云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性

崔玉梅， 程隆棣, 肖远淑

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；2. 新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性

崔玉梅1，2， 程隆棣1, 肖远淑2

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；2. 新疆大学 纺织与服装学院， 新疆 乌鲁木齐 830046)

为了解云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性能，测试了这种纤维的标准回潮率、吸放湿曲线及吸水率，建立了吸、放湿回归方程和吸、放湿速率回归方程，并与棉纤维比较。结果显示：牛角瓜纤维比棉纤维有更好的吸湿性，其标准回潮率为11.4%。牛角瓜纤维的吸湿滞后性大于棉，其吸、放湿行为可以用指数模型描述，放湿速率显著高于棉纤维，吸湿与放湿平衡时间的差异更大。牛角瓜纤维比棉纤维的吸湿量和吸、放湿速率明显高，将使其织物有更好的穿着舒适性。牛角瓜纤维和棉纤维都表现出不易浸润的特性，但牛角瓜纤维的吸水率(133.62%)明显高于棉(74.98%)，有作为吸水材料的潜在价值。

牛角瓜； 果实纤维； 吸湿性； 回潮率； 吸水率

牛角瓜是一种生长在热带、亚热带地区的多年生灌木植物，具有很高的经济价值和药用价值，其果实纤维是一种生态环保的新型纤维素纤维。牛角瓜纤维细长如棉，光泽如丝，轻盈保暖，抗菌防蛀，可作为床上用品的填充絮料、救生衣和救生艇的浮力材料、轻质复合材料的增强基等[1-2]。对牛角瓜纤维的纺纱性能已有初步的研究，与棉混纺实验中牛角瓜纤维的混纺比已达到67%和75%[3-4]。

吸湿性能是纺织纤维最重要的特性之一。对牛角瓜种属纤维吸湿性能的研究目前大多集中在对含水率和回潮率指标的测试。高静等[5]依据GB 5883—1986《苎麻回潮率、含水率试验方法》测试牛角瓜、木棉和棉纤维的回潮率和含水率，结果显示牛角瓜纤维的回潮率大于棉和木棉；Sakthivel等[3]测试了白花牛角瓜纤维的回潮率和含水率,并与棉纤维比较；Louis等[4]也评价了2种马利筋纤维(A.syriaca和C.gigantea)的吸湿性；Woeppel等[6]研究了2种马利筋纤维的水分特性，测试了含水率、回潮率、吸水速度和吸水率等指标，其中吸水速度和吸水率实验参照非织造布的测试方法和标准。

本文采集云南昆明地区的野生牛角瓜果实纤维，测试其含水率、回潮率、吸放湿曲线、吸放湿速率曲线和吸水率等指标，并与棉纤维或木棉纤维做对比分析。本文目的在于明确云南驯化野生牛角瓜果实纤维的水分特性，以便更好地挖掘其作为纺织原料和吸水性材料的潜在价值。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：野生牛角瓜纤维(云南昆明)、长绒棉(新疆吐鲁番)。

实验仪器：YG747型八篮恒温快速烘箱；YG601型透湿试验箱，温度范围为20～50 ℃，湿度范围为20%～95%，箱内气流速度为0.3～0.5 mm/s；YG002型纤维细度仪；电子天平(0.000 1 g)。

1.2 实验方法

1.2.1 吸湿实验

取1 g试样，在50 ℃烘箱内烘1 h，称取烘后质量，将试样置于标准大气条件下，使试样进入吸湿过程，记录试样的质量变化，前80 min每隔5 min称量1次，其后每隔10 min称量1次，直至试样达到吸湿平衡。称取试样干态质量，计算吸湿过程中的回潮率，以吸湿时间为横坐标，回潮率为纵坐标绘制吸湿曲线。

1.2.2 放湿实验

将1 g试样密封于盛有蒸馏水的玻璃干燥器内48 h，使试样在100%相对湿度时达到吸湿平衡，再将试样置于标准大气条件下放湿。以放湿时间为横坐标，回潮率为纵坐标绘制放湿曲线。

1.2.3 吸湿与放湿等温线测试

透湿仪的温度设置为30 ℃，相对湿度分别设置为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，当仪器内的温、湿度达到设定值时，放入烘干后的试样，每个试样在箱内平衡2 h后取出称量，计算其回潮率。以相对湿度为横坐标，试样回潮率为纵坐标绘制吸湿等温线。同理，使试样在100%的相对湿度下达到吸湿平衡，再将试样置于不同的湿度环境下进行放湿平衡，计算试样在不同湿度环境下的回潮率，绘制放湿等温线。

1.2.4 吸水性实验

将待测纤维放在标准大气中平衡48 h，称取1 g样品放入盛有1 000 mL去离子水的量杯中，观察纤维在水中的浸润情况；将纤维完全压入水中，30 min后取出试样，自然悬垂滴水30 min后称取试样质量，按式(1)计算纤维吸水率。

(1)

式中：Wa为纤维吸水率，%；Gew为试样原始质量，g；Gsw为吸水后的试样质量，g。

2 结果与分析

2.1 回潮率和含水率

本文测得牛角瓜纤维和新疆长绒棉在标准大气条件下的回潮率分别为11.4%和7.7%。高静等[5]测得牛角瓜、棉和木棉纤维的回潮率分别是11.9%、7.0%和9.3%。显然，牛角瓜纤维的吸湿性明显高于棉纤维，也高于同为大中腔、薄壁的木棉纤维。

高吸湿纤维吸附的水分为2类：一类是结合水，存在于纤维外表面、内部空隙表面、晶区表面和无定形区，且与纤维素的羟基形成氢键结合；另一类是游离水，即当纤维吸湿达到饱和点后，水分子继续进入纤维的中腔和孔隙中，形成多层吸附水或毛细水。水对纤维材料的可及性取决于材料的几何结构和组成。牛角瓜纤维的结晶度大于棉，无定形区比例大，晶区颗粒小、比表面积大；牛角瓜纤维为薄壁大中腔结构，中空度高达80%以上[7]，其半纤维素和果胶物质含量也高于棉(见表1)，而半纤维素聚合度低(80～200)，亲水基团数量多，对水分子高度可及。上述因素都会使牛角瓜纤维比棉有更多的结合水和大毛细水，因而，牛角瓜纤维表现出比棉纤维明显大的吸湿性。木棉与牛角瓜纤维的组成与结构非常相似，但木棉纤维亲水的果胶含量少很多，结晶颗粒较大(见表1、2)，这些因素可能导致木棉纤维吸湿能力小于牛角瓜纤维。衣着用纤维一般要求吸湿平衡回潮率在12%～14%之间。牛角瓜纤维符合人体对纺织纤维吸湿性的要求，且轻柔保暖、防霉防蛀、低过敏[8-9]，可以预测其织物具有良好的服用舒适性。

注：a为本文测试结果；牛角瓜纤维数据来自文献[2,5]；木棉纤维数据来自文献[10-12]；成熟细绒棉数据来自参考文献[13]，其中蜡质成分为含脂肪的数值；结晶度测试采用X射线衍射法。

表2 牛角瓜、木棉和棉纤维的形态特征参数

注：牛角瓜纤维数据来自文献[2,7]；木棉纤维数据来自文献[10-12]；成熟细绒棉数据来自文献[13]。

2.2 吸放湿等温线

图1示出30 ℃时牛角瓜纤维和长绒棉的吸放湿等温线。由图可见2种纤维的吸放湿曲线都呈S型(IUPAC type II)，这与其他天然纤维的吸放湿行为一致[16-17]；且放湿曲线比吸湿曲线更接近于直线。从曲线形态看，牛角瓜纤维的吸湿机制与长绒棉完全一致；2种纤维吸湿滞后的区域均集中于70%～90%高湿范围，这与2种纤维均有较显著的湿态膨胀特性有关。高湿环境下，吸附到纤维胞壁内的结合水对纤维素基质(由无定形木质素、半纤维素和果胶构成[15])产生膨胀压力，导致胞壁内无定型区大分子间的距离拉大，纤维结构变松[14]，毛细管变粗，使毛细管凝结水大量增多。这种变化是不可逆的，因而当大气湿度降低时，纤维能保持更多的水，产生更大的吸湿滞后性。

纤维吸湿滞后程度与吸湿后纤维结构的变化有关[14]，这可能是受纤维中木质素含量的影响[15]。通常用吸放湿纤维含水量的差异表征，其计算公式为

(2)

式中：Hy为湿滞度，%；Md和Ms分别是纤维的放湿与吸湿平衡回潮率，%。该公式排除了吸湿量对纤维吸湿滞后度的影响。

图2示出2种纤维湿滞度随相对湿度变化的曲线。在30%～70%范围内，随相对湿度增加，牛角瓜纤维湿滞程度明显增加，说明此阶段吸湿增加引起的纤维胞壁结构改变较小；在70%～90%相对湿度时，纤维湿滞程度呈明显下降趋势，说明在高湿环境下牛角瓜纤维结构发生了很大的变化。而长绒棉是在80%～90%相对湿度时湿滞度下降，反映出长绒棉纤维结构更稳定。此外，在整个吸放湿过程中，牛角瓜纤维的湿滞度都大于长绒棉，这可能与牛角瓜纤维木质素含量高有关，木质素网状物吸湿后容易变形[15]，从而能容纳更多的水。在100%的相对湿度下，牛角瓜纤维和长绒棉的平衡回潮率分别为18.87%和11.58%。棉纤维在高湿环境下的回潮率显著低于牛角瓜纤维，也低于亚麻(19.4%)和大麻(25.0%)等纤维素纤维[13]。这是因为棉纤维无定形多糖成分少，也可能与棉纤维的原纤维间质刚度大，能更好地抵御吸湿膨胀压力带来的纤维结构变化有关。

2.3 吸放湿曲线

图3、4分别示出牛角瓜纤维和长绒棉在标准大气条件下的吸放湿曲线。由于2种纤维的吸湿机制一致，因此吸放湿曲线的形状相似。牛角瓜纤维比长绒棉达到吸湿和放湿平衡都需要更长的时间，且吸放湿平衡时间的差异更大，这可以用纤维吸湿膨胀造成纤维胞壁结构不可逆变化的差异性来解释。此外，高吸湿纤维的吸湿积分热大，在相同大气条件下，吸湿后所需散热时间长，因此，达到放湿平衡也需更长时间。

2.4 吸放湿拟合方程

纤维的吸放湿过程可用指数规律描述[16]。经初步拟合实验的探索，本文选择指数模型描述纤维的吸放湿行为，得到2种纤维吸湿回潮率对时间的回归方程为

(3)

(4)

放湿回潮率对时间的回归方程为

(5)

(6)

式中：Wsg和Wsc分别为牛角瓜纤维和长绒棉吸湿过程t时刻的回潮率，%；Wdg和Wdc为2种纤维放湿过程t时刻的回潮率，%；t为吸、放湿时间，min。

用F值检验法对吸放湿回归方程检验，吸湿方程式(3)、(4)的F值分别为12 377和14 823，P值均为0(<0.05),R2均为0.993；放湿方程式(5)、(6)的F值分别为34 632和77 216，P值均为0(<0.05)，R2均为0.998。所以，2种纤维的吸放湿方程回归都极为显著，其吸放湿规律可以用指数模型描述。

2.5 吸放湿速率方程

吸湿或放湿速率被定义为标准状态下单位质量的纤维材料瞬间吸收或放出水分的量。依据式(3)、(4)可得到牛角瓜纤维吸湿和放湿速率方程为

(7)

(8)

依据式(5)、(6)可得到长绒棉的吸湿和放湿速率方程为

(9)

(10)

式中：Vsg、Vsc分别为牛角瓜纤维和长绒棉的吸湿速率，90/min；Vdg、Vdc分别为2种纤维的放湿速率，%/min。

根据式(7)～(10)绘制牛角瓜纤维与长绒棉的吸放湿速率曲线，结果见图5、6。由图可知，牛角瓜纤维的放湿速率始终大于吸湿速率；吸湿和放湿的初始速度都比较快，随后吸湿速率迅速下降，而放湿速率下降缓慢。棉纤维的放湿速率始终小于牛角瓜纤维，其吸放湿速率都下降的很快，在更短的时间内达到放湿平衡。牛角瓜纤维吸湿量和吸放湿速率都高于棉纤维；可以预测，用牛角瓜纤维加工的服装可以迅速而大量地吸收人体排出的汗液，并迅速地排除，从而加快身体散热，降低皮肤温度，减轻对环境的不舒适感，即牛角瓜织物将比棉织物有更好的穿着舒适性。

2.6 吸水性

表3示出2种纤维吸水性的测试结果。将未负载的2种纤维放入水中48 h，纤维仍悬浮于水面。这是因为纤维表面或者说初生胞壁上存在天然的蜡质使得纤维拒水。牛角瓜纤维比棉纤维表面含有更多的蜡质(见表1)，同木棉纤维一样，细胞壁内含约20%疏水的木质素，可以预见牛角瓜纤维和木棉纤维的吸水速度都比棉小，能在水中悬浮更长的时间，应而具有成为浮力材料的潜在价值。

表3 牛角瓜纤维和棉纤维的吸水性

本文测得牛角瓜纤维和长绒棉的吸水率分别为133.62%和74.98%，按标准回潮率折算成干纤维吸水率后，1 g牛角瓜纤维可以吸附1.48 g的水，而1 g棉纤维只能吸附0.81 g的水，1 g木棉纤维可吸附1.03 g水(浸润3 h)[10]。

中空纤维对水的吸附主要发生在纤维中腔。用光学显微镜观察牛角瓜纤维的吸水过程发现，水遇到纤维就迅速进入纤维中腔。因牛角瓜纤维胞壁内含有疏水的木质素，表面含有疏水的蜡质，可阻止水通过胞壁进入，可以认为水是通过纤维开口端进入中腔。在纤维接触到水的初始阶段，可以观察到纤维中腔有很多气泡，部分纤维内还有气泡在快速流动(见图7(a))，说明空气正在从纤维中腔排出；吸水一段时间后，水能够充满整个中腔(见图7(b))。棉纤维的中腔较小，因而吸水少。

牛角瓜纤维虽然与木棉有相似的形态结构，有接近的木质素和蜡质含量，但牛角瓜纤维比木棉纤维结晶度小得多(见表2)，无定型区大，胞壁的结构更疏松，细胞壁厚度也比木棉薄，可以认为牛角瓜比木棉纤维的吸水膨胀更大，有更大的中腔和孔隙滞留更多的水。可以预测，用牛角瓜纤维做吸水材料其制品比木棉有更优良的性能。

3 结 论

1)牛角瓜纤维的吸湿性与棉纤维显著不同，其标准回潮率为11.4%，远大于棉纤维(7.7%)。牛角瓜纤维良好的吸湿性能较好地满足人体对纺织穿着的要求。

2)牛角瓜纤维的吸放湿等温线呈S型，符合高分子材料的吸放湿行为。但纤维结构不如棉稳定，水分子更易进入纤维内部。

3)牛角瓜纤维比棉达到吸放湿平衡需要更长的时间，且吸放湿平衡时间的差异更大，反映出因吸湿膨胀引起的胞壁结构变化更大。

4)牛角瓜纤维的吸湿回潮率随时间的变化规律呈现指数规律，其吸湿放湿速率都比棉纤维快，且吸湿量大，其织物比棉织物有更好的服用舒适性。

5)牛角瓜纤维和棉纤维均表现出不易浸润的特性，投入水中48 h仍不下沉；牛角瓜纤维吸水率大于棉，有成为吸水材料的应用价值。

FZXB

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Moisture absorption of wildCalotropisgiganteafiber in Yunnan

CUI Yumei1,2， CHENG Longdi1， XIAO Yuanshu2

(1.KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

To investigate the moisture absorption property of the wildCalotropisgigantea(C.gigantea) fiber in Yunnan of China, the moisture regain ofC.giganteain standard atmosphere and water absorptive capacity were measured and compared with cotton fiber. The moisture adsorption/desorption curves and the moisture adsorption/desorption rate curves were analyzed. The experiment results indicate thatC.giganteafiber exhibits superior hygroscopicity compared to that of cotton, and under standard atmospheric conditions, the equilibrium moisture regain ofC.giganteais 11.4%. The hysteresis between the adsorption and desorption isotherms ofC.giganteafiber is higher than that of cotton in all relative humidity range. TheC.giganteafiber′s moisture adsorption-desorption behavior can also be described using an exponential model. Its moisture desorption rate and the difference of the moisture absorption and desorption equilibrium time are significantly higher than that of cotton fiber.The hygroscopic capacity and moisture absorption/desorption rate ofC.giganteafibers are high in comparison with cotton fibers. Thus,C.giganteafabric when wearing is more comfortable than cotton fabric. BothC.giganteafiber and cotton fiber exhibit poor infiltration property, but the adsorption capacity ofC.giganteafiber, being 133.62%, is significantly higher than that of cotton (74.98%). It concludes that fibers extracted fromC.giganteapod can be an ideal source as absorbent materials.

Calotropisgigantea; fruit fiber; hygroscopicity; moisture regain; absorption capacity

10.13475/j.fzxb.20150404706

2015-04-25

2015-03-01

崔玉梅(1962—)，女，副教授，博士生。主要研究方向为纺织新材料,纺织加工新技术。程隆棣，通信作者，E-mail: ldch@dhu.edu.cn。

TS 102.2

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