云南野生火草纤维及其绒网的结构与性能

俞 琰， 王西朝， 张瑞云,2， 李蓉丽， 程隆棣,2

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织科 创中心， 上海 201620； 3. 昆明玖雍民族文化创意产品有限公司， 云南 昆明 650000)

火草学名钩苞大丁草，为多年生草本植物，是主要生长在云南等地区的少数民族沿袭几千年的纺织原料之一[1]，曾与棉、麻、葛列为同等重要的纺织原料。在几千年的纺织材料发展中，棉、麻等锋芒毕露，火草却被淹没于浩瀚史卷中，这无论是从人文角度还是从科学技术角度来看，都是一大损失。近年来，得益于植物科学技术发展，火草产量得到显著提高，同时在文化创意产业的加持下，火草纺织品焕发出新的巨大生机和活力。

目前，火草的应用主要为2个部分，即纺织用和药用。火草纺织品在云南等地区少数民族具有极强的民俗文化意义。对火草纺织品如此重视主要有以下方面原因：原料珍稀，《扯火草歌》[2]中记载火草生长于荒山野岭之中较难采摘；纯手工制作成衣工艺复杂，需要将火草叶背纤维绒网经特定的手工操作技巧撕下捻成纱线；具有纺织品的优良性能，走访当地人了解到，他们经常穿用的火草衣具有防水透湿、柔软保暖等优良性能。

火草纤维取自生长于火草叶背的纤维绒网，属天然植物纤维，其成分主要是纤维素。为推广火草在纺织领域的应用，亟待对火草进行纺织体系的研究开发。为此，本文对云南野生火草纤维及其绒网的基本结构和性能进行表征，并与普通棉纤维进行比较。

1 实验部分

1.1 实验材料

本文选取我国云南昆明地区的天然野生火草，通过手工方式从火草叶片背部剥离火草纤维绒网。图1示出火草叶片背部及已经剥离下的火草纤维绒网照片。

图1 火草叶片背部及纤维绒网Fig.1 Back of fireweed leaf (a) and fibrous network (b)

其他材料：甲酸(98%)，上海沃凯化学试剂有限公司；冰乙酸(≥99.8%)、硫酸(95.0%～98.0%)、盐酸(36.0%～38.0%)、氢氧化钠(片状，≥96.0%)， 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 测试与表征

纤维化学成分测定：根据GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，对纤维绒网进行化学成分定量分析。

化学结构测试：采用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，美国Thermo Fisher公司)测试火草纤维绒网的化学结构。

形貌观察：采用JSM-5600LV扫描电子显微镜(SEM， 日本JEOL公司)观察纤维绒网及单根纤维的表面和截面形态结构，加速电压为20 kV。

直径测试：参照GB/T 10685—2007《羊毛纤维直径试验方法 投影显微镜法》测量火草纤维直径。

聚集态结构测试：采用18 kW D/max-2550VB+/PC转靶X射线衍射仪(XRD，日本Rigaku公司)、Bruker D8 ADVANCE X射线多晶衍射仪(XRD，美国Bruker公司)测试纤维绒网的聚集态结构。

热性能测试：通过TGA 4000热重分析仪(TGA，美国Perkinelmer公司)测试纤维绒网的热性能，测试温度范围为25～700 ℃，升温速率为10 ℃/min，氮气气氛，流量为20 mL/min。

力学性能测试：采用LLY-06E电子单纤维强力仪(中国莱州市电子仪器有限公司)测定纤维绒网的力学性能。测试参数为：隔距5 mm，拉伸速度 20 mm/min， 试样尺寸10 mm×5 mm。

纤维吸湿性测定：参考GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率试验方法 烘箱法》对火草纤维进行回潮率、含水率的测定。

润湿性能测试：采用OCA15EC接触角测试仪(德国Dataphysics公司)对火草纤维绒网的水接触角进行测试。

耐酸碱性测试：观察火草纤维在不同浓度的甲酸、冰乙酸、盐酸、硫酸、氢氧化钠溶液中的状态而初步获得其耐酸碱性。

pH值测试：根据GB/T 7573—2009《纺织品 水萃取液pH值的测定》，将火草纤维绒网放入配制好的pH缓冲液中萃取一段时间，以测定火草纤维的水萃取液的pH值。

2 结果与分析

2.1 形态结构分析

从火草叶背剥离下的火草纤维绒网，其自然形态为由纤维随机交叉成网的非织造结构，扫描电镜照片如图2所示。可以看出，纤维无明显取向，不具有各向异性。绒网厚度为23～66 μm，仅为整片叶子厚度的8%～10%；火草纤维绒网非常轻薄，单片叶背纤维绒网质量为0.02～0.06 g。

图2 火草纤维绒网的SEM照片(×200)Fig.2 SEM image of fireweed fibrous network(×200)

天然纤维素纤维中，棉纤维的纵向形态为细长不规则的带状，有显著的转曲现象。在扫描电子显微镜下，火草纤维纵向外观与棉纤维有较大的相似之处，也存在转曲现象，形似带状，如图3(a)所示。与棉纤维光滑的表面不同，火草纤维的表面并不光滑，存在显著的沟槽和褶纹，如图3(b)所示。

图3 火草纤维纵向形态Fig.3 Longitudinal morphology of fireweed fibers. (a) Longitudinal banded curvature structure(×3 000); (b) Surface pleats structure(×10 000)

图4示出火草纤维横截面扫描电镜照片。可以看出，火草纤维的横截面呈现为不规则腰圆形带中腔，和棉纤维的横截面极为相似。横截面SEM照片中显示并非所有纤维都是带中腔的，这可能是由于自身纤维较为柔软，本来带中腔的纤维在制作切片试样时受外力挤压导致中腔闭合。火草纤维自身细软的特性使其在开发比棉更加柔软的产品上具有极大可能；穿插纠缠的结构以及纤维中腔的存在使其具备保留更多静止空气的能力，这使得火草纤维具有作为柔软保暖材料的潜在优势。

图4 火草纤维横截面电镜照片(×5 000)Fig.4 SEM image of cross section of fireweed fiber(×5 000)

选取10个叶片，每个叶片背部取30根纤维测量纤维长度，得到火草纤维长度分布在2～6 mm之间。参照GB/T 10685—2007测得火草纤维直径在1.05～5.76 μm之间，这与扫描电镜照片下观察到的纤维直径尺寸基本相符。火草纤维与棉纤维[3]形态尺寸对比如表1所示。

表1 火草纤维与棉纤维形态对比Tab.1 Morphological comparison of fireweed fiber and cotton fiber

火草纤维的线密度仅为棉纤维的1/6左右，约为0.5 dtex[4]。实验测出的火草纤维直径是棉纤维直径的0.06～0.23倍，表明火草纤维是比棉纤维还细的超细天然植物纤维。

火草纤维细软且非常短，观察火草纤维绒网可发现纤维之间形成了较多孔隙，且纤维带中腔，这就导致火草纤维绒网及其集合体在液体浸润之后，存在快速扩散和较强的芯吸效应。根据芯吸效应规律：在相同纱线线密度和同样截面形状下，纱线中的单根纤维越细，纤维间孔隙越小且多，毛细管附加压力越大，芯吸效应越强[5]；在非织造结构中，纤维越细，其内部能够形成较细的毛细管，使材料具有更强的毛细内压，质量吸湿率更高[6]。火草纤维是目前已知天然纤维素纤维中线密度最小的，因此，单从线密度角度而言，其材料在液体扩散、芯吸等方面具有很好的潜力，可应用于开发导湿快干产品等。

2.2 化学结构分析

火草纤维的主要成分为纤维素(占约65%)，半纤维素为21%，脂蜡质为6%，木质素为4.5%，水溶物为3.1%，果胶为0.6%，半纤维素成分较多。棉纤维的纤维素含量约为95%，剩下的为脂蜡质等物质[3]。与棉纤维相比，火草纤维具有更多的脂蜡质、半纤维素和木质素成分。火草纤维绒网的红外光谱图如图5所示。

图5 火草纤维绒网的红外光谱图Fig.5 Infrared absorption spectra of fireweed fibrous network

2.3 聚集态结构分析

火草纤维的X射线衍射曲线如图6所示。可知，火草纤维样品的特征衍射峰位置分别位于2θ为15.74°、22.72°和34.32°处，对应纤维素的(110)、(020)和(004)晶面。

图6 火草纤维绒网的X射线衍射图Fig.6 XRD pattern of fireweed fibrous network

根据文献[11-12]分析可知，I型纤维素的(110)、 (020)和(004)晶面一般分别位于2θ为16°、23°以及34.5°附近，对应谱图中的3个特征衍射峰。于是可由XRD表征结果得出，火草纤维具有与棉纤维素相同的I型晶体结构。火草纤维的结晶度为55.52%，与棉纤维相比偏低，说明火草纤维中纤维素大分子有序排列形成的结晶区结晶度较棉纤维少，这是由于脂蜡质、果胶、半纤维素和木质素等无定形成分降低了火草纤维结晶度。

2.4 热性能分析

火草纤维的TG曲线如图7所示。可以看出：火草纤维在30～100 ℃的质量损失对应为水分的挥发；在240 ℃左右开始降解，而棉纤维在270 ℃左右开始降解。其原因主要归结为2点：第一，火草纤维的结晶度较棉纤维低，较少的结晶区对纤维素热稳定性无益[13]；第二，火草纤维中半纤维素含量较高，木质素含量不高，在纤维素、半纤维素、木质素三者中，半纤维素热分解温度最低，而木质素最高[14]。

图7 火草纤维绒网的TG曲线Fig.7 TG curve of fireweed fibrous network

2.5 纤维网力学性能分析

火草纤维的长度非常短，为2～6 mm，且非常细软，不易分离出单根纤维，无法满足单纤维强力仪测试要求，因此，无法测试单根纤维的强伸性能。本文以统一尺寸的火草纤维绒网试样为标准测试，得到火草纤维绒网的平均撕破强力约为30 cN，平均断裂伸长率较大，约为80%。

2.6 吸湿及吸水性分析

参考GB/T 6102.1—2006测试得到火草纤维的回潮率为11.69%，含水率为10.47%，与棉纤维的回潮率(8.5%)和含水率(10%)相比都略高。这是由于火草纤维中半纤维素、果胶物质远高于棉，而半纤维素聚合度低，亲水基团数量多，对水分子高度可及。除此之外，火草纤维自身较细，纤维之间形成的几何结构对水分子的附着提供了有利条件。

在接触角测试仪上测得火草纤维绒网与水的接触角为129.5°左右，如图8所示。说明火草纤维有较好的疏水效果。这是因为火草纤维中脂蜡质含量比棉高6倍左右，而这些脂蜡质主要存在于火草纤维表面，因而使得其疏水。

图8 火草纤维绒网与水的接触角Fig.8 Contact angle of fireweed fibrous network with water

2.7 耐酸碱性及化学溶解性分析

将火草纤维放置于不同溶剂中，在不同的条件下观察其浸润和溶解情况并与棉纤维进行对比，结果如表2所示。可知，火草纤维具有较好的化学性能，耐酸碱性好，常温下稀酸对其基本无影响。参照 GB/T 7573—2009 测得火草纤维的pH值为7.23，符合GB 18401—2003《国家纺织产品基本安全技术规范》中规定的 A类(婴幼儿用品)产品要求，表明火草纺织品对人体皮肤友好。

表2 不同溶解时间下火草纤维的耐酸碱性及浸润性Tab.2 Acid-base resistance property and wettability of fireweed fiber with different dissolution time

3 结 论

1)火草纤维具有较高含量的纤维素和半纤维素，脂蜡质含量远高于棉纤维，可能含有黄酮类物质。其绒网的厚度占整片叶厚度的8%～10%，单片叶背纤维绒网质量为0.02～0.06 g。火草纤维非常细软，为超细纤维，直径仅为1.05～5.76 μm，长约 2～6 mm。火草纤维截面与棉相似，都为不规则腰圆形带中腔结构，纵向形态为特征性的带状转曲，表面有褶纹沟槽，不光滑。

2)火草纤维结晶度为55.52%，明显小于棉纤维的结晶度，脂蜡质、木质素和含量较高的半纤维素等无定形成分导致了火草纤维结晶度的降低。火草纤维的热分解温度较棉纤维低，在240 ℃左右开始降解，主要原因是较低的结晶度和较高的半纤维素含量。

3)火草纤维的回潮率为11.69%，含水率为10.47%，比棉纤维略高，其纤维绒网强力较低而断裂伸长率较大。火草纤维具有较好的化学性能，耐酸性好，水萃取液呈中性对皮肤友好，且疏水性良好，在水及无机酸溶液中不浸润。