棉纖維的研究現狀及發展趨勢

李鐸，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

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棉纖維的研究現狀及發展趨勢

李鐸，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

摘要：論述了棉纖維的結構、性能，從物理、化學、生物工程等方面對當前棉纖維改性技術進行了分析，并對棉纖維的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：棉纖維物理技術改性化學技術改性生物技術改性研究現狀

0前言

棉纖維作為紡織、服裝領域中用途最為廣泛的天然纖維之一，具有穿著舒適性、柔軟保暖、易染色、良好的透氣性，并具備天然纖維的安全衛生及可生物降解性等諸多優點，一直受到廣大消費者的青睞[1，2]。雖然20世紀以來化學纖維取得飛速發展，尤其以聚酯纖維為主的合成纖維在紡織纖維應用領域中占有重要位置，據國家統計局數據顯示，2015年棉產量為560.5萬噸，同時進口棉花配額為89.4萬噸，棉纖維在紡織行業依然占有重大份額[3，4]。由于石油資源的不可再生性，人們環保意識的提高以及對生活質量要求的標準的提高，棉纖維作為最適合的紡織品用天然纖維之一，依舊會展現出較強的市場競爭力，并在紡織、服裝領域展現其特有的魅力。

1棉纖維的結構與性能

棉纖維主要是由纖維素組成，約占總質量的94%，主要還有碳、氫、氧三種元素，此外還有約5%的伴生物，通常棉纖維表面都含有棉蠟，棉蠟與棉花含糖量對棉纖維的后加工均有著重要影響[5]。棉纖維在縱向結構呈天然轉曲，橫截面呈帶狀腰圓形并由多層同心層組成，可以增強棉纖維在后加工中抱合力。在纖維素分子結構式(見圖1)，可以看出纖維素中含有大量羥基，具有較強的親水性，化學反應活性較好，使其具有化學改性潛質。

圖1　纖維素分子結構式

棉纖維具有較好的力學性能，細絨棉和長絨棉強力范圍一般在3.5CN～6.0CN，具有可紡性，斷裂伸長率一般為3%～7%，彈性相對較差。由于纖維素分子上含有許多游離性親水性基團，棉纖維公定回潮率為8.5%，因此棉纖維具有良好的吸濕性與易染色性能[6，7]。由于纖維素分子的化學活性，棉纖維在大氣環境中易被氧化，分子間作用力發生變化，棉纖維性能被破壞，高溫環境中纖維素分子易發生裂解。此外，棉纖維具有優良耐堿性能，但強酸強堿對纖維素分子結構的破壞容易造成棉纖維力學性能變差。

2棉纖維改性技術

棉纖維具有諸多優點，但是也存在一定的局限性，比如純棉織物易起皺、免燙性差、服裝易縮水、易發霉、染色牢度低等，進一步開發棉纖維的可利用價值及其功能化研究，是提高產品附加值的關鍵[8]。棉纖維改性研究是在保持纖維基本優良性能的前提下來賦予纖維所需功能，來實現纖維的功能化，并使棉纖維的潛在功能得以充分利用，進而拓寬棉纖維應用領域。在棉纖維改性方面，歐美、日本等發達國家作了大量的研究工作，我國對棉纖維的改性研究也在不斷的摸索中取得了新的進展。而目前針對棉纖維的改性技術，從手段上來講是以物理技術、化學技術為主，此外還包括生物技術改性、納米技術改性等；從結構上來講，有表面改性、內部結構變化、組成變化等。常見的物理改性技術有低溫等離子體技術、輻射技術、復合技術、多孔技術等，化學改性技術有接枝、交聯、共聚、化學鍍以及各種化學試劑處理等，生物技術改性主要涉及基因改性技術、生物酶改性技術等[9-11]。

2.1物理技術改性

物理技術改性主要是采用物理方法來使纖維達到所需性能。

2.1.1低溫等離子體技術改性

等離子體技術作為一種物理改性方法，通過等離子氣體的高能活化粒子對纖維表面基團進行轟擊，改變纖維表層分子結構以及化學活性，進而改變纖維性能。而這種物理改性一般只發生在纖維表面微米級并不破壞纖維本身的優良性能[12,13]。等離子體工作氣體常采用空氣、氧氣、惰性氣體等。許多研究表明，經空氣或氧氣等離子處理后的棉織物吸水性增強、染色性增強。也有研究人員采用Ar等離子體對棉紗進行處理，結果發現改性處理后的棉紗采用淀粉上漿滲透效果更好，有取代PVA上漿的可能[14]。而且采用等離子處理對棉纖維表面的蠟質等雜質能進行有效的去除，此外將等離子體技術與其他方法相結合對棉纖維進行改性，可以使棉織物具有抗皺、抗菌、拒水、阻燃等功能性。等離子對棉纖維的改性，主要是通過粒子的轟擊增強纖維表面活性，以及在纖維表面發生氧化反應而引入新的基團，進而來改變棉纖維表面性能。

2.1.2復合技術改性

復合技術改性主要是將棉纖維與其他纖維進行混紡或者復合紡紗。將棉纖維與聚酯纖維按比例進行混紡后所得紗線，既能保持聚酯纖維優異的力學性能，也改善了聚酯纖維吸濕性差的特點[15]。而將棉纖維與長絲進行復合紡紗，諸如包芯紗、包纏紗、包覆紗等，從外觀形態與性能上都發生了變化，氨綸/棉包芯紗賦予紗線較高彈性但又具備棉纖維的優良性能，在牛仔布行業中有著廣泛的應用，而將金屬纖維棉紗復合紡或者交織，則增加了織物金屬纖維的光澤感。而越來越多的新型合成纖維的開發，包括從聚合物種類、差別化纖維的形式，賦予纖維功能化。隨著科技的發展，各種新型纖維材料的問世，將棉與莫代爾、天絲、聚乳酸纖維等相結合，拓展棉纖維的應用，也使得棉產品更加豐富多樣化。

2.1.3其他

此外，還有輻射改性、機械處理等。輻射改性主要是利用γ-射線、紫外線、電暈、超聲波或微波等對棉纖維進行輻照處理引入新的極性基團來改善其表面化學活性[16-18]。而機械處理主要是在機械作用下使棉纖維結構形態和微觀結構，通過棉纖維結晶度、聚合度、可及度的變化來拓展其用途。

2.2化學技術改性

采用化學手段來改變纖維分子化學結構來實現改性目的。

2.2.1接枝改性

接枝改性主要是采用一定的手段在棉纖維大分子鏈上接上支鏈，并使支鏈的特性得以體現。棉纖維主要是由纖維素構成，表現出纖維素的性質，在其表面接枝上蛋白質分子鏈、多糖分子鏈等使其具有這些特性，是國內外眾多學者關注重點。甲殼素、葡萄糖、海藻酸等都具有抗菌止血的效果，如果將其分子鏈接枝在棉纖維上，那么棉織物就具有這些功能性[19]。Shin等[20]將甲殼胺接枝到棉纖維上，在一定程度上有效抑制了金黃色葡萄球菌的增長，而且負載甲殼胺的棉纖維可以抑制血液擴散，具有凝血功效。而將蛋白質分子鏈接枝到棉纖維上，則負載蛋白質的棉纖維則會具有羊毛或蠶絲或大豆纖維的功效，提高了棉纖維的附加值。也有學者通過交聯劑將環糊精接枝在棉纖維上，增加棉纖維的活性，進一步負載其他功能性物質，加強功效[21]。此外，將多肽類、脂類等分子鏈接枝到棉纖維，使得棉纖維在醫療衛生、美容化妝等領域都有著很高的應用價值。

2.2.2化學鍍改性

化學鍍主要是利用氧化還原反應原理，將金屬離子液中的金屬離子還原成金屬沉積在纖維、紗線或者織物表面，使纖維或者織物具有金屬性質，而這種方法應用在抗菌布、導電布等方面有著明顯的效果。東華大學吳建文[22]等通過首先在棉織物表層形成殼聚糖-鈀膜，再在化學鍍鎳溶液中形成納米級鈀金屬催化層，研究表明改性后的棉織物電磁屏蔽效果明顯。楊召等[23]在棉織物表面進行化學鍍銅，發現鍍銅后棉織物對大腸桿菌有著明顯的抑制效果。此外，無論是直接進行化學鍍還是間接以棉織物為基布進行鍍層，包括鍍銀、鍍鎳等，對棉織物在抗菌、導電、屏蔽電磁等方面都有著明顯的改善效果，大大拓展了棉織物的用途。

2.2.3化學試劑改性

化學試劑改性主要是將棉纖維或者棉織物，采用具有某些功能的化學試劑進行處理，或者是作為預處理環節來實現棉織物的功能化。柴麗琴等[24]采用反應型改性劑和非反應型改性劑對棉纖維進行陽離子化改性，改性后在物理機械性能沒有明顯變化的前提下，天然染料對棉織物的染色性能得到明顯改善。柳內雄一[25]采用在氮氣環境中用氨水對棉織物進行處理，棉織物的防皺防縮性能增強、強度增大、手感更加柔軟，主要是由于液氨處理后棉纖維內部結構發生了變化，結晶度降低，結晶結構松弛，液氨處理裝置見圖2。安倍俊三[26]也采用氨水、氫氧化鈉等試劑對棉織物進行處理，研究棉纖維結晶、取向度的變化，來驗證對棉織物光澤、防縮、手感、力學性能的影響。此外，還可以采用無機鹽溶液、稀土預處理等對棉纖維或棉織物進行處理，通過滲透、吸附等作用使棉織物在抗靜電、去塵、改善染色牢度等方面有著顯著效果。

圖2　液氨處理裝置

2.2.4其他

此外還有將棉纖維進行分解，將棉纖維中纖維素溶解，溶劑分子進入纖維素晶區內部，對纖維素結晶結構進行破壞，纖維素分子與溶劑分子形成均相溶液，再輔以相關試劑可以制成纖維素纖維。也可以將棉纖維中纖維素上的羥基進行氧化、酯化，改變棉纖維的物化性能，并接枝上所需分子支鏈使棉纖維具有所需性能。

2.3生物技術改性

2.3.1基因改性

基因改性主要是利用基因技術將一些能夠控制特殊性能的基因導入棉花體內，使棉纖維擁有這些性能。天然彩色棉就是利用基因改性將控制顏色的基因片段導入棉花體內，生產出來的棉纖維就具有天然色澤，這樣可以避免染色，也可以省卻染色、印染等工序，既節約了成本也避免了污水排放對環境的破壞。天然彩棉因其環保衛生，常被用于內衣、嬰幼兒服裝等領域，但天然彩棉也存在色澤不均、顏色單一等缺點，但基因工程作為一項新的技術領域，將其進一步深入研究并應用于棉纖維改性中來實現棉纖維的多功能化，也是值得期待的[27]。

2.3.2生物酶改性

生物酶具有專一、高效、反應條件溫和、安全等優點，從棉纖維到成品之間涉及多道工序，包括紡紗、上漿、織布、退漿、精練、漂染、印花等，這其中因印染帶來的工業廢水排放對環境造成巨大壓力，節能減排采用對環境友好方法來進行生產是勢在必行的。將淀粉酶應用于棉織物退漿中不但能使棉織物退漿更徹底，而且更加高效。纖維素酶可以去除棉織物表面絨毛、改善起球性能等，也可以使棉織物更加柔軟，在牛仔布行業應用比較廣泛[28]。此外，果膠酶的利用可以有效的去除棉纖維中所含果膠成分，提高纖維所占百分比，進一步提高棉制品的吸濕性能，也可以使精練效果更佳。生物水解酶的使用也可以改善棉織物的防皺性能、柔軟、生物拋光等[29]。隨著綠色環保觀念的深入，紡織綠色加工也將會成為時代的主題，生物酶改性技術在棉織物改性應用中也將發揮著重要作用。

2.4其他

此外，還有納米改性技術、電鍍改性技術等在棉纖維改性中也得到廣泛應用。納米改性技術主要是由納米材料特殊結構特征對棉纖維或棉織物進行表面處理，使棉織物獲得納米材料的特殊性能，通過浸軋、層壓等后整理手段，對棉織物進行功能整理來開發功能棉織物[30]。電鍍主要是將電鍍液中的金屬離子沉積在織物表面，包括電鍍鎳、銀、鉻等，使織物具有抗菌、屏蔽電磁波等功能[31]。

3棉纖維的研究發展趨勢

棉纖維作為一種天然纖維素類大宗纖維，綜合性能優異。在科技飛速發展的今天，能源、環保等都是當代熱門話題，通過物理或化學手段來賦予棉纖維特殊功能，從分子結構、形態結構等微觀方面對棉纖維進行改性，對發展環境友好材料、醫療衛生材料都有著重要意義。棉纖維作為可再生資源，符合能源可持續發展的要求，而在今后對于廢舊棉織物的回收利用，改性成本低但效果好，這些方面都是今后纖維改性所需研究的重點內容。而且隨著機電一體化、微電子技術、計算機技術等快速發展，將其應用于棉纖維的改性研究，可以從信息處理、快速控制等方面來解決所面臨難題，也為棉纖維的改性研究提供了新的思路。

棉纖維無論是從性能，還是從安全衛生、能源等方面來講都是一種優良的紡織原材料，進一步開發和拓展其應用領域，無論是從棉纖維研究、生產還是產品開發方面都是值得重點關注的對象。在研究與應用的過程中充分挖掘棉纖維潛在的功能，使其在功能多樣化、產品多樣化等方面發揮出自己的優勢，而隨著科技的進一步發展以及人們對生活質量要求的提高，也會給棉纖維的改性帶來新的思路與突破，棉纖維功能多樣化也會在不斷的探索與應用中逐步向前發展。

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中圖分類號：TS102

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0174-04

通訊作者：楊建忠(1964-)，男，博士，教授，碩士生導師。

收稿日期：2016-02-02

第一作者：李鐸(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：紡織材料改性及功能性紡織材料研究開發。