楊絮纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展*

大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034

隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的增強，加強綠化建設(shè)已成為廣泛關(guān)注的問題。楊樹具有環(huán)境適應(yīng)能力和生命力強，以及種類豐富、長勢旺盛、樹體高大美觀、遮陽能力強等優(yōu)點，故被作為加強綠化的主要樹種而大量種植。截至2008年，我國楊樹林總面積超過7萬km2，且逐年遞增。每棵楊樹可收獲約25 kg的楊絮[1-2]。每到春分時節(jié)，人們便發(fā)現(xiàn)有大量的楊絮纖維飄落。楊絮纖維易通過鼻腔、口腔進(jìn)入人體，導(dǎo)致易過敏人群過敏，嚴(yán)重時會引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、肝腎損傷、心力衰竭等；纖維表面還帶有塵土和細(xì)菌，落入水體則會污染水源，而且飄飛的楊絮容易引發(fā)火災(zāi)，給人們的生活造成威脅[3]。目前，楊絮纖維的危害已成為影響宜居城市建設(shè)的因素之一，也是園林綠化部門必須面對的重大問題[4]。同時，楊絮是一種城市固體廢棄物，現(xiàn)階段對其的處理方法多為掩埋及燒毀，這不僅會對自然環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，也是對天然有機資源的浪費，導(dǎo)致綠地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動遭到破壞，并產(chǎn)生了土壤內(nèi)營養(yǎng)成分不能自我保持的現(xiàn)象。因此，妥善處理楊絮纖維，防止將其拋棄于大自然中，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，是擺在每位科研工作人員眼前的一個實質(zhì)性問題。

楊絮纖維具備吸濕導(dǎo)濕快、保暖、蓬松性和彈性回復(fù)性優(yōu)良、纖維壁薄、導(dǎo)熱系數(shù)小、中空度大(80%～90%)、質(zhì)輕等特點[5]158,[6]，在阻熱保溫材料、吸油材料、生物質(zhì)碳微管、吸附劑及微探針、導(dǎo)電氣凝膠等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。本文主要綜述近年來楊絮纖維在上述領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 阻熱保溫材料

楊絮纖維的導(dǎo)熱系數(shù)小，中空度大，故具有優(yōu)良的阻熱保溫能力，可用于填充被子、床墊、保暖服和睡袋等[7]78,[8],[9]38,[10]255-256。

陰建華等[7]75分別采用濕法成網(wǎng)法和仿羽絨直接填充法制備楊絮纖維絮片，結(jié)果表明兩種方法均能制得蓬松均勻的楊絮纖維絮片，但在仿羽絨直接填充法過程中，需對充入織物內(nèi)膽的楊絮纖維進(jìn)行敲打，否則不能確保纖維的均勻分布。劉娟等[11]采用紡黏法制備了含有楊絮纖維的聚丙烯紡黏非織造材料，其保暖性能優(yōu)良，但楊絮纖維的除雜工藝繁瑣，容器占地面積大，除雜效率低，成型方法也較單一。專利CN107488910A[12]公布了一種保暖透氣混紡紗線及其制備方法，克服了楊絮纖維長度較短而不適合單獨進(jìn)行紡織加工的問題，采用楊絮纖維、聚丙烯腈纖維和棉纖維混紡，所制得的混紡紗線具有可與鵝絨媲美的保暖性能，而且其成本低。

綜上，楊絮纖維在阻熱保溫材料領(lǐng)域具有應(yīng)用價值，但在纖維除雜、填充、絮片成型等方面還有很多亟需解決的問題。

2 吸油材料

楊絮纖維表面含有蠟質(zhì)層，故具有優(yōu)良的拒水親油特性。當(dāng)楊絮纖維和油接觸時，油會被迅速吸附到楊絮纖維表面并存儲于楊絮纖維的中空結(jié)構(gòu)中。因此，楊絮纖維可以用于吸油材料的制備。

CHEN等[10]255-262采用高密度機油和柴油測試楊絮纖維的吸油性能，證明從白楊樹獲得的楊絮纖維是一種極有前途的油吸附材料。LIKON等[5]158-167對楊絮纖維的化學(xué)、物理和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明從意大利黑楊樹獲得的楊絮纖維有望成為生產(chǎn)高效吸油材料的天然資源。尹傳青等[9]89采用紗網(wǎng)布作為基礎(chǔ)支撐材料收集飄飛的楊絮纖維，然后將盛有楊絮纖維的紗網(wǎng)布加捻或?qū)φ鄣玫轿蜌?，加工方法簡單，但楊絮纖維在紗網(wǎng)布上的分布難以控制。專利CN105603635A[13]公開了一種儀表盤用吸油毛氈墊及其制備工藝，采用楊絮纖維、木漿纖維、聚丙烯纖維等作為原料，所得產(chǎn)品的吸油效果好，減震性能優(yōu)良，密度小，不變形，不松散，耐腐蝕。單巨川等[14]探討了吸附時間、油劑溫度、油劑pH值及楊絮纖維質(zhì)量對楊絮纖維吸油性能的影響，同時研究了離心法和軋壓法對楊絮纖維循環(huán)吸油性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)吸附時間、油劑溫度、油劑pH值及楊絮纖維質(zhì)量分別為10 min、25 ℃、7、0.1 g時，楊絮纖維對大豆油和柴油的吸油倍率分別為72、49 g/g；在離心轉(zhuǎn)速、離心時間分別為1 100 m/min、2 min及軋車壓力、軋壓時間分別為0.3 MPa、5 min的條件下，楊絮纖維循環(huán)吸油5次后，其對大豆油的吸油倍率由72 g/g分別下降至66、49 g/g。 這表明楊絮纖維具有較好的吸油性能，采用離心法時楊絮纖維的循環(huán)吸油性能優(yōu)于軋壓法。

3 生物質(zhì)碳微管

鑒于楊絮纖維的中空度及比表面積大，利用楊絮纖維制作生物質(zhì)碳微管，其具備優(yōu)良的催化氧還原反應(yīng)性能及電容特性，可應(yīng)用于電池及電容材料等方面。

專利CN102086034A[15]公開了以楊絮和柳絮為原料制備的碳微米管及其制備方法，所制得的碳微米管環(huán)保、低價且制備方法簡單，但其孔結(jié)構(gòu)簡單且比表面積較小，這限制了其在能源和環(huán)境等方面的應(yīng)用。專利CN102557026A[16]公開了以楊絮、柳絮或梧桐絮為原料制備多孔碳微米管的方法，所制得的多孔碳微米管的孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)且比表面積大，具備優(yōu)良的催化氧還原反應(yīng)性能和電容特性，可作為電極材料廣泛應(yīng)用于超級電容器及燃料電池。

黃雯等[17]將楊絮纖維經(jīng)高溫碳化所制備的碳微米管作為基底，無水乙醇作為碳源，通過化學(xué)氣相沉積法制備成三維結(jié)構(gòu)的碳微米管/碳納米管復(fù)合材料，其比表面積大且具有良好的雙電層電容性能。WEI等[18]通過ZnCl2化學(xué)活化法，利用楊絮纖維制備活性炭微管，由其構(gòu)建的雙電極超級電容電池的比電容和能量密度值遠(yuǎn)高于由活性炭構(gòu)建的雙電極超級電容電池。ZHANG等[19]采用楊絮纖維和硫為原料，通過碳化法制成碳微管，其可用作鋰/硫電池的陰極。

專利CN105870412A[20]公開了基于楊絮的生物質(zhì)碳/硫復(fù)合材料的制備方法，所制得的碳/硫復(fù)合材料具有優(yōu)良的電化學(xué)性能，可解決鋰/硫電池中硫不導(dǎo)電和多硫化物易溶于電解質(zhì)等問題。SU等[21]采用生物廢棄物楊絮、Ni(NO3)2·6H2O和KOH為原料，在氮氣流中用酸溶解技術(shù)進(jìn)行原位煅燒蝕刻，得到具有分層結(jié)構(gòu)的多孔活性碳納米管，其不僅具有較高的比熱容和能量密度，還具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率，可應(yīng)用于超級電容器的電極材料領(lǐng)域。孫元偉[22]以天然資源楊絮為原料，采用硫脲輔助原位水熱碳化法設(shè)計并合成了內(nèi)部為多孔片狀結(jié)構(gòu)的N/S雙摻雜型C材料，該研究為獲得高性能電極材料提供了一條新路線。

4 吸附劑

在天然可再生資源中，纖維素是很有前途的一種，因為它容易獲得，并且其分子鏈上的許多羥基可以功能化。楊絮纖維屬天然纖維，其纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%～45%，將楊絮纖維分子鏈上的羥基功能化，可使其應(yīng)用在吸附劑領(lǐng)域。

LIU等[23]利用楊絮制得一種經(jīng)濟(jì)且可再生的生物碳吸附劑，它能夠吸附有機及無機污染物，如染料、重金屬離子等，表明生物碳化的楊絮纖維是去除廢水中的污染物的潛在材料。專利CN105771919A[24]公開了一種植物纖維素吸附劑及其制備方法和應(yīng)用，所用植物纖維素為楊絮纖維素，所制得的吸附劑具有吸附量大、吸附平衡快、可回收、可重復(fù)使用等優(yōu)點。呂愛超等[25]以從楊絮纖維中提取的楊絮纖維素為載體，對楊絮纖維素表面進(jìn)行接枝改性，制備成偕胺肟基楊絮纖維素，然后用傅里葉變換紅外光譜儀對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明偕胺肟基楊絮纖維素可迅速吸附重金屬離子Cr6+。LI等[26]通過將接枝在楊絮纖維上的聚丙烯腈中的氰基轉(zhuǎn)化為偕胺肟基，制備了一種Cr(VI)吸附劑，其具有很強的吸附和螯合重金屬離子的能力。LI等[27-28]使用偕胺肟基官能化的楊絮纖維和納米銀離子，無需加入其他化學(xué)物質(zhì)，通過水熱原位合成法制備了嵌入楊絮纖維表面的納米銀離子復(fù)合材料。作為吸附劑制備的原料或吸附劑制備所需化學(xué)反應(yīng)載體的楊絮纖維，為重金屬離子的吸附提供了一個綠色平臺。

5 其他特殊領(lǐng)域的研究應(yīng)用

楊絮纖維所具有的優(yōu)良特性使其在某些特殊領(lǐng)域也有應(yīng)用。

WANG等[29]利用楊絮纖維開發(fā)了一種捕獲微探針，其可用于選擇和有效富集唾液酸糖蛋白，不會損失唾液酸殘基和唾液酸糖蛋白中的水分子；同時，對楊絮纖維進(jìn)行掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜及莫爾和威斯納染色分析，得到楊絮纖維外層的主要成分是丁香基和愈創(chuàng)木酚素，它們對于從復(fù)雜肽段混合物中富集唾液酸糖蛋白有關(guān)鍵作用。

LI等[30]通過熱解法將從管狀結(jié)構(gòu)的楊絮纖維中提取的楊絮纖維素氣凝膠制成壓敏導(dǎo)電碳?xì)饽z，濕態(tài)的壓敏導(dǎo)電碳?xì)饽z可以在烘箱中烘干而不發(fā)生任何形變，這與傳統(tǒng)碳?xì)饽z的脆性形成鮮明對比。此壓敏導(dǎo)電碳?xì)饽z具有超低密度(4.3 mg/cm3)、 高壓縮性(80%)、高電導(dǎo)率(0.47 S/cm) 和高吸收性(80～161 g/g)等特性，還具有制備工藝簡單、成本低等特點，在許多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，如彈性導(dǎo)體、從水中吸附油及油水分離等。

6 結(jié)語

楊絮纖維是一種可再生、可生物降解的天然纖維素纖維，憑借其自身優(yōu)異的物理化學(xué)性能，已在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對楊絮的應(yīng)用研究多集中在阻熱保溫材料、吸油材料、生物質(zhì)碳微管、吸附劑及微探針、導(dǎo)電氣凝膠等領(lǐng)域，其中的高附加值產(chǎn)品——碳微米管，以其環(huán)保、低價、纖維利用率高、制備方法簡單等優(yōu)點，將成為楊絮纖維應(yīng)用研究的主要發(fā)展方向。此外，楊絮纖維的密度低，中空度大，分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有可塑性，易成型，易卷曲在一起相互纏繞而形成大量相互貫通的孔隙，有望在新興材料領(lǐng)域得到更加廣泛且深入的應(yīng)用。