莲纤维的研究进展

程 骋，杜邹菲，赵鲁丹，彭灵慧，郭荣辉

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)



莲纤维的研究进展

程 骋，杜邹菲，赵鲁丹，彭灵慧，郭荣辉

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)

莲纤维存在于藕和莲杆中，是一种新型天然纤维。单根莲纤维直径约4μm，且拥有独特的螺旋带状复丝结构。莲纤维的物理性能、化学性能和吸湿性能等都较优异，适合作为服用纤维材料和和产业用纤维材料。综述了莲纤维的成分、形态结构、制备、性能及应用。莲纤维高效制备、性能及应用将成为未来研究的主要方向。

莲纤维 结构 性能 制备 应用

随着生活水平的提高，人们对服饰要求不只满足于防寒保暖等基本功能，现更注重服饰材料的绿色环保、健康时尚等，这要求整个纺织服装行业不断开发出新技术、新产品以满足人们不断增长的新需求。新型服用纤维材料的开发既要满足人们的新鲜感，又要考虑人们对健康和环保的关注。天然植物纤维材料不但绿色环保、工业污染小，容易生物降解，且亲水性好，制成的服装穿着舒适。此外，植物纤维中常常含有具有一定抗菌和卫生保健功能的生物活性成分。因此，天然植物纤维为理想的纺织服装材料。目前，已有研究开发菠萝纤维、香蕉纤维、椰子纤维等新型植物纤维用作纺织服装材料。莲是一种富含植物纤维的作物，在亚洲具有悠久的种植历史，中国、东南亚等是传统的莲种植区。在中国根据莲不同用途，莲分为藕莲、花莲、子莲[1]，莲种植主要为满足食品与药品的需要。然而，一些东南亚国家从莲杆中提取出莲纤维制作佛教袈裟，这引起纺织服装行业将其开发为服用材料的兴趣。莲纤维面料清爽透气、吸湿性好、挺括抗皱、绿色环保，且具有一定的抑菌、保健效果。另外，莲纤维具有良好的亲水性和生物相容性，因而使其在医疗卫生领域具有潜在应用价值。

1 莲纤维的成分与结构

1.1 莲纤维的成分

莲在不同地区有荷花、莲藕、芙蕖等别名。在对莲的开发利用中，发现从藕中能提取出纤维，因此有人称这种纤维为藕丝纤维。后有研究发现藕丝纤维在莲的根茎(藕)、莲叶杆和莲花杆等组织都大量存在，且莲叶杆和莲花杆中含量最多，并提出藕丝纤维应改称莲丝纤维[2]，后来的研究中多简称为莲纤维或荷纤维。莲纤维在莲杆和莲藕组织中的维管束中有大量分布，维管束中的导管或管胞次生壁经过生长延长形成莲纤维[3,4]。Ying Pan等[5]分析莲纤维的化学成分，结果表明，莲纤维化学成分组成类似于其他植物纤维，主要由纤维素、木质素、半纤维素、果胶和少量蜡质及蛋白质组成。其中，纤维素含量达41.4±0.29%，半纤维素和木质素含量分别为25.87±0.64%和19.56±0.32%，非纤维素含量明显高于棉和麻纤维。通过对莲纤维在脱木素处理和脱半纤维素处理前后的横截面分析，发现木质素主要分布在莲纤维表层，而半纤维素分布于整个纤维截面，但主要分布在纤维的微纤丝间。

1.2 莲纤维的形态结构

图1是莲纤维的微观结构形态图[6]。采用扫描电镜观察手工抽取出莲纤维，结果表明，莲纤维为多根单纤维组成的螺旋带状复丝构造。莲纤维表面较光滑，单纤维直径大约4μm；纵向每隔3μm～5μm存在细横纹,且轴向上间隔10μm～20μm分布许多结点，结点将单丝缔合联结。莲纤维长度范围为40mm～300mm，最长可达480mm。莲纤维为实心纤维，形状不规则，椭圆形或近似圆形。莲纤维的复丝结构和螺旋转曲形态，赋予纺织品大量的空隙，从而提高织物的亲水性和透气性[7-10]。

图1 莲纤维的微观结构

2 莲纤维的制备与加工

莲纺织品的制备主要分为纤维的提取、脱胶和纺纱等过程。从莲中提取的莲纤维含有较多的果胶、蜡质等杂质，这些杂质会影响纤维的性能，故需要脱胶处理，制得精制莲纤维。将精制的莲纤维加工成莲纤维纱线，即可用于后面的服装面料生产。

2.1 莲纤维的提取

莲纤维的提取工艺既要分析莲纤维自身的结构和性能，还应该分析莲植物的生物特形，例如莲杆以及莲杆中维管束等组织的生物结构和组成成分等[11]。目前，莲纤维的提取方法按照提取工艺的不同可以分为物理法和生物化学法，其中物理法按照加工方式不同可细分为手工加工法和机械加工法。

2.1.1 物理法

手工加工法：每年荷叶成熟后，将收割的新鲜莲杆切割成相等长度，清水洗净。用小刀每隔3cm环切莲杆表皮，然后在不弄断纤维的情况下折断莲杆并向两边牵引，即可看到大量的莲纤维。将这样一束纤维加水加捻成丝，即得纱线[12]，加工工艺见图2。此法得到的莲纤维柔软细长，颜色乳白泛黄，并略带清香，但是生产效率低。有记载称每生产一米的莲纤维布料，需要35000根新鲜的荷叶茎，织造一件袈裟，需要十几个女工工作一个月的时间。

图2 手工加工法制备莲纤维工艺流程图

机械加工法：将新鲜莲杆去叶除梗洗净，切成相同长度，在温水中浸渍24h；然后将莲杆在滚轴压轧机中进行压轧，抽离出粗纤维束，再送入气流开纤分离机，梳解开纤分离得到细纤维束；将细纤维束脱胶处理，即制得莲纤维[13]，图3是机械加工的工艺流程图。对新鲜莲杆直接加工的方法，属于湿态机械加工法，将新鲜莲杆换成干态莲杆，直接通过物理挤压搓揉分离出莲纤维，则属于干态机械加工法[14]。

图3 机械加工法制备莲纤维工艺流程图

2.1.2 生物化学法

将新鲜莲杆洗净去根，利用生物发酵脱胶技术，在预处理阶段将莲杆在河水中浸渍1～4周，可以辅助加菌加酶处理，对发酵后的莲杆使用物理加工法提取莲纤维；或用15%～22% NaOH溶液在温水中处理一定时间，继而采用物理方法抽取。该法制得的纤维呈现浅棕色或棕色，质感较柔软[15,16]。

2.2 莲纤维的脱胶

从莲杆中抽取的莲纤维需要通过脱胶漂白工艺除去多余的木质素、半纤维素、果胶等杂质，使纤维的性能满足纺纱要求。在2009年，张宏伟等[17]发明莲纤维的“二煮一漂”脱胶漂白工艺，即将提取的莲纤维通过一次碱煮、酸洗、二次碱煮、漂白，然后对莲纤维开松处理，得到平均断裂强度为1.68cN/d tex、平均断裂伸长为6.68%和平均白度为42.9%的精制莲纤维。

王建刚等[18]考察碱浓度、脱胶温度、脱胶时间对莲纤维物理性能的影响，结果表明，增加NaOH浓度，纤维细度减小，而断裂强度和断裂伸长率变化相似，即随NaOH浓度增加先上升后降低，在13g/L处出现极大值。随脱胶温度升高，纤维的细度逐渐减小，断裂强度和断裂伸长率却会增大，但当反应温度超过90℃后，纤维则破碎为短纤维。脱胶时间越长，得到的纤维细度越细，断裂强度和断裂伸长呈现先快后慢的上升趋势，并在最后达到极大值。

Fengyan Li等[19]研究碱液脱胶处理对不同生长阶段莲纤维的结构与性能的影响。结果显示，随NaOH浓度增加，莲纤维平均断裂强力先减小后增大。这是因为在低碱液浓度下，纤维的强度主要由分子间和分子内的氢键控制；在高碱液浓度下，碱液溶解莲纤维的横向联结，单纤维的平行度增加，加上结晶取向增加的作用，纤维强力稍微增加。FTIR分析结果也证实在碱液处理过程中非纤维素杂质被有效去除。

2.3 莲纤维的纺纱工艺

莲纤维具有的复丝结构和竹节纱形态对提高纤维的抱合力有积极作用，提高了纤维的可纺性。莲纤维细度小，具有优异的成纱强力和条干均匀度。纤维在纺纱过程中的静电效应也因为莲纤维较好的吸湿性能而显著降低，减少了纤维对机器部件的缠绕[20]。莲纤维的物理机械性能接近棉与麻类纤维，适合与棉麻纤维混纺。此外，纺纱之前对莲纤维适当上油处理可以显著改善莲纤维较大的动静摩擦系数带来的问题。王培红等[21]研究了莲纤维的混纺工艺，具体的工艺过程如图4所示。由于莲纤维纺纱的各项工艺环节应根据纤维的特性调整纺纱工艺参数，目前已有关于莲/棉20/80 28tex纱线和棉/藕丝92/08 28tex混纺纱线的研究报道。

图4 莲纤维的纺纱工艺流程

3 莲纤维的性能

3.1 物理性能

研究报道，莲纤维平均密度为1.184g/cm3，与蚕丝的密度接近，但低于棉与苎麻纤维密度。莲纤维细度为1.55dtex，与棉细度接近，但低于蚕丝和苎麻[22]。

陈东生等[23]分析莲纤维力学性能，结果见表1。结果显示，莲纤维的断裂为脆性断裂。莲纤维刚性较佳，平均初始模量为146.81cN/dtex，平均断裂强度为3.44cN/dtex，平均断裂伸长为2.75%。莲纤维模量接近苎麻，断裂强度接近棉和蚕丝，断裂伸长稍高于苎麻，是一种高强低伸性纤维。莲纤维的静、动摩擦因数分别为0.5541、0.3203，静、动摩擦系数相差较大，均高于其他纤维素纤维，因此，莲纤维拥有较涩糙的手感[24]。

表1 莲纤维物理性能

3.2 吸湿性

王建刚等[24]对比莲、棉、亚麻纤维吸湿与放湿性能，三种纤维的吸湿、放湿回潮率见表2。莲纤维的吸湿、放湿回潮率均显著高于棉、亚麻纤维。三种纤维的吸湿速率和放湿速率回归曲线分别见图5、图6。莲纤维最先达到吸湿放湿平衡，吸湿速率和放湿速率均高于棉与亚麻纤维，因此，莲纤维吸湿性优于棉、麻纤维，主要由于莲纤维含有较多的亲水性基团；莲纤维结晶度低于棉、麻纤维(48.06%)[25]；莲纤维带状螺旋复丝结构促使莲纤维表面含有大量孔隙，增加了莲纤维比表面积。

表2 三种纤维吸湿与放湿回潮率[24]

图5 三种纤维放湿回归曲线[24]

图6 三种纤维吸湿回归曲线[24]

3.3 热性能

莲纤维的热重曲线见图7，结果显示莲纤维具有失水和分解两个失重阶段，60℃附近的失重主要为失去纤维水分和小分子；160℃附近时，纤维的失重率达68%，主要为莲纤维自身的分解。莲纤维的差示扫描量热见图8，温度为324.7℃和377.7℃时，出现两个熔融峰。莲纤维的结晶度为48.06%，热收缩率较低；在沸水中，热收缩率为0.36%；在干热空气中，热收缩率为0.3%。莲纤维属于易燃纤维，极限氧指数与棉纤维、粘胶纤维接近，为17.0% ～19.0%[26]。

图7 莲纤维的TG曲线[26]

3.4 化学性能

袁小红等[27]分别用酸、碱及氧化剂对莲纤维进行处理，研究在不同温度和浓度条件下，莲纤维的溶解状况、色泽变化和力学性能变化。

耐酸性：使用无机强酸(硫酸、盐酸等)时，增加无机酸浓度，升高反应温度，莲纤维溶解性增加。在质量分数为60%的浓硫酸中，大部分莲纤维将溶解，强力明显降低。盐酸对莲纤维的作用较强，15%的盐酸会使莲纤维出现颜色变化，37%的盐酸就能使莲纤维溶解。断裂强力和断裂伸长率分别降低50%和20%。莲纤维在有机酸如冰乙酸中较稳定，未出现明显的色泽变化和溶解现象。莲纤维的耐酸性稍差于棉纤维。

耐碱性：莲纤维在NaOH溶液中较稳定，但在煮沸的15g/L的NaOH溶液中，会有轻微的色泽变化，如果浓度过高，纤维会变得脆且易断。随NaOH浓度增加，莲纤维断裂强度和断裂伸长率先增大而后减小，NaOH浓度为10g/L时，莲纤维的强度和断裂伸长均达最大值。

耐氧化性：莲纤维在H2O2溶液中较稳定，分别采用5%和10%的H2O2溶液处理莲纤维，纤维未溶解，也无色泽变化，其强力和断裂伸长率变化较小。在NaClO溶液中，莲纤维稳定性较差，30℃时，纤维在13% NaClO溶液中将微溶解，并伴有色泽变化，断裂强力和断裂伸长率则分别降低60%和95%。

3.5 抗菌性

莲由于含有较多具有抑菌效果的生物活性成分，如黄酮类和生物碱类物质等，可作为中药材使用[28-30]。同时，莲纤维含有对人健康有益的多种氨基酸与微量元素。潘颖[31]研究莲纤维的抗菌性，结果表明，莲纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有一定抑菌效果；莲纤维与金黄色葡萄球菌作用4h后，即表现出明显的抑制效果；18h后，抑菌率达99%。因此，莲纤维对金黄色葡萄球菌具有优异的抑制效果。莲纤维对大肠杆菌具有一定抑制效果，作用4h后，抑菌率为86.4%。

3.6 生物相容性

聂敏等[32]从莲藕中提取出莲纤维并研究莲纤维电参数对溶液酸碱度的变化规律，发现莲纤维电参数对溶液酸碱度有明显的U/Ω效应。随溶液pH值的增加，阻抗和电阻曲线呈现U型变化，在pH值等于7时有最小阻抗值和电阻值。而莲纤维的电容随着pH值增加，曲线呈现Ω型变化，在pH值等于7时有最大电容值。莲纤维这种阻抗、电阻和电容随溶液pH值的变化表现出的U/Ω效应与人体组织的电感特性变化类似。因此，莲纤维对生物体有优异的生物相容性。莲纤维良好的生物相容性使其在医疗卫生领域将具有潜在应用价值。

4 莲纤维的应用

4.1 服饰

由于莲纤维良好的可纺性，可用于纺高支高密纱线，也可以和其它纤维混纺。莲纤维吸湿性好，面料轻柔，清爽透气，是夏季服装的理想材料。由于莲具有特殊的宗教意义，可以将莲纤维开发成宗教用品。莲纤维具有一定抗菌性，可用于卫生保健类纺织服装面料。莲纤维作为一种具有优良性能的新型绿色纤维，必然吸引时尚界的注意。目前，日本、意大利等国家的公司将莲纤维生产夹克和高档西服等奢侈品。

4.2 医疗

由于莲纤维纤维素具有亲水性、生物降解性、生物相容性等特点，且莲纤维在人体内与肌肉和血液分子相互渗透和扩散，可以逐渐被消化吸收[33]，因此可将莲纤维应用于医疗领域，用于生产手术中大量需求的缝合线、医用纱布、止血条、止血带等。

4.3 其他应用

莲纤维还可制成纳米纤维材料。纳米纤维素纤维具有较高粘度、良好的悬浮稳定性、优良的生物相容性与降解性能，因此，莲纤维可应用于制备低热食品、医疗领域的生物传感器、载体、敷料和化妆品，甚至用于聚合物基地增强剂和功能纸开发[34,35]。已有研究将莲纤维和海藻酸盐复合制备具备生物降解调控功能的蜂窝状多孔材料[36-38]。另外，莲纤维也可作为纤维复合材料的增强体，Mengxi Wu等[39]在莲纤维表面喷涂聚乙烯醇薄膜制备仿生复合莲纤维材料，提高莲纤维材料的力学强度。

5 展望

莲纤维是一种新型绿色纤维，主要存在于莲杆和藕中，目前主要从莲杆中提取。莲纤维结晶度低于棉、麻类纤维，非晶区域占比大，莲纤维特殊的复丝排列结构赋予莲纤维制品良好的吸湿性。莲纤维强度较好、密度小、细度低、热性能好、抗菌性佳且具有较好的耐化学试剂性能，因此，莲纤维是一种理想的纺织材料。另外，莲纤维在医疗、卫生、复合纤维材料等领域都有广阔的应用前景。然而，莲纤维的制备工艺仅停留于传统制备方法。高效、绿色环保、适合工业化生产的莲纤维制备工艺还需进一步研究。同时，需不断开发新型莲纤维的应用，使莲纤维在纺织服装、产业用等领域占有一席之地。

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2016-05-15

郭荣辉(1976-)，女，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：纺织材料与纺织品设计。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0120-06