竹原纖維的物理提取工藝及其性能研究

王春紅，張青菊

（天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387）

竹原纖維的物理提取工藝及其性能研究

王春紅，張青菊

（天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387）

以綠竹片為原料，采用物理機械工藝處理竹片，主要探索了高溫高壓蒸煮時間對制取纖維質(zhì)量的影響，確定最佳處理時間，對制取的纖維進行細度強度測試、表面形貌觀察及抗菌性測試，并與化學法制取的竹原纖維進行比較.結(jié)果表明：當蒸煮時間為14 h時，制取的竹原纖維品質(zhì)最優(yōu)；纖維斷裂強度、斷裂伸長率、拉伸模量、斷裂比功分別為297.20 MPa、5.12%、10.44 GPa、11.30 J.抗菌性測試結(jié)果表明，該方法制取的竹原纖維對金黃色葡萄球菌和黑曲霉菌的抗菌性較好.

竹原纖維；物理提取；蒸煮時間；力學性能；抗菌性

竹纖維屬于新型纖維，取材于竹子中的纖維素，具有其他纖維無法比擬的優(yōu)點，如良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性、良好的染色性、產(chǎn)品手感柔軟、色澤亮麗、絲綢滑爽、抗菌、防臭、抗紫外線、易于生物降解以及不對環(huán)境造成污染等特性[1].在當前倡導(dǎo)綠色環(huán)保的社會背景下，竹纖維產(chǎn)品以其優(yōu)良的性能，順應(yīng)了環(huán)保、回歸自然的潮流，受到國內(nèi)外消費者的推崇[2].竹纖維可分為天然竹纖維和再生竹纖維，天然竹纖維也稱竹原纖維，是利用各種方法從竹材中直接提取的纖維；再生竹纖維采用類似黏膠纖維的生產(chǎn)工藝把竹材的纖維素成分溶解制成竹漿，再造絲制得可用于紡織的竹纖維[3-4].其中竹原纖維是純粹的天然纖維，屬綠色環(huán)保型纖維，纖維性能優(yōu)異，具有特殊的風格，服用性能極佳，保健功效顯著[5].目前國內(nèi)制取竹原纖維的主要方法可分為物理法、化學法和生物法.其中物理法工藝簡單、操作便捷且較環(huán)保；化學法能夠制取線密度相對較小的竹原纖維，但成本較高，且對環(huán)境污染嚴重；而生物法對環(huán)境污染小，同時具有專一性強、催化效率高、反應(yīng)條件溫和等顯著特點，但其成本較高[6].竹纖維是一種環(huán)保的纖維，應(yīng)選用綠色加工工藝來制取竹纖維，保留其天然獨特功能.本文利用清水高溫高壓蒸煮竹片，再進行機械碾壓分絲，探究了蒸煮時間對制取纖維質(zhì)量的影響；然后測試制取出的竹原纖維的基本性能，并與實驗室購買的竹原纖維（采用化學法制?。┻M行比較.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

綠竹片、竹原纖維，福建建州竹業(yè)科技開發(fā)有限公司提供.

1.2 實驗儀器與設(shè)備

XFS-280A型手提式壓力蒸汽滅菌鍋，浙江新豐醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)；02141型軟麻機，常德市立新紡織機械公司生產(chǎn)；Instron3369型萬能強力機，美國英斯特朗集團生產(chǎn)；TM-1000臺式掃描電鏡，日本日立公司生產(chǎn).

竹纖維制取流程為：清洗竹片—高溫高壓蒸煮—軟麻機機械軟化分絲—篩選分離—自然晾干.其中，蒸煮溫度為126～129℃、壓強為0.15～0.17 MPa，蒸煮過程中使竹片保持在液面以下.蒸煮時間為2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h，根據(jù)各時間段制取竹原纖維的分散度、細度、纖維制得率確定最佳處理時間.

1.4 測試方法

（1）纖維細度、強度測試：依據(jù)標準SN/T 2627-2010測試纖維直徑.用測試過直徑的纖維做拉伸實驗，按照標準ASTM D3822-2007測試單纖維拉伸性能，強力機夾持間距為10 mm，拉伸速率為1 mm/min.

（2）表面形貌表征：竹原纖維表面形態(tài)采用SEM掃描電鏡觀察.

（3）抗菌性測試：依據(jù)《GB/T 20944.1-2007紡織品抗菌性能的評價》、《GB/T 24346-2009紡織品防霉性能的評價》分別測試竹原纖維對金黃色葡萄球菌、黑曲霉菌的抗菌性.

2 結(jié)果與討論

本文主要討論物理機械法制取竹原纖維工藝中高溫高壓蒸煮時間對制取的纖維質(zhì)量品質(zhì)的影響，然后取最佳蒸煮時間處理的纖維做性能測試，并與用化學方法制取的竹原纖維進行比較.本文將用物理法制取的竹原纖維記為1#，將實驗室購買的化學法制取的竹原纖維記為2#.

2.1 最佳蒸煮時間確定

設(shè)定高溫高壓蒸煮時間為2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h，通過各時間段制取的竹原纖維的分散度、細度、纖維制得率確定最佳處理時間.制的出的纖維形態(tài)如圖1所示，細度、纖維制得率如圖2所示.

寶玉給晴雯寫了《芙蓉女兒誄》，黛玉幫著修改，寫出了“茜紗窗下，我本無緣；黃土壟中，卿何薄命？”的詩句。

圖1 高溫高壓蒸煮4 h、6 h、14 h、18 h機械軟化分絲后輸出的纖維Fig.1 Output fibers of cooking time is 4 h，6 h，14 h，18 h

圖2 各時間段纖維制得率及纖維細度Fig.2 Fiber yield and fiber fineness of each time period

由實驗結(jié)果可知，2 h、4 h制取的纖維沒有分離開來，如圖1（a）所示，大部分粘結(jié)在一起，纖維呈束纖維狀（細度很大，無法用纖維投影儀法測試直徑）；6 h、 8 h、10 h、12 h制取的纖維分散度很好，但纖維細度較大且較堅硬，如圖1（b）所示；14 h制取的纖維品質(zhì)最佳，纖維分散度好，細度比蒸煮時間小于14 h的小，與蒸煮時間大于14 h的相差不大，且其纖維制得率較高，如圖1（c）所示；16 h以后制取的纖維發(fā)生斷裂現(xiàn)象，纖維糾纏在一起，且纖維制得率較低，如圖1（d）所示.

用SPSS軟件對各時間段纖維細度、纖維制得率作單因素方差分析和顯著性分析，得出結(jié)果如表1、表2所示.

表1 蒸煮時間對纖維細度的方差及顯著性分析Tab.1 Analysis of variance and significance of fiber fineness

表2 蒸煮時間對纖維制得率的方差及顯著性分析Tab.2 Analysis of variance and significance of fiber yield

由顯著性分析結(jié)果可知，高溫高壓蒸煮時間對纖維制得率、纖維細度的影響都是顯著的.綜上所述，竹原纖維最佳蒸煮時間為14 h.

2.2 性能測試

2.2.1 細度和力學性能

測試得出的2種竹原纖維的細度和力學性能如表3、表4所示.

表3 2種竹原纖維細度Tab.3 Fineness of two kinds of bamboo fibers

表4 2種竹原纖力學性能Tab.4 Mechanical properties of two kinds of bamboo fibers

由表3可知，竹原纖維1#細度大于竹原纖維2#，但細度不勻率小，物理機械法制備的竹原纖維細度分布較均勻.由表4可知，雖然竹原纖維1#和2#的細度相差較大，但斷裂強度、斷裂伸長率、拉伸模量等值相當.在制取竹原纖維時，高溫高壓使竹原纖維1#結(jié)晶度提高，纖維的大分子排列變得更規(guī)整，分子之間的作用力大，在拉伸過程中要使大分子斷裂，破壞大分子之間的結(jié)合力較困難.所以竹原纖維1#的斷裂強度較高，和竹原纖維2#相差不大.又因纖維結(jié)晶度高時，大分子之間的結(jié)合力較大，破壞大分子結(jié)合力后產(chǎn)生的滑移較小，使得纖維的斷裂伸長較小.故竹原纖維1#的斷裂伸長小些.斷裂比功的大小說明纖維的韌性，斷裂比功大表明纖維的韌性較好，而且耐磨，其制品一般比較堅韌.另外，半纖維素和木質(zhì)素等成分在纖維中還起到黏結(jié)和傳載等韌性方面的作用.從上表可知竹原纖維1#的韌性優(yōu)于竹原纖維2#.

2.2.2 表面形貌表征

圖3、圖4為2種竹原纖維的橫縱截面觀察圖.

圖3 2種竹原纖維縱向形態(tài)Fig.3 Longitudinal view of two kinds of bamboo fibers

圖4 2種竹原纖維橫截面形態(tài)Fig.4 Cross-sectional view of two kinds of bamboo fibers

由圖3（a）可知，經(jīng)過高溫高壓蒸煮并碾壓后，竹片分離成纖維，制取的竹原纖維較粗，有分絲現(xiàn)象，束纖維由很多單纖維或工藝纖維粘附在一起.竹原纖維1#表面較粗糙，沿纖維縱向有許多較深的平行溝槽，纖維表面布滿果膠等雜質(zhì).由圖3（b）可知，竹原纖維2#表面相對光滑，沿纖維縱向的平行溝槽深度較淺，纖維表面的果膠等雜質(zhì)較少.竹纖維縱向結(jié)構(gòu)中的溝槽和孔隙有利于導(dǎo)濕和吸放濕，具有良好的透氣性能，使得纖維中富含氧氣，對于在潮濕環(huán)境中生存繁殖的霉菌類代謝作用和生理活性具有抑制作用[7]，從而達到抑菌效果，在結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)竹原纖維獨特的抗菌性能.

由圖4可知，竹原纖維1#和2#的橫截形態(tài)不規(guī)整，邊緣呈鋸齒形，纖維分散度好，纖維基本呈均勻分散狀態(tài)，但纖維都未達到單纖化的水平[8].

2.2.3 抗菌性

2種竹原纖維對黑曲霉素和葡萄球菌的抗菌效果如圖5和圖6所示.

圖5 2種竹原纖維對黑曲霉菌抗菌效果Fig.5 Antibacterial effect of Aspergillusniger

圖6 2種纖維對金黃色葡萄球菌抗菌效果圖及纖維底部細菌繁殖情況Fig.6 Inbition of S.Aureusgrouth and S.Aureus growth conditions under fiber

由圖5可知，竹原纖維1#黑曲霉菌生長面積約為50%左右，竹原纖維2#黑曲霉菌生長面積大于60%，按照標準竹原纖維1#防霉等級為3級，竹原纖維2#防霉等級為4級；由圖6可知，2種纖維底部細菌繁殖數(shù)量較少，且竹原纖維1#底部細菌數(shù)量明顯小于竹原纖維2#.綜上所述，竹原纖維1#對黑曲霉菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果均優(yōu)于竹原纖維2#.一般認為，竹原纖維之所以具有抗菌性能，一是由于竹原纖維中含有起抗菌作用的α位酚羥基和β位酚羥基蒽醌化合物成分[9]；二是由于竹纖維天然、獨特的纖維結(jié)構(gòu)使其具有抑菌性能[10].竹原纖維1#的制取方法采取物理機械方法，沒有采用任何化學藥劑，纖維中的抗菌成分或抑菌結(jié)構(gòu)未遭到破壞，故其抗菌效果更好.

3 結(jié)論

（1）用清水高溫高壓蒸煮14 h竹片并經(jīng)過機械軟化處理，制取的纖維分離度好、細度小且纖維制得率高.

（2）采用物理機械工序，不使用任何化學藥劑，清潔環(huán)保，簡單易行，制取的纖維斷裂強度、斷裂伸長率、拉伸模量、斷裂比功分別為297.20 MPa、5.12%、10.44 GPa、11.30 J，與化學法制取的竹原纖維相比，斷裂強度、斷裂伸長率、拉伸模量分別小5.4%、6.4%、7.2%，而斷裂比功大30.6%，纖維力學性能優(yōu)良.

（3）制取出的竹原纖維對金黃色葡萄球菌和黑曲霉菌的抗菌性較好，優(yōu)于化學法生產(chǎn)的竹原纖維.

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Study on physical extraction process and property of raw bamboo fiber

WANG Chun-hong，ZHANG Qing-ju
（Division of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

With bamboo slice as raw material,the raw bamboo fibers were prepared by means of physical and mechanical treatment,in which the effects of high temperature and pressure cooking time to the fiber quality were analyzed to determine the best cooking time.Compared with the bamboo fibers of chemical preparation,fineness and strength of the fibers and the surface morphology were tested and the antibacterial property of bamboo fibers were evaluated.The results show thatwhen the cooking time is 14 h,the output bamboo fibers have the best quality.The tensile strength,elongation at break,tensile modulus and breaking work were 297.20 MPa,5.12%,10.44 GPa and 11.30 J respectively.In vitro antibacterial test,we find bamboo fiber has fine antibacterial effect to Staphylococcus aureus and Aspergillusniger.

raw bamboo fiber；physical extraction；cooking time；mechanical property；antibacterial

TS102.2

A

1671-024X（2014）05-0014-04

2014-07-07

國家自然科學基金（51303131）；中國紡織工業(yè)協(xié)會科技指導(dǎo)性項目（2008026）

王春紅（1980—），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail:cn_wangch@163.com