楊樹絮纖維的形貌分析及保暖材料的制備與表征

劉 娟，徐正林，曾貝妮，陳 悟

（武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200）

楊樹絮纖維的形貌分析及保暖材料的制備與表征

劉 娟，徐正林，曾貝妮，陳 悟*

（武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200）

在分析楊樹絮纖維微觀形貌和紡紗特性基礎(chǔ)上，將楊樹絮纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合制備非織造布保暖材料。系統(tǒng)測(cè)試該織物克重、厚度和斷裂強(qiáng)力，表征該織物的克羅值、保溫率和導(dǎo)熱系數(shù)等保暖參數(shù)，結(jié)果表明隨著楊樹絨毛纖維的加入，該復(fù)合織物的厚度有所增加，保暖性能顯著提高，但是機(jī)械性能有所下降。

楊樹絮；復(fù)合非織造布；保暖材料

楊樹是速生林、防護(hù)林和道路綠化的主要樹種，廣泛分布在亞洲、歐洲（東非林場(chǎng)）及北美洲。楊樹絨毛纖維為楊樹雌株的種子絨毛，是楊樹的天然副產(chǎn)品，也是一種無污染、可再生并且來源豐富的天然資源[1]。21世紀(jì)初，德、美、英、中國(guó)等國(guó)研究人員就以美洲黑楊為研究對(duì)象，采集楊絮，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了研究，并取得了一定的成效。后有陸續(xù)研究發(fā)現(xiàn)楊樹絨毛纖維結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能良好，而且具有阻熱保溫能力，且擁有較羊毛和羽絨更好的蓬松性能，可作為填充物而被用于被子、床墊、保暖服和睡袋等產(chǎn)品[2-5]。另外，由于楊絮纖維來自天然可再生資源，丟棄后可生物降解，但是楊樹在城市中因?yàn)榫G化等一些原因大量種植，在4～6月份飄絮季節(jié)容易導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降等一系列的污染，如果能搜集起來并利用其良好的保暖性能，不僅可以解決環(huán)境問題，還能得到一種高性能保暖材料。由此可以看出楊樹絮纖維作為一種環(huán)境友好的保暖紡織材料的巨大潛力。但楊樹絨毛纖維作為保暖材料使用時(shí)，還有許多方面面臨著難題，一方面對(duì)楊樹絮纖維自身特點(diǎn)研究不夠，另一方面，加工產(chǎn)品時(shí)如纖維收集、纖維除雜、保暖絮片成形、填充方法等也存在一定問題。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 楊樹絨毛纖維原料

試驗(yàn)用楊樹絨毛纖維為白楊楊樹絨毛，采集地點(diǎn)為湖北省武漢紡織大學(xué)南湖校區(qū)，采集方法為從楊樹上摘下成熟楊樹果，在太陽下暴曬1-3天左右時(shí)間，除去果殼后收集相關(guān)絨朵而成。圖1為楊樹果形狀和開蕊出絮過程圖；圖2是本研究所用楊樹絮。

圖1　楊樹果形狀和開蕊出絮過程圖

圖2　本研究所采集楊樹絮

圖3　紡粘法生產(chǎn)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器

表1　實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器

1.3 楊樹絨毛纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布的制備

聚丙烯長(zhǎng)絲由熔融紡絲法制得，高分子聚合物聚丙烯顆粒加熱熔融，熔體經(jīng)螺桿擠出機(jī)從紡絲孔擠出進(jìn)入空氣中，以一定速度拉伸變細(xì)變長(zhǎng)，細(xì)化凝固形成纖維后成網(wǎng)，如圖3所示[6]。本實(shí)驗(yàn)采用HD F-6C型試驗(yàn)用紡粘無紡布機(jī)制備復(fù)合非織造布。楊樹絨毛纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布的制備是在冷卻風(fēng)的位置勻速放入楊樹絮纖維（見圖4），經(jīng)多次除雜、手扯，處于蓬松均勻狀態(tài)的楊樹絨毛纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲在冷卻風(fēng)的作用下一起落到成網(wǎng)簾上形成復(fù)合物，向前運(yùn)動(dòng)的成網(wǎng)簾將二者的復(fù)合物送到下一加固工序，經(jīng)上下兩個(gè)軋輥的擠壓固定成網(wǎng)，形成楊樹絨毛纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布。這一過程中的紡粘設(shè)備的溫控設(shè)備設(shè)定溫度詳見表2。

表2　紡粘實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

1.4 楊樹絨毛纖維的長(zhǎng)度及細(xì)度測(cè)試

將楊樹絨毛纖維在黑色絨布板上分離后用鑷子夾取單根楊樹絨毛纖維并且盡量使纖維處于自然伸直狀態(tài)，然后用毫米刻度尺測(cè)量其長(zhǎng)度；測(cè)試楊樹絨毛纖維直徑時(shí)用鑷子夾取一根楊樹絨毛纖維置于載玻片上（盡量使纖維處于自然伸直狀態(tài)），然后用蓋玻片蓋住,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行細(xì)度測(cè)試。以上測(cè)試均在溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行。

1.5 楊樹絨毛纖維的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)觀測(cè)

將經(jīng)分離得到的單根楊樹絨毛纖維經(jīng)過使用導(dǎo)電膠制樣、噴金等處理后在臺(tái)式掃描電鏡下觀察其微觀形態(tài)。

1.6 楊絮纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布的物理性能測(cè)試

在測(cè)試前，復(fù)合非織造布和單一聚丙烯紡粘布均在溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下放置24h。

（1）厚度測(cè)試：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3820-1999，使用織物厚度儀對(duì)兩種布料試樣的10個(gè)不同部位分別進(jìn)行測(cè)試。

（2）克重測(cè)試：織物克重是每平方米織物的重量，單位是“克/平方米”（g/m2），縮寫為FAW，本實(shí)驗(yàn)用CP313電子天平進(jìn)行兩種織物克重稱量。

（3）斷裂強(qiáng)力測(cè)試：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3923.1-1997，采用剪切法條樣測(cè)試兩種織物的斷裂強(qiáng)力。

1.7 楊絮纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布的熱學(xué)性能測(cè)試

將復(fù)合非織造布和單一聚丙烯紡粘布在溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下放置24h，然后使用平板式保溫儀進(jìn)行保暖性能測(cè)試。

2　結(jié)果與分析

2.1 楊樹絨毛纖維的物理特征及微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析

圖4　楊樹絨毛纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖5　木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖[7]

表3　楊樹絨毛纖維與棉纖維、苧麻纖維縱橫向形態(tài)特征

從圖1中可以看出，楊樹果殼似棉花果狀，經(jīng)測(cè)量其直徑僅為2-4mm，大小約為普通棉花果的1/12；絨毛纖維較短、蓬松、柔軟而富有光澤，楊樹絨毛纖維的長(zhǎng)度大約為4.67mm，細(xì)度約為19um。參考相關(guān)資料得知普通細(xì)絨棉的長(zhǎng)度為25～35mm，細(xì)度為20um左右，而苧麻纖維的長(zhǎng)度約為55～65mm[5]，由此可以看出在長(zhǎng)度方面，楊樹纖維和這兩種常用天然纖維存在較大的差別，較短的長(zhǎng)度使得它不適應(yīng)于單獨(dú)紡紗。表3列出了楊樹絨毛纖維、棉纖維與苧麻纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較。

從圖4中可看出，楊樹纖維表面存在比較小的凹槽，橫截面為圓形或橢圓形，中空，壁薄，纖維壁的厚度約為1um，直徑與纖維壁的比大約為19，由此可以說明楊樹纖維擁有較高的中空度，這也使得楊樹絨毛纖維具有質(zhì)輕，比重小的特點(diǎn)。與木棉纖維極其相似（如圖5所示）。較大的中空度和較細(xì)的細(xì)度使得楊樹纖維具有較好的芯吸效果，從而其制品擁有吸濕平衡時(shí)間短、導(dǎo)濕快的特點(diǎn)，非常適用于保暖材料的制備。

由表3可看出，棉纖維橫截面呈腰圓形，有中腔但所占比例較小，而楊樹絨毛纖維具有較大的中腔，但不具有棉纖維的天然轉(zhuǎn)曲，故纖維間的抱合力差，難以單獨(dú)紡紗。苧麻纖維橫向也呈腰圓形，有中腔，胞壁有裂紋，縱向有橫節(jié)和縱向溝紋，與楊絮表面的細(xì)微凹槽相似，所以楊樹絨毛纖維在縱向上與苧麻纖維有一定的相似程度。與棉纖維差別較大。

2.2 楊絮纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布的物理性能分析比較

2.2.1 質(zhì)量測(cè)試

表4　楊絮纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲復(fù)合非織造布平方米克重(g/m2)

由表4可知，加入楊樹絮纖維后紡粘非織造布的平方米克重增加，同時(shí)平方米克重的方差也有所增加。由數(shù)據(jù)可以看出單一聚丙烯紡粘非織造布的不勻性較大，但是復(fù)合織物的方差幾乎是聚丙烯紡粘布的兩倍。這意味著隨著楊樹絨毛纖維的加入，非織造布的不勻率也有所增加。這也表明了加入到紡粘布里面的楊絮分布不夠均勻，均勻復(fù)合技術(shù)有待改進(jìn)。

2.2.2 厚度測(cè)試

從圖6中可以看出試樣的單一聚丙烯紡粘布和復(fù)合非織造布的厚度分布都不太均勻，但是后者的波動(dòng)更大，主要原因是紡粘實(shí)驗(yàn)過程中聚丙烯長(zhǎng)絲和楊絮一起落到成網(wǎng)簾上時(shí)，在側(cè)吹風(fēng)的作用下楊絮飄落的方向不好控制，而且就目前的條件無法做到均勻投放，故導(dǎo)致了復(fù)合非織造布較差的均勻度。

2.2.3 斷裂強(qiáng)力測(cè)試

從圖7可以看出，與單一聚丙烯紡粘非織造布相比較，復(fù)合非織造布的斷裂強(qiáng)力值波動(dòng)很大，有的比單一聚丙烯非織造布低，有的則高出許多。就總體而言，復(fù)合非織造布的斷裂強(qiáng)力不及單一聚丙烯非織造布，這也表明隨著楊樹絨毛纖維的添加，復(fù)合非織造布的機(jī)械性能有所下降。

圖6　PP紡粘布和復(fù)合織物的厚度對(duì)比圖

圖7　PP紡粘布和復(fù)合織物的斷裂強(qiáng)力對(duì)比圖

2.3 保暖性能測(cè)試

表5　兩組織物保暖性能測(cè)試結(jié)果

由表5可以看出添加了楊樹絨毛纖維的非織造布的克羅值和保溫率約為未添加纖維織物的兩倍，而傳熱系數(shù)也比未添加纖維的聚丙烯紡粘非織造布低得多。從中可以看出楊樹絨毛纖維的添加提高了聚丙烯紡粘非織造布的保暖性能。

3　結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)楊樹絨毛纖維的研究還處于初步階段，楊樹絨毛纖維的加工方法還在處于探索過程。本文研究的主要內(nèi)容是將楊樹絮纖維作為絮填材料，利用紡粘法制造出含有楊樹絮纖維的聚丙烯紡粘非織造材料，并測(cè)試這種材料的物理性能，探索這種加工方法是否能夠得到具有保暖效果的非織造布。測(cè)試表明復(fù)合非織造材料的厚度及平方米克重有所增加，但因楊樹絮纖維本身質(zhì)輕、長(zhǎng)度短，且表面相對(duì)光滑，纖維間的包合力有限，故復(fù)合織物拉伸斷裂強(qiáng)力波動(dòng)較大，總體呈下降趨勢(shì)。復(fù)合織物的保暖性能顯著提高，由此可以得出楊樹絮纖維具有較好的保暖性能。

由于實(shí)驗(yàn)原材料的不足、手工除雜不夠精細(xì)，楊樹絨毛纖維并非均勻地加入到非織造材料中，故本次實(shí)驗(yàn)所制得的樣品均勻性不是很好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，后期仍需探索將楊絮纖維定量地、均勻地加入到紡粘非織造布中的方法。

在楊樹樹絨毛纖維中含有大量細(xì)小雜質(zhì)，不易除盡，用作填料時(shí)如果潔凈度不高容易引起過敏、皮膚病等，這可能是楊樹絮纖維未能被大范圍的研究或生產(chǎn)的原因之一。所以楊樹絨毛纖維作為絮用保暖材料使用時(shí)，纖維除雜、絮片成形、填充方法等方面還有許多待解決的問題。

[1] 陰建華，呂悅慈，張軍英，等．楊樹絨毛纖維的性能及其采集應(yīng)用[J]．棉紡織技術(shù)，2011，(9)：65-68．

[2] 陰建華，張玉斌，馬軍．楊樹絨毛纖維絮用成形方法研究[J]．棉紡織技術(shù)，2014，(2)：75-78．

[3] 程士潤(rùn)，成清，黃曉茹，等．楊樹絨毛纖維的定性分析方法研究[J]．中國(guó)纖檢，2014，(11)：118-119．

[4] 尹傳青，張洪亭．楊絮纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J]．山東紡織經(jīng)濟(jì)，2013，(9)：37-89．

[5] Hsioulien Chen，Brigitte Cluver．Assessment of Poplar Seed Hair Fibers as a Potential Bulk Textile Thermal Insulation Material[J]．Clothing and Textiles Research Journal，2010，(28)：255．

[6] 柯勤飛，靳向煜．非織造學(xué)[M]．上海：東華大學(xué)出版社，2010．09．

[7] Rijavec，T．Kapok v tehni?nih tekstilijah (Slovenian) [J]．Tekstilec，2008，(51)：319-331．

[8] 于偉東．紡織材料學(xué)[M]．北京：中國(guó)紡織出版社，2006．186-396．

Morphology Analysis of the Poplar Seed Hair Fibers and Characterization and Preparation as a Thermal Insulation Material

LIU Juan, XU Zheng-lin, ZENG Bei-ni, CHEN Wu
(Schools of Textile and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China )

In this study, poplar seed hair fiber has been compounded with polypropylene(PP) to make compound fabric on the base of analyzing morphology and spinnability systematically of poplar seed hair fiber. The weight, thickness, break stretch have been tested. Performance index of insulating ability including the value of CLO, warmth retention ratio and thermal conductivity coefficient have been also tested in this study. It is revealed that with the adding of poplar seed hair fiber, the thickness of the compound non-woven fabric gets increased and the improved warmth retention property grows notable correspondingly, but the mechanical properties decreased.

poplar seed hair fiber; composite non-woven fabric; thermal insulation material

TS102.2+1

A

2095－414X(2016)03－0003－05

陳悟（1968-），男，教授，博士，研究方向：先進(jìn)紡織加工理論與清潔生產(chǎn)技術(shù).