木棉纤维及其集合体研究进展*

2015-02-22张振方王梅珍

产业用纺织品 2015年8期

张振方王梅珍林玲万明

(1.西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048;2.浙江纺织服装职业技术学院，宁波，315211)

木棉纤维手感柔软、滑糯，类似于羊绒、羊毛，纤维自身中空、质轻、保暖、天然抗菌、吸湿导湿，是目前纺织用纤维中线密度最小、质量最轻、中空率最高、最具保暖效果的天然纤维材料［1］，被誉为“植物软黄金”，但它属于尚未被充分开发利用的小品种纤维。值得一提的是，木棉除了在纺织方面的独特优势外，还具有抗炎保肝作用以及很强的抗肿瘤药理作用［2］。因此，在石油资源日益紧缺和生态环保日益重要的今天，研究木棉纤维的应用显得很有意义。

1 木棉纤维简介

木棉纤维由木棉的内壁细胞发育、生长而成，纤维一般由一个细胞发育而成，有时也可以发现两个细胞。木棉纤维常见有白、黄及黄棕三种颜色［1］。木棉的产地一般在云南、广东、广西和海南等亚热带地区，我国常称之为攀枝花。

通过扫描电镜观察，木棉纤维端封闭，具有薄壁大中空结构，因此纤维中可以形成大量静止空气，可获得良好的保暖效果，而且木棉纤维抗菌防螨、防虫防蛀，这使其在被褥、枕头、棉衣被等的絮料填充物方面有较多的应用。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。木棉纤维是天然纤维中最轻、最好的浮力材料，并且不易老化和破损，其纺织品能够承载自身质量20倍的重物漂浮在水面［3］。木棉纤维具有疏水亲油性，加上独有的薄壁大中空结构，它对油不仅有着优秀的吸附能力，而且可以反复使用［4］。但是，木棉纤维的长度较短(16～24 mm)，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，这也是木棉纤维在纺纱领域难以攻关的原因之一［5］。

2 木棉纤维的结构及基本性能

2.1 木棉纤维的微观结构

近年来，木棉纤维以其优越的性能吸引了国内外许多学者的研究，Zhang、Mwaikambo、Whitford、Khalili等［6-9］采用软腐菌对木棉纤维细胞壁的微观结构进行了研究。肖红［10］通过压汞法研究了木棉纤维的微观结构，认为在同等条件下木棉纤维胞壁孔隙尺寸较棉纤维大，孔隙率较棉纤维高，由此得出木棉纤维结构较为疏松，并测得其结晶度为35.90%。唐爱民等［11］用 X-射线衍射法测定木棉纤维的结晶度为31.29%，并对木棉纤维的打浆性能进行了初步研究，拓宽了研究领域。肖红等［12］通过对木棉纤维横截面超薄切片的透射电镜观察，获得了木棉纤维的胞壁层次结构、原纤尺度及排列。

唐为萍［13］对木棉次生木质部导管分子进行了观察研究。李明等［14］首次从木棉叶中分离出木棉素，并研究了木棉素的晶体结构。对木棉纤维微观结构的研究揭示了木棉纤维结构与木棉及其集合体之间的关系，由于木棉的中空结构和木棉纤维壁中的微孔结构，使得木棉的密度较小，与中空玻璃微球相同，而中空玻璃微球与环氧树脂结合常用在深海浮体材料中，所以，木棉在浮体性应用方面潜力巨大。另外，木棉纤维原纤尺度结构的研究结果，为进一步解决木棉纤维在纺纱方面的缺陷，以及对木棉纤维的改性处理打下了重要基础。

2.2 木棉纤维的长度分布

安向英等［15］以印尼爪哇木棉果实为研究对象，用单根纤维测量法测试了果实内不同部位的纤维长度，结果表明，木棉果实内纤维的长度排列分布是连续的，根数-长度呈偏态分布，具有天然纤维长度分布的特征。吴红艳等［16］和刘杰等［17］通过研究发现，木棉纤维的长度与果实长度有一定的相关性。刘维［18］研究了木棉纤维结构，发现其胞壁厚度约为1 μm，纤维直径约为20 μm，以此计算出的木棉纤维的中空度高达90.3%，是目前中空度最高的纤维［19］。经电镜扫描发现，木棉纤维横向为中空结构，且胞壁接近透明，纤维断面有微孔，纤维纵向表面光滑无转曲，纤维根端封闭［20］。

2.3 木棉纤维的吸湿导湿性

张艳华等［21］对木棉纤维的结构与热性能进行了研究，发现木棉纤维的热分解温度明显低于棉纤维，不过其热分解的温度区间较宽。目前，一般应用木棉的热分解特性在木棉絮料的制备方面，如在气流成网时，将ES纤维(聚乙烯和聚丙烯复合纤维)或低熔点涤纶加入，当化纤熔融而木棉纤维尚未分解时，制备的絮料性能更好。

孙向玲等［22］利用OCA15EC型光学接触角测量仪测试了不同特性液体在木棉纤维上的静动态接触角，得出木棉纤维是一种优良的疏水亲油性纤维，并认为该吸附特性主要取决于纤维表面的蜡质和木棉纤维的大中空结构，同时也与测试液体的特性密切相关。曹红梅［19］分别测试和分析了木棉纤维、棉纤维、coolplus纤维对水和汗液的吸湿导湿性能，发现木棉纤维的吸湿性良好、导湿性最好。上述两者的研究似乎有相悖之处，其实不然。木棉由于蜡质而具有疏水亲油性能，即水在木棉表面不会铺展而油会在表面铺展，纤维中空结构使得储水储油性能增强，而纤维的导湿吸湿性能正是由于中空结构的存在使得水分在表面张力的作用下吸附而进入中空壁，表现出吸湿导湿性能。因此，可以理解为疏水亲油是表现、吸湿导湿是性能。

2.4 木棉纤维的强力及纺纱性能

徐光标等［23］通过单纤维强伸性能测试，发现木棉纤维的拉伸曲线没有明显的屈服点。刘维［18］测得木棉纤维的强力均值为1.44～1.71 cN，已经满足梳棉机对纤维强力1.20 cN的要求下限，这项发现对木棉纺纱有一定意义;此外，由于木棉纤维长度短、强力低，直接测定单纤维弯曲刚度较难，因此采用弯曲测试仪来测定纤维片的弯曲刚度，再转换成单纤维的弯曲刚度的方法，测得木棉纤维的弯曲刚度为0.823×10－5cN·cm2，认为木棉纤维相对弯曲刚度大的主要原因是其极低的线密度。根据研究［24］，木棉纤维长度的测试一般以单根纤维测试和束纤维测试为主，单根纤维测试结果能够反映纤维本身的拉伸性能，即能够了解木棉纤维的拉伸性能;束纤维测试则较能反映纤维的实际值，即木棉纤维的真实数值。所以，若研究以木棉集合体为主，可以选择束纤维测试方法，研究结果为今后合理利用木棉纤维提供参考。

杨莉等［25］对比同样27.8 tex的纯木棉纱、棉/木棉混纺纱及纯棉精梳纱的强伸性能、毛羽及耐磨性，发现木棉纱的强力比纯棉纱低，断裂伸长率比纯棉纱大，毛羽较多，耐磨性较差，并认为可通过浆纱或混纺的方法来改善木棉纱的性能，提高可织性，且木棉纱适合生产起绒织物或手感蓬松柔软的织物。王琳等［26］对比木棉混纺纱［棉/木棉/黏胶(61/24/15)、棉/莫代尔/木棉(45/30/25)］、纯棉纱及纯莫代尔纱，得出木棉混纺纱的条干均匀度较差、千米棉结数较多、断裂强力较低、毛羽较多的结论。因此，木棉纺纱用传统的环锭纺纱工艺难以单独加工，一般目前开发的产品主要是木棉与其他纤维的混纺产品。

严金江等［27］发现紧密纺生产的木棉混纺纱质量接近优质棉纱水平，认为随着木棉纺纱工艺技术的进一步完善，木棉混纺纱的品质有明显的提升。木棉纤维长度较短、强度较低、抱合力差，影响了其在纺纱方面的应用，混纺是改善其纺纱性能的手段之一，但不足以充分利用木棉纤维的特性，而通过浆纱等整理工序，又会破坏其手感，毛羽增多，所以，目前对于木棉纺纱的研究依然是一个难题。笔者认为，木棉纤维最大的优势在于絮料填充方面，研究者不妨将木棉与其他领域的材料结合应用并实现产业化，可最大化使用木棉纤维。

3 木棉集合体的研究现状及发展动态

3.1 木棉絮料的保暖性

木棉纤维长度短，柔软且细，表面由于蜡质存在而光滑，故纺纱时抱合力较差，难以单独纺纱。由木棉制成的絮制品的强度低、持久回弹性差，易压扁、毡化，出现局部破洞，影响保暖和舒适功能，但由于其中空率高、保暖性好、质地轻，在保暖用品方面具有巨大的潜力。1998年，德国Dresden技术大学利用木棉与毛复合开发了木棉/毛复合隔热保暖建筑用材料，其相比单独毛纤维在吸热性和热滞留性方面表现出优势，因此木棉纤维的保暖性要比毛纤维优越。曹继刚［28］研究了蓬松絮料的传热机理，并据此提出了提高絮片保暖性的途径。房超［29］比较研究了木棉絮料和其他现有絮料的静态热阻和对流散热量，发现木棉絮料的保暖性仅次于羽绒，明显优于四孔、七孔涤纶絮料和喷胶棉。

目前对于木棉絮料保暖性的研究较多停留在静态测试方面，测试方法以平板保温仪为主，未使用暖体假人测试，其原因在于木棉絮料主要应用在家纺领域，服用方面应用较少。

2004年，东华大学木棉研究课题组与浙江三弘集团联合开发出“持久柔软保暖的木棉絮片的制造技术”［30］，以该专利技术制造的木棉絮片，对其压缩性能和保暖性能进行测试分析发现，木棉含量与絮料的保暖性正相关，高于其他合纤，但低于羽绒。苏婧劼等［31］采用自主研发的导热系数测试装置及方法，根据人体的代谢产热率及国家标准中有关保持人体热舒适的标准，提出了一种快速简易获得不同温度下保持人体热舒适所需防寒服内胆材料最佳面密度的方法，该方法可测出木棉/羽绒混纤絮料保持人体热舒适所需的最佳面密度。冯洁［32］研究了木棉相变储能材料的制造工艺与性能，探索了木棉成为相变材料载体的优势，为木棉纤维相变材料作为保暖絮料的应用提供了研究基础。以往，棉、羽绒是主要的保暖材料，但随着木棉絮料在枕芯、被絮等方面的应用，木棉与其他产业的结合将展现出巨大的潜力。

3.2 木棉絮料的压缩性

在使用中，对木棉絮料的压缩性要求较高，即要求产品具有较好的回复能力，否则会影响保暖性、舒适性及外观。近年来，对木棉絮料的压缩性研究也取得了一系列进展，研究表明：细旦涤纶等合成纤维可以有效提高絮料的压缩功弹性回复率，而以木棉纤维取代羽绒或者飞丝会导致压缩功弹性回复率略微下降，但当其含量变化较小时差异不明显［33］，因此，目前的研究尚未涉及到变化差异明显时的定量问题。韦安军等［34］研究了木棉絮片的压缩性能，结果表明随着木棉含量的增加，絮片的线性度有减小趋势，但多次压缩后，木棉纤维的影响程度有增大的趋势;随着木棉含量的增加絮片的压缩功弹性回复率减小，然而经过多次压缩后，木棉纤维的影响程度有增大趋势，并得出3种纤维的压缩弹性优劣排序为羽绒＞羽绒飞丝＞木棉的结论。

楼英等［35］对木棉絮料的压缩性进行了研究，并自主开发了一项专利技术，利用纤维堆砌结构提高了絮料强力和回弹性。房超［29］研究了潮湿和干燥状态下木棉束的压缩性能差异，前者压缩功弹性回复率低，并得出保持纤维中空的方法是应尽量降低环境湿度或纤维回潮率。木棉絮料的压缩性将极大地影响其在各领域的使用，由于中空度高、壁薄，在受到巨大压力后易产生非弹性形变，回复功下降，保暖性等受影响较大。因此，目前普遍采用三维化纤提高絮料的回复性，也可采用支撑或多层叠加的方法。

3.3 木棉絮料的抗菌防螨性

木棉絮料因其保暖性好可用在家纺领域，而家庭使用中规避细菌、螨虫又是一个重要方面。木棉纤维具有的抗菌防螨性是家用产品的一大优势。刘维［18］对木棉絮料的抗菌防螨性进行了测试，表明木棉絮料具有一定的防虫防蛀性能，驱螨效果明显，驱螨率达到90%，对于大肠杆菌也具有明显的杀菌和抑菌效果，并认为以上特性与木棉纤维外壁的蜡质有一定关系。根据抗菌防螨原理，纤维中空、两端封闭使得螨虫不易寄居在纤维内部，阻断了螨虫细菌的食物来源及繁殖场所，也许是其抗菌防螨的另一个因素。

3.4 木棉絮料的浮体性

崔鹏等［36］对木棉的浮体性进行了研究，并采用气流成网工艺制作了浮体材料。2008年，东华大学纺织学院王府梅教授课题组经过近五年的持续攻关，推出了一款用木棉纤维制成的“救生衣”，这套衣服能漂浮在水面，对于不会游泳的人来说，穿上它相当于穿上救生衣。衣卫京等［37］对木棉/三维卷曲中空涤纶复合浮力材料进行了探讨，得到纤维线密度是影响浮力材料性能的重要因素。肖红等［38］采用直挂式和滑轮式两种检测原理，研制了浮力检测仪器。该项研究不仅有利于木棉纤维在浮力材料方面的应用，而且利于我国军用和民用救生设备浮力测试方法和条件的规范化。不同品种木棉的浮力性能差异很大，而且仅从长度、直径、线密度方面很难判别其浮力。考察浮体性材料要进行拒水、负重能力、回弹性等综合性能对比，而木棉浮体材料的制备可考虑利用中空玻璃微球代替絮料中20%的低熔点涤纶，以玻璃微球为絮料的固结点有助于增强浮体性和材料的强度。

此外，在木棉纤维的染色、复合材料、服用及加工设备等方面都有所研究，并取得了一系列成果。但目前对木棉纤维的研究仍然有一定的局限：木棉的社会认知度还不够，消费者不够了解;木棉产品开发尚处于初始阶段，产品不能满足市场要求;企业生产技术尚不够成熟，产品开发存在许多难点，需要改造特殊的开松、混合、黏合设备与工艺来继续木棉絮料的研究;需要研究、改进纺纱设备和纺纱新工艺来提高木棉的可纺性;纤维染深色困难。

4 木棉纤维应用展望

木棉纤维作为中空度最高的天然纤维，保暖性好、浮力好是其最大的可利用点，其纤维长度较短，表面光滑，较难单独纺纱，目前有团队正在研究其纺纱难点。木棉絮料的应用一般会与羽绒和化纤混合成网，目前浙江三弘集团拥有国内唯一检测木棉羽绒混纤絮料保暖值的设备，木棉的使用可在保证其他性能不变的基础上，减少羽绒的使用，降低成本。此外，木棉可用在户外装备(睡袋、防潮垫)上，拓宽木棉纤维的应用领域，而且目前木棉与户外纺织品的结合尚属空白。笔者目前正在对木棉集合体在户外睡袋填充料中的应用进行研究，将木棉、羽绒、中空三维涤纶进行多种比例的混合，通过小样制备及其热阻湿阻、压缩性能的测试分析，参考EN13537标准，在保证睡袋性能的基础上，节省了一定的原料成本。

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