云南野生火草纖維及其絨網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與性能

俞 琰， 王西朝， 張瑞云,2， 李蓉麗， 程隆棣,2

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織科 創(chuàng)中心， 上海 201620； 3. 昆明玖雍民族文化創(chuàng)意產(chǎn)品有限公司， 云南 昆明 650000)

火草學(xué)名鉤苞大丁草，為多年生草本植物，是主要生長在云南等地區(qū)的少數(shù)民族沿襲幾千年的紡織原料之一[1]，曾與棉、麻、葛列為同等重要的紡織原料。在幾千年的紡織材料發(fā)展中，棉、麻等鋒芒畢露，火草卻被淹沒于浩瀚史卷中，這無論是從人文角度還是從科學(xué)技術(shù)角度來看，都是一大損失。近年來，得益于植物科學(xué)技術(shù)發(fā)展，火草產(chǎn)量得到顯著提高，同時在文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的加持下，火草紡織品煥發(fā)出新的巨大生機和活力。

目前，火草的應(yīng)用主要為2個部分，即紡織用和藥用。火草紡織品在云南等地區(qū)少數(shù)民族具有極強的民俗文化意義。對火草紡織品如此重視主要有以下方面原因：原料珍稀，《扯火草歌》[2]中記載火草生長于荒山野嶺之中較難采摘；純手工制作成衣工藝復(fù)雜，需要將火草葉背纖維絨網(wǎng)經(jīng)特定的手工操作技巧撕下捻成紗線；具有紡織品的優(yōu)良性能，走訪當(dāng)?shù)厝肆私獾剑麄兘?jīng)常穿用的火草衣具有防水透濕、柔軟保暖等優(yōu)良性能。

火草纖維取自生長于火草葉背的纖維絨網(wǎng)，屬天然植物纖維，其成分主要是纖維素。為推廣火草在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，亟待對火草進行紡織體系的研究開發(fā)。為此，本文對云南野生火草纖維及其絨網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和性能進行表征，并與普通棉纖維進行比較。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文選取我國云南昆明地區(qū)的天然野生火草，通過手工方式從火草葉片背部剝離火草纖維絨網(wǎng)。圖1示出火草葉片背部及已經(jīng)剝離下的火草纖維絨網(wǎng)照片。

圖1 火草葉片背部及纖維絨網(wǎng)Fig.1 Back of fireweed leaf (a) and fibrous network (b)

其他材料：甲酸(98%)，上海沃凱化學(xué)試劑有限公司；冰乙酸(≥99.8%)、硫酸(95.0%～98.0%)、鹽酸(36.0%～38.0%)、氫氧化鈉(片狀，≥96.0%)， 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 測試與表征

纖維化學(xué)成分測定：根據(jù)GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，對纖維絨網(wǎng)進行化學(xué)成分定量分析。

化學(xué)結(jié)構(gòu)測試：采用Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo Fisher公司)測試火草纖維絨網(wǎng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

形貌觀察：采用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡(SEM， 日本JEOL公司)觀察纖維絨網(wǎng)及單根纖維的表面和截面形態(tài)結(jié)構(gòu)，加速電壓為20 kV。

直徑測試：參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法 投影顯微鏡法》測量火草纖維直徑。

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)測試：采用18 kW D/max-2550VB+/PC轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(XRD，日本Rigaku公司)、Bruker D8 ADVANCE X射線多晶衍射儀(XRD，美國Bruker公司)測試纖維絨網(wǎng)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

熱性能測試：通過TGA 4000熱重分析儀(TGA，美國Perkinelmer公司)測試纖維絨網(wǎng)的熱性能，測試溫度范圍為25～700 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮氣氣氛，流量為20 mL/min。

力學(xué)性能測試：采用LLY-06E電子單纖維強力儀(中國萊州市電子儀器有限公司)測定纖維絨網(wǎng)的力學(xué)性能。測試參數(shù)為：隔距5 mm，拉伸速度 20 mm/min， 試樣尺寸10 mm×5 mm。

纖維吸濕性測定：參考GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率試驗方法 烘箱法》對火草纖維進行回潮率、含水率的測定。

潤濕性能測試：采用OCA15EC接觸角測試儀(德國Dataphysics公司)對火草纖維絨網(wǎng)的水接觸角進行測試。

耐酸堿性測試：觀察火草纖維在不同濃度的甲酸、冰乙酸、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液中的狀態(tài)而初步獲得其耐酸堿性。

pH值測試：根據(jù)GB/T 7573—2009《紡織品 水萃取液pH值的測定》，將火草纖維絨網(wǎng)放入配制好的pH緩沖液中萃取一段時間，以測定火草纖維的水萃取液的pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

從火草葉背剝離下的火草纖維絨網(wǎng)，其自然形態(tài)為由纖維隨機交叉成網(wǎng)的非織造結(jié)構(gòu)，掃描電鏡照片如圖2所示。可以看出，纖維無明顯取向，不具有各向異性。絨網(wǎng)厚度為23～66 μm，僅為整片葉子厚度的8%～10%；火草纖維絨網(wǎng)非常輕薄，單片葉背纖維絨網(wǎng)質(zhì)量為0.02～0.06 g。

圖2 火草纖維絨網(wǎng)的SEM照片(×200)Fig.2 SEM image of fireweed fibrous network(×200)

天然纖維素纖維中，棉纖維的縱向形態(tài)為細長不規(guī)則的帶狀，有顯著的轉(zhuǎn)曲現(xiàn)象。在掃描電子顯微鏡下，火草纖維縱向外觀與棉纖維有較大的相似之處，也存在轉(zhuǎn)曲現(xiàn)象，形似帶狀，如圖3(a)所示。與棉纖維光滑的表面不同，火草纖維的表面并不光滑，存在顯著的溝槽和褶紋，如圖3(b)所示。

圖3 火草纖維縱向形態(tài)Fig.3 Longitudinal morphology of fireweed fibers. (a) Longitudinal banded curvature structure(×3 000); (b) Surface pleats structure(×10 000)

圖4示出火草纖維橫截面掃描電鏡照片。可以看出，火草纖維的橫截面呈現(xiàn)為不規(guī)則腰圓形帶中腔，和棉纖維的橫截面極為相似。橫截面SEM照片中顯示并非所有纖維都是帶中腔的，這可能是由于自身纖維較為柔軟，本來帶中腔的纖維在制作切片試樣時受外力擠壓導(dǎo)致中腔閉合?；鸩堇w維自身細軟的特性使其在開發(fā)比棉更加柔軟的產(chǎn)品上具有極大可能；穿插糾纏的結(jié)構(gòu)以及纖維中腔的存在使其具備保留更多靜止空氣的能力，這使得火草纖維具有作為柔軟保暖材料的潛在優(yōu)勢。

圖4 火草纖維橫截面電鏡照片(×5 000)Fig.4 SEM image of cross section of fireweed fiber(×5 000)

選取10個葉片，每個葉片背部取30根纖維測量纖維長度，得到火草纖維長度分布在2～6 mm之間。參照GB/T 10685—2007測得火草纖維直徑在1.05～5.76 μm之間，這與掃描電鏡照片下觀察到的纖維直徑尺寸基本相符?；鸩堇w維與棉纖維[3]形態(tài)尺寸對比如表1所示。

表1 火草纖維與棉纖維形態(tài)對比Tab.1 Morphological comparison of fireweed fiber and cotton fiber

火草纖維的線密度僅為棉纖維的1/6左右，約為0.5 dtex[4]。實驗測出的火草纖維直徑是棉纖維直徑的0.06～0.23倍，表明火草纖維是比棉纖維還細的超細天然植物纖維。

火草纖維細軟且非常短，觀察火草纖維絨網(wǎng)可發(fā)現(xiàn)纖維之間形成了較多孔隙，且纖維帶中腔，這就導(dǎo)致火草纖維絨網(wǎng)及其集合體在液體浸潤之后，存在快速擴散和較強的芯吸效應(yīng)。根據(jù)芯吸效應(yīng)規(guī)律：在相同紗線線密度和同樣截面形狀下，紗線中的單根纖維越細，纖維間孔隙越小且多，毛細管附加壓力越大，芯吸效應(yīng)越強[5]；在非織造結(jié)構(gòu)中，纖維越細，其內(nèi)部能夠形成較細的毛細管，使材料具有更強的毛細內(nèi)壓，質(zhì)量吸濕率更高[6]?；鸩堇w維是目前已知天然纖維素纖維中線密度最小的，因此，單從線密度角度而言，其材料在液體擴散、芯吸等方面具有很好的潛力，可應(yīng)用于開發(fā)導(dǎo)濕快干產(chǎn)品等。

2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

火草纖維的主要成分為纖維素(占約65%)，半纖維素為21%，脂蠟質(zhì)為6%，木質(zhì)素為4.5%，水溶物為3.1%，果膠為0.6%，半纖維素成分較多。棉纖維的纖維素含量約為95%，剩下的為脂蠟質(zhì)等物質(zhì)[3]。與棉纖維相比，火草纖維具有更多的脂蠟質(zhì)、半纖維素和木質(zhì)素成分?；鸩堇w維絨網(wǎng)的紅外光譜圖如圖5所示。

圖5 火草纖維絨網(wǎng)的紅外光譜圖Fig.5 Infrared absorption spectra of fireweed fibrous network

2.3 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析

火草纖維的X射線衍射曲線如圖6所示?？芍?，火草纖維樣品的特征衍射峰位置分別位于2θ為15.74°、22.72°和34.32°處，對應(yīng)纖維素的(110)、(020)和(004)晶面。

圖6 火草纖維絨網(wǎng)的X射線衍射圖Fig.6 XRD pattern of fireweed fibrous network

根據(jù)文獻[11-12]分析可知，I型纖維素的(110)、 (020)和(004)晶面一般分別位于2θ為16°、23°以及34.5°附近，對應(yīng)譜圖中的3個特征衍射峰。于是可由XRD表征結(jié)果得出，火草纖維具有與棉纖維素相同的I型晶體結(jié)構(gòu)?；鸩堇w維的結(jié)晶度為55.52%，與棉纖維相比偏低，說明火草纖維中纖維素大分子有序排列形成的結(jié)晶區(qū)結(jié)晶度較棉纖維少，這是由于脂蠟質(zhì)、果膠、半纖維素和木質(zhì)素等無定形成分降低了火草纖維結(jié)晶度。

2.4 熱性能分析

火草纖維的TG曲線如圖7所示。可以看出：火草纖維在30～100 ℃的質(zhì)量損失對應(yīng)為水分的揮發(fā)；在240 ℃左右開始降解，而棉纖維在270 ℃左右開始降解。其原因主要歸結(jié)為2點：第一，火草纖維的結(jié)晶度較棉纖維低，較少的結(jié)晶區(qū)對纖維素?zé)岱€(wěn)定性無益[13]；第二，火草纖維中半纖維素含量較高，木質(zhì)素含量不高，在纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三者中，半纖維素?zé)岱纸鉁囟茸畹停举|(zhì)素最高[14]。

圖7 火草纖維絨網(wǎng)的TG曲線Fig.7 TG curve of fireweed fibrous network

2.5 纖維網(wǎng)力學(xué)性能分析

火草纖維的長度非常短，為2～6 mm，且非常細軟，不易分離出單根纖維，無法滿足單纖維強力儀測試要求，因此，無法測試單根纖維的強伸性能。本文以統(tǒng)一尺寸的火草纖維絨網(wǎng)試樣為標(biāo)準(zhǔn)測試，得到火草纖維絨網(wǎng)的平均撕破強力約為30 cN，平均斷裂伸長率較大，約為80%。

2.6 吸濕及吸水性分析

參考GB/T 6102.1—2006測試得到火草纖維的回潮率為11.69%，含水率為10.47%，與棉纖維的回潮率(8.5%)和含水率(10%)相比都略高。這是由于火草纖維中半纖維素、果膠物質(zhì)遠高于棉，而半纖維素聚合度低，親水基團數(shù)量多，對水分子高度可及。除此之外，火草纖維自身較細，纖維之間形成的幾何結(jié)構(gòu)對水分子的附著提供了有利條件。

在接觸角測試儀上測得火草纖維絨網(wǎng)與水的接觸角為129.5°左右，如圖8所示。說明火草纖維有較好的疏水效果。這是因為火草纖維中脂蠟質(zhì)含量比棉高6倍左右，而這些脂蠟質(zhì)主要存在于火草纖維表面，因而使得其疏水。

圖8 火草纖維絨網(wǎng)與水的接觸角Fig.8 Contact angle of fireweed fibrous network with water

2.7 耐酸堿性及化學(xué)溶解性分析

將火草纖維放置于不同溶劑中，在不同的條件下觀察其浸潤和溶解情況并與棉纖維進行對比，結(jié)果如表2所示?？芍鸩堇w維具有較好的化學(xué)性能，耐酸堿性好，常溫下稀酸對其基本無影響。參照 GB/T 7573—2009 測得火草纖維的pH值為7.23，符合GB 18401—2003《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的 A類(嬰幼兒用品)產(chǎn)品要求，表明火草紡織品對人體皮膚友好。

表2 不同溶解時間下火草纖維的耐酸堿性及浸潤性Tab.2 Acid-base resistance property and wettability of fireweed fiber with different dissolution time

3 結(jié) 論

1)火草纖維具有較高含量的纖維素和半纖維素，脂蠟質(zhì)含量遠高于棉纖維，可能含有黃酮類物質(zhì)。其絨網(wǎng)的厚度占整片葉厚度的8%～10%，單片葉背纖維絨網(wǎng)質(zhì)量為0.02～0.06 g?；鸩堇w維非常細軟，為超細纖維，直徑僅為1.05～5.76 μm，長約 2～6 mm?；鸩堇w維截面與棉相似，都為不規(guī)則腰圓形帶中腔結(jié)構(gòu)，縱向形態(tài)為特征性的帶狀轉(zhuǎn)曲，表面有褶紋溝槽，不光滑。

2)火草纖維結(jié)晶度為55.52%，明顯小于棉纖維的結(jié)晶度，脂蠟質(zhì)、木質(zhì)素和含量較高的半纖維素等無定形成分導(dǎo)致了火草纖維結(jié)晶度的降低。火草纖維的熱分解溫度較棉纖維低，在240 ℃左右開始降解，主要原因是較低的結(jié)晶度和較高的半纖維素含量。

3)火草纖維的回潮率為11.69%，含水率為10.47%，比棉纖維略高，其纖維絨網(wǎng)強力較低而斷裂伸長率較大。火草纖維具有較好的化學(xué)性能，耐酸性好，水萃取液呈中性對皮膚友好，且疏水性良好，在水及無機酸溶液中不浸潤。