幾種新型天然纖維素纖維研究進展

董立琴，駱 倩，蔣 潔，李晴碧，顧迎春，陳 勝

(四川大學 輕紡與食品學院,四川 成都 610065)

幾種新型天然纖維素纖維研究進展

董立琴，駱 倩，蔣 潔，李晴碧，顧迎春，陳 勝*

(四川大學 輕紡與食品學院,四川 成都 610065)

隨著人們對紡織面料的舒適性和環(huán)保性要求的提高，新型天然纖維素纖維的研究和應用成為近年來國內外的研究熱點。綜述了香蕉纖維、桑皮纖維、蓮纖維和烏拉草纖維等四種新型天然纖維素纖維的化學組成、形態(tài)結構、物理機械性能、制備方法及其應用研究進展。

香蕉纖維；桑皮纖維；蓮纖維；烏拉草纖維；制備；應用

隨著紡織科技的不斷發(fā)展及綠色、環(huán)保、生態(tài)等概念的提出，人們對紡織品的性能要求越來越高，天然纖維素纖維憑借其優(yōu)良的性能得到了越來越多的關注。顧名思義，天然纖維素纖維即是以纖維素為主要組成物質的一類天然纖維，因其來源于植物，故又被稱為植物纖維。根據纖維在植株上的部位差異，又被分為種子纖維、韌皮纖維、葉纖維和果實纖維等。天然纖維素纖維均具有良好的環(huán)境形容性，其開發(fā)應用對當今的資源利用和環(huán)境保護具有重要意義。

1 結構性能

1.1 化學組成

天然纖維素纖維在化學組成上基本相似，其主要成分為纖維素，此外，還有半纖維素、木質素、果膠、脂蠟質、灰分、水溶物等。表1為原香蕉纖維[1]、原桑皮纖維[2]、原蓮纖維[3]、原烏拉草纖維[4]等幾種新型天然纖維素纖維與麻類纖維的化學組成比較。對比表1數據可知，香蕉纖維的纖維素含量與麻類比較接近，但波動大；桑皮中纖維素約占32%；蓮桿纖維中纖維素含量接近50%；烏拉草的纖維素含量較高，約占纖維的70%，與麻類纖維尤為相似。此外，桑皮纖維還含有單寧酸、黃酮類及酚類化合物等抗菌成分，這使其具有優(yōu)良的抗菌抑菌性能，經脫膠處理后抗菌效果更優(yōu)，其抑菌率可達60%以上[5]；烏拉草纖維含有揮發(fā)油和黃酮類成分[6]，其中，揮發(fā)油具有較強的生理活性，其主要成分之一的脂肪酸具有抗菌抑菌作用[7]，這使得烏拉草具有了優(yōu)良的抗菌抑菌性能。

1.2 形態(tài)結構

四種天然纖維素纖維的縱橫向形態(tài)結構如圖1所示。圖1(a)為香蕉纖維[8]，橫截面呈腰圓形，有明顯的中腔，部分纖維中腔與胞壁之間存在裂紋；縱向平直，部分纖維縱向上有橫節(jié)且呈現出與羊毛鱗片層相似的凹凸特點。圖1(b)為桑皮纖維[9]，橫截面呈橢圓形或多邊形，有中腔結構；縱向平直，表面凹凸不平，不同程度地伴隨有孔洞和縫隙。圖1(c)為蓮纖維[10]，縱向上表現為由一組(6～10根)平行排列的單絲締合而成的螺旋結構，纖維螺旋單側(外側)有明顯的橫向連接；橫截面呈近似橢圓形或卵圓形，無中腔結構。圖1(d)為烏拉草纖維[11]，橫截面呈不規(guī)則多邊形，有中腔結構；縱向上縫隙多且有一定的孔隙存在，單纖維內部和纖維群體之間的孔隙相連，顯示出不同于其他纖維素纖維的特性。烏拉草的這種空腔結構使其具有優(yōu)良的防寒保暖功效。

1.3 物理性能

表2為香蕉纖維[1]、桑皮纖維[12]、蓮纖維[13]、烏拉草纖維[14]與棉麻纖維的物理機械性能比較。由表可知，香蕉纖維長度與麻類相近，可在麻紡系統(tǒng)上進行紡紗；強度優(yōu)于其它幾種天然纖維。桑皮纖維細度、回潮率介于棉麻之間，強度和斷裂伸長略大于棉麻，長度較棉稍短，適合與棉纖維混紡。蓮纖維線密度最小，與棉纖維接近，這說明蓮纖維較細，有利于成紗均勻和高支紗的紡制；蓮纖維吸濕性好，初始模量和斷裂強力、斷裂伸長均介于棉麻之間，說明其具有良好的可紡性。烏拉草的線密度最大，長度與麻類接近；斷裂強度波動較大，與麻纖維接近；有良好的吸濕性。

表1 幾種天然纖維素纖維原料化學組成比較 單位：%

(a)香蕉纖維

(b)桑皮纖維

(c)蓮纖維

(d)烏拉草纖維圖1 幾種纖維的橫截面及其縱向結構

2 生產工藝

上述幾種天然纖維素纖維來自植物的莖、韌皮等，且含大量非纖維素成分，所以其制備過程可基本分為兩個步驟：(1)纖維原材料的采集篩分；(2)原材料除雜、脫膠，得到符合紡織要求的纖維。其工藝流程如圖2所示。

表2 幾種纖維與棉麻纖維的性能比較

圖2 天然纖維素纖維生產工藝流程圖

2.1 原料的采集

纖維原料的采集方法一般可分為人工法和機械法。

一般情況下，人工法勞動量大、生產效率低、成本高，且制得纖維均勻度差，因此對香蕉莖和桑皮這類原料，人們逐漸開發(fā)出特殊機械來部分或全部替代人力，以提高生產效率。張勁等[15]公開了一種提取香蕉莖桿纖維的方法，將香蕉莖桿用切割機切斷，用破片機沿其軸向破開，手工將莖桿撕開成片狀，再用手拉式刮麻機提取纖維。該種方法纖維制得率高且含雜低。在生產設備的設計和開發(fā)方面，我國熱帶農業(yè)科學院農業(yè)機械研究所也研制出了纖維提取的關鍵設備QP-1800型香蕉莖桿切割破片機和GZ-390型香蕉莖桿刮麻機[16]。李桂付等設計開發(fā)出了一種桑枝快速剝皮的機器，可有效提高生產效率，獲得連續(xù)、完整的桑皮原料。

蓮纖維因2種方式(濕態(tài)人工抽取和干態(tài)機械制取)采集到的纖維外觀性能上的差異而顯得特別。濕態(tài)人工抽取的蓮纖維色澤潔白、手感柔軟、保持著蓮纖維特有的天然螺旋結構，是性能優(yōu)良的天然纖維素長絲；干態(tài)機械制取的蓮纖維手感粗硬，雜質多，呈現出麻類纖維的特點。然而人工法提取效率極其低下，所以目前尚未找到大規(guī)模生產優(yōu)質蓮纖維的方法。即便如此，在東南亞的柬埔寨和緬甸等國家的部分地區(qū)，人們仍然發(fā)明了一種純手工蓮纖維織物(僧袍、圍巾等)的織造技術，其工藝流程為：鮮蓮桿→手工抽絲→加捻成紗→織造→染色→裁剪加工→成品[17]。雖然這種織造技術耗時費力，但它作為一個國家的文化特色，也有其存在和發(fā)展的意義。

烏拉草作為草本植物，其原料的采集相對簡單，依靠直接人工采集和簡單的機械化收割便能滿足生產加工需求。

2.2 脫膠工藝

從表1數據可知，采集來的天然纖維原料含有大量非纖維素成分，并不能直接滿足紡織加工和使用的需求，所以還需對其非纖維素成分進行脫除加工，這在天然纖維加工行業(yè)稱為“脫膠”。據相關文獻可知，天然纖維的脫膠方法大致可歸納為物理脫膠法、化學脫膠法、生物脫膠法和生化聯合脫膠法。

2.2.1 物理脫膠法

物理脫膠法通過機械物理的方式對纖維進行處理，一般有蒸汽爆破法、超聲波處理法和微波處理法幾種。因單獨使用物理法并不能達到理想的脫膠效果，所以它通常作為纖維預處理手段與其他方法聯合使用。

王春等[18]對香蕉纖維進行超聲脫膠處理，膠質去除率可達36%以上。閔庭元等[19]采用超聲波—生物酶—化學脫膠法對桑皮纖維進行脫膠，把超聲波作為脫膠預處理手段可達到良好的脫膠效果。王春紅等用超聲波—堿氧一浴法制取烏拉草纖維，得到可滿足紡織要求的纖維。

2.2.2 化學脫膠法

化學脫膠法是利用天然纖維原料中纖維素與其他膠質成分的化學性質差異，以堿煮練為主，并以各種助劑去除膠質的方法。其工藝流程為：纖維原料→預處理→水洗→煮漂→水洗→酸洗→水洗→脫水→給油→烘干。

盛占武等[20]利用堿煮工藝對香蕉纖維進行脫膠，在一煮工藝下，纖維的殘膠率和殘木質素率分別達到9.19%和7.87%；在二煮工藝下，纖維的殘膠率和殘木質素率分別達到8.85%和4.68%。馬藝華等[21]利用堿氧一浴法進行桑皮纖維脫膠處理，纖維的殘膠率和殘木質素率分別為10.72%和1.94%。王建剛等[22]以堿煮工藝獲得了線密度為5.43 tex，斷裂強度為1.47 cN/dtex，斷裂伸長為5.83%的蓮纖維。孫穎等[23]以二煮法工藝獲得了殘膠率為9.57%，線密度為2.83 tex，斷裂強度為3.40 cN/dtex的烏拉草纖維。

化學脫膠法是比較成熟的纖維素纖維脫膠方法，其脫膠速率快、時間短、操作簡單，脫膠鮮果好，但也存在脫膠條件劇烈、纖維受損大、加工成本高、環(huán)境污染嚴重等問題，所以逐漸被更清潔、環(huán)保的脫膠方法所替代，或者與其他脫膠工藝結合使用。

生物脫膠法有微生物脫膠法和生物酶脫膠法。微生物脫膠法的原理是利用某些微生物以膠質為營養(yǎng)物質的特性，將膠質中的大分子物質分解為小分子物從而達到脫膠的目的。酶脫膠法則是利用酶的高效、專一特性針對性降解纖維膠質的方法。因微生物脫膠法脫膠時間長、環(huán)境衛(wèi)生差、脫膠過程不可控等缺陷，現在的生產工藝中大多采用生物酶脫膠法。

盛占武等[24]利用俐迪鏈霉菌對香蕉纖維進行生物脫膠，得到殘膠率為4.80%，線密度為8.91 tex，強度為3.1 cN/dtex的成品纖維。明津法等[25]用生物酶(KdN-T01F)對桑皮纖維進行脫膠，獲得殘膠率為29.95%的成品。孫穎等[26]利用果膠酶對烏拉草進行脫膠處理，得到殘膠率為18.54%的成品纖維。而蓮纖維的生物脫膠法目前尚未見報道。

和化學脫膠法相比，單一的生物酶脫膠處理并不能達到理想的脫膠效果，所得纖維也大多不能達到紡織加工要求，因此，通常需要多種生物酶聯合處理或生物酶法與其他方法聯合使用。

2.2.4 生化聯合脫膠法

生化聯合脫膠法即是將生物酶脫膠法與化學堿煮脫膠法結合起來使用，通常能達到良好的脫膠效果。其脫膠工藝一般為：原料→預處理→水洗→酶處理→水洗→堿處理→水洗→酸洗→水洗→脫水→烘干，當然堿處理和酶處理的先后順序可以根據需要靈活處理。

熊月林等[27]采用酶—化學聯合脫膠工藝對香蕉纖維進行了脫膠研究，生物酶處理可除去30%的膠質，再經堿氧一浴處理可使殘膠率和木質素殘余率分別降至5.42%、1.58%，得到線密度為3.13 tex的纖維成品。劉楊等[28]用酶—化學聯合法對桑皮纖維進行了試驗，纖維的殘余木質素下降到2.31%，殘膠率為9.36%，可見其脫膠效果優(yōu)良。王春紅等[29]用堿煮—漆酶聯合脫膠工藝對烏拉草進行脫膠處理，可使其木質素含量降低60.86%，纖維直徑減小48.24%，纖維強度提升53.71%。

生化聯合脫膠法因結合了生物法和化學法的優(yōu)勢，可達到良好的脫膠效果。同時，該法在很大程度上縮減了化學處理環(huán)節(jié)中化學藥劑的使用和處理流程的長度，是對傳統(tǒng)脫膠法的一大改進。隨著生產技術的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，物理、化學、生物法聯合使用必將成為天然纖維素纖維生產的主流技術。

他開始在清華養(yǎng)起了貓。小貓初次上樹，不敢下來，他設法把它救下。小貓下來后，用爪子輕輕軟軟地在他腕上一搭，表示感謝。錢鐘書常愛引用西方諺語：“地獄里盡是不知感激的人。”小貓知感激，錢鐘書說它有靈性，特別寶貝。

3 產品開發(fā)

3.1 香蕉纖維

我國的香蕉種植主要分布在廣東、廣西、云南、福建、臺灣、海南等地，四川、貴州和重慶等地也有少量種植。2010年我國香蕉種植面積為35.73萬m2，香蕉產量達956.1萬t[30]，可見香蕉纖維來源之廣。

在國內，人們用曬干后的原香蕉莖做繩子、蕉麻布和墊子。隨著紡織科技的發(fā)展，目前香蕉纖維已可與棉及其他纖維進行混紡，加工成服裝、家紡等民用紡織產品，或利用黃麻紡紗設備加工成紗，制作繩索和麻袋。除傳統(tǒng)應用外，由于香蕉纖維具有高強度特性，它還可作為復合材料的增強相制備高性能復合材料。Prasad N等[31]用香蕉纖維增強低密度聚乙烯，當纖維含量為25%時，復合材料的生物降解能力和機械性能達到最優(yōu)；Zaman HU等[32]以丙烯酸甲酯的甲醇溶液和2%的過氧化苯甲酰混合改性香蕉纖維來增強低密度聚乙烯(LDPE)形成單向復合材料，可有效提升材料的機械性能。改性后再經淀粉溶液處理的香蕉纖維，其增強的低密度聚乙烯機械性能更好。Rashid MM等[33]用KMnO4改性香蕉纖維增強等規(guī)聚丙烯，15%含量的香蕉纖維可使復合材料獲得最優(yōu)性能，其抗拉強度可提升約39%。

3.2 桑皮纖維

據統(tǒng)計，至2012年全國桑樹種植面積已達84萬公頃。每年冬、夏兩季桑樹修枝可提供大量的桑皮資源，利用桑皮開發(fā)桑皮纖維及其紡織品，不僅可提高蠶桑業(yè)的資源綜合利用率，也為紡織材料和紡織產品開發(fā)提供了新的方向。

桑皮纖維具有良好的染色性能、物理性能和抗菌抑菌性能，在混紡織物的開發(fā)利用上具有廣闊前景。一方面是紗線的混紡。桑皮纖維強度高于棉，通過與棉混紡，可提高棉紗的強力，改善其性能；通過與麻混紡，又可實現對麻纖維染色性能的改善。另一方面是織物的混紡即交織。桑皮纖維與蠶絲纖維交織，可使織物的染色性、保型性、吸濕透氣性等得到提升；桑麻混紡紗與滌綸交織則可將幾種纖維的優(yōu)點結合起來，得到吸濕透氣、抗菌易染、外觀挺括、懸垂性優(yōu)良的織物[34]。

3.3 蓮纖維

在中國，蓮的種植分為很廣，從南到北，從東至西，種植面積達到近千萬畝。但主要以收獲蓮藕和蓮子為主，大量荷桿都會作為廢棄物被扔掉。如果將這些廢棄蓮稈運用起來，效益將不可估量。

蓮纖維具有良好的吸濕透氣性、抗菌性和生物相容性，其產品的開發(fā)得到專業(yè)人士的極大關注。目前，市面上流通的蓮纖維大多來自東南亞的緬甸、柬埔寨等國家，采用人力手工的方式制取。主要運用在：高級精品時裝方面。意大利頂級奢侈品牌LoroPiana已注冊商標LoroPiana Lotus Flower Fabric，供應100%緬甸進口蓮纖維制作的圍巾和夾克，每件夾克售價約為5600美元。因其純手工織造的特點，且每一件服裝大約需消耗掉12萬根蓮桿，所以最后的成品價格十分昂貴[35]。其次蓮纖維也可用作手術縫合線、醫(yī)用紗布、止血帶等。吳夢溪等[36]受蠶繭纖維復合結構啟發(fā)，將蓮纖維長絲與聚乙烯醇(PVA)復合制得綠色復合纖維(GCF)，其物理機械性能優(yōu)于繭絲纖維和其他的天然纖維，有效改善了蓮纖維的性能，為以蓮纖維作為增強材料的研究提供了新的思路。

3.4 烏拉草纖維

烏拉草主要生長在中國的東北地區(qū)，雖分布范圍小，但其作為“東北三寶”之一，有很大的開發(fā)價值。烏拉草纖維同樣性能優(yōu)良，但由于目前對其研究不夠深入，其紡紗、織造方面的性能研究鮮有報道，所以其在紡織領域的產品開發(fā)目前還局限于對烏拉草原草的使用，如烏拉草鞋墊、坐墊、床墊和護腰等。在多孔碳材料方面，王昀等[37]在不添加外源性化學活化劑的條件下直接碳化烏拉草制備了多孔碳材料UlaC-950-HF，該材料有較高的比表面積和良好的高壓儲甲烷能力，顯示出在ANG系統(tǒng)中作為甲烷吸附劑的潛力。

4 結語

在當今石化資源日益匱乏，環(huán)境問題越發(fā)嚴重的情形下，天然纖維素纖維因其性能獨特、原料可再生、廢棄后可自然降解且對環(huán)境無毒無害等綠色環(huán)保特性而得到了紡織研究領域的重視。香蕉、桑皮、蓮、烏拉草等新興天然纖維素纖維均是通過對天然植物原料的深加工所得，對這些纖維的清潔開發(fā)和利用能極大地提升資源的利用率。目前香蕉纖維和桑皮纖維生產工藝相對成熟，主要需要提升消費者對其產品的認知度；烏拉草纖維還需要深度開發(fā)，拓展這種高纖維素含量天然植物的利用率；蓮纖維的生產和應用發(fā)展最不成熟，有待技術突破。

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千萬錠新疆紗悄然崛起

一份新疆維吾爾自治區(qū)人民政府發(fā)給國家財政部的測算報告顯示，目前，新疆生產的棉紗每噸比沿海地區(qū)便宜3600元，比越南便宜人民幣4600元……

認真審視我國棉紗市場的優(yōu)勢分布不難發(fā)現：傳統(tǒng)的內地紗；進口的低檔紗以及“逆勢上揚”的新疆紗已然“三足鼎立”。新疆正在成為當下紡織產業(yè)投資熱度最高的地區(qū)。

隨著國外棉紗的大量涌入和國產棉價的不斷走高，國內紡企投資新疆悄然成為熱點。在國家政策的扶持下，2014年，大量棉紡織項目在新疆落地生根。華孚色紡、天虹紡織、河南新野等眾多內地優(yōu)勢棉紡織龍頭企業(yè)均在新疆投資建廠，速度之快，超乎預期。有關統(tǒng)計顯示，2015年底棉紡產能已達到1200萬錠。在總需求不變的情況下，新疆巨大的棉紡織產能對國內的棉紗市場形成重大沖擊。2016年以來，新疆棉紗產能開始獲得較大釋放，并在與內地紗、進口紗的比較優(yōu)勢中異軍突起，全方位搶占市場份額，在低中高支紗各領域競爭力強勁。如今，在新疆新上馬的紡紗項目，技術設備先進，產品檔次齊全，千萬錠新疆紗正在成為抵御國外棉紗沖擊的中堅力量。

新疆作為我國棉花主產區(qū)，棉花資源占全國產量60%以上，初步形成了以棉紡和粘膠纖維為主導的產業(yè)體系。棉花資源、土地資源、能源資源和各地產業(yè)援疆行動等優(yōu)勢為新疆奠定了發(fā)展紡織服裝產業(yè)的堅實基礎，紡織服裝產業(yè)正在成為帶動新疆就業(yè)的重點支柱產業(yè)。受國家和自治區(qū)出臺的一系列政策的激勵，新疆紡織服裝產業(yè)持續(xù)發(fā)力，投資規(guī)模不斷擴大。據統(tǒng)計，2016年，新疆紡織服裝產業(yè)固定資產投資479.7億元，同比增長50.9%；紡織服裝企業(yè)數量達到1964家，較2015年底新增504家。另有數據顯示，自2014年以來，新疆紡織服裝產業(yè)固定資產投資累計為893.7億元，超過前35年的投資總和。預計到2020年，新疆將基本建成國家重要棉紡產業(yè)基地、西北地區(qū)和絲綢之路經濟帶核心區(qū)服裝服飾生產基地與向西出口集散中心。

(摘自：中華工商時報)

杜邦研發(fā)中心全面升級 將投資2億美元

杜邦集團董事長兼首席執(zhí)行官EDBREEN于日前宣布：將投資2億美元用于威明頓市研發(fā)中心的現代化改造與設備升級。目前杜邦與陶氏的合并工作已進入了待審階段，所以杜邦此舉或許在一定程度上受其影響。

BREEN介紹：“我們計劃對整個研發(fā)中心進行全面升級，最終構建一個合作網絡。集團客戶與供應商可由此加入到我們的行列中，與中心科研人員一起對各項產品進行測試。雖然這在外界看來著實匪夷所思，但是集團已為第三方公司騰出了空間，以幫助那些尚處于起步階段的科技型企業(yè)。我個人希望這些企業(yè)可以成為與集團志同道合的伙伴”。被通過現代化改造與設備升級研發(fā)中心必將成為創(chuàng)新與機遇的搖籃。

(來源：纖動資訊)

Research Progress of Novel Natural Cellulose Fibers

DONG Li-qin，LUO Qian，JIANG Jie，LI Qinq-bi，GU Ying-chun，CHEN Sheng*

(College of Light Industry, Textile and Food Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

The chemical components, surface morphology, mechanical property, preparation methods and applications progress of four kinds of novel natural plant fibers were introduced, including banana bark fiber, mulberry fiber, lotus fiber and carexmeyeriana fiber.

banana bark fiber; mulberry fiber; lotus fiber; carexmeyeriana fiber; preparation; application

2016-11-28

四川大學校級大學生科研訓練項目(201610611112)

董立琴(1993-)，女，碩士研究生在讀，主要從事新型天然纖維素纖維研究。

*通信作者：陳 勝(1979-)，男，四川成都人，博士，副教授，主要從事功能高分子材料及纖維材料研究,E-mail:chensheng@scu.edu.cn。

TS102.2

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1673-0356(2017)02-0006-06