木棉纖維及其在紡織品的應(yīng)用

蘇揚(yáng)帆， 葛明橋*,2

(1. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

木棉樹不僅具有觀賞價(jià)值，其果實(shí)中的木棉纖維還可作為紡織原材料。云南地區(qū)的少數(shù)民族就有用木棉制成床上用品，并用木棉被褥作為女兒陪嫁之物的習(xí)俗。而“木棉袈裟”等服用紡織品更是因其手工制作、工藝精細(xì)、耗時(shí)長(zhǎng)久而顯得珍貴。木棉纖維屬于天然纖維素纖維，具有中空超輕、保暖性好、天然抗菌、吸濕導(dǎo)濕等特性，因此被稱為“植物軟黃金”和“長(zhǎng)在樹上的羊絨”[1-2]。

1 木棉纖維

木棉纖維取自部分木棉科植物的果實(shí)纖維，在中國(guó)，木棉纖維主要來自于木棉樹。成年木棉樹木棉纖維產(chǎn)量每株為5 ～ 8 kg，目前包括中國(guó)在內(nèi)的木棉纖維全球年產(chǎn)量約19.5 萬t。正在花期的木棉樹、紅色木棉花及成熟木棉果實(shí)如圖1～圖3所示。

圖1 正在花期的成年木棉樹Fig.1 Kapok tree in flowering

圖2 木棉花形貌Fig.2 Appearance of kapok flower

圖3 成熟木棉果實(shí)Fig.3 Mature kapok fruit

常見的木棉纖維有白、黃及黃棕3種顏色。將木棉果實(shí)中的木棉種子剔出，或?qū)⒛久薹N子裝入籮筐中篩動(dòng)，即可初步得到用于紡織加工的木棉纖維。

1.1 木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

木棉纖維單纖維長(zhǎng)度為8 ～ 32 mm，直徑為20 ～ 45 mm。另根據(jù)孫景俠等[3]對(duì)木棉纖維微觀結(jié)構(gòu)的觀察，可以得知木棉纖維表面較光滑，轉(zhuǎn)曲較少；木棉纖維還具有兩端封閉，中間較粗的氣囊結(jié)構(gòu)以及大中空的管壁狀結(jié)構(gòu)。此外木棉纖維的單纖密度為0.29 g/cm3，單纖線密度為0.4～3.2 dtex，是目前世界上發(fā)現(xiàn)最細(xì)的天然纖維[3]。

1.2 木棉纖維的物化性能

木棉纖維中空度達(dá)80%以上，在水中可承受自身20～36 倍的質(zhì)量而不下沉[4]。另外經(jīng)過化學(xué)分析可知，木棉纖維主要成分為纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為64%)，木質(zhì)素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為13%)，水分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%)，水溶性物質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.7% ～ 9.7%)以及少量灰分、木聚糖和蠟質(zhì)[5]。

此外同等條件下，木棉纖維的吸濕導(dǎo)濕性均優(yōu)于白棉和彩棉[6]，木棉的回潮率為10.75%，纖維結(jié)晶度為35.9%。另外還有文獻(xiàn)表明木棉對(duì)汗液的吸濕率和導(dǎo)濕率分別可達(dá)185.5%和95.18%[7]。

木棉纖維在常溫稀酸、NaOH條件下穩(wěn)定不溶解，但在一定條件下會(huì)溶解于濃度較高的酸溶液。木棉纖維起始熱分解溫度可達(dá)296 ℃，熱穩(wěn)定性能和棉纖維相當(dāng)[8]。此外木棉纖維驅(qū)螨率可達(dá)87.54%，抑菌率在99%以上，具有良好的抗菌效果[9]。

1.3 木棉纖維與普通細(xì)絨棉的比較

木棉纖維和棉纖維均為單細(xì)胞纖維，但后者屬于種子纖維，由棉籽表皮細(xì)胞伸長(zhǎng)和加厚形成；而木棉纖維則屬于果實(shí)纖維，由附著于木棉蒴果殼的內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)而形成。

張冶等[1]將木棉纖維和普通細(xì)絨棉纖維的性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相比棉纖維的縱向轉(zhuǎn)曲形態(tài)，木棉纖維縱向結(jié)構(gòu)光滑，光澤更好；木棉的中空度遠(yuǎn)大于棉纖維，而結(jié)晶度低于棉纖維，且吸濕回潮率高于棉纖維，所以木棉纖維具有更優(yōu)異的吸濕導(dǎo)濕性能。

2 木棉纖維的染色性能

木棉纖維可用直接染料染色，但是存在上染率底、勻染性差的問題。同樣條件下，木棉纖維的上染率只有63%，而棉纖維可以達(dá)到88%。這可能是木棉纖維中存在的木質(zhì)素和半纖維素與纖維素互相糾纏，使部分纖維素羥基被阻蔽，導(dǎo)致染料分子不能順利進(jìn)入纖維內(nèi)部。此外，木棉纖維特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，也可能是導(dǎo)致木棉纖維染色性能較棉纖維差的原因。

周曉英[10]探討了木棉纖維的染色性能以及染色工藝。先對(duì)木棉散纖維進(jìn)行預(yù)處理(堿處理和漂白處理)，再使用直接染料染色法和活性染料染色法對(duì)其染色，并對(duì)比染色效果；對(duì)木棉纖維進(jìn)行陽離子改性，并比較改性前后的染色性能；采用稀土同浴染色工藝和稀土預(yù)媒染色工藝對(duì)木棉纖維進(jìn)行染色并分析染色工藝及染色效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①鹽的加入可有效提高直接染料對(duì)木棉纖維的上染率，染色溫度以50 ℃為宜；而電解質(zhì)和堿劑則可促進(jìn)活性染料對(duì)木棉纖維的染色效果。②在木棉纖維上引入陽離子基團(tuán)，對(duì)其進(jìn)行陽離子改性可提高陰離子染料對(duì)木棉纖維的染色性能。③稀土預(yù)媒工藝與稀土同浴工藝的上染率相差不大，但前者固色率較低，因此認(rèn)為稀土同浴染色工藝更適用于木棉纖維。

3 木棉纖維的可紡性和混紡紗開發(fā)

3.1 木棉纖維的可紡性

因?yàn)槟久蘩w維的纖維素含量較低，纖維表面轉(zhuǎn)曲較少，故木棉纖維的抱合力差。此外木棉纖維的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度為71.5×10-4cN·cm2/tex，遠(yuǎn)高于棉纖維的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度7.74×10-4cN·cm2/tex。木棉纖維手扯長(zhǎng)度較短，為15 ～ 20 mm；纖維線密度僅有0.4 ～ 3.2 dtex。這些都降低了木棉纖維在傳統(tǒng)環(huán)錠紡過程中的加捻效率，提高了紡紗斷頭率和純紡難度[1]。

目前，上海攀大實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司、際華3542 公司、山東陵縣寶鼎紡織公司、江蘇東華紡織公司等多家企業(yè)均應(yīng)用氣流紡技術(shù)開發(fā)木棉紗線產(chǎn)品，但是當(dāng)前木棉紗的加工仍主要采用轉(zhuǎn)杯紡和環(huán)錠紡兩種方法。生產(chǎn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)杯紡加工對(duì)纖維的長(zhǎng)度要求較低；轉(zhuǎn)杯紡過程中，紗線受到的張力較?。晦D(zhuǎn)杯紡成紗條干更均勻，常發(fā)性疵點(diǎn)粒數(shù)少。因此，轉(zhuǎn)杯紡木棉紗的紗線質(zhì)量比環(huán)錠紡木棉紗更符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.2 木棉纖維的混紡

目前業(yè)內(nèi)開發(fā)的木棉纖維紡織品主要以木棉與天然纖維或化學(xué)纖維的混紡為主，木棉纖維混紡質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～70%。但較常見的木棉/棉混紡紗中木棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于50%，紗線支數(shù)一般低于18.2 tex，這類木棉/棉混紡紗加工難度較小，且成紗質(zhì)量可以滿足后續(xù)加工的要求。

李楊[11]將木棉纖維與棉纖維、滌綸以及粘膠纖維進(jìn)行不同比例的混紡，并對(duì)混紡得到的紗線進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果表明：木棉混紡紗的條干均勻度相比純棉紗較差；木棉纖維混紡比例提高會(huì)降低木棉混紡紗的條干均勻度，使混紡紗的細(xì)節(jié)、粗節(jié)、棉結(jié)增加，紗線強(qiáng)力下降；木棉/棉混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率較純棉紗高。

馬琴等[12]采用緊密紡技術(shù)將木棉纖維和柔絲蛋白纖維混紡，再根據(jù)木棉和柔絲蛋白纖維的特性對(duì)各工序工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得到了強(qiáng)力和耐磨強(qiáng)度良好、紗線外觀柔和、具備負(fù)氧離子釋放功能的木棉/柔絲蛋白紗線。

除了木棉和其他纖維的兩組分混紡，目前還有多組分木棉纖維混紡產(chǎn)品的研究報(bào)道。邱衛(wèi)兵等[13]設(shè)計(jì)了18.2 tex的m(精梳棉)∶m(木棉)∶m(三維卷曲彈性聚酯短纖)=40∶35∶25緊密紡工藝流程和工藝參數(shù)，通過纖維的合理搭配，前紡技術(shù)的改造和后紡緊密紡的優(yōu)化，成功完成了設(shè)計(jì)生產(chǎn)，在800 m/min的絡(luò)筒速度下，絡(luò)筒生產(chǎn)效率為82.5%。

此外劉梅城等[14]采用混紡包芯技術(shù)，成功紡制了m(粘膠)∶m(滌綸)∶m(木棉)∶m(銀纖維)=45∶35∶10∶10的27.8 tex長(zhǎng)絲包芯紗。洪杰等[15]也成功設(shè)計(jì)生產(chǎn)了m(粘膠)∶m(滌綸)∶m(木棉)=50∶40∶10的27.8 tex經(jīng)紗，開發(fā)了的粘/滌/木棉經(jīng)紗混紡織物。

4 木棉纖維產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用

4.1 木棉絮料和填充物

木棉纖維直徑小，中空度達(dá)80%以上，是一種保暖性能極佳的紡織材料[16]。而傳統(tǒng)的紡織加工技術(shù)工藝流程長(zhǎng)，在生產(chǎn)中容易對(duì)木棉纖維的性能造成影響[17]。非織造加工技術(shù)工藝流程較短，可減少對(duì)木棉纖維的損傷，較好地保持木棉纖維原有結(jié)構(gòu)，更好地保留其保暖性和蓬松性。

由于木棉纖維的直徑小，壓縮彈性和強(qiáng)度差等，木棉填充絮料在使用過程中容易被壓扁發(fā)生氈化，甚至出現(xiàn)局部破洞，從而降低絮料的柔軟舒適度和保暖性。為了改善木棉絮料的彈性，李素英等[18]將天然木棉纖維與滌綸按m(天然木棉纖維)∶m(滌綸)=60∶40的混紡比例進(jìn)行加工。結(jié)果表明：非織造技術(shù)可以用于加工木棉纖維，且能較好地保持木棉纖維的中空度；合適的工藝條件可以紡制性能良好的非織造制品；木棉/滌綸非織造制品的厚度、透氣量、保暖性和壓縮彈性率等性能都與其面密度有關(guān)。

樊星等[19]也以木棉纖維、滌綸、棉纖維為原料得到保暖絮片，并分析了原料混紡比、預(yù)針刺機(jī)針刺密度及深度等工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明：木棉/滌綸混紡針刺保暖絮片與其他纖維和滌綸混紡保暖絮片相比，保暖性能更好；當(dāng)混紡組分和針刺深度相同時(shí)，針刺密度的增加會(huì)一定程度降低木棉混紡絮片的保暖性能。此外還出現(xiàn)了一種新的成網(wǎng)技術(shù)[20]：即將木棉纖維原料混合均勻后，進(jìn)行開松除雜，然后再利用纖維成網(wǎng)技術(shù),使木棉纖維形成更好的聚集狀態(tài)，以此來提高木棉纖維紡織品的拉伸斷裂強(qiáng)度及壓縮彈性。

4.2 服裝面料

4.2.1高效保暖內(nèi)衣 由國(guó)內(nèi)紡織工作者自主研發(fā)的木棉保暖內(nèi)衣，經(jīng)檢測(cè)保暖率高達(dá)49%。木棉保暖內(nèi)衣不僅保暖率高于全棉、滌棉及羊絨保暖內(nèi)衣，其透氣性、柔軟性以及舒適性也優(yōu)于純棉內(nèi)衣。

4.2.2針織面料 木棉纖維經(jīng)染整后處理去除纖維表層的蠟質(zhì)后，可用于吸濕導(dǎo)濕紡織品的生產(chǎn)，如運(yùn)動(dòng)用吸濕快干針織T恤面料等。常向真[21]以m(木棉)∶m(棉)= 20∶80的14.8 tex混紡紗和75 D / 72 F竹炭聚醋纖維，按m(混紡紗)∶m(竹炭聚醋纖維)=44.5∶55.5的比例混紡，設(shè)計(jì)了雙面斜紋提花組織的竹炭木棉針織面料。并通過精煉酶煮練酶、中性拋光酶和活性染色一浴法拋光染色，以及柔軟拉幅，使產(chǎn)品具有中空保暖、防霉防蛀、除臭抑菌等優(yōu)良特性。

曹毅等[22]也設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列含木棉纖維的混紡緯編針織面料，以m(棉)∶m(木棉)∶m(粘膠)= 61∶24∶15的 18.2 tex混紡紗為原料開發(fā)緯平針組織面料；以m(棉)∶m(莫代爾)∶m(木棉)= 45∶30∶25的14.6 tex混紡紗為原料開發(fā)雙羅紋組織面料；以18.2 tex混紡紗(m(棉)∶m(木棉)∶m(粘膠)= 61∶24∶15)、14.6 tex混紡紗 (m(棉)∶m(莫代爾)∶m(木棉)= 45∶30∶25)、27.8 tex (棉)純紡紗為原料開發(fā)襯墊組織面料。

4.2.3機(jī)織面料 木棉的機(jī)織面料包括牛仔布、毛巾織物、絨類等。因?yàn)槟久蘩w維比棉纖維細(xì)度和保暖吸濕性更好，手感柔軟，所以木棉機(jī)織面料服用性能優(yōu)于傳統(tǒng)純棉機(jī)織面料。陳玉波等[23]成功開發(fā)了木棉/棉絲光牛仔面料：原料經(jīng)紗為18.2 tex× 2 棉股線，緯紗為36.4 tex (m(木棉)∶m(棉)=40∶60)氣流紡紗線；采用球經(jīng)繩狀染色；織造環(huán)境溫度控制在25～30 ℃，相對(duì)濕度控制在85%～90%；絲光后整理堿的質(zhì)量濃度控制在170 g/L以下。最后織物性能測(cè)試符合FZ/T 81006—2007的各項(xiàng)牛仔服裝服用安全性能的標(biāo)準(zhǔn)要求。

侯小偉等[24]采用常規(guī)棉紡生產(chǎn)工藝結(jié)合木棉和毛處理工藝，成功紡制出了毛巾用38.9 tex(m(棉)∶m(木棉)=70∶30)竹節(jié)紗，并以該竹節(jié)紗為毛經(jīng)紗，以18.2 tex× 2棉股線為地經(jīng)紗，在比利時(shí)畢加諾噴氣織機(jī)上生產(chǎn)出了素緞刺繡毛巾織物。

4.3 戶外用品

由于木棉纖維高度中空、質(zhì)量小、浮力好且保暖性佳，可以用于戶外探險(xiǎn)和旅游等領(lǐng)域。木棉纖維織成的漂浮物，質(zhì)輕易攜、快干不吸水。人們?nèi)ズ＿吇蚝吢糜?，可攜帶木棉野營(yíng)被褥，白天作為水上休閑娛樂的漂浮墊使用，上岸后稍加晾曬又可用于夜間露宿的保暖被褥[25]。

5 結(jié)語

受耕地以及牧場(chǎng)資源的限制，棉花和羊毛等傳統(tǒng)天然纖維的供給量很難再實(shí)現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。而隨著生活水平的提高，人們對(duì)紡織服裝的舒適性、環(huán)保性都有了更高的要求。木棉具有綠色環(huán)保，薄壁中空、柔軟質(zhì)輕、抗菌除螨以及吸濕導(dǎo)濕等良好特性，符合舒適環(huán)保的著裝要求，具有較好的市場(chǎng)開發(fā)前景和發(fā)展空間。積極開發(fā)如木棉等尚未充分利用的環(huán)境友好型纖維資源及其紡織技術(shù)，是中國(guó)紡織服裝產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。

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