木棉纖維的性能及其在紡織上的應(yīng)用

孫曉婷

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

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木棉纖維的性能及其在紡織上的應(yīng)用

孫曉婷

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

摘要：介紹了木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及基本的物理和化學(xué)性能，并闡述了其在紡織領(lǐng)域中的最新應(yīng)用現(xiàn)狀。木棉纖維具有優(yōu)良的抗菌性和保暖性，已成為服裝好家用紡織品中首選的保暖填充材料，有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：木棉木棉纖維結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用

1木棉簡介

木棉又名紅棉、攀枝花、英雄樹，高10～30m，屬木棉科植物，可以說是棉花的近親。木棉科植物品種較多，約有20屬，180余種，是一種生長于熱帶和亞熱帶地區(qū)的落葉大喬木[1]，耐旱不耐寒，宜種植于溫暖干燥和陽光充足的環(huán)境中。

木棉四季會(huì)展現(xiàn)不同的外觀變化：春天一樹橙紅；夏天綠葉成蔭；秋天枝葉蕭瑟；冬天禿枝寒樹。木棉樹每年3～4月份先開花后長葉，花通常為紅色或橙紅色，花落后約至7～8月份會(huì)長出橢圓形的蒴果，外層覆蓋著纖細(xì)的細(xì)毛，待果實(shí)成熟后自動(dòng)裂開，內(nèi)部包裹的黑色種子會(huì)隨棉絮飄散。木棉種子約含20%～25%的油份，可用于榨油；種子內(nèi)部充滿了棉絮，可用作棉被、枕頭等的填充材料[2]。

2木棉纖維組成

木棉纖維是木棉樹的果實(shí)纖維，纖維附著于木棉蒴果殼體內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育而成，有白色、黃色和黃棕色三種，長約8～32mm，直徑約為20～45μm，是一種天然纖維素纖維，與棉纖維同屬于單細(xì)胞纖維。木棉纖維在蒴果殼體內(nèi)壁的附著力小，容易分離，不須經(jīng)過軋棉加工，手工即可除去棉籽[3]。木棉纖維與棉纖維的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)見表1。

表1　木棉和棉的結(jié)構(gòu)及化學(xué)成份比較

從表1中可以看出，木棉纖維與普通棉纖維在結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分上存在較大差異：木棉纖維中纖維素含量僅占一半左右，木質(zhì)素含量占20%左右，非纖維素類物質(zhì)含量較高；而棉纖維中纖維素含量高達(dá)90%，木質(zhì)素含量卻接近0。研究表明，木棉纖維軸向和徑向的各向異性程度均小于棉纖維，其原纖的取向排列程度也低于棉纖維[4]。因此可表明，木棉纖維雖稱之為棉，但并非常規(guī)棉類纖維，在紡織加工過程中，不宜直接采用棉纖維的加工處理工藝。

3木棉纖維基本性能

3.1物理性質(zhì)

木棉纖維縱向(圖1)呈圓柱形，表面光滑，無轉(zhuǎn)曲，光澤好。纖維中段較粗，稍端較細(xì)，兩端封閉，細(xì)胞中充滿空氣，中空度高達(dá)80%～90%[5]，縱向易折，容易被壓扁，是迄今為止中空度最高的纖維。橫截面為圓形或橢圓形(圖2)，截面細(xì)胞未破裂時(shí)呈氣囊狀結(jié)構(gòu)(圖3)，破裂后纖維呈扁平帶狀，不存在類似棉纖維次生胞壁纖維素淀積的過程。胞壁厚度僅為0.5～2μm，接近透明，胞寬壁厚比值為20，表面存在較多的蠟質(zhì)，較為光滑，不易吸水，不易纏結(jié)，具有獨(dú)特的薄壁、大中空結(jié)構(gòu)[6-7](圖4)。

圖1　木棉纖維縱向電鏡照片

圖2　木棉纖維橫向電鏡照片

圖3　木棉纖維根端電鏡照片

圖4　薄壁、大中空結(jié)構(gòu)

木棉纖維獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)決定了其與其他天然纖維素纖維具有不同的基本性能，木棉與棉的基本物理性能對比見表2。

表2　木棉和棉物理性能對比

通過木棉纖維與棉纖維的性能對比可以看出：

(1)木棉纖維線密度為0.9～1.2dtex,細(xì)度僅為棉纖維的1/2，中空率卻是普通纖維的2～3倍，是目前最細(xì)的天然纖維素纖維。纖維長度較短，表面蠟質(zhì)的存在會(huì)降低纖維之間的抱合力；同時(shí)纖維中含有大量木質(zhì)素，提高了纖維的扭轉(zhuǎn)剛度，導(dǎo)致加捻困難，拉伸斷裂伸長隨之降低，所有這些性能都會(huì)導(dǎo)致木棉纖維紡出的紗線強(qiáng)力低、毛羽多[8]，因此木棉纖維不適宜單纖維紡紗，通常將其與其他纖維進(jìn)行混紡，以改善其可紡性，同時(shí)混紡紗不適合做表面光潔、滑爽度高的織物，但適合制作起絨或要求手感蓬松、柔軟的織物。

(2)由于木棉纖維極高的中空度和極薄的細(xì)胞壁，導(dǎo)致其相對密度小，質(zhì)量輕，纖維集合體在水中可承受自重20～36倍的負(fù)荷而不致下沉，具有較好的浮力性能，同時(shí)賦予木棉纖維極好的隔音性和保暖性。

(3)木棉纖維的回潮率高于棉纖維，具有較好的吸濕性，主要是由于木棉纖維內(nèi)部非纖維素物質(zhì)含量較高，親水性好，能快速地吸水膨脹，大量木質(zhì)素的存在以及內(nèi)部空氣的流動(dòng)，加快了水分在纖維內(nèi)部輸送的速度；同時(shí)，纖維獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)使得纖維比表面積增大，這些都會(huì)使木棉纖維具有優(yōu)異的吸濕導(dǎo)濕性能[9]。

(4)木棉纖維壓縮模量較小，受壓后容易產(chǎn)生變形，極易被壓扁。當(dāng)壓力過大時(shí)，纖維空腔內(nèi)的空氣會(huì)被擠出，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致保暖性降低[10]。研究表明，干燥和潮濕的木棉纖維在受到相同壓力時(shí)，干燥纖維內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的損失要小于潮濕纖維，塑性變形程度輕[11]。因此，在紡織加工時(shí)，可適當(dāng)降低環(huán)境相對濕度來保持纖維內(nèi)部的大中空結(jié)構(gòu)，以提高保暖性。

(5)木棉纖維縱向表面光滑，無轉(zhuǎn)曲，橫截面為圓形，平均光折射率高于棉纖維，光澤較好，可被用于增光材料。

3.2化學(xué)性質(zhì)

3.2.1耐酸堿性

木棉纖維具有較好的耐酸堿性能，常溫下，稀酸和NaOH溶液不會(huì)對其產(chǎn)生影響。在不同的溶解條件下，分別將木棉纖維置于不同的酸性和堿性溶劑中，一定時(shí)間后纖維的溶解情況見表3[12-13]。

表3　木棉纖維耐酸堿性能

3.2.2染色性

木棉纖維上染率較低，僅為63%，可用于染色的染料種類較少，通常采用直接染料對其進(jìn)行染色。主要是由于纖維中含有大量木質(zhì)素和非纖維素類物質(zhì)，它們與纖維素大分子互相糾纏以及分子間作用力的影響，阻礙了纖維素上部分羥基的活性，染料分子不能順利進(jìn)入纖維內(nèi)部，導(dǎo)致織物染色不勻、色牢度差[14]。

3.2.3熱性能

熱降解溫度是表征纖維熱穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)，研究表明，木棉纖維的熱降解溫度比棉低，熱穩(wěn)定性差。雖然木棉纖維的熱降解溫度低，但是纖維在開始產(chǎn)生熱降解后，達(dá)到最大降解速率需要的時(shí)間較長，發(fā)生熱降解的溫度區(qū)間大，時(shí)間長。同時(shí)，較低的結(jié)晶度和半纖維素含量過高均會(huì)造成木棉纖維熱穩(wěn)定性能差[15]。

3.2.4保暖性

木棉纖維具有優(yōu)異的保暖性能：一方面纖維中空度高，內(nèi)部充滿大量空氣，很容易形成靜止空氣層，由于靜止空氣的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均小于干燥纖維，導(dǎo)致纖維傳導(dǎo)熱阻高[16]；另一方面纖維孔隙率高達(dá)102%，紗體蓬松，超細(xì)纖維容易進(jìn)入織物空隙中，纖維間孔隙變小，散熱量減少,兩者都會(huì)增加木棉纖維的保暖性。

3.2.5抗菌性

木棉纖維抗菌的主要原因有兩方面：從纖維結(jié)構(gòu)上來說，木棉纖維壁薄、高中空，比表面積大，纖維內(nèi)部空隙中富含氧氣，阻礙了厭氧菌在纖維表面的繁殖；從纖維化學(xué)組成上來說，纖維中含有的黃酮類和三萜類物質(zhì)，對細(xì)菌有較好的抵抗性。經(jīng)測得木棉纖維對大腸桿菌的抗菌性好于金黃色葡萄球菌。由于木棉纖維中含有部分蠟質(zhì)，表面拒水、親油，纖維中的抗菌物質(zhì)不能及時(shí)溶出纖維，因此在進(jìn)行抗菌性測試時(shí)，宜采用吸收法。當(dāng)采用高溫高壓對木棉纖維試樣進(jìn)行滅菌時(shí)，由于黃酮類物質(zhì)在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生分解，因此測得的抑菌率會(huì)低于醫(yī)用酒精滅菌的抑菌率。

4木棉纖維在紡織中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代紡織技術(shù)的快速發(fā)展，以及木棉纖維所具有的強(qiáng)吸濕、抗菌、防螨、防霉、不易纏結(jié)、生態(tài)、保暖等優(yōu)良特性[17]，目前，在紡織領(lǐng)域主要集中于產(chǎn)業(yè)用和服裝用紡織品兩大方面[18-21]。

4.1浮力材料

木棉纖維密度小、質(zhì)量輕，拒水大中空結(jié)構(gòu)，在水中可承受自重的20～30倍而不下沉，是很好的浮力材料。通過對木棉、cattail、milkweeds、玻璃纖維等多種纖維集合體進(jìn)行浮力試驗(yàn)，結(jié)果表明木棉纖維是最佳的浮力材料，且經(jīng)長時(shí)間浸泡后，浮力下降極??；干燥后纖維集合體浮力恢復(fù)如初。以木棉纖維為填充料做成的救生衣在穿著使用過程中不會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，耐用性好。

由于木棉纖維中空度高，易被壓扁破裂，使得作為救生衣或其他浮力材料長期使用后，經(jīng)擠壓浮力會(huì)有所下降。研究表明，木棉纖維浮力材料的最佳體積質(zhì)量為0.036g/cm3～0.05g/cm3。并可通過分層鋪絮以及熱熔粘合技術(shù)等處理工藝，提高纖維集合體的抗壓縮性能，更好地滿足浮力材料要求。

4.2吸油材料

當(dāng)前，工業(yè)中使用較多的吸油材料為熔噴PP無紡布、木棉纖維和高吸油性樹脂，其中木棉纖維成本最低，在天然吸油材料中用量最大。木棉纖維表層含有蠟質(zhì)，疏水親油性好，可吸收約為自重30倍的油量，是丙綸的3倍，無論是植物油還是礦物油，都能被其充分吸收，可用于海上浮油的處理。

木棉纖維對廢油的吸附性強(qiáng)、吸收速度快，制作吸油材料時(shí)只需對其進(jìn)行浸泡風(fēng)干即可使用，經(jīng)過簡單的機(jī)械擠壓后便能快速恢復(fù)吸附性，可重復(fù)多次使用，并可回收多余的油脂，極大地降低了生產(chǎn)成本。

4.3吸聲隔熱材料

木棉纖維特有的薄壁、大中空結(jié)構(gòu)，使其具有熱含量大、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸音效率高等性能，可用作房屋的吸聲層和隔熱層材料，比單獨(dú)的毛纖維材料具有更好的熱滯留性，起到較好的隔音、隔熱效果。

4.4增強(qiáng)體復(fù)合材料

研究表明，將木棉與棉按2:3制成織物，并用NaOH對混紡織物進(jìn)行處理，提高纖維集合體之間的粘附力，然后與不飽和樹脂按一定體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行復(fù)合制得的材料可用作增強(qiáng)體復(fù)合材料。將經(jīng)酸或堿處理后的木棉與棉的混紡織物浸泡于改性后的聚丙烯樹脂溶液中，復(fù)合材料的柔性模量和撓曲強(qiáng)度會(huì)有所提高，使用較少的纖維既可達(dá)到玻璃纖維增強(qiáng)體材料的效果。

4.5保暖填充材料

紡織材料的保暖性主要是通過阻斷熱量的傳播途徑來實(shí)現(xiàn)，材料本身比表面積越大、內(nèi)部存儲(chǔ)的靜止空氣越多，則保暖性越好。木棉纖維不吸潮，防蟲、防蛀，非常適宜作為枕芯、棉被、褥墊等的填充材料。利用木棉纖維的這些特性，可制成中藥保健枕。但由于木棉纖維壓縮模量小，彈性較差，經(jīng)反復(fù)擠壓后，填充料的蓬松性和保暖性會(huì)明顯降低，絮片強(qiáng)度低，限制了木棉纖維在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了彌補(bǔ)木棉纖維壓縮彈性差的缺點(diǎn)，可將木棉纖維、壓縮彈性好的化學(xué)纖維、低熔點(diǎn)纖維等混合鋪網(wǎng)，再經(jīng)熱熔粘合處理，既可充分利用木棉纖維的保暖性，又可保證纖維集合體較為理想的聚集狀態(tài)，提高絮片填充料的強(qiáng)度和彈性，可作為中高檔被褥絮片、靠墊等的填充材料。

4.6服裝、家紡面料

木棉纖維長度短，紡成的紗線強(qiáng)度低、毛羽多，纖維可紡性差，一般難以單獨(dú)紡紗。通常將其與棉、粘膠等其他纖維混合紡紗，綜合各自優(yōu)點(diǎn)，可紡制出光澤好、手感柔軟的面料。試驗(yàn)證明，將棉纖維、木棉纖維、氨綸三者按比例進(jìn)行混合紡紗，織成的服裝面料彈性舒適、吸濕導(dǎo)濕、保暖性好。

通過將木棉纖維進(jìn)行前處理，使其表面形成較多毛刺，以增大纖維之間的抱合力，可實(shí)現(xiàn)木棉纖維單獨(dú)紡紗。同時(shí)，木棉纖維混紡紗線具有抗菌、防螨、抗靜電、抗起球、吸濕導(dǎo)濕、柔軟親膚等性能，可用于制作內(nèi)衣、文胸、床單、枕套、毛毯、浴衣、泳衣等服裝和家紡產(chǎn)品。

5前景展望

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活理念的提高，人們對紡織品不僅僅只要求舒適、保暖、時(shí)尚，更加崇尚自然、環(huán)保，追求健康，消費(fèi)者們越來越注重生態(tài)紡織品的加工與使用。木棉纖維作為一種新型生態(tài)紡織品，具有天然抗菌、防螨、保暖等優(yōu)良特性，符合新時(shí)代綠色環(huán)保紡織品的發(fā)展趨勢，具有較大的市場價(jià)值和發(fā)展前景。

雖然木棉纖維的市場在不斷擴(kuò)大，但目前在木棉纖維應(yīng)用中仍需亟待解決的問題主要有[22]：(1)擴(kuò)大木棉纖維種植范圍，培育更多性能優(yōu)異的木棉新品種，以保證原料供應(yīng)充足；(2)加大對木棉纖維結(jié)構(gòu)、性能等的研究力度，更好地了解木棉纖維，充分發(fā)揮其優(yōu)勢；(3)對新型紡紗技術(shù)進(jìn)行深入研究，改善木棉纖維的可紡性，紡制出更高質(zhì)量的紗線，加大新產(chǎn)品的開發(fā)力度，以便更好地滿足市場需求。

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Performance of Kapok Fiber and Its Application in Textile

SUNXiao-ting

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao, 266071)

Abstract:The morphological structure, chemical composition and basic physical and chemical properties of kapok fiber were introduced and its latest application in the textile field was described. With excellent antibacterial and warmth retention properties, kapok fiber had become the best warming and filling materials for clothing and household textiles which had a promising application prospect.

Key words:kapokkapok fiberstructurepropertyapplication

中圖分類號(hào)：TS102

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0145-05

收稿日期：2015-11-03

作者：孫曉婷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)。