木棉纖維及其集合體研究進(jìn)展*

張振方 王梅珍 林 玲 萬(wàn) 明

(1.西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安，710048;2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧波，315211)

木棉纖維手感柔軟、滑糯，類(lèi)似于羊絨、羊毛，纖維自身中空、質(zhì)輕、保暖、天然抗菌、吸濕導(dǎo)濕，是目前紡織用纖維中線(xiàn)密度最小、質(zhì)量最輕、中空率最高、最具保暖效果的天然纖維材料［1］，被譽(yù)為“植物軟黃金”，但它屬于尚未被充分開(kāi)發(fā)利用的小品種纖維。值得一提的是，木棉除了在紡織方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)外，還具有抗炎保肝作用以及很強(qiáng)的抗腫瘤藥理作用［2］。因此，在石油資源日益緊缺和生態(tài)環(huán)保日益重要的今天，研究木棉纖維的應(yīng)用顯得很有意義。

1 木棉纖維簡(jiǎn)介

木棉纖維由木棉的內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育、生長(zhǎng)而成，纖維一般由一個(gè)細(xì)胞發(fā)育而成，有時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)細(xì)胞。木棉纖維常見(jiàn)有白、黃及黃棕三種顏色［1］。木棉的產(chǎn)地一般在云南、廣東、廣西和海南等亞熱帶地區(qū)，我國(guó)常稱(chēng)之為攀枝花。

通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察，木棉纖維端封閉，具有薄壁大中空結(jié)構(gòu)，因此纖維中可以形成大量靜止空氣，可獲得良好的保暖效果，而且木棉纖維抗菌防螨、防蟲(chóng)防蛀，這使其在被褥、枕頭、棉衣被等的絮料填充物方面有較多的應(yīng)用。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。木棉纖維是天然纖維中最輕、最好的浮力材料，并且不易老化和破損，其紡織品能夠承載自身質(zhì)量20倍的重物漂浮在水面［3］。木棉纖維具有疏水親油性，加上獨(dú)有的薄壁大中空結(jié)構(gòu)，它對(duì)油不僅有著優(yōu)秀的吸附能力，而且可以反復(fù)使用［4］。但是，木棉纖維的長(zhǎng)度較短(16～24 mm)，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，這也是木棉纖維在紡紗領(lǐng)域難以攻關(guān)的原因之一［5］。

2 木棉纖維的結(jié)構(gòu)及基本性能

2.1 木棉纖維的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，木棉纖維以其優(yōu)越的性能吸引了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究，Zhang、Mwaikambo、Whitford、Khalili等［6-9］采用軟腐菌對(duì)木棉纖維細(xì)胞壁的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。肖紅［10］通過(guò)壓汞法研究了木棉纖維的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在同等條件下木棉纖維胞壁孔隙尺寸較棉纖維大，孔隙率較棉纖維高，由此得出木棉纖維結(jié)構(gòu)較為疏松，并測(cè)得其結(jié)晶度為35.90%。唐愛(ài)民等［11］用 X-射線(xiàn)衍射法測(cè)定木棉纖維的結(jié)晶度為31.29%，并對(duì)木棉纖維的打漿性能進(jìn)行了初步研究，拓寬了研究領(lǐng)域。肖紅等［12］通過(guò)對(duì)木棉纖維橫截面超薄切片的透射電鏡觀(guān)察，獲得了木棉纖維的胞壁層次結(jié)構(gòu)、原纖尺度及排列。

唐為萍［13］對(duì)木棉次生木質(zhì)部導(dǎo)管分子進(jìn)行了觀(guān)察研究。李明等［14］首次從木棉葉中分離出木棉素，并研究了木棉素的晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)木棉纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究揭示了木棉纖維結(jié)構(gòu)與木棉及其集合體之間的關(guān)系，由于木棉的中空結(jié)構(gòu)和木棉纖維壁中的微孔結(jié)構(gòu)，使得木棉的密度較小，與中空玻璃微球相同，而中空玻璃微球與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合常用在深海浮體材料中，所以，木棉在浮體性應(yīng)用方面潛力巨大。另外，木棉纖維原纖尺度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，為進(jìn)一步解決木棉纖維在紡紗方面的缺陷，以及對(duì)木棉纖維的改性處理打下了重要基礎(chǔ)。

2.2 木棉纖維的長(zhǎng)度分布

安向英等［15］以印尼爪哇木棉果實(shí)為研究對(duì)象，用單根纖維測(cè)量法測(cè)試了果實(shí)內(nèi)不同部位的纖維長(zhǎng)度，結(jié)果表明，木棉果實(shí)內(nèi)纖維的長(zhǎng)度排列分布是連續(xù)的，根數(shù)-長(zhǎng)度呈偏態(tài)分布，具有天然纖維長(zhǎng)度分布的特征。吳紅艷等［16］和劉杰等［17］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，木棉纖維的長(zhǎng)度與果實(shí)長(zhǎng)度有一定的相關(guān)性。劉維［18］研究了木棉纖維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其胞壁厚度約為1 μm，纖維直徑約為20 μm，以此計(jì)算出的木棉纖維的中空度高達(dá)90.3%，是目前中空度最高的纖維［19］。經(jīng)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，木棉纖維橫向?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)，且胞壁接近透明，纖維斷面有微孔，纖維縱向表面光滑無(wú)轉(zhuǎn)曲，纖維根端封閉［20］。

2.3 木棉纖維的吸濕導(dǎo)濕性

張艷華等［21］對(duì)木棉纖維的結(jié)構(gòu)與熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)木棉纖維的熱分解溫度明顯低于棉纖維，不過(guò)其熱分解的溫度區(qū)間較寬。目前，一般應(yīng)用木棉的熱分解特性在木棉絮料的制備方面，如在氣流成網(wǎng)時(shí)，將ES纖維(聚乙烯和聚丙烯復(fù)合纖維)或低熔點(diǎn)滌綸加入，當(dāng)化纖熔融而木棉纖維尚未分解時(shí)，制備的絮料性能更好。

孫向玲等［22］利用OCA15EC型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試了不同特性液體在木棉纖維上的靜動(dòng)態(tài)接觸角，得出木棉纖維是一種優(yōu)良的疏水親油性纖維，并認(rèn)為該吸附特性主要取決于纖維表面的蠟質(zhì)和木棉纖維的大中空結(jié)構(gòu)，同時(shí)也與測(cè)試液體的特性密切相關(guān)。曹紅梅［19］分別測(cè)試和分析了木棉纖維、棉纖維、coolplus纖維對(duì)水和汗液的吸濕導(dǎo)濕性能，發(fā)現(xiàn)木棉纖維的吸濕性良好、導(dǎo)濕性最好。上述兩者的研究似乎有相悖之處，其實(shí)不然。木棉由于蠟質(zhì)而具有疏水親油性能，即水在木棉表面不會(huì)鋪展而油會(huì)在表面鋪展，纖維中空結(jié)構(gòu)使得儲(chǔ)水儲(chǔ)油性能增強(qiáng)，而纖維的導(dǎo)濕吸濕性能正是由于中空結(jié)構(gòu)的存在使得水分在表面張力的作用下吸附而進(jìn)入中空壁，表現(xiàn)出吸濕導(dǎo)濕性能。因此，可以理解為疏水親油是表現(xiàn)、吸濕導(dǎo)濕是性能。

2.4 木棉纖維的強(qiáng)力及紡紗性能

徐光標(biāo)等［23］通過(guò)單纖維強(qiáng)伸性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)木棉纖維的拉伸曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。劉維［18］測(cè)得木棉纖維的強(qiáng)力均值為1.44～1.71 cN，已經(jīng)滿(mǎn)足梳棉機(jī)對(duì)纖維強(qiáng)力1.20 cN的要求下限，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)木棉紡紗有一定意義;此外，由于木棉纖維長(zhǎng)度短、強(qiáng)力低，直接測(cè)定單纖維彎曲剛度較難，因此采用彎曲測(cè)試儀來(lái)測(cè)定纖維片的彎曲剛度，再轉(zhuǎn)換成單纖維的彎曲剛度的方法，測(cè)得木棉纖維的彎曲剛度為0.823×10－5cN·cm2，認(rèn)為木棉纖維相對(duì)彎曲剛度大的主要原因是其極低的線(xiàn)密度。根據(jù)研究［24］，木棉纖維長(zhǎng)度的測(cè)試一般以單根纖維測(cè)試和束纖維測(cè)試為主，單根纖維測(cè)試結(jié)果能夠反映纖維本身的拉伸性能，即能夠了解木棉纖維的拉伸性能;束纖維測(cè)試則較能反映纖維的實(shí)際值，即木棉纖維的真實(shí)數(shù)值。所以，若研究以木棉集合體為主，可以選擇束纖維測(cè)試方法，研究結(jié)果為今后合理利用木棉纖維提供參考。

楊莉等［25］對(duì)比同樣27.8 tex的純木棉紗、棉/木棉混紡紗及純棉精梳紗的強(qiáng)伸性能、毛羽及耐磨性，發(fā)現(xiàn)木棉紗的強(qiáng)力比純棉紗低，斷裂伸長(zhǎng)率比純棉紗大，毛羽較多，耐磨性較差，并認(rèn)為可通過(guò)漿紗或混紡的方法來(lái)改善木棉紗的性能，提高可織性，且木棉紗適合生產(chǎn)起絨織物或手感蓬松柔軟的織物。王琳等［26］對(duì)比木棉混紡紗［棉/木棉/黏膠(61/24/15)、棉/莫代爾/木棉(45/30/25)］、純棉紗及純莫代爾紗，得出木棉混紡紗的條干均勻度較差、千米棉結(jié)數(shù)較多、斷裂強(qiáng)力較低、毛羽較多的結(jié)論。因此，木棉紡紗用傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗工藝難以單獨(dú)加工，一般目前開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品主要是木棉與其他纖維的混紡產(chǎn)品。

嚴(yán)金江等［27］發(fā)現(xiàn)緊密紡生產(chǎn)的木棉混紡紗質(zhì)量接近優(yōu)質(zhì)棉紗水平，認(rèn)為隨著木棉紡紗工藝技術(shù)的進(jìn)一步完善，木棉混紡紗的品質(zhì)有明顯的提升。木棉纖維長(zhǎng)度較短、強(qiáng)度較低、抱合力差，影響了其在紡紗方面的應(yīng)用，混紡是改善其紡紗性能的手段之一，但不足以充分利用木棉纖維的特性，而通過(guò)漿紗等整理工序，又會(huì)破壞其手感，毛羽增多，所以，目前對(duì)于木棉紡紗的研究依然是一個(gè)難題。筆者認(rèn)為，木棉纖維最大的優(yōu)勢(shì)在于絮料填充方面，研究者不妨將木棉與其他領(lǐng)域的材料結(jié)合應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可最大化使用木棉纖維。

3 木棉集合體的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

3.1 木棉絮料的保暖性

木棉纖維長(zhǎng)度短，柔軟且細(xì)，表面由于蠟質(zhì)存在而光滑，故紡紗時(shí)抱合力較差，難以單獨(dú)紡紗。由木棉制成的絮制品的強(qiáng)度低、持久回彈性差，易壓扁、氈化，出現(xiàn)局部破洞，影響保暖和舒適功能，但由于其中空率高、保暖性好、質(zhì)地輕，在保暖用品方面具有巨大的潛力。1998年，德國(guó)Dresden技術(shù)大學(xué)利用木棉與毛復(fù)合開(kāi)發(fā)了木棉/毛復(fù)合隔熱保暖建筑用材料，其相比單獨(dú)毛纖維在吸熱性和熱滯留性方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，因此木棉纖維的保暖性要比毛纖維優(yōu)越。曹繼剛［28］研究了蓬松絮料的傳熱機(jī)理，并據(jù)此提出了提高絮片保暖性的途徑。房超［29］比較研究了木棉絮料和其他現(xiàn)有絮料的靜態(tài)熱阻和對(duì)流散熱量，發(fā)現(xiàn)木棉絮料的保暖性?xún)H次于羽絨，明顯優(yōu)于四孔、七孔滌綸絮料和噴膠棉。

目前對(duì)于木棉絮料保暖性的研究較多停留在靜態(tài)測(cè)試方面，測(cè)試方法以平板保溫儀為主，未使用暖體假人測(cè)試，其原因在于木棉絮料主要應(yīng)用在家紡領(lǐng)域，服用方面應(yīng)用較少。

2004年，東華大學(xué)木棉研究課題組與浙江三弘集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)出“持久柔軟保暖的木棉絮片的制造技術(shù)”［30］，以該專(zhuān)利技術(shù)制造的木棉絮片，對(duì)其壓縮性能和保暖性能進(jìn)行測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，木棉含量與絮料的保暖性正相關(guān)，高于其他合纖，但低于羽絨。蘇婧劼等［31］采用自主研發(fā)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置及方法，根據(jù)人體的代謝產(chǎn)熱率及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)保持人體熱舒適的標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種快速簡(jiǎn)易獲得不同溫度下保持人體熱舒適所需防寒服內(nèi)膽材料最佳面密度的方法，該方法可測(cè)出木棉/羽絨混纖絮料保持人體熱舒適所需的最佳面密度。馮潔［32］研究了木棉相變儲(chǔ)能材料的制造工藝與性能，探索了木棉成為相變材料載體的優(yōu)勢(shì)，為木棉纖維相變材料作為保暖絮料的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。以往，棉、羽絨是主要的保暖材料，但隨著木棉絮料在枕芯、被絮等方面的應(yīng)用，木棉與其他產(chǎn)業(yè)的結(jié)合將展現(xiàn)出巨大的潛力。

3.2 木棉絮料的壓縮性

在使用中，對(duì)木棉絮料的壓縮性要求較高，即要求產(chǎn)品具有較好的回復(fù)能力，否則會(huì)影響保暖性、舒適性及外觀(guān)。近年來(lái)，對(duì)木棉絮料的壓縮性研究也取得了一系列進(jìn)展，研究表明：細(xì)旦滌綸等合成纖維可以有效提高絮料的壓縮功彈性回復(fù)率，而以木棉纖維取代羽絨或者飛絲會(huì)導(dǎo)致壓縮功彈性回復(fù)率略微下降，但當(dāng)其含量變化較小時(shí)差異不明顯［33］，因此，目前的研究尚未涉及到變化差異明顯時(shí)的定量問(wèn)題。韋安軍等［34］研究了木棉絮片的壓縮性能，結(jié)果表明隨著木棉含量的增加，絮片的線(xiàn)性度有減小趨勢(shì)，但多次壓縮后，木棉纖維的影響程度有增大的趨勢(shì);隨著木棉含量的增加絮片的壓縮功彈性回復(fù)率減小，然而經(jīng)過(guò)多次壓縮后，木棉纖維的影響程度有增大趨勢(shì)，并得出3種纖維的壓縮彈性?xún)?yōu)劣排序?yàn)橛鸾q＞羽絨飛絲＞木棉的結(jié)論。

樓英等［35］對(duì)木棉絮料的壓縮性進(jìn)行了研究，并自主開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，利用纖維堆砌結(jié)構(gòu)提高了絮料強(qiáng)力和回彈性。房超［29］研究了潮濕和干燥狀態(tài)下木棉束的壓縮性能差異，前者壓縮功彈性回復(fù)率低，并得出保持纖維中空的方法是應(yīng)盡量降低環(huán)境濕度或纖維回潮率。木棉絮料的壓縮性將極大地影響其在各領(lǐng)域的使用，由于中空度高、壁薄，在受到巨大壓力后易產(chǎn)生非彈性形變，回復(fù)功下降，保暖性等受影響較大。因此，目前普遍采用三維化纖提高絮料的回復(fù)性，也可采用支撐或多層疊加的方法。

3.3 木棉絮料的抗菌防螨性

木棉絮料因其保暖性好可用在家紡領(lǐng)域，而家庭使用中規(guī)避細(xì)菌、螨蟲(chóng)又是一個(gè)重要方面。木棉纖維具有的抗菌防螨性是家用產(chǎn)品的一大優(yōu)勢(shì)。劉維［18］對(duì)木棉絮料的抗菌防螨性進(jìn)行了測(cè)試，表明木棉絮料具有一定的防蟲(chóng)防蛀性能，驅(qū)螨效果明顯，驅(qū)螨率達(dá)到90%，對(duì)于大腸桿菌也具有明顯的殺菌和抑菌效果，并認(rèn)為以上特性與木棉纖維外壁的蠟質(zhì)有一定關(guān)系。根據(jù)抗菌防螨原理，纖維中空、兩端封閉使得螨蟲(chóng)不易寄居在纖維內(nèi)部，阻斷了螨蟲(chóng)細(xì)菌的食物來(lái)源及繁殖場(chǎng)所，也許是其抗菌防螨的另一個(gè)因素。

3.4 木棉絮料的浮體性

崔鵬等［36］對(duì)木棉的浮體性進(jìn)行了研究，并采用氣流成網(wǎng)工藝制作了浮體材料。2008年，東華大學(xué)紡織學(xué)院王府梅教授課題組經(jīng)過(guò)近五年的持續(xù)攻關(guān)，推出了一款用木棉纖維制成的“救生衣”，這套衣服能漂浮在水面，對(duì)于不會(huì)游泳的人來(lái)說(shuō)，穿上它相當(dāng)于穿上救生衣。衣衛(wèi)京等［37］對(duì)木棉/三維卷曲中空滌綸復(fù)合浮力材料進(jìn)行了探討，得到纖維線(xiàn)密度是影響浮力材料性能的重要因素。肖紅等［38］采用直掛式和滑輪式兩種檢測(cè)原理，研制了浮力檢測(cè)儀器。該項(xiàng)研究不僅有利于木棉纖維在浮力材料方面的應(yīng)用，而且利于我國(guó)軍用和民用救生設(shè)備浮力測(cè)試方法和條件的規(guī)范化。不同品種木棉的浮力性能差異很大，而且僅從長(zhǎng)度、直徑、線(xiàn)密度方面很難判別其浮力。考察浮體性材料要進(jìn)行拒水、負(fù)重能力、回彈性等綜合性能對(duì)比，而木棉浮體材料的制備可考慮利用中空玻璃微球代替絮料中20%的低熔點(diǎn)滌綸，以玻璃微球?yàn)樾趿系墓探Y(jié)點(diǎn)有助于增強(qiáng)浮體性和材料的強(qiáng)度。

此外，在木棉纖維的染色、復(fù)合材料、服用及加工設(shè)備等方面都有所研究，并取得了一系列成果。但目前對(duì)木棉纖維的研究仍然有一定的局限：木棉的社會(huì)認(rèn)知度還不夠，消費(fèi)者不夠了解;木棉產(chǎn)品開(kāi)發(fā)尚處于初始階段，產(chǎn)品不能滿(mǎn)足市場(chǎng)要求;企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)尚不夠成熟，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)存在許多難點(diǎn)，需要改造特殊的開(kāi)松、混合、黏合設(shè)備與工藝來(lái)繼續(xù)木棉絮料的研究;需要研究、改進(jìn)紡紗設(shè)備和紡紗新工藝來(lái)提高木棉的可紡性;纖維染深色困難。

4 木棉纖維應(yīng)用展望

木棉纖維作為中空度最高的天然纖維，保暖性好、浮力好是其最大的可利用點(diǎn)，其纖維長(zhǎng)度較短，表面光滑，較難單獨(dú)紡紗，目前有團(tuán)隊(duì)正在研究其紡紗難點(diǎn)。木棉絮料的應(yīng)用一般會(huì)與羽絨和化纖混合成網(wǎng)，目前浙江三弘集團(tuán)擁有國(guó)內(nèi)唯一檢測(cè)木棉羽絨混纖絮料保暖值的設(shè)備，木棉的使用可在保證其他性能不變的基礎(chǔ)上，減少羽絨的使用，降低成本。此外，木棉可用在戶(hù)外裝備(睡袋、防潮墊)上，拓寬木棉纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，而且目前木棉與戶(hù)外紡織品的結(jié)合尚屬空白。筆者目前正在對(duì)木棉集合體在戶(hù)外睡袋填充料中的應(yīng)用進(jìn)行研究，將木棉、羽絨、中空三維滌綸進(jìn)行多種比例的混合，通過(guò)小樣制備及其熱阻濕阻、壓縮性能的測(cè)試分析，參考EN13537標(biāo)準(zhǔn)，在保證睡袋性能的基礎(chǔ)上，節(jié)省了一定的原料成本。

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