竹纤维研究进展

2011-12-06于伟岸李青山

世界竹藤通讯 2011年5期

于伟岸李青山

刘君吕珍珍邢广忠

(燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北秦皇岛 066004)

竹纤维是一种真正意义上的天然环保型绿色纤维，是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维素纤维，是继棉、麻、毛、丝之后的第五大天然纤维。竹纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，同时又具有来源丰富、绿色环保、负离子保健、天然抗菌、抑菌、除螨、防臭、吸湿放湿性和透气性好和抗紫外线等其他纤维无法比拟的天然特性[1-2]。

竹纤维纺织品因其完全复制了竹纤维的固有特性，而倍受消费者青睐，产品需求量逐年上升[3]。竹纤维服装服饰不仅能满足人们回归自然的需求，符合天然、环保、保健的要求，更重要的是具有其它纤维所不具备的优良特性。用竹纤维纱线生产的针织、机织面料和服装，具有明显不同于棉、麻和木质纤维素纤维的独特风格。我国具有非常可观的竹类资源储量，但我国竹类资源的产业化程度较低，如果对竹类资源进行开发，既有利于森林资源的综合保护，也为我国竹资源的合理利用寻找了一条理想途径。竹纤维的开发突破了传统的竹材应用领域，丰富了竹文化的内涵，符合开发绿色纺织品的潮流，提高了纺织品的附加值，增加了产品在国际市场上的竞争力[4-5]。

1 竹原纤维

竹原纤维是指采用物理或者机械的方法去除竹子中的木质素、多戊糖、竹粉、果胶等杂质，从毛竹中直接分离出来的纯天然的原竹纤维[6]，该纤维具有绿色环保、性能优异、风格特殊、穿着舒服、保健功效显著等优点。在所有纤维中，竹纤维的吸湿透气性是最好的。竹原纤维中含有“银琨”的抗菌物质，具有天然抗菌、防螨、防臭的药物特性，可有效地抑制细菌生长、预防传染病，这种抗菌性不会因为织物的反复洗涤、日晒等因素而失去作用，这与通过后整理获得抗菌效果的织物有着根本的区别，同时竹纤维的天然抗菌性不会对皮肤引起任何过敏反应。田慧敏[7]等对竹原纤维的形态结构和聚集态结构进行了测试，并与苎麻纤维、亚麻纤维和棉纤维作对比，结果表明，竹原纤维呈圆柱形，有沟槽、裂缝和明显的横向接缝；竹原纤维的次生层呈现3层同心层结构，次生外层微纤的取向角很小，与纤维轴近乎平行排列；竹原纤维的结晶度和侧向有序指数与苎麻纤维相近，高于棉纤维，竹原纤维具有更强的分子间氢键，结晶度高于亚麻纤维。

2 再生竹纤维素纤维

再生纤维素竹纤维又叫竹浆粘胶纤维，是指采用化学处理方法生产的纤维，属于化学纤维中的再生纤维素纤维，竹纤维中的某些优良性能和含有的保健成分在化学加工中受到影响[8]。

目前我国再生纤维素纤维已自行研发成功并实现产业化。把竹子切片、风干后，采用水解碱法及多段漂白法，将竹片精制成符合纤维生产要求的桨粕，经人工催化，多次漂白，精制成可满足生产要求的竹浆粕，然后由氢氧化钠溶解，经纺丝、凝固等工艺制成竹浆纤维，同时确保天然抗菌成分“竹醌”不受破坏，将甲种纤维素含量在35%左右的竹浆纤维提纯到93%以上，在满足纤维生产要求的基础上，再由粘胶厂加工制成竹纤维，所以再生竹纤维也被称为竹浆纤维。竹浆纤维不易褪色，染色吸收性好，渗透性强，富有丝质感觉，手感柔和光滑，而且具有抗菌功效[9]。可根据要求做成短纤维、长丝、纯纺纱或与其它天然纤维、化学纤维混纺制成混纺纱线。

李瑞洲[10]等对竹浆纤维的强伸性、膨润性进行了测试和分析，结果表明竹浆纤维吸湿性较好，织物凉爽舒适，但吸湿后竹浆纤维横向膨胀使纱线变粗，纱线在织物中的弯曲程度增加，当织物干燥后纱线直径相应变小，纱线表面切向滑动阻力限制了纱线的自由移动，纱线不能恢复到原来状态，使织物稳定性变差。因此采用竹浆纤维混纺纱线或复合纱线织造各种织物，面料将具有强力高、耐磨性好、吸湿性、悬垂性、手感柔软、穿着舒适、染色性能好、光泽亮丽、抗菌、防臭等优点。杨旭红[11]等采用松弛干热法对竹浆纤维进行处理，与普通粘胶纤维进行对比，研究了热处理对竹浆纤维结晶结构、白度及力学性能的影响，结果表明，竹浆纤维经180℃处理后，结晶度有明显下降趋势，热处理对竹浆纤维的晶型结构比普通粘胶纤维大，且白度下降明显，断裂强度、断裂伸长率的下降也大于普通粘胶纤维，说明竹浆纤维耐热性不如普通粘胶纤维。

3 竹炭纤维

3.1 竹炭

竹炭是以丰富的老竹为资源，经过60～100℃预干燥，100～150℃ 干燥，150～270℃ 预炭化，270～450℃ 炭化，450～1000℃ 煅烧精心烧制而成。由于其分子结构呈六角形，炭质致密，比重大，孔隙多，矿物质含量丰富，碳含量93%～96%，还含有钾、镁、钙、铝、锆、锰等物质，表面积高达360～1000m2/g，由于具有较高的孔隙度和比表面积，结构独特，具有较强的吸附分解能力、吸湿干燥、消臭抗菌，具有发射远红外线、抗紫外线、负离子发生功能[12-13]。燕山大学[14]运用高能纳米球磨机将竹炭微粉化，再将纳米级的竹炭微粉经过高科技工艺加工，然后采用传统的化纤制备工艺流程，即可纺丝成型，制备竹炭纤维；制成了竹炭改性涤纶短纤维[15]，对竹炭改性涤纶纤维的远红外发射率及负离子发生量进行了测试。结果表明，竹炭改性涤纶短纤维的竹炭粉体具有多孔结构，且在纤维中能均匀分散，负离子发射量达5200个/cm3，高于普通涤纶，负离子释放稳定，远红外发射率高达0.88。此外课题组徐明双[16]等研究了竹炭粘胶纤维与普通纤维的鉴别问题，提出了通过密度法、溶解法、扫描电镜法、热分析法、吸附法、抗菌检测法和负离子测定法对竹炭粘胶进行分析鉴别，解决了二者鉴别困难的问题。

华富兰[17]等人研究了竹炭改性涤纶对负离子浓度的影响，结果表明竹炭改性聚酯纤维能释放负离子，对空气有改善作用。杨荔[18]等利用竹炭的导电性、多孔型将石墨化竹炭、酚醛树脂、炭黑以模压成型法成功制备了导电透气多孔石墨化竹炭/酚醛树脂复合材料，该材料具有导电、加工成型容易成本低等优点，梁浩祥[19]等研究了竹炭涤纶纤维交织物中竹炭涤纶纤维的含量与织物防紫外线性能的关系。指出竹炭涤纶纤维具有良好的防紫外线辐射性能，达到了国家标准所要求的UVA透过率。李晓燕[20]等利用竹炭的导电性和特殊的多孔结构，结合聚苯胺的导电性，通过原位溶液聚合法制备了具有导电性的聚苯胺/竹炭复合材料，结果表明竹炭的加入提高了复合材料的导电性能。

3.2 白竹炭

白竹炭是将竹材用800℃以上的高温长时间烧制而成的，是竹材高温热解的固体产物，孔隙发达，比表面积更大，高达1400m2/g，外观为闪亮的银色，具有更强的吸附能力，同时具有较强的去污、调湿、除臭、杀菌等功能。

燕山大学[21-22]对竹炭和白竹炭进行了电镜形貌表征（图1），由图1中可知白竹炭结构致密、孔隙大，矿物质含量高，因此负离子释放量更大且具有极佳发射远红外线能力，有助于血液循环，并具备优异的储热保温效果。将白竹炭以纳米化技术研磨成粉，用纳米覆层技术，将竹炭粉表面覆上一层白触媒，再经纺丝成为白色的优质新纤维，可染任何淡、浅颜色及鲜艳颜色，不仅解决竹炭纤维染色局限问题还具有一定的释放负离子、发射远红外功能。此外课题组[23]还将白色竹炭超细粉体与PET树脂混合，纺丝制得了具有保健功能的白竹炭负离子复合功能涤纶短纤维，这种短纤维具有良好的吸附性，负离子释放量高于普通布料，且稳定持久，远红外发射率大于0.86，有益于人体健康。

图1 竹炭、白竹炭电镜形貌

4 竹纤维氨基甲酸酯

再生纤维素纤维生产方法大多还是采用传统粘胶法生产工艺。它不但生产流程长，能源消耗大，生产成本高，而且在生产中会释放出大量有毒的CS2和H2S气体，给人们的身体健康造成了巨大的伤害。同时，产生了大量的酸性和碱性废水、废液、废渣，给人类赖以生存的环境造成了巨大的污染，破坏了生态平衡。

目前，一种新生产工艺是以N-甲基氧化吗啉(NMMO)为溶剂，利用氧化胺衍生物在受控条件下溶解纤维素的能力，将纤维素溶解，然后纺丝。但合成的条件比较苛刻且价格昂贵，不易回收，其回收率只有达到99%以上，在工业上才有可行性，因此由该溶剂生产商业用的纤维素纤维发展仍然很慢[24]。

燕山大学[25]使用氢氧化钠对竹原纤维进行活化处理，活化后的纤维素与尿素在N, N-二甲酰甲酰胺中反应生成纤维素氨基甲酸酯。研究了活化用碱液浓度、活化时间、老成时间、尿素预处理和反应条件对纤维素氨基甲酸酯氮含量的影响，确定了酯化反应的最佳反应条件；对不同氮含量的纤维素氨基甲酸酯的结构和性能进行了研究。结果表明，纤维素氨基甲酸酯同纤维素一样在没有熔融之前就会分解，纤维素氨基甲酸酯的热稳定性比纤维素稍差，纤维素经酯化反应后发生晶型转变，反应后纤维形态发生膨胀，结构变得疏松，提高其溶解性。还对纤维素氨基甲酸酯的溶解性及成膜性进行了研究，结果表明，氢氧化钠浓度、尿素浓度、溶解温度和氮含量对纤维素氨基甲酸酯的溶解特性具有明显的影响；同时也研究了制膜液浓度、凝固浴组成、凝固浴条件、塑化条件及干燥条件等因素对其成膜性的影响，确定最佳溶解和成膜条件。纤维素氨基甲酸酯是现有的粘胶工艺中纤维素磺酸酯最有潜力的替代品，随着竹纤维素氨基甲酸酯纤维应用技术和产品开发研究的进展和突破，在不远的将来有望替代粘胶纤维，市场前景比较乐观。

5 纳米改性竹炭纤维

纳米改性竹炭是将具有光催化性能的纳米材料TiO2（二氧化钛）经过特殊工艺负载到竹炭微孔壁上，纳米光触媒材料TiO2在光的照射下，能生成氢氧自由基，具有超强的氧化能力，其可破坏细菌的细胞膜，使细胞结构破坏，使细菌细胞质流失而死亡，达到彻底降解细菌，防止内毒素二次污染，还能凝固病毒蛋白质而抑制病毒的活性。氢氧自由基还能与空气中的有机物质反应，破坏有机物分子的能量键，使有机气体成为单一的气体分子，提高空气清洁度[26]。周建斌[27-28]等用纳米TiO2对竹炭进行了改性，在无光

照条件下对黑曲霉菌、绿色木霉菌进行了抑菌实验，结果表明，纳米TiO2改性竹炭比普通竹炭的抑菌效果好；并且还以竹炭为载体，采用浸渍-焙烧法制备竹炭/纳米TiO2材料，研究了对甲苯的净化效果，结果表明竹炭上负载的TiO2能将部分有机物污染物直接氧化为二氧化碳和水，并且具有较好的吸附能力。程大莉[29]等采用比表面积及孔径分析技术，测定了浸渍法制备的TiO2/竹炭复合光催化材料的氮吸附等温线，并依据BJH模型分析了其中孔的孔隙结构参数和孔径分布。结果表明TiO2的加入保留了竹炭固有的孔隙结构，而且比表面积、孔容积、孔径有所增加。经TiO2改性制备的光催化材料的中孔孔容积比竹炭提高了65.86%。

6 小结

竹纤维是我国再生纤维素纤维制造上的又一突破，竹纤维性能优越，具有天然纤维和化学纤维的众多优点，竹纤维可满足人们对面料的功能性、保健性、舒适性、美观性的追求，使得该纤维在纺织工业具有广阔的发展空间。我国的竹炭产业才刚刚起步，科技研发还不充足，应加大投入，使其尽快产业化、工业化，抓住当前纺织产品的发展机遇，充分利用好竹纤维，迎合世界纺织领域的发展潮流，开发出一系列具有高附加值的产品，作为企业经济增长点的同时，为我国竹行业发展和西部大开发做出更大的贡献。

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