天然纤维—木棉纤维的研究探讨

丁 帅 , 许曙亮 ,周 镭 ，李娟娟，刘 壮，冯洪成

(1.山东省纺织科学研究院, 山东 青岛 266032 ；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室, 山东 青岛 266032)

1 木棉纤维的简介

木棉纤维是一种天然纤维，与棉纤维有很多相似之处，尤其在光泽、吸湿性和保暖性方面具有独特优势，在崇尚天然材料的今天具有良好的应用前景。木棉纤维是从木棉树的种子里提取出来的天然植物纤维，内部中空，充满空气，壁厚约1.0 μm，就像一个壁非常薄的弯曲的空心管子，水不容易穿过。它质地光滑，但由于容易断裂，所以不易被纺成纱线。木棉纤维长约10～35 mm，直径约8～10 μm，易碎有光泽，绝热并且防水[1]。木棉的线密度大约是0.4～0.7 dtex，约为棉的半。它的颜色主要为白色、浅灰、黄棕色。木棉纤维内的中空部分约占整个体积的64%，这使得它比棉以及其他天然纤维或者合成纤维更适合做绝热材料。一般合成材料中空体积只达到总体积的35%～40%。

木棉纤维有许多优点：浮力好、弹性佳、疏水性好、防蛀、光滑、轻柔。木棉纤维表面有一层蜡，因此它的防水性能与鸭子背部羽毛的防水性能非常类似。木棉纤维可以迅速干燥、浮性好并且拒水，这在天然纤维中非常突出[2]。木棉纤维在水中可以承受相当于自身38.6倍的重量而不下沉，而且浮力损失也很慢，把木棉纤维浸入水中30天，浮力只损失10%。没有任何天然纤维比木棉纤维更适合做防水材料。木棉纤维不含有蛋白成分，所以能够防腐。木棉纤维只有棉纤维重量的12.5%，具有羊毛的保暖性和丝绸的光滑性。木棉纤维比较脆，很容易断裂。如果我们过度使用化学物质来去除木棉纤维表面的蜡或者对表面施加过大的压力，会破坏纤维细胞壁的完整[3]。

2 木棉纤维的常规应用

2.1 絮料填充物

木棉纤维具有薄壁大中空结构，利用纤维中形成的大量静止空气，可获得良好的保暖效果，这使其在被褥、枕头、棉衣被等的絮料填充物方面应用较多。由于其具有质轻、柔软、光滑、鲜艳、抗静电、不易缠结、吸湿导湿、不霉不蛀、常温下耐酸碱、绿色天然环保等特点，受到消费者青睐。以木棉纤维为填充物的保暖按摩床褥，表面缝制成许多球面状的凸块，可以起到保健按摩、消除疲劳、改善睡眠的作用。利用木棉纤维防虫防蛀的功能，可以使用木棉为主要填充材料制作保健枕。但是由于木棉纤维压缩弹性较差，填充料容易被压扁毡化，尤其在湿、热环境和反复持久压缩下，产品的柔软舒适性和保暖性衰减较快，蓬松性能会明显降低，且絮片强度低，局部会出现破洞。最近市场上又出现了一种持久柔软保暖木棉絮片的制造技术，即选用25%～90%天然木棉纤维、5%～40%低熔点纤维、0%～70%压缩回弹性好的化学纤维，将纤维原料混合开松后进行成网，再将成网后的纤网进行粘合处理，从而实现了木棉纤维集合体较为合理的聚集状态。利用该技术制造的木棉絮片，其强度、压缩弹性、保暖性能的持久性都可与市场上的九孔涤纶絮片相媲美，而且在柔软舒适度、透气性和绿色环保性能等方面与涤纶絮片相比具有一定优势，制造成本与涤纶相当，可作为中高档被褥絮片、芯片、靠垫等的填充料[4]。

2.2 木棉纤维的可纺性

木棉纤维长度较短，强度较低，表面较光滑，相对扭转刚度大，抱合力差，因此纺纱难度大，成纱质量较低。采用棉型或毛型纺纱方法难以单独纺纱，这也是过去木棉纤维一直没有被很好地利用最主要原因。木棉纤维一般难纯纺，多采用与棉、粘胶或其它纤维素纤维混纺的方法来制备光泽和手感良好的服装面料。许多企业应用嵌入纺、紧密纺等技术研发出的各种木棉纱线，主要是混纺纱。目前已研制开发出木棉产品百余种，包括用木棉与各种天然纤维(棉花、驼毛、羊毛、羊绒、兔毛、蚕丝、麻等)以及人造纤维(锦纶、腈纶、涤纶、丙纶、各种粘胶、PTT等)混合进行纺纱。近些年来随着纺织科技的发展，纺纱技术不断完备，木棉纤维的可纺性问题开始逐渐引起纺织界科研人员和专家学者的重视，新的研究成果不断出现。1992年最早出现用转杯纺纱技术纺出木棉和棉混纺比为60/40和50/50的纱线，该混纺纱光泽较好，但强度比棉低得多，很多其它性能也不如棉，仅限于对纱线强度要求不高的领域。后来还通过转杯纺纱技术纺制成棉和木棉混纺比分别为80/20、70/30、60/40、50/50的纱线，并进一步研究了木棉纤维的可纺性能及不同混纺比例下纤维的机械力学性能。木棉纤维混纺技术尚有待改进。因木棉纤维表面光滑，随着混纺纱中木棉纤维含量的增加，纤维间滑移增加，导致混纺纱强度降低、断裂伸长增加；由于木棉质轻，不能在转杯附近均匀积聚，从而使混纺纱纱疵增加，条干不匀率增加。研究发现木棉纤维以低于50%含量和棉纤维混纺，其混纺纱条干不匀，强度等各项物理指标均满足织造要求。研究人员通过对木棉纤维进行前处理，使纤维表面形成毛刺，抱合力增大，可纺性大大提高，不仅能够与其他纤维顺利进行混纺，还实现了木棉纤维的纯纺纱。2006年， 通过环锭纺技术生产出了纯木棉纤维纱线——赛帛尔 C E I B O R，并成功实现了环锭纺木棉纱的工业化生产。

3 木棉纤维的吸油性

有效控制及去除油污是一项新兴研究领域。其中控油时间、从吸收剂中还原油、吸收剂吸油数量、吸收剂的使用概率和可降解程度等都是研究重点，在这些研究中，木棉作为一种环保天然纤维逐渐脱颖而出[5]。

当用吸收剂吸收油时，油的状态由液态变为半胶状。这时候油渍就可以轻而易举地被天然可降解木棉纤维非织造布去掉。疏水性是木棉纤维的一个重要特征，从水中有选择地吸取油正是得益于木棉的这种疏水性表面特点。研究表明，把木棉纤维应用到吸油领域是一个非常有效的方法，它不仅有着优秀的吸附能力，而且可以反复使用。在以往的吸油实验中，很多吸附剂，象聚丙烯和聚氨酯都被使用过，其中聚丙烯因为其低密度性、低吸水性和良好的物理和化学特点，被认为是吸油剂中的佳品。但是这些合成物均不能循环使用和生物降解。

为探讨木棉纤维的吸油情况，用于吸油的不同GSM(每平方米克重)的棉网由微尘杂质分析机制造，通过加上聚丙烯网使得棉网更加坚固。原油采用阿拉伯重油和阿拉伯轻油。

我们对木棉网进行测试，分为以下几项：针对不同粘度的原油，每GSM的棉网的最大吸油量；吸收量和吸收时间的关系；油膜厚度与吸收时间的关系；原油粘度与吸油量的关系；有孔性对吸油作用的影响。

3.1 吸油量与棉网的关系

我们准备了两种特点非常不同的原油进行比对，分别是阿拉伯重油和阿拉伯轻油，其中阿拉伯重油的粘度为35.8厘斯(cTs)，阿拉伯轻油的粘度为10.2厘斯(cTs)。实验发现，当每平方米克重的棉网增加时，吸油量也增加。例如，79 GSM 棉网能够吸取80 g阿拉伯轻油，而400 GSM 棉网能够吸收240 g阿拉伯轻油。同时，当棉网质量增加时，吸取每克油的时间减少了。这是一个连续的线性关系。但是另一方面，随着棉网 GSM 的增加，每克纤维的吸油量有所下降。例如，79 GSM 棉网中，每克纤维吸收45.1 g油；400 GSM棉网中，每克纤维吸收20.66 g油。

棉网中有很多孔隙，一般来讲，孔隙越多的结构吸收能力越强，吸收时间越快。但实际上纤维含量影响着吸收能力和吸收时间。当纤维含量增加，纤维之间的孔隙会减少，因为虽然结构更加密实了，但是总的孔隙空间增加了，所以吸收能力和吸收速度都增加了。

由于木棉的易碎性和相对短的纤维长度，制造棉网是比较困难的。但由于木棉棉网极佳的吸油效果，还是非常值得一试的。它能够轻而易举的吸收原油，并且牢牢控制住。我们总结有以下参数对吸油过程有重要影响：原油粘稠度越低，吸收速度越快；油膜越厚，吸油速度越快；棉网GSM越大，吸油速度越快。随着研究深入，将木棉纤维应用到油渍吸附材料的市场前景一定会越来越广泛。

3.2 原油粘度与棉网吸油能力的关系

吸油量与油的粘度有很大关系。我们发现，当原油粘度减小时，吸油量也减小。例如，400 GSM 棉网能够吸收342.13 g阿拉伯重油，而同样的棉网只能吸收240 g阿拉伯轻油。主要原因是吸油只是一个单纯的物理过程，没有化学反应，油和纤维之间也不会建立强有力的联系，因此当油的粘度降低时，吸收率也降低。当棉网从每个边垂直挂起后都不吸油了，我们说它达到了饱和状态[6]。

3.3 吸油量和棉网克重的关系

我们用不同GSM 的棉网分别吸取阿拉伯重油和阿拉伯轻油发现，当GSM 增加时，吸油量呈线性增加。即79 GSM 棉网，含有1.77 g纤维，分别吸收80 g阿拉伯轻油和116.73 g阿拉伯重油。同理400 GSM 棉网，含有9 g纤维，分别吸收250 g阿拉伯轻油和342.13 g阿拉伯重油。吸油量随着GSM增加，主要是因为纤维质量增加，从而增加了吸附能力。另一方面，随着GSM增加，平均每克纤维的吸油量降低，这种情况同时适合于阿拉伯重油和阿拉伯轻油。对于79 GSM 棉网，平均每克纤维吸收45.19 g阿拉伯轻油和65.95 g阿拉伯重油，而对于400 GSM 棉网来说，平均每克纤维吸收26.66 g阿拉伯轻油和38.01 g阿拉伯重油。这是因为吸收作用发生于表面， 79 GSM 棉网和400 GSM 棉网的表面积是一样的，只是纤维质量不一样。这主要是因为原油的粘度大，内部流动性不强，因此吸油剂的表面积一旦固定，原油就不容易穿过层层纤维向内移动，所以随着棉网 GSM 增加，单位纤维的吸油量反而下降[7]。

3.4 油膜厚度和吸油时间的关系

吸油时间也取决于油膜厚度。油膜越厚，吸油时间越短，吸油速度越快。当原油重量增加时，在一定范围内形成的油膜厚度也有所增加。油膜厚度的大小与原油的种类、密度、粘度和体积有很大关系。当原油体积增加时，油膜厚度增加，吸油时间减少。例如，400 GSM 棉网吸收100 mL原油的时间比同样的棉网吸收同样性质的300 mL原油的时间要长[8]。

4 木棉纤维的印染

木棉纤维含有约64%左右的纤维素，约13%的木质素，此外还含有8.6%的水分、1.4%～3.5%的灰分、4.7%～9.7%的水溶性物质和2.3%～2.5%的木聚糖以及0.8%的蜡质。 木棉纤维可用直接染料染色，但由于木棉纤维含有大量木质素和半纤维素，它们和纤维素互相纠缠的分子间力作用导致了纤维素部分羟基被阻止，并且导致了染料分子不能顺利进入，使得其上染率仅为63%，而同样条件下棉的上染率为88%[9]。

5 结论

木棉纤维是丰富的可再生资源，具有价廉、可降解、无污染等优点，在崇尚低碳经济的今天，越来越受到人们欢迎。木棉纤维有很好的浮性，可以用来制造能够飘在水上的垫子，在度假胜地非常受欢迎。它的中空结构用来做隔音和绝缘材料非常有效。木棉纤维的天然抗菌性，可以用来织造内衣以及医学用纺织品。目前，很多天然纤维的产量降低，与木棉相关的新型纺织技术在纺织和服装业越来越受到人们的关注。我国在木棉的织造技术上也取得了重大突破，能够用自己的专利技术织造出木棉含量为70%的混合纤维，在国际上属于领先地位，推动了木棉在针织内衣、羊毛衫、床单、被罩等纺织品方面的应用。随着木棉纤维产业的发展和市场的扩大，深入研究新型纺纱技术、加大产品开发力度、充分发挥木棉纤维的优势、保证充足的原料供应就成为了当前木棉纤维产业发展亟待解决的问题。我国也非常重视木棉方面的研究，计划在10年内，种植木棉800公顷，大力开发木棉纺织技术，木棉纤维一定具有广阔的空间。

参考文献：

[1] 陈学榕, 黄彪, 江茂生，等.生态型木纤维吸油材料的制备与研究 [J].福州大学学报, 2006, 34(3): 10—13.

[2] 陈贵峰,杜铭华,戴和武，等.海洋浮游污染及处理技术[J].污染防治技术，1997, (1):75—76.

[3] 赫英哲,朱爱根, 沙亚东，等.超细化学纤维填料用于净化含油循环冷却水研究[J].环境工程学报，2011, 5(2):284—288.

[4] 郝秀阳，封严.吸油纤维[J].合成纤维, 2009，(2): 6—8.

[5] Mullin. Introduction/ overview to in situ burning of oil spills[J].Spill science &Technology , 2003,8(4):323—330.

[6] Cohen. Bioremediation of oil by marine microbial mats[J].Int.Microbiol, 2002, 5(4):189—193.

[7] Mwaikambo. Review of the history ,Properities and application of plant fibres [J].African journal of science and technology , 2002, 7(2):120—133.

[8] Duong. Effect of foam density, oil viscosity,temperature on oil sorption behavior of polyurethanr [J].Application.polymer science , 2006,(99): 360—367.

[9] Alther. How to remove emulsified oil from wastewater with organoclays [J].Water engineer , 2001, 148(7): 27—29.