木棉纤维的性能及其在纺织上的应用

张明宇，谭艳君，刘姝瑞

(1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安710048；2.伟格仕纺织助剂(江门)有限公司，广东江门529000)

0 前言

木棉纤维是在属于吉贝属吉贝种、木棉属的长果木棉种和木棉种的植物果实蒴果壳体内发育、生长的纤维，无需去除棉籽，其与内壁间的黏附力小，容易分离。我国生长的木棉为落叶大乔木，木棉种[1－2]。木棉本身具有活血、清热、消肿等药用功效，木棉纤维细、短、轻、中空度高。因此，木棉纤维及其混纺、交织、复合材料不仅可用于保暖、抗菌防虫、保健、吸湿导热等纺织领域，同时在吸油吸附、吸声、过滤等产业用纺织材料领域也有广阔应用前景[3－4]。

1 木棉纤维的结构及性能

1.1 木棉纤维的结构

木棉纤维表面光滑，其圆柱形并伴有细小凸痕的纵向形态，椭圆形或圆形的横截面，80%～90%中空度的中腔结构，使得纤维表面光泽好，纤维壁薄，几乎透明，密度小，可作为填充材料、救生材料，承重20～36倍于自身的重力于水面而不下沉[5]。

由表皮层和主体结构组成的木棉纤维，表皮层主要包含强碱易腐蚀的半纤维素和木质素，纤维壁上为沿着纤维轴向，紧密交叉、直径约0.93μm的原纤维或细丝整齐聚集而成，接缝中的树皮或鳞形状的螺旋状带状单元，是像复合材料一样填充的木质素和半纤维素，与纤维的轴向有很高的一致性[6－7]。

1.2 木棉纤维的性能

木棉纤维的中空度高，质量超轻，导热系数小，细度细，是良好的保暖材料，再加之细胞壁表面的沟槽和凹凸痕，吸湿放湿性良好，但其强度低，耐稀酸、稀碱，不耐强酸，经强碱处理后，纤维结构塌陷变成扁平状，细胞壁变薄、强力降低、弹性受损、手感光泽变差[8－9]。但木棉纤维经过浓碱快速处理放置几秒后，纤维的中空度会迅速回复，几乎无损伤。同时木棉纤维具有良好的抗静电性、导湿放湿性、隔热保暖性、热舒适性和较中空涤纶好的染色均匀性[10]。

经刘杰等人发现，木棉纤维面料的芯吸高度、扩散面积与木棉纤维的比例呈线性正相关。这是由于木棉纤维对去离子水的静态接触角大，表面润湿性差，属低能表面材料[11]。与棉纤维相比，木棉纤维表面的疏水性稍强，回潮率、吸放湿性、吸放湿速率均较好；与纯棉面料相比，木棉纤维面料的液态水传递性能较佳。

木棉纤维具有优异的保暖性。张芳芳等人发现木棉纤维的填充度增加，保暖性先增大后下降，填充度为0.3时，保暖性最大。具有0.3填充度的木棉纤维，与聚酯纤维、棉纤维相比，其透湿性、保暖性均更佳，还兼具隔热透湿、中空超轻、天然抗菌等性能，故在纺织服装面料应用上具有极佳的应用空间[12]。张振方等人发现控制木棉纤维集合体的体积质量，可使得纤维集合体保持较多的静止空气，提高面料保暖性，而压缩木棉纤维，因纤维被挤压，拥有的静止空气较少，升降温速率比未压缩木棉和灰鸭绒均快很多，保暖性最差[13]。

对木棉纤维织物的综合热舒适性探讨，刘杰等人分别制备了含7种不同木棉纤维比例的织物，并对其透湿透气性、导湿快干性、保暖性、瞬间放热量进行了研究，并综合评估了织物的热舒适性。木棉纤维含量越高的织物，热舒适性越优异，低木棉纤维含量的织物的热舒适性与全棉织物都具有中等的热舒适性，含涤纶织物的热舒适性较差。同时含木棉纤维的织物均接触暖感佳，触感温暖，保暖性良好[14]。

2 木棉纤维在纺织上的应用

2.1 木棉纤维纺纱研究

木棉纤维含纤维素少，含木质素多，纤维表面因有蜡质而抱合力差、表面光滑、转曲少，细度小、主体长度偏短、高含杂率、低整齐度的木棉纤维，扭转刚度大、单纤强度差、成熟度差异大、色泽均匀性差，导致纺纱断头率高、加捻效率低、可纺性差，需提升纺纱技术水平[15]。

有研究发现，含木棉纤维的紧密纺纱混纺纱线与全棉环锭纺纱相比，其毛羽稍差、条干较均匀，木棉纤维主要在纱线表面，且已被压扁，但木棉纤维可自身回复中空形态，具有成束趋势，同时在纱线表面可使其保持较好的中空度及可回复中空，纱线放置时间越久，木棉纤维中空度越高，混纺纱线表面的中空度也越高[16－18]。

周思婕等人对木棉纤维、棉纤维、亚麻、粘胶等使用嵌入式复合纺纱，得到了亚麻/木棉/棉/粘胶21/33/23//23的嵌入式复合纺纱工艺[19]。王静选用白色的木棉纤维、浅灰色的聚酯基咖啡碳纤维，以45∶55的比例，经过预处理、开清棉、梳棉、并条、粗纱、细纱等工序，纺制40S/1咖啡碳/木棉55/45抗菌保暖多功能混纺浅灰针织纱[20]。王宗文等人发现木棉纤维SIRO纺包芯纱的细纱捻度达到每英寸24捻回、后区牵伸为1.25倍时，含30%木棉纤维的双包芯纱强力最佳、条干CV最小、3mm毛羽指数小，改善了所织面料纬向断裂强力[21]。张圣忠等人首先对木棉纤维进行预处理，然后使用小比例混纺技术，将3种超细柔纤维木棉纤维、有机棉、澳毛按20/70/10的比例采用聚绒纺技术得到32S/1有机棉/木棉/澳毛70/20/10超短细柔纤维多组分复合纱线，可应用于高档纺织品[22]。

2.2 吸油吸附材料

在现阶段的生产生活中，油烟油液、污渍废烟气时常出现，甚至产生有害物质，不仅对人体会产生危害，还会对环境生活造成污染。而当溢油漏油、油烟废气出现时，我们需要一种材料能够吸附快、效果好、成本低、可生物降解且可循环使用。木棉纤维吸附三种不同粘度的植物油、汽油、润滑油均符合准二级动力学模型、Langmuir等温吸附热力学模型，25℃条件下的最大吸附量分别是21.2、18.6、26.1g/g[23]。因木棉纤维壁薄中腔大，高孔隙率的中空结构可储大量油/液，中腔通过物理吸附储油后，纤维间发生黏连和折痕，油的粘度越大，纤维间黏连增强，吸附效果越好[24]。同时木棉纤维可生物降解，故木棉纤维及其复合材料、改性材料可作为良好的吸油吸附材料。

木棉非织造布因木棉纤维的中空圆形结构，具有多而大的可吸收大量油液油烟的孔径，且其热稳定性好。与粘棉、黏胶、全面非织造布相比，徐梦成发现，在油液吸附方面，木棉非织造布的铺展速率大，表面能稍小，最大芯吸高度较小，吸附油液的毛细吸收系数偏小、吸附速率较慢、达饱和吸油时间最长[25]。在油烟吸附方面，木棉纤维中腔、纤维表面、纤维交叉点上均有吸附油烟后的液滴附着，吸附10小时后未达到饱和，对机油、植物油的吸附效率分别为11.29%、3.27%。

改性木棉纤维，可提升吸油材料的吸附性能。王锦涛等人使用基材木棉纤维、37.5%酰化剂乙酸酐和1.3mmol/L催化剂NBS，在70摄氏度低温条件下乙酰化改性木棉纤维，反应1小时，达最大吸油率，显着提高了对甲苯、氯仿、环己烷的吸油倍率[26]。岳新霞等人对木棉纤维采用乙酸酐改性，纤维表面出现褶皱、变粗糙，结晶区变小，吸附柴油量提升2.5倍，吸油沥干2小时的保油率为84.8%，重复使用5次后，吸油量下降不到三层[27]。柴文波使用物化法、化学法、生物法分别改性木棉纤维，并以此作为基体，分别制备改性石墨烯浸涂木棉纤维、超疏水二氧化铈改性木棉纤维、纤维素酶改性纤维三种吸油材料，前者对油的吸附量在85%以上；化学法、生物法改性的木棉纤维的吸油过程均符合Lagergren准二级动力学方程，前者符合Freundlich等温式，吸油3分钟左右达饱和，可循环利用。通过综合考虑成本、回用情况、吸油效果，纤维素酶生物法改性的木棉吸油材料是最佳的吸油材料[28]。

以木棉为基体，制备吸油复合材料的技术研究，胡薇薇等人，在95℃温度下，通过引发剂过氧化苯甲酰产生的自由基，引发基材木棉纤维的纤维素大分子链的羟基，生产活性中心，并与2 mol/L接枝剂甲基丙烯酸甲酯发生接枝共聚反应，反应时间1小时，制备出表面较为粗糙、能提升吸柴油能力的木棉基复合材料[29]。乔娟等人对木棉纤维和聚乳酸纤维使用非溶剂诱导相分离技术，制备吸油速率快、可生物降解、可循环利用的具有三纬结构的复合多孔吸油材料。三维结构比二维结构吸油速率快，且吸油后可无需焚烧、填埋，可生物降解成水和二氧化碳；木棉纤维的长度和质量分数与吸油性能呈正相关[30]。董智贤等人，将木棉纤维与硅烷偶联剂、Fe3O4、分散介质制备的分散液进行混合，并除去纤维中的液体，干燥后制得的木棉纤维基磁性复合材料，有效提升了材料的吸油率，且吸油后可回收，同时自身可降解，无二次污染[31]。

崔美琪等人，对木棉/PET/ES纤维集合体的吸收柴油、机油、植物油的性能进行了测试及评价，发现吸油倍率为40g/g～63g/g，能去除97%及以上的水油液中的油液，去油效果优异，同时能保持较长时间，保油率大于80%，可以说此集合体具有优异的油水选择性[32]。

对木棉纤维粉末吸附材料的研究，徐艳芳等人使用机械切割木棉纤维，制备长度在几十微米至2毫米的，比表面积大于木棉原纤维的木棉纤维粉末材料。该粉末材料对PAO4和矿物油的接触角小于90度，对水接触角为136度，具有疏水亲油性，但机械切割后，材料的体积密度增大，纤维孔隙减少，故较原木棉纤维的吸油量下降近一半。对于同体积密度的吸附材料，木棉纤维粉末吸附PAO4合成油的速率提高，矿物油的饱和吸油量也得到提高[33]。

因木棉纤维独特的中腔结构，纤维材料吸水性也很好。方海慧等人发现经碱处理的木棉纤维，吸水倍率提升1.5倍，断裂强力、断裂伸长率分别提高0.5cN～4cN，18%～40%。木棉纤维在真空条件下处理，吸水倍率提升2倍[34]。

对有机物的吸附性能，韩笑等人在450℃氩气气氛下，使用氯化锌、氢氧化钠化学活化木棉纤维，制备比表面积1394m2/g、平均孔径1.718nm、总孔容0.6cm3/g的由无定形碳组成的、具有大量微孔结构的木棉基活性碳纤维。与活性碳相比，该纤维制品对二氯甲烷的吸附量提高1倍多，对挥发性有机物具有较好的浓缩富集作用，30℃，甲苯、苯的饱和吸附量分别为479mg/g、359 mg/g，吸附效果佳[35]。

木棉纤维因其优异的吸附性，可作为高性能空气过滤材料的新选择。杨家喜通过预处理木棉纤维，增加纤维对柴油、机油灯的吸油率、并对木棉纤维过滤纸业材料的制备进行研究，并使用固体气溶胶、液体气溶胶对过滤材料的检测，发现木棉纤维的应用可提高空气过滤效果、容尘性能[36]。

2.3 吸声材料

针对木棉纤维特殊的大中空、壁薄结构，其在吸声材料领域也有较好的应用。田媛媛等人，选用基体为乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)粉末，增强材料为木棉纤维，使用热压法制得木棉/EVA吸声复合材料，其无论在低频、中频还是高频环境中，均有优异的吸声性能，频带也较宽。增大木棉复合材料密度，吸声系数曲线总体增大，向低频移动；高频区域，材料密度增大，吸声曲线降低；在合适的热压温度和时间下，材料压制越均匀，内部孔隙越多，分布越均匀，吸声性能越好。在中低频区域，吸声系数曲线因木棉纤维占比的增大而向低频移动；在高频区域，曲线出现上升趋势；材料厚度增加，吸声系数曲线，向低频移动[37]。

刘雪亭等人将中空涤纶、木棉纤维按1∶1等比例混和，制备针刺非织造布，与树皮绉和两层蜂巢机织物使用纱线缝合的技术，制备轻薄吸声复合材料。其中非织造布为底层，蜂巢机织物为中间层，树皮绉机织物为上层，是可用于建筑、汽车内饰、高铁等领域的可工业化生产的低频宽频的吸声复合材料[38]。

2.4 保暖材料

目前，羊毛、羊绒纤维是天然保暖纤维中保暖性最好的，但产量有限、价格昂贵。木棉纤维因其独特大中空结、壁薄、质轻、保暖性好而受到重点关注，但木棉纤维长度短、纺制困难，也受到一定的限制。

贾芳等人分别以1∶1、3∶7的比例混合加工木棉/羊毛保暖絮片，并对比纯涤纶、纯羊毛保暖絮片，发现纯羊毛和含木棉纤维的絮片，保暖性均远比纯涤、纯羊毛絮片好，加入木棉纤维的絮片保暖性略低于纯羊毛絮片，但含木棉纤维的絮片透气性最佳；加入木棉纤维的絮片的尺寸稳定性，在纯羊毛、纯涤纶絮片间，随木棉纤维的占比越多越好；木棉/羊毛保暖絮片是综合性能最佳的保暖絮片[39]。周静怡使用纤维开松混合、梳理、铺网、针刺(针刺密度10刺/cm2)、热熔粘合(125℃2分钟)的加工工序将木棉纤维、羊绒、ES纤维、远红外涤纶纤维按30%、20%、20%、30%的比例进行混合，制备出各项性能最佳的三维结构保暖絮片[40]。将羊毛、羊绒纤维与木棉纤维复合的保暖材料，可体现各优异特性、互补、降成本，昰新保暖材料的应用研究方向。

木棉纤维的保暖性虽较羊绒稍差，但也比其他纤维包括中空涤纶、中空棉好很多。陈丽丽等人，用木棉、棉纤维，织造了不同纬密、不同组织结构、不同含量的木棉纤维混纺织物，发现蜂巢组织，组织结构越松厚的织物，经纬纱的交织次数需越少，保暖透气性会越好；体积密度越大保暖性降低，随纬密增加，木棉纤维的占比增高，面料保暖性提高，透气性降低；当含20%木棉纤维时，越松厚的面料组织，越少的经纬纱交织次数，面料保暖透气性就越好[41]。

2.5 服装家纺面料

木棉纤维因其轻便、贴身舒适、中空保暖、天然可降解，有一定的抗菌性，在服装面料上，可用于无缝针织面料、机织防紫外面料、夏季服装面料、毛巾布、抗菌袜[42]等。

无缝针织技术是一种以人体生理机能、曲线为基础，依托电脑设计的一体成衣针织技术。木棉纤维的引入，扩展了无缝服装的保暖舒适的新领域。沈利恩通过使用木棉纤维的无缝针织面料和毛圈木棉无缝针织物的物理机械性能、热湿舒适性能的研究，设计开发了一套秋冬款女式木棉针织无缝内衣[43]。对于锦纶/木棉纤维混纺交织的无缝针织面料来讲，组织结构和交织比例相同的面料，随木棉纤维在面纱含量中的比例的增加，面料的保暖、透湿、吸湿性越好，拉伸回复性、褶皱回复性、顶破性、刚柔性、透气性会变差；组织结构和面纱原料相同的面料，随木棉纤维交织比例的降低，面料的保暖、透湿、吸湿性变差，拉伸回复性、褶皱回复性、顶破性、刚柔性、透气性会变好；纬平针组织的无缝针织面料的刚柔性、透气性最好，3＋1假罗纹的拉伸回复性、顶破性、保暖透湿性最好；面纱采用棉/木棉纤维70/30，按100∶0交织的3＋1假罗纹无缝针织面料的综合服用性能最佳。对于毛圈木棉无缝针织面料来讲，面纱原料相同的面料，随毛圈纱木棉纤维的占比增加，面料保暖性、吸湿透湿性、接触冷感变好，而面料的透气性、热传导性变差；对于拥有相同原料毛圈纱的无缝面料，棉/木棉70/30的混纺面纱织物的保暖性、透气性、接触冷感较好，棉/木棉/天丝50/30/20混纺面纱织物的吸湿透湿、热传导性较好。综合来讲，当面纱与耳圈纱均使用棉/木棉70/30纱时，面料的综合热舒适性最好。

俞俭等人研究了木棉纤维占木棉/棉混纺纱的比例对织物的服用性、力学性进行研究，发现木棉纤维的含量增加，面料的折皱回复性、保暖性、芯吸性、抗紫外性提高，拉伸强力、亲水性降低，透气性、悬垂性、耐磨性、抗起毛球变差，当占比为50%时抗紫外效果佳，所织纺织品可为防紫外功能面料[44]。王明芳等人，对同规格、不同木棉纤维含量的木棉/棉混纺面料对比发现，含木棉纤维的量越大，面料的保暖透气性、抗紫外性均提高，悬垂性、折皱回复性、纱线力学性能降低。木棉纤维的加入，质感更轻，提高了面料的保暖透气性、抗紫外性，但折皱回复性没有纯棉面料好。因此，在服装面料开发中，可将木棉纤维与棉纤维以超过30%比例混纺，采用较为疏松的缎纹、斜纹组织，来做为夏季服装面料[45]。张瑾等人使用棉/木棉混纺纱、纯棉纱，织造不同经纬密的纱线，并增加丝光、防羽等后整工艺，探讨机织面料的阻螨性，发现同织物紧密度下，使用含木棉纤维的混纺纱，防螨性能较好；同原料、同纱线线密度，高密织物的防螨性能佳，织物紧密度与防螨性能呈现正相关性；丝光、防羽整理会在一定程度降低防螨效果，故此类情况需提高木棉纤维含量及面料的紧密度[46]。

对于羽绒服装家纺防钻绒面料，邱成等人采用以天丝长丝做芯纱，木棉纤维以螺旋式包缠芯纱天丝而纺成的木棉包芯纱作为纬纱和经纱，替代传统的防钻绒纱线，选用平纹组织结构，织成柔软轻薄、触感细腻滑爽、保暖透气、抗菌防蛀、亲肤的超柔超薄防钻绒面料[47]。

经研究木棉混纺毛巾发现，同规格的毛巾，木棉纤维加入后，毛巾的吸水性增强、厚度变薄、表面摩擦减小、透气性变差。在湿态下的木棉混纺毛巾，比干态柔软，悬垂性更佳、表面摩擦更好[48]。但木棉纤维易发生掉絮，在开发设计需改善工艺参数，降低毛巾的掉絮和提升透气性。

2.6 木棉纤维在其它纺织上的应用

王洪等人将中空度达80%的木棉纤维与黏胶纤维按30/70比例共混、成网，通过水刺加工，制备非织造材料，用于面膜基布。由于木棉纤维基本保持空腔结构，面膜吸收性增强，变得更柔软蓬松、透气性良好、亲水性佳[49]。孙信等人，将木棉/PP作为面膜吸放控制层，与锦纶弹力布、木浆/黏胶保湿层，制备的弹力基湿法水刺面膜基布，因为吸放控制层30%～60%的8～12毫米长的木棉纤维的添加，增强了面膜基布的带液率、贴敷性[50]。

3 展望

木棉纤维作为一种天然可降解的高中空结构的纤维材料，在环保日益备受重视的当下，成为可替代中空涤纶等保暖化学纤维的材料。目前木棉纤维在非织造领域、复合材料领域应用较多，因其纺纱相对困难，在织造领域，尤其昰针织面料应用领域相对较少，随着不断攻克、提升纺木棉纱的技术难点，未来木棉纤维在织造领域将出现突破性进展。无论是作为天然环保可降解的产业用纺织品、家用纺织品，还是舒适、抗菌、吸湿保暖的服装面料纺织品，都将成为开发的新焦点与新趋势。