主體長度較短，短絨率較高，長度差異大，在棉紡設備上純紡或以桑皮纖維含量較高的混紡品種紡紗難度較大，適宜與其他棉型纖維混紡成中粗特紗［18］。桑皮纖維常與棉、毛、絲、麻、滌等混紡生產(chǎn)新型紡織品［19］。由桑皮纖維制成的成品不僅具有蠶絲的光澤和舒適度，還具有麻制品的挺括、保暖和透氣的特點，是極佳的綠色生態(tài)紡織品［12］?，F(xiàn)階段有人已經(jīng)研制出了桑棉混紡、桑麻混紡、桑纖維與桑蠶絲交織、桑麻紗與滌長絲交織的織物，具有廣闊的市場前景。

2.3 棉稈皮纖維

棉花是離瓣雙子葉植物，屬錦葵目錦葵科木槿亞科棉屬。棉稈中含有豐富的纖維素、木質素和果膠質，棉稈皮的纖維素含量從枝頭到中部再到根部逐步降低，從41.33%降至40.20%，在紡織領域具有較大的開發(fā)價值。

棉桿皮纖維的制取主要采用化學脫膠、生物脫膠兩種方法。現(xiàn)已研究的化學脫膠法包括以下兩種，一種化學脫膠工藝為：試樣準備→浸酸→水洗→一次堿煮→打纖→二次堿煮→酸洗→水洗→烘干；第二種化學脫膠工藝為：試樣準備→預堿→預氧→水洗→一次堿煮→打纖→二次堿煮→酸洗→水洗→烘干。生物脫膠工藝為：預處理→果膠酶脫膠→熱水洗滌→冷水洗滌→稀堿液處理→冷水洗滌→打纖→白腐菌脫木質素→熱水洗→冷水洗滌→弱酸處理→清水洗滌→烘干。

第一種化學脫膠對膠質去除效果好，第二種化學脫膠對去除木質素有良好的效果，生物脫膠可以減少堿用量，但脫膠效果不如前者［20］。

棉稈皮纖維的橫截面為橢圓形，纖維有中腔，為天然中空纖維；縱向有溝槽，表面凹凸不平，束纖維叉枝較多。不同部位纖維的性能差異較大，對根部、中部、稍部三段研究發(fā)現(xiàn)，從下到上其細度、殘膠率逐漸變小，分 別 為 3.26，2.89，2.47tex；6.9%，5.6%，5.3%［21］。由于全脫膠制備的纖維長度分布廣、短絨率高，借鑒麻類纖維半脫膠法制取的工藝纖維平均長度為75.6mm，線密度平均值為16.5dtex；斷裂強度23.74cN／tex，可以滿足紡紗要求。對于棉桿皮纖維的化學性能的研究仍需不斷深入。

棉桿皮的工藝纖維具有麻類纖維的手感，具有較高的應用開發(fā)價值，但目前仍是一個有待進一步探索的課題。

2.4 光葉楮纖維

葉光楮是葉光楮系速生闊葉材種，落葉喬木，屬?？茦嫎鋵佟９馊~褚莖皮中含有酚性成分、氨基酸、蛋白質、多膚、糖、多糖及其苷類、皂苷、黃酮類及其苷類、植物甾醇和三萜等多種化學成分，具有醫(yī)療保健效果［22］。其韌皮層纖維素含量高達60%，具有較高的開發(fā)利用價值。

現(xiàn)有兩種工藝制取該纖維，分別為生物－化學聯(lián)合脫膠法：葉光楮原料→生物酶浸漬→水洗→堿氧一浴→水洗→打纖→抖松→脫水→給油→脫水→烘干［23］；微波輻照堿氧一浴處理：光葉楮韌皮→浸泡→微波輻照預酸處理→水洗→微波輻照堿氧→浴脫膠→水洗→給油→自然晾干→光葉楮纖維［22］。

光葉楮纖維表面光滑無轉曲，但有很多橫節(jié)和縱向條紋，表面可看到清晰的節(jié)點；纖維的橫截面為不規(guī)則的圓形，具有連續(xù)的中腔，且中腔的寬度隨纖維位置的變化而不同。光葉褚纖維的細度為20～34μm，長度為5～15mm，線密度為2.54dtex。斷裂強度、斷裂伸長率與亞麻纖維、苧麻纖維相近，較黃麻纖維高，為4.07%～9.84%，且其強力嚴格符合二參數(shù)的 Weibull分布［24］；其回潮率11.78%，含水率10.53%。由于其單纖維長度偏短，不適合單獨紡紗，因此脫膠時采用半脫膠工藝，使其保留一定的膠質，從而形成具有一定長度的束纖維即工藝纖維以滿足紡紗要求。

2.5 木芙蓉纖維

木芙蓉又名芙蓉花，落葉灌木，屬錦葵科木槿屬。木芙蓉含有豐富的黃酮類和甾醇類成分，具有較好的抗菌性、抗炎作用。其韌皮纖維素含量可達50%。不同時期的韌皮，纖維素含量稍有變化，隨著生長時期的延長，纖維素含量逐漸增多。

采用傳統(tǒng)化學脫膠工藝制取，工藝流程為：試樣準備→浸酸→水洗→滲透劑處理→水洗→脫水→一煮→水洗→打纖→脫水→二煮→水洗→烘干→木芙蓉纖維。

芙蓉韌皮纖維呈圓形或扁平帶狀，纖維表面有明顯的條紋，但無明顯的轉曲。纖維橫截面呈橢圓形或不規(guī)則的多角形［25］。其工藝纖維平均長度為40～100 mm，平均線密度為37.3dtex，強度為2.74cN／dtex。通過X射線衍射分析其結晶度為69.05%；纖維的吸濕性與黃麻接近，優(yōu)于苧麻。

芙蓉韌皮纖維可以做復合材料的增強材料，用于建筑模板、汽車內飾板等替代玻璃纖維；另外，它的韌皮纖維柔軟且耐水，也可作纜繩和紡織品原料。

2.6 甘蔗皮纖維

甘蔗是禾本科單子葉植物，甘蔗皮纖維是典型的纖維素I纖維，其韌皮纖維中纖維素含量為45.4%左右。

采用化學脫膠工藝脫膠制取，即預酸→水洗→堿煮→水洗→攪拌→水洗→烘干。

經(jīng)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，甘蔗皮纖維的縱向表面存有明顯的溝槽；橫截面形狀不規(guī)則，無中空結構，較易粘結在一起［26］。纖維束的平均長度為194.8mm，結晶度為57.6%；吸濕回潮率和放濕回潮率分別為7.6%、13.2%，密度為1.50g／cm3。

甘蔗皮短纖維可用于制備復合材料，束纖維可以用于紡織纖維，具有廣闊的應用價值。

表2為不同植物韌皮化學成分含量對比，從中看出不同的植物韌皮所含的纖維素含量有很大差異，因此制取工藝也會有所差別。

表2 不同植物韌皮化學成分含量對比

3 開發(fā)韌皮纖維

新型韌皮纖維的開發(fā)并不意味著用韌皮纖維來取代其他常用的紡織纖維，而是滿足人們對具有不同性能天然纖維日益增長的需求。一方面，由于韌皮纖維具有較高的斷裂強力，其應用領域會不斷擴大。另一方面，在那些不宜種植棉花、麻等傳統(tǒng)纖維的國家，開發(fā)韌皮纖維可以減少對其他國家的依賴。

韌皮纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所需解決的問題：（1）韌皮層纖維素需達到一定的含量。纖維素含量過低，纖維制成率過低，開發(fā)成本較大。（2）研究有效去除木質素的方法。木質素的存在會對纖維的性能，手感產(chǎn)生不利影響。（3）研究可以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性的脫膠方法。不同植物韌皮層所占的體積不一樣，化學成分不相同，相對應的脫膠方法也各不相同。目前雖有很多種脫膠方法，但大多數(shù)僅限于實驗室使用，是否適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)仍需驗證。（4）需與紡織工業(yè)緊密合作，考慮纖維是否具有使用性能，滿足特定需求等問題。

4 展望

非麻類韌皮纖維雖然現(xiàn)在只是處于開發(fā)嘗試階段，但它們具有廣闊的應用前景。在倡導綠色環(huán)保的今天，不僅要求原料環(huán)保，更需要在制備工藝上嚴加把關，做到既節(jié)約成本又環(huán)保。因此，科研工作者仍有很多的工作要做。新型韌皮纖維的開發(fā)，必定會為紡織材料大家族增光添彩，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會價值。

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