木棉纖維表面改性與高附加值利用研究進(jìn)展

白小杰， 鄧秀春， 卓祖優(yōu)， 陳燕丹

(福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，福建 福州 350108)

自然界中可供開發(fā)利用的天然植物纖維資源豐富多樣，實現(xiàn)其高效充分利用，是緩解當(dāng)前備受關(guān)注的全球性資源短缺和環(huán)境污染危機的重要手段。木棉纖維是木棉植物的果實纖維，因其獨特的形態(tài)特征和化學(xué)組成，呈現(xiàn)出質(zhì)輕、吸水快、隔音、親油、保暖、抑菌等多種性能優(yōu)勢，享有“植物軟黃金”的美譽，成為一種極具應(yīng)用潛力的新型生態(tài)纖維材料[1-2]。隨著科技的發(fā)展，木棉纖維的諸多優(yōu)良性能正逐步被開發(fā)利用，在保暖填充材料、浮力材料、吸油材料、隔熱吸聲材料、功能型生態(tài)織物等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。作者基于木棉纖維獨特的形態(tài)特征和主要性能特點，結(jié)合國內(nèi)外已有的文獻(xiàn)報道，重點對木棉纖維高附加值開發(fā)利用的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，以期為促進(jìn)木棉纖維資源的高效增值利用提供有益參考。

1 木棉纖維的天然特性

木棉纖維(KF)是一種中空度極高(可達(dá)80%～90%)且高度木質(zhì)化的天然單細(xì)胞果實纖維，主要源自攀枝花樹、英雄樹和烽火樹等木棉屬植物果實內(nèi)的綿毛。已有的大量研究結(jié)果表明[2-5]:KF的諸多應(yīng)用特性與其比較特異的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和化學(xué)組成密切相關(guān)。KF的縱向外觀呈圓柱狀，截面呈圓形或橢圓形，表面光滑無顯著卷積；單根纖維末端封閉，內(nèi)部充滿空氣而呈氣囊結(jié)構(gòu)，表面破裂后的纖維則呈扁帶狀[6-8]，其微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。Yang等[9]用氮氣吸附法對KF的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，測得KF比表面積為2.99 m2/g，發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞壁上有裂隙狀氣孔存在(圖1)，孔徑分布主要集中在3～4 nm，直徑為2～40 nm的孔約占纖維總體積的80%。

a.×500； b.×5 000； c.×10 000圖1 木棉纖維的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)[9]Fig.1 Microstructure image of kapok fiber[9]

木棉雖然稱為棉，但跟常規(guī)的棉類纖維在化學(xué)組成和可紡性上存在明顯差異。天然棉類(常用白棉和各種彩棉)幾乎不含木質(zhì)素而纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高達(dá)90%左右；而KF含有較高的木質(zhì)素(15%～22%)和半纖維素(22%～45%)，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%且結(jié)晶度低。KF表面還富含2%～3%的蠟質(zhì)，表面自由能僅49.65 mN/m，單根KF與水的接觸角為151°，呈現(xiàn)出超疏水性[10-11]。另外，木棉纖維長度短(約8～34 mm)，細(xì)度僅為棉纖維的1/2，但因其木質(zhì)素含量高，故扭轉(zhuǎn)剛度較大(可達(dá)7.15×10-3cN·cm2/tex2)，加之表面光滑，致使KF的可紡性和染色性均較差，強度亦較低[12-13]。利用KF中空且壁薄等特點，將其作為天然高分子基材或生物模板，在設(shè)計制備結(jié)構(gòu)與性能獨特的功能復(fù)合材料方面具備一些天然優(yōu)勢[14]。

2 木棉纖維的表面改性

原生KF的蠟質(zhì)外壁光滑，不利于其它組分的有效復(fù)合。為了對KF固有的應(yīng)用特性加以提升或拓展，可以通過化學(xué)或物理的方法對其表面特性進(jìn)行改性處理。

2.1 化學(xué)改性

采用化學(xué)方法對天然纖維進(jìn)行改性，是實現(xiàn)天然纖維和基體材料之間產(chǎn)生有效結(jié)合位點的有效手段之一。利用化學(xué)堿處理KF，可以有效去除覆蓋在纖維表面的木質(zhì)素、半纖維素、蠟質(zhì)和油脂等成分，從而達(dá)到改變KF的表面理化特性以及力學(xué)性能的目的。Abdullah等[15]研究表明：用NaOH預(yù)處理KF的絲光整理效果顯著，并導(dǎo)致纖維素組分的晶型、結(jié)晶度和纖維的表面形貌發(fā)生明顯變化；與未處理纖維相比，堿預(yù)處理后的KF表面會產(chǎn)生微納米級的凹凸褶皺結(jié)構(gòu)并伴有孔洞或淺坑存在，這種微納米級的粗糙表面可以增加KF與液體試劑的接觸面積，提高流體在纖維外表面的附著力，使其更易滲入KF的內(nèi)腔表面。此外，酸、堿預(yù)處理對KF的微觀堆積結(jié)構(gòu)也有很大影響。例如，NaOH預(yù)處理后的KF，纖維素的結(jié)晶度下降，且晶相結(jié)構(gòu)由Ⅰ型向Ⅱ型轉(zhuǎn)變；同時伴隨著顯著的脫酯效應(yīng)，纖維表面大量親水性的羥基官能團(tuán)得以更有效地暴露，這一方面有利于提升KF之間的抱合強度和表面反應(yīng)性，增強木棉纖維與基體樹脂或染料分子的結(jié)合力；另一方面，堿處理也會引起KF剛性的中空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生坍塌，降低其吸油容量[16]。但Wang等[16]研究指出，KF的吸油能力與NaOH的濃度、預(yù)處理溫度和處理時間有關(guān)，在合適的條件下對其進(jìn)行堿處理(見圖2)，增加了表面粗糙度及纖維的非晶區(qū)比例，促進(jìn)化學(xué)溶劑的滲透，有助于改善KF的吸油性能。預(yù)處理試劑不同，木棉纖維的吸附性能也不同，經(jīng)HCl、NaOH、NaClO2和氯仿預(yù)處理過的KF吸附甲苯、氯仿、正己烷的實驗結(jié)果表明：NaClO2預(yù)處理KF對幾種模型吸附質(zhì)均呈現(xiàn)出更好的吸附性能。

圖2 未處理(a)與堿處理(b)木棉纖維掃描電鏡圖[15]Fig.2 SEM image of untreated(a) and alkali-treated(b) kapok[15]

除此之外，為了去除KF表面的蠟質(zhì)，也可以利用氯仿、乙醇、苯-乙醇等有機溶劑體系對其進(jìn)行預(yù)處理。Lim等[17]研究表明：采用氯仿、乙醇、苯-乙醇預(yù)處理木棉纖維，會破壞KF的疏水親油特性，從而使其在油水過濾分離應(yīng)用中的穿透時間提前。Tye等[18]則考察了酸、堿預(yù)處理對KF酶解制備還原糖的影響，結(jié)果表明：原生KF的酶解還原糖得率僅有0.8%，而酸預(yù)處理后KF的酶解還原糖得率可大幅提升至85.2%；尤其是堿預(yù)處理，可以更加有效脫除KF中的木質(zhì)素，使酶解還原糖得率接近100%。因而，堿預(yù)處理被認(rèn)為是酶解木棉纖維素制備葡萄糖，進(jìn)而生產(chǎn)第二代生物乙醇燃料的有效途徑。

利用NaClO2對KF進(jìn)行氧化預(yù)處理也是調(diào)控其親油親水性和表面特性的常用方法之一。已有的研究結(jié)果顯示，NaClO2預(yù)處理可以強效脫除KF中的木質(zhì)素，從而增強KF的親水性[19]。另外，NaClO2預(yù)處理還會引起KF聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，擴(kuò)大纖維的非晶區(qū)，從而比原生KF具有更好的浮油回收性能和可重復(fù)使用性[20]。Chung等[21]將KF依次用NaClO2-NaIO4-NaClO2進(jìn)行一系列的化學(xué)氧化改性處理后，KF的管狀中空形貌得以保持，同時在纖維表面生成大量的—COOH官能團(tuán)，對Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附率均可達(dá)91%以上。唐愛民等[22]研究指出TEMPO氧化預(yù)處理可以選擇性地將木棉纖維素分子鏈C6位的羥基氧化為羧基，以此KF為基材和模板制備有機/無機納米復(fù)合材料，可使納米粒子粒徑更均一且分布更均勻。相反地，對KF表面進(jìn)行乙?；男詣t是為了增強其疏水性，由此提升KF和高分子樹脂的界面結(jié)合作用和吸油性能[23-24]。

2.2 物理改性

Chung等[25]研究發(fā)現(xiàn)，利用γ射線對KF進(jìn)行輻照處理，一方面可以有效去除KF中的可燃性組分，另一方面可以大大破壞木質(zhì)素上的甲氧基官能團(tuán)，從而達(dá)到抑制KF易燃的目的，而且KF的阻燃性能隨著γ射線劑量的增大而逐步提升。唐愛民等[22,26]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超聲波處理后的KF仍存在中空結(jié)構(gòu)，但纖維表面會產(chǎn)生微褶皺和一些斷裂，比表面積有所增加，從而可以使更多的γ-Fe2O3或CdS納米粒子通過原位反應(yīng)復(fù)合到KF表面。從已有的研究結(jié)果來看，利用超聲波或輻照技術(shù)對KF進(jìn)行預(yù)處理，不會對其微觀形態(tài)和中空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。

3 木棉纖維的應(yīng)用

3.1 木棉纖維用作吸油材料

隨著全球石油開采量的持續(xù)增長，油品在運輸和加工過程中突發(fā)性溢油事故頻發(fā)，對水資源、海洋環(huán)境和土壤等造成嚴(yán)重破壞。為了經(jīng)濟(jì)高效地回收溢油和減少危害，高性能吸油材料在含油水體處置、污水資源化等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。合成高分子吸油材料雖然有諸多優(yōu)點，但通常制備工藝復(fù)雜且不易降解，易造成二次污染。因此，近年來基于天然廉價材料的環(huán)保型吸油材料的開發(fā)和應(yīng)用受到高度重視。

KF由于它的中空內(nèi)腔和表面蠟質(zhì)，不僅浮力大還可以存儲大量油脂，實現(xiàn)油水分離并懸浮在油水混合物中，凸顯其作為一種天然疏水親油吸附材料的優(yōu)勢和潛力[3]。KF對不同油脂的吸附能力可達(dá)30～40 g/g，油水吸附質(zhì)量比最高可達(dá)201.53，因而在含油污水處理或油水分離等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[27-28]。Dong等[29]定量評估了KF對不同油脂的吸附性能和黏附能力，在油水分離實驗中，KF對乳化狀態(tài)和分散狀態(tài)下不同粒徑的油滴均有較好的吸附作用，其中對植物油的吸附和附著能力最為優(yōu)異，與廢機車油的吸附量(58.5 g/g)相比，其對植物油的吸附量達(dá)63 g/g。此外，通過接枝和表面涂覆等方法對KF進(jìn)行改性，可以進(jìn)一步提高親油性、持油能力和循環(huán)使用性，從而開發(fā)出性能更加優(yōu)異的木棉基吸油材料。

圖3 納米SiO2/KF超疏水親油材料的制備過程及結(jié)構(gòu)示意圖[32]Fig.3 Schematic representation of transition from raw kapok fiber to superhydrophobic kapok fiber[32]

Wang等[30]和岳新霞等[31]將表面乙酰化改性的KF用于吸附分離油水混合物中的大豆油或柴油，結(jié)果表明：乙?；疜F對柴油的吸附量為原KF的2.5倍，快速達(dá)到吸附平衡(10 min)后將其靜置120 min，測得改性KF對柴油的保油率為84.8%，并可以重復(fù)利用。此外，Wang等[32]結(jié)合運用溶膠凝膠-表面疏水改性法，制備了具有納米級粗糙表面結(jié)構(gòu)和低表面能的納米SiO2/KF超疏水親油材料，合成過程如圖3所示。該低密度吸油材料能夠快速吸附柴油和大豆油，吸油倍率分別在46.9和58.8 g/g以上，通過簡單的真空過濾方法可以去除90%以上的吸附油，循環(huán)使用8次后吸油容量下降不到20%，適用于大規(guī)模含油污水的高效凈化處理。

Zheng等[33]探究了用十八烷基三氯硅烷(OTS)處理過的KF對機器潤滑油、發(fā)動機油和大豆油的吸附能力，結(jié)果表明：OTS處理后的KF(OTS-KF)表面變得粗糙，OTS-KF與水的接觸角明顯增加，短時間內(nèi)就可以達(dá)到吸附平衡，說明附著在纖維表面的OTS能夠提高纖維的吸油能力。不僅如此，通過將KF光滑表面改造成具有多尺度微-納結(jié)構(gòu)的粗糙表面，也可以有效提升原生KF的吸油性能。例如，將疏水改性的納米SiO2均勻分散在聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)溶液中，隨后用該混合溶液對KF進(jìn)行浸漬處理，便可制備獲得表面涂覆有SiO2@PBMA納米級粗糙涂層的雜化KF優(yōu)質(zhì)吸油材料[34]。最近，Wang等[35]首先在預(yù)改性KF上均勻負(fù)載Fe3O4納米粒子，然后進(jìn)一步利用氣相沉積法在其表面沉積低表面能的十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)，制備了具有磁響應(yīng)性的超疏水雜化KF，其在選擇性吸附和持續(xù)分離含浮油污水方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。類似地，Wang等[36]還通過一步水熱法和十二硫醇表面疏水改性法，制備了具有針狀納米ZnO涂層的超疏水/超親油雜化KF，對一系列油脂和有機溶劑的吸附倍率為40.8～70 g/g，不僅具有高效的水包油型乳液分離性能，而且其吸油容量和疏水性在重復(fù)循環(huán)使用80次之后也不會明顯下降。

除通過表面改性用以提高KF的親油性外，近來研究發(fā)現(xiàn)將KF與一些高分子聚合物進(jìn)行復(fù)合，利用組分間產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可以制得綜合應(yīng)用性能更加優(yōu)異的木棉基吸附材料。Kang等[37]利用γ射線輻照的方法，誘導(dǎo)甲基丙烯酸縮水甘油酯在經(jīng)氧化預(yù)處理過的KF表面進(jìn)行接枝聚合，考察了接枝量、單體濃度、溫度和反應(yīng)時間對接枝程度的影響，發(fā)現(xiàn)接枝率隨溫度、時間和輻照劑量增加而增加。王錦濤等[38]以預(yù)處理KF為基材，通過接枝反應(yīng)制備了KF接枝聚苯乙烯吸油材料，該材料顯示出更高效的吸附性能，對氯仿和甲苯的吸油倍率分別達(dá)65.4和43.2 g/g，同時具有吸油速度快和較好的重復(fù)利用性能。Wang等[39]還以聚甲基丙烯酸正丁酯和聚苯乙烯為表面改性劑，采用簡易的溶液浸漬法制備了表面包覆型木棉基復(fù)合吸油材料，得益于聚合物表面涂層在KF表面形成的波紋狀粗糙的微觀形貌，該復(fù)合吸附劑對汽油、柴油、大豆油和石蠟油的吸油倍率高達(dá)62.3～83.3 g/g，同時表現(xiàn)出優(yōu)良的持油性和可重復(fù)使用性能，在溢油清除回收領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。Thilagavathi 等[40]將一種木棉/聚丙烯(質(zhì)量比80 ∶20)針刺無紡布用于油脂清理，其對高密度油和柴油的最大吸油倍率分別為40.8和29.0 g/g，明顯高于商業(yè)聚丙烯基吸油墊且更加生態(tài)環(huán)保。近年來，東華大學(xué)徐廣標(biāo)研究團(tuán)隊在KF油液吸附特性和油水分離應(yīng)用研究領(lǐng)域也取得了一些重要成果[41]。該團(tuán)隊從單纖維微油液吸附研究著手，結(jié)合Washburn的毛細(xì)芯吸理論，首次從纖維中腔和纖維間兩個層面，展示了KF中腔和纖維間孔隙雙尺度油液吸附能力，并建立了KF集合體雙尺度孔隙特征的吸油預(yù)測模型，量化論述了纖維中腔結(jié)構(gòu)對纖維吸油量的重要影響[42]?；诖?，相關(guān)人員積極探索各種制備高孔隙率纖維吸油絮片方法，發(fā)現(xiàn)采用氣流操控纖維具有突出優(yōu)勢，可以有效避免對纖維中腔的破壞。由此，通過引入10%～20%的聚丙烯/聚乙烯皮芯型復(fù)合纖維，以氣流-成網(wǎng)-熱黏合方法，成功制備了具有高油液吸附和攔截特性的各類三維結(jié)構(gòu)化的KF吸油體[43]。其中所制備的木棉/中空聚對苯二甲酸乙醇二酯(PET)吸油絮片具有高達(dá)98.02%的平均孔隙率，對不同油液的吸油倍率可達(dá)43～63 g/g，并在懸掛靜置24 h后，對吸收油液的保留率在80%以上[44]。該研究團(tuán)隊的系列成果對今后KF吸油材料的制備及其油水分離應(yīng)用將發(fā)揮重要作用。

3.2 木棉纖維用作電化學(xué)儲能材料

3.2.1鋰硫電池正極材料 鋰硫電池能量密度是目前鋰離子電池的3～5倍，是極具發(fā)展前景的新一代高比能化學(xué)電源。然而，目前鋰硫電池商業(yè)化應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)是硫的導(dǎo)電性差而且很容易溶解到電解質(zhì)中，導(dǎo)致兩側(cè)電極在僅僅循環(huán)幾個周期后就急劇下降。以炭作為導(dǎo)電骨架的硫炭復(fù)合正極材料能在不同程度上解決上述問題，從而有效提高了鋰硫電池的放電容量和循環(huán)性能[45-46]。

近幾年，納米炭在鋰硫電池中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。利用納米炭材料的獨特孔結(jié)構(gòu)，可以調(diào)變多硫化物的溶解、遷移和穿梭，減少活性材料的流失[47]。受仿生材料設(shè)計啟發(fā)，Tao等[48]首次以KF為原料，經(jīng)高溫炭化獲得了魚鱗狀的炭材料，并以此作為硫的載體制備鋰硫電池正極材料。木棉基炭材料獨特的納米瓦片狀微結(jié)構(gòu)，對于抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)、提升硫顆粒導(dǎo)電性以及調(diào)節(jié)硫在充放電過程中的體積變化具有重要作用。由木棉基炭納米瓦片載硫正極材料構(gòu)筑的鋰硫電池呈現(xiàn)了高且穩(wěn)定的體積容量(504 mA·h/cm3)，在0.4 A/g電流密度下循環(huán)使用90次后，體積容量保留率為95.4%。利用KF的大空腔結(jié)構(gòu)為生物模板，用于制備空心微管狀炭材料具有天然優(yōu)勢。然而，KF的薄壁結(jié)構(gòu)在制備過程的多種因素影響下，其中空管狀結(jié)構(gòu)往往難以為繼。為此，Mu等[49]通過氧化聚合反應(yīng)使苯胺單體在KF表面聚合形成聚苯胺(PANI)保護(hù)層，再將此KF@PANI進(jìn)行高溫炭化，制備獲得保留有中空管狀結(jié)構(gòu)的木棉炭材料。該木棉炭材料進(jìn)一步與高錳酸鉀溶液在一定條件下進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，成功制備了中空管狀結(jié)構(gòu)的C@MnO2雜化復(fù)合材料(圖4)。以C@MnO2為工作電極，當(dāng)電流密度為0.5 A/g時，在三電極體系中測得最大比電容為321 F/g，而且測得的比電容具有正的溫度效應(yīng)。C@MnO2復(fù)合電極的優(yōu)良電化學(xué)性能，主要歸因于KF衍生炭的多尺度介孔管狀結(jié)構(gòu)與MnO2超薄納米片相互貫穿的多孔結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。

圖4 中空管狀結(jié)構(gòu)木棉炭/二氧化錳(C@MnO2)雜化復(fù)合材料的制備過程及結(jié)構(gòu)演變示意圖[49]Fig.4 Synthetic route of the hollowed-out tubular C@MnO2 hybrid composites[49]

3.2.2超級電容器電極材料 超級電容器(SCs)是一類新型的儲能器件，與傳統(tǒng)的電池和電解電容器相比，擁有高功率密度、長循環(huán)壽命、快速充放電速率以及優(yōu)良的安全性，使之在電化學(xué)儲能領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注[50-53]。電極材料是構(gòu)成SCs的核心部件，可用于制作SCs電極的材料主要有炭材料、導(dǎo)電聚合物和過渡金屬化合物等。其中，利用天然可再生的生物質(zhì)制備獲得結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化的多孔炭電極材料正日益受到廣泛關(guān)注[54]。近年來，基于具有高中空度獨特管腔結(jié)構(gòu)的KF，設(shè)計制備綜合性能優(yōu)良的木棉基多孔炭材料在SCs電極材料應(yīng)用方面也取得了一些新進(jìn)展。與傳統(tǒng)呈不規(guī)則形態(tài)的活性炭相比，木棉基炭材料的一維中空結(jié)構(gòu)可以為離子和電子的傳輸提供更快速的通道，并且易于儲存電解液進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，有望表現(xiàn)出優(yōu)異的儲能效率。

Wang等[55]研究了熱解溫度對KF為原料的自摻氮多孔炭材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，在750 ℃熱解溫度下獲得的多孔炭材料比表面積最大，制備成超級電容器電極材料后，在電流密度為1 A/g時，比電容可達(dá)283 F/g，且電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。Cao等[56]以KF為模板和前驅(qū)體，以(NH4)2HPO4為致孔劑、化學(xué)交聯(lián)劑和氮/磷摻雜劑，進(jìn)行原位炭化-活化反應(yīng)，得到具有中空微管結(jié)構(gòu)的氮摻雜炭材料，用作超級電容器電極材料時，在有機電解質(zhì)中表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。由此可見，以KF為前驅(qū)體制備的炭材料在電化學(xué)應(yīng)用方面的巨大潛力。另外，基于KF與金屬氧化物構(gòu)筑的炭微管/金屬氧化物先進(jìn)復(fù)合電極，在電化學(xué)性能方面較純KF衍生炭材料更為優(yōu)異，因此也更具有商業(yè)實用性。Xu等[57]制備得到炭化木棉纖維/氧化鎳(CKF/NiO)復(fù)合電極，在電流密度為0.5 A/g時，所組裝的對稱超級電容器的比電容可達(dá)575.7 F/g；進(jìn)一步將CKF/NiO復(fù)合電極與商業(yè)活性炭分別作為正極和負(fù)極，構(gòu)成不對稱超級電容器裝置進(jìn)行電化學(xué)測試，結(jié)果顯示其功率密度為64.6 W/kg，能量密度可達(dá)7.5 Wh/kg；在經(jīng)過4 000 次循環(huán)充放電后，初始比電容未發(fā)生明顯退化，表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，Xu等[58]進(jìn)一步通過簡單的水熱-炭化方法制得CKF/CoNiOx復(fù)合電極，在6 mol/L KOH電解液中進(jìn)行電化學(xué)性能測試，結(jié)果表明：在電流密度為0.25 A/g時，所組裝的對稱超級電容器比容量可達(dá)502.4 C/g，在循環(huán)充放電5 000次后，電容保留率為97.5%。高比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性體現(xiàn)出KF/金屬氧化物復(fù)合物作為高性能電極材料的的顯著優(yōu)勢。Xu等[59]又以KF為基體，制備了KF@MoS2/rGO氣凝膠作為復(fù)合電極的陰極，KF/MnO2作為陽極，在聚乙烯醇(PVA)/Na2SO4凝膠電解質(zhì)中組裝成全固態(tài)高性能非對稱電容器,測得的比電容可達(dá)347 F/g；在功率密度為0.25 kW/kg時，其最大能量密度可達(dá)63.4 Wh/kg。已有的研究結(jié)果認(rèn)為，KF獨特的中空微管結(jié)構(gòu)與雜化的電活性組分之間會產(chǎn)生協(xié)同增效作用，可在提高電極材料比表面積的同時，促進(jìn)電解質(zhì)溶液的滲透并縮短電子的傳輸距離，從而大大提高了電極材料的利用率，體現(xiàn)出以木棉纖維為前驅(qū)體研制超級電容器高性能電極材料的誘人前景[57-59]。

3.3 木棉纖維用作吸聲材料

隨著現(xiàn)代工業(yè)和運輸業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已經(jīng)成為威脅人類生命健康的重要因素之一，這一現(xiàn)象也促使人們加快對吸聲材料的開發(fā)與利用。使用天然纖維生產(chǎn)吸聲材料，倡導(dǎo)環(huán)保性是當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢。具有獨特空心薄壁結(jié)構(gòu)的木棉纖維在吸聲方面有一定的優(yōu)勢，這種天然構(gòu)造可以增加聲波與纖維之間的摩擦，削弱聲波強度。KF集合體的吸聲性能跟它們的體積密度、厚度及其取向性密切相關(guān)，但受纖維長度的影響較小。在相同厚度條件下，盡管KF的體積密度比商用的玻璃絨或脫脂棉纖維要小得多，但它們的吸聲系數(shù)卻基本相當(dāng)。因此，對KF的吸聲性能加以充分開發(fā)利用具有現(xiàn)實意義[60]。

Liu等[61-62]對KF/中空聚酯纖維(質(zhì)量比90 ∶10)、聚丙烯纖維和中空聚酯纖維所制備的無紡布材料在100～500 Hz低頻區(qū)的吸聲性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：天然KF在低頻聲波段比聚丙烯纖維和中空聚酯纖維具有更優(yōu)異的吸聲特性。目前開發(fā)的KF吸聲無紡布材料多是與高分子聚合物纖維共組的復(fù)合材料，在環(huán)境友好性方面仍有所欠缺。為此，Ganesan等[63]將木棉纖維與乳草纖維按照一定比例混合制成無紡布，研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比為40 ∶60時，吸聲效果最佳。Kaamin等[64]將KF與蛋托進(jìn)行簡單組合制成吸聲板，研究結(jié)果表明：該組合吸聲板可以很好地吸收低頻區(qū)的聲音，同時具有工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點。

4 結(jié) 語

木棉纖維(KF)作為一種來源豐富的可再生天然植物纖維，以其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，近年來在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。但總體而言，KF的研究仍然存在較大的局限性，KF的社會認(rèn)知度也還不夠。目前，KF的開發(fā)利用研究主要集中在染色、絮填材料、紡織和浮力救生材料等方面。除此以外，基于KF的高中空及疏水親油特性，經(jīng)過表面改性或復(fù)合的手段研制高性能吸油材料也取得了一系列階段性的成果。雖然改性KF及其復(fù)合物具有較高的吸油倍率，但如何進(jìn)一步改善和提高其持油率和重復(fù)使用性，仍將是KF作為吸油材料需關(guān)注和解決的重要問題。另一方面，KF在可持續(xù)能源材料和吸聲材料的開發(fā)利用研究尚屬起步階段。以KF為生物模板和碳源，進(jìn)一步構(gòu)筑具有中空管狀結(jié)構(gòu)的炭/過渡金屬氧化物先進(jìn)復(fù)合電極，在高性能超級電容器的潛在應(yīng)用讓人耳目一新。當(dāng)今，構(gòu)筑具有高柔性、可編織、體積小、大能量儲存的能源材料為可穿戴器件供能，是穿戴電子器件得以商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，成為國內(nèi)外眾多科研工作者的研究熱點之一。在眾多儲能材料中，一維線性結(jié)構(gòu)的柔性纖維狀微型超級電容器，被認(rèn)為是最具潛力實現(xiàn)為柔性穿戴器件供能的選擇。因此，如何最大限度地保留和利用KF與生俱來的一維中空結(jié)構(gòu)特性，研制出柔性纖維狀先進(jìn)電極用于微型超級電容器值得期待。綜上，在追求綠色環(huán)保的時代大背景下，隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展及其對KF研究的不斷深入，進(jìn)一步發(fā)揮木棉纖維的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢，拓寬其在吸油、儲能、傳感材料等高附加值新領(lǐng)域的應(yīng)用，將是今后研究的重點和方向。