竹纤维的结构表征及产品开发研究yd13930

王黎明1 沈 勇1 张惠芳1 佴智渊2     1、上海工程技术大学化学化工学院，上海 201620；2、上海民光家纺企业发展有限公司，上海 200023

收稿日期：2011-03-24

项目基金：上海纺织控股(集团)有限公司技术创新计划项目资助

作者简介：王黎明(1963-),男,上海人,副教授,主要从事纺织品染整工艺与理论、纺织材料表面改性与加工技术以及新颖纺织化学品制备技术的研究与应用。

  原载：染整技术2011/8；17-21

 

【摘要】本文主要根据竹纤维的性能特点,对竹纤维的化学结构、形态结构、微结构等进行分析研究,并利用红外光谱、X-射线衍射、扫描电镜等对其结构特性进行了表征。同时,对竹纤维的物理机械性能,包括纤维的初始模量、吸湿性能以及断裂强度、断裂伸长率等也进行了探讨,并分析了竹纤维结构与性能之间的关系,为竹纤维在纺织领域的开发应用提供了理论依据。

【关键词】竹纤维;结构;表征;物理机械性能;产品开发

【中图分类号】TS190.11  文献标识码:A  文章编号:1005-9350(2011)O8-0O17-O5

 

竹纤维是一种天然环保型绿色纤维,竹纤维产品不仅给人以回归自然和绿色植物的感觉,而且它还具有其它纤维无法比拟的优点,如良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性、良好的染色性,手感柔软、色泽亮丽、丝般滑爽、抗菌、防臭、抗紫外线、易于生物降解以及不对环境造成污染等特性。竹纤维面料与皮肤的亲和力好,对皮肤没有强刺激感,因此,被业内专家誉为“二十一世纪最具有发展前景的健康面料”。

近年来, 对于竹纤维的研究主要集中在力学性能、竹纤维素的改性和提取等方面,比较全面叙述竹纤维素的结构及表征的相关文献不多[1]。因此,本文主要根据竹纤维的性能特点,对竹纤维(包括竹浆和竹原纤维)的化学结构、形态结构、微结构等进行分析研究,并利用红外光谱、X一射线衍射、扫描电镜等仪器对其结构特性进行了表征。同时,对竹纤维的物理机械性能,包括纤维的初始模量、吸湿性能以及断裂强度、断裂伸长率等也进行了探讨,并分析了竹纤维结构与性能之间的关系,为竹纤维在纺织领域的开发应用提供了一定的理论依据。

1   竹纤维的结构特性及表征

竹纤维是以竹子为原料的纤维素纤维,其成分包括纤维素、半纤维素和木质素,另有少量灰分和其它物质。根据选材及加工工艺的不同,可分为竹原纤维和竹浆纤维。

1.1  竹纤维的结构特性

1.1.1  竹纤维的微结构

竹材中纤维细胞占60%-70%,其余为薄壁细胞、石细胞、寻管和表皮细胞等[2]。观察超微切片的电镜可知竹纤维主要有两种细胞壁状态。第一种细胞壁状态是纤维细胞壁呈多层结构,由宽层与窄层(各约4-5层)交替组合而成。宽层的木质素密度较低,而窄层的木质素密度则较高。这种纤维主要位于维管束的周边部位,约占纤维总数的5O%左右,如图1所示。

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图1宽窄层交替排列竹纤维模型图

图2细胞壁很厚的竹纤维模型

(注:图中Ml: 真胞间层;P∶初生壁层;S1: 次生壁外层;S2∶次生壁中层;S3-S7∶次生壁内层)

第二种细胞壁状态是纤维细胞壁很厚,但胞腔狭小,纤维次生壁内层仅由两个宽层组成,而且中部的宽层比内部的宽层宽很多,竹纤维壁上的纹孔稀少,纹孔口较小,如图2所示"[3-4]。

1.1.2  竹纤维的形态结构

(1)竹原纤维的形态结构

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图3竹原纤维的横截面形态

图3竹原纤维的纵截面形态

竹原纤维是用物理方法将竹子碾平、扭转、梳理,不添加任何化学试剂,其直径为0.04-0.5mm,长度为10-200mm。由于竹子本身的一些物理特性,如长度、强度、粗糙度等,使其可获得良好的加工过程,而且成本低廉[5]。目前竹原纤维主要代替玻璃纤维,用于建筑材料、汽车制造、环境保护等领域,在纺织纤维领域也开始有越来越多的开发和应用。图3、图4分别为竹原纤维的纵、横截面形态[6]。从图中可以看出,竹原纤维的纵向表面有明显的竹节,有的壁层上有裂痕。横向截面呈不规则椭圆形,环状中空,因此具有优良的吸湿性和透气性。

(2)竹浆纤维的形态结构

竹浆纤维的加工方法主要有溶剂纺丝法和粘胶纺丝法,目前生产中基本均采用粘胶纺丝法。竹浆纤维细度、白度与普通粘胶纤维接近,强力较好,且稳定均匀[7-8],并克服了竹原纤维刚性大、硬挺的缺点,染色、吸收性、渗透性强,韧性、耐磨性较高,手感柔和光滑。竹浆纤维的不足之处是不耐酸碱性,图5、图6分别为竹浆纤维的纵、横截面形态[6]。从图中可以看出,竹浆纤维的纵面有明显凹槽,这些凹槽形成的孔隙能够产生较强的毛细管效应,使得竹浆纤维具有良好的吸湿放湿性能。

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图5竹浆纤维的横截面形态

图6竹浆纤维的纵截面形态

1.2  竹纤维的结构表征

1.2.1  竹纤维的大分子结构

(1)竹纤维红外光谱图分析

采用Thero Nico1et NEXUS 670 FTIR红外光谱仪,对精干竹纤维(竹原纤维)和苎麻纤维进行扫描,根据纤维红外光谱图中的特征吸收峰可判断其化学键类型[9-10]。测试结果见图7。

由图7可知：竹原纤维与苎麻纤维在谱带位置及吸收峰强度上均十分相似,表现为最强谱带1056.O9cm-1(竹纤维)、1057.29cm-l(苎麻纤维)的特征峰及其两侧1033cm-1～1161cm-l处的一系列特征谱带,说明竹原纤维与苎麻纤维相同,都属于典型的纤维素纤维。另外两种纤维在1650cm-l～1900cm-1之间均未出现来自木质素和半纤维素的醛基、酮基、羟基、醋基等的特征吸收峰，说明纤维素纯度较高。

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(a)苎麻纤维

(b)竹原纤维

图7苎麻纤维与竹原纤维的红外光谱图

 (2)核磁共振波谱分析[lO]

用瑞士生产的av300型核磁共振波谱仪（Nue1ear Magnetic Resonance Instrument)对竹原纤维、亚麻纤维、苎麻纤维进行测试分析。实验得出13C-NMR谱如图8所示。

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(a)竹原纤维

(b)苎麻纤维

(c)亚麻纤维

图8竹原纤维、苎麻纤维与亚麻纤维的核磁共振波谱图

通过表1对三种纤维的核磁共振谱化学位移值进行比较分析。碳原子是纤维素纤维的骨架,1-4甙键葡萄糖环上六个碳原子的波峰位置完全相同,故纤维素大分子主链是相同的。但三种纤维在62.8×10-6、84.2×10-6位移处均出现两个小峰,对应于醚、醛基特征峰,另外苎麻纤维与竹原纤维Cl处出现两个分叉,增加了104.4×10-6、105.9×10-6两个特征峰,对应于烯烃特征峰。但是竹原纤维与苎麻纤维无任何差别。

表1几种纤维素纤维13C核磁共振谱化学位移

纤维类别

 

C6

C2

C5

C3

C4

C1

竹原纤维

62.8

65.3

71.7

72.6

75.2

84.2

89.1

97.3

104.4

105.4

106.9

苎麻纤维

62.8

65.3

71.7

72.6

75.2

84.0

89.1

97.3

104.4

105.4

106.0

亚麻纤维

62.7

65.4

71.7

72.3

75.1

84.3

89.2

 

 

105.3

 

注:实际化学位移值为表中数据×10“

1.2.2  竹纤维的超分子结构

(1)广角X衍射测试[4]

纤维样品的X射线衍射分析在D/max-2550PC18kW转靶X射线衍射仪上进行。

结晶度利用Segal等人提出的经验结晶指数CrI,用于表示天然纤维素的结晶程度[11]。

Crl=

I002 - Iamorph

×100%

I002

式中:I002为主结晶峰002的最大衍射强度,Iamorph指2θ角为18°的衍射强度。

结晶微纤的侧向(晶粒)尺寸根据Scherrer方程[l2]计算:

L=

kλ

βcosθ

式中：L为晶粒尺寸;β为衍射峰半高宽; λ为X衍射波长,k为谢洛常数,取0.9

何建新等人[4]利用X射线衍射分析了竹纤维和其他天然纤维素纤维的结晶度情况,结果见图9。

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a一竹纤维;b一苎麻纤维;c一亚麻纤维;d一棉纤维

图9几种纤维的X射线衍射曲线

图9是典型的结晶纤维素I的X衍射曲线,2θ角分别为14.60°、16.25°、22.47°、33.85°,分别对应于101、10T、002、040晶面的衍射峰。显然竹纤维和苎麻具有更高的分辨率,002晶面的衍射峰更为尖锐。结晶度的计算结果也表明,竹纤维的结晶度与苎麻很接近,要高于亚麻和棉纤维。

竹纤维具有较高的微晶取向度,仅次于苎麻纤维,其值和苎麻、亚麻差异很小,但远大于棉纤维的微晶取向度。

(2)大分子取向结构

用双折射法和X射线衍射法可以测定竹原纤维和苎麻纤维大分子的取向结构。两种纤维的大分子取向结构测试结果见表2[10]。

表2两种纤维的双折射取向与晶区取向测试结果

纤维类别

双折射率/Δn

取向指数/fcz

竹原纤维

0.05935

0.9180

苎麻纤维

0.06216

0.9281

双折射率与X衍射结果均表明:竹原纤维的大分子取向稍低于苎麻纤维,但是竹原纤维与苎麻纤维的大分子排列与轴向的平行程度均很高。通过上述实验可知,竹原纤维是一种高结晶、高取向的天然纤维素纤维。竹原纤维与竹浆纤维的性能存在明显差异。竹原纤维的结晶度和取向度比竹浆纤维、粘胶、棉都高,略次于苎麻,说明大分子排列规整,分子间的作用力大,在干态时,断裂强度高于竹浆纤维,伸长率小于竹浆纤维。其初始模量大7断裂功小,说明竹原纤维与竹浆纤维比,刚性大,硬挺,易脆。

2   竹纤维的物理机械性能

几种常用的纤维素纤维的物理机械性能比较如表3[l3]。

表3 几种常用的纤维素纤维的物理机械性能比较

纤维

断裂强度/cN/dtex

断裂伸长率%

初始模量/cN/dtex

回潮率%

断裂比功/cN/dtex

干态

湿态

干态

湿态

干态

湿态

干态

湿态

竹原纤维

1.7-14.7

1.86-17.3

0.8-5.9

1.5-6.7

69.8-290.6

75.3-290.3

11.6

1.4-61.2

3.0-73.9

竹浆纤维

1.4-2.5

1.2-1.5

16-23.8

25左右

⒛,7-52.4

4.4-m.6

12

0.3-0.4

0.1-0.2

粘胶纤维

1.8-2.6

1.1-1.6

16-22

21-29

35.3-52.9

5.2-31.4

13

0.2-0.4

0.1-0.2

棉纤维

1.8-3.1

2.2-4.0

7-12

12-14

6O-82

11.1

 

 

苎麻纤维

6.6-6.8

8.3-8.5

15-3.9

2.0-2.4

158.3-223.1

14

 

 

2.l 初始模量

初始模量可用于表示纤维的刚柔性,纤维的初始模量值取决于聚合物化学组成以及大分子之间的相互作用力的强度。大分子链的柔曲性愈大,则纤维愈易变形;纤维的结晶度及取向度愈大,分子之间相互作用力的强度愈大,同一种聚合物制取纤维的初始模量值愈大。竹原纤维的结晶度为70%左右,竹浆纤维结晶度为31.跚,而普通粘胶纤维结晶度为30%。竹原纤维初始模量高于竹浆纤维。其织物的抗起球和抗皱性优于竹浆纤维织物。

2.2  断裂强度和断裂伸长率

从表3可以看出,干态条件下,竹浆纤维与粘胶纤维的单纤断裂强度、断裂伸长率、断裂比功均相近,其初始模量相对较低。次于竹原纤维和苎麻纤维。在湿态条件下,断裂强度、初始模量显著下降。而断裂伸长率无明显变化。其断裂伸长率和粘胶纤维、Tence1、Loyce11接近,大于Moda1、棉、麻和竹原纤维。竹浆纤维较大的伸长率使其织物的免烫性能变差,并影响其制品的保形性和服用性。

2.3  竹纤维的吸湿放湿性能[6]

通过对竹纤维的截面分析可知,竹原纤维横截面呈天然高度中空,并呈梅花形排列,竹浆纤维纵向表面有多条较浅的沟槽,这些细微沟槽和截面孔隙能够产生毛细管效应,所以竹纤维具有优良的吸湿放湿性能。通过对竹纤维的吸湿放湿性能进行测试,测得竹纤维在标准状态下的回潮率可达12%,与普通粘胶纤维的回潮率接近。但是,在36℃,100%的相对湿度条件下,竹纤维的回潮率可高达45%,且吸湿速率特别快,从8.75%的回潮率达到45%的回潮率仅用6个小时左右[16-17]。相同的条件下,其他纤维的回潮率及其吸湿的速率都不如竹纤维。这说明竹纤维比其他纤维具有更优的吸湿快干性能,更适合制作夏季服装、运动服和贴身衣物。

3  竹纤维的产品开发

目前市场上己开发的竹纤维纺织品大体上可分为纯纺产品、交织产品和混纺产品,产品的应用领域十分广泛。

3.1  纯竹纤维产品[10]

竹纤维的各种纯纺纱线,纱线的线密度从16.7-83.3tex。竹浆纤维手感柔软、吸湿透气性好、杀菌抗菌能力强、染色色彩鲜明亮丽,适用于内衣、贴身T恤衫、袜子、床上用品等产品开发。也可以利用非织造加工技术,生产各种卫生材料,如脚垫、毛巾、卫生巾、口罩、手术衣、护士服和食品包装袋等。

3.2  竹纤维与真丝混纺

将竹纤维和真丝混纺,制成纱线后,应用现代针织工艺技术可以生产高档针织面料,不仅可以弥补纯真丝面料不挺括、不能机洗的缺憾,同时吸湿、导湿性能和透气性均得到加强。如30%-40%竹纤维与60%-70%真丝混纺而成的丝竹面料,既有真丝面料的外观效应和手感,又有竹纤维吸湿性强、挺括、可机洗的特点。

3.3  棉、竹纤维混纺

竹纤维与棉纤维混纺能提高纯棉纤维的吸湿透气性,再加上竹纤维本身具有的杀菌抗菌作用,使得该类混纺产品穿着凉爽、舒适且卫生,符合当今服装消费崇尚绿色、环保的潮流。棉竹混纺的纱线可以开发超薄针织织物,其织物纹路清晰,手感柔软又有身骨,适合做夏季服装。

3.4  Lyocell竹纤维产品开发[18]

上海里奥纤维企业发展有限公司利用拥有自主知识产权的溶剂纺丝工艺,成功开发了以竹浆为原料的Lyoce11竹浆纤维,并实现了产业化生产。目前生产出的Lyoce11竹浆纤维在服用性能上大大优于普通的粘胶型竹浆纤维,其单纤维强力已接近涤纶,其湿态模量是普通粘胶竹浆纤维无法比拟的。

Lyoce11竹浆纤维与普通的Lyoce11纤维一样,加工过程对环境不产生污染,其纤维为纤维素结构,可溶解。这种纤维具有棉的舒适性、聚酯纤维的强度、粘胶纤维的悬垂性和蚕丝的柔感,具有较好的服用性能和市场前景。

4  结束语

本文通过对竹材的解剖特性、竹材中纤维微观结构以及竹纤维的化学成分、结构形态等进行了分析,总结得出竹纤维主要具有以下性能特点:优良的物理机械性能、吸湿放湿性能、抗菌保健除臭性能、抗紫外线性能、环保性能等。

竹纤维的诞生,是我国再生纤维素纤维制造上的又一突破。由于竹纤维性能优越,使得该纤维在纺织工业具有广阔的发展空间,因此为了适应世界纺织领域的发展潮流,提高我国纺织品在世界市场上的竞争力,加快对竹纤维的开发和研究势在必行。

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