木棉纖維性能及其應用進展*

江西服裝學院服裝工程學院， 江西 南昌 330201

木棉纖維被譽為“植物軟黃金”[1]和“長在樹上的羊絨”[2]，具有天然環保、中空質輕、保暖性佳、吸濕導濕、天然抗菌等特點，因此被廣泛應用于紡織服裝領域[3]。近年來，隨著對木棉纖維性能的不斷研究，以及新技術、新工藝的不斷出現，木棉纖維在紡織服裝領域的應用有了極大的進展。木棉類紗線及面料的品種和功能在日益增加，木棉類絮料和填充料的保暖性和蓬松性提升也很明顯。除此之外，木棉纖維因具有極佳的吸附性和生物可降解性等優勢，在油污處理和吸附過濾方面備受青睞[4]。再加上木棉纖維具有可再生性。這些都使得木棉纖維在當前追求綠色、環保、生態、自然的大環境下成為一種極具發展前景的新型生態紡織材料。

本文從木棉纖維的形態入手，結合木棉纖維的性能，總結木棉纖維在紡織上的應用進展，以期為木棉纖維相應產品的開發和應用提供理論參考。

1 木棉纖維的形態

木棉纖維是一種纖維素纖維，多來源于攀枝花樹、英雄樹和烽火樹等木本植物的果實，屬單細胞果實纖維。木棉纖維因與蒴果殼體內壁的附著力小，故極易分離得到。常見的木棉纖維顏色有黃色、白色及黃棕色三種。

木棉纖維的形態如圖1所示：纖維的橫截面為橢圓形，具有中空結構(中空率高達80%～90%)，細胞壁較薄(壁厚為0.5～2.0 μm)，為亞納米級材料，纖維壁斷面有微孔呈現；纖維縱向平直光滑，無轉曲，光澤好；纖維根部呈封閉狀態，細胞內充滿空氣，纖維外壁有類似蠟質的物質存在。

(a) 纖維橫截面 (b) 纖維縱向 (c) 纖維根部

2 木棉纖維的化學成分

木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維的化學成分含量見表1所示[5]。

由表1可知，木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維在化學成分上存在明顯的差異。木棉纖維中纖維素含量不超過50.0%，而棉纖維中纖維素含量則高達93.9%。木棉纖維的化學成分更接近苧麻纖維，這就決定了木棉纖維在紡紗時更應參考苧麻纖維類產品的加工和處理工藝。

表1 木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維的化學成分含量(質量分數) (%)

3 木棉纖維的性能

3.1 基本性能

大量研究表明：木棉纖維的應用與其結構和基本性能密切相關。木棉纖維的基本性能見表2[6]。

表2 木棉纖維的基本性能

3.2 可紡性

由表2可知，木棉纖維長度短(為8～34 mm)，線密度低(僅為0.9～3.2 dtex)，扭轉剛度達7.15×10-3cN·cm2/tex，加之表面光滑，故木棉纖維的可紡性差，紡制的紗線毛羽較多、強度較低，這極大地限制了木棉纖維在紡紗中的使用，尤其是木棉纖維純紡紗線的紡制。常見的改變或提高木棉纖維可紡性的主要方法：(1)與其他纖維或新型纖維混紡。如王靜[7]將木棉纖維與咖啡碳纖維混紡，成功紡出14.5 tex的抗菌保暖針織用紗。(2)發展新型紡紗技術與紡紗工藝。如邵衛兵等[8]利用緊密紡紡紗技術紡制出18.2 tex 的精梳棉/木棉/三維卷曲彈性聚酯短纖混紡紗。周思捷等[9]利用嵌入式復合紡紗技術紡制出亞麻/木棉/棉/黏膠(21/33/23/23)多組分混紡紗線。(3)對木棉纖維進行表面修飾，使木棉纖維表面形成毛刺，增強纖維間抱合力，從而提高木棉纖維的可紡性。常見的表面修飾方法有等離子體法[10]、超聲波處理法[11]、堿處理法[12]等。

3.3 吸附性

由于木棉纖維含有中空內腔和蠟質表面，再加上木棉纖維含有較高的木質素，木質素中的甲醛基團(質量分數約為13.0%)使得木棉纖維對非極性液體有較高的吸附能力，故木棉纖維可用作深層過濾，以實現油水分離，被廣泛應用于去油污領域。DONG等[13]研究發現，木棉纖維的表面能低(40.64 mN/m)，水接觸角大(151°)，具有高度的疏水性和油潤濕性。HUANG等[14]將木棉纖維用作過濾器用過濾材料，研究了木棉纖維對柴油和液壓油的吸附作用，結果發現木棉纖維具有優良的油水分離作用，其對柴油和液壓油的過濾效率分別達到了100.0%和99.4%。目前，油水過濾用木棉纖維材料的研究熱點集中在木棉纖維的改性處理方面，具體可通過物理涂層或接枝共聚或酯化修飾等方式改善或增強其吸油性能[15-16]。

此外，木棉纖維的吸附性還表現在吸聲方面。這是因為木棉纖維大長徑比與高中空率增大了聲音與纖維的摩擦面積。XIANG等[17]研究表明木棉纖維具有良好的阻尼性能，與相同厚度的商用玻璃棉和脫脂棉組件相比，體積密度小得多的木棉纖維組件具有與之相似的吸聲系數。因此，木棉纖維可用作輕質環保吸聲材料。

3.4 保暖性

木棉纖維具有較大的中空結構，中空率高達80%～90%，可握持大量的靜止空氣，保暖效果好，多用于制備保暖絮片、填充料等。張振方等[18]研究發現，木棉散纖維的升溫速率和降溫速率略高于羽絨，壓縮后的木棉集合體保暖性能有所下降，其保暖性與木棉集合體的體積密度密切相關。劉茜[19]研究了羊毛、腈綸、木棉纖維及鵝絨4種絮填纖維集合體的保暖性能，得出在相同體積密度下，絮填纖維集合體的保暖性排序為羊毛>鵝絨>木棉纖維>腈綸。因此在研究木棉纖維類保暖材料時，對木棉纖維集合體的壓縮性和蓬松性的研究不可或缺[20]。

3.5 抗菌性

木棉纖維還具有天然的抗菌防螨、防霉防蛀等功能。依據東華大學王府梅教授帶領的木棉纖維研究團隊的測試結果，木棉纖維產品的抗菌性能歸納于表3[21]。

表3 木棉纖維產品的抗菌性能

4 木棉纖維的應用

4.1 絮填材料

木棉纖維的大中空結構可握持大量的靜止空氣，使其具有良好的保暖效果，可作為保暖類絮填材料用于被褥、枕頭、棉服等。王樹山[22]利用木棉纖維的防螨和防蛀性能，將攀枝花木棉纖維作為主要填充材料，制備了中醫保健枕。此外，還可將木棉纖維填充到保暖按摩床褥中，配以球面狀的凸起結構，起到保健按摩、緩解疲勞的效果。李會改等[23]將木棉纖維與三維卷曲中空滌綸、羽絨三者混合層鋪，用作春秋季睡袋填充料，但睡袋的保暖性能與絮料的壓縮性和蓬松性密切相關。大量的研究表明，木棉纖維的壓縮彈性較差，纖維集合體易被壓扁氈化，尤其是在濕、熱條件和反復持久的壓縮下，木棉纖維產品的蓬松性變差，柔軟性和保暖性下降很快，產品使用效果受影響?；诖耍瑬|華大學木棉纖維研究團隊開發出“持久柔軟保暖的木棉絮片的制造技術”，解決了木棉纖維反復使用后保暖性下降這一問題。此外，李素英等[24]利用非織造技術將木棉纖維與滌綸加工成結構和性能穩定的非織造材料，發現當面密度為145 g/m2時非織造材料的均勻性、透氣量、保暖性和壓縮彈性最優。楊藝丹等[25]利用針刺工藝和熱風黏合工藝，將木棉纖維與羊絨、遠紅外滌綸、ES纖維混合，制備出保暖性佳、蓬松度高、壓縮回彈性大的多組分非織造絮填材料，為多組分木棉纖維絮料的開發提供了思路。以往絮填材料以棉花、羽絨為主，隨著木棉纖維的研究與開發，多組分復合功能的木棉纖維類絮填材料將具有更大的發展潛力。

4.2 紗線與面料

木棉纖維的可紡性差，這一方面限制了木棉纖維純紡紗線的開發，另一方面促使了木棉纖維混紡紗線的發展。且隨著紡紗技術的發展和新型紡紗技術的研發，木棉纖維除了與天然纖維(棉、羊毛、羊絨等)混紡制備普通紗線外，還與化學纖維(咖啡碳纖維、抗紫外纖維等)混紡制備功能性紗線。常用的紡紗方法有環錠紡、氣流紡及緊密紡等[26]。木棉纖維具有質輕、柔軟、抗靜電、吸濕導濕、不霉不蛀、綠色環保等特點，其產品廣受消費者青睞。目前，木棉纖維已被用于制作高效保暖內衣[27]、中高檔的機織面料[28]和針織面料[29]。且隨著紡紗和織造技術的進步，木棉纖維多組分混紡紗線、多功能復合型木棉纖維面料將得到更多的發展，木棉纖維與其他行業的結合潛力無限。

4.3 浮力材料

木棉纖維是迄今為止最輕的一種天然纖維，密度只有棉纖維的1/5，且木棉纖維的中空率達80%～90%，故木棉纖維浮力較大，可用于制備浮力材料。松散狀態下，首次使用的優質木棉材料在水中能浮起大于自身20多倍的質量，如200～300 g的木棉材料足以浮起1位成年人[30]。衣衛京等[31]在研究木棉/三維卷曲中空滌綸混配集合體制備救生衣浮力材料時發現，纖維細度是影響纖維集合體浮力行為的重要因素。肖紅等[32]利用低熔點纖維把木棉纖維固結成絮，提高了木棉纖維集合體的浮力，且比木棉/三維卷曲中空滌綸混配集合體具有更好的耐壓縮性能, 能提供更大的浮力。由于木棉纖維長時間使用和存放時，纖維集合體易被壓縮，故使用時應多加注意。

4.4 吸油材料

木棉纖維具有疏水親油性，再加上其獨有的薄壁大中空結構，纖維對油有著優秀的吸附能力。孫向玲[33]研究發現，木棉纖維與水的靜態接觸角大于130°，與機油、廢油和色拉油的靜態接觸角均小于60°，這說明木棉纖維是一種優良的疏水親油性纖維。崔美琪[34]將木棉纖維、滌綸與ES纖維結合制備出三組分集合體吸油材料，24 h內的保油率在80%以上，除油效果在97%以上，對于機油、植物油、柴油的吸油倍率均在30.00 g/g以上。雖然木棉纖維具有較高的飽和吸油能力，但其重復使用性差。因此，為提高木棉纖維集合體的重復使用性，周小三[35]將豬毛和輪胎粉分別與木棉纖維混合，制備出木棉-豬毛復合吸油材料和木棉-輪胎粉復合吸油材料，試驗結果證明：這兩種復合吸油材料的重復使用性能相對于純木棉纖維吸油材料有所提高,且木棉-豬毛復合吸油材料的飽和吸油量比木棉-輪胎粉復合吸油材料的飽和吸油量的疊加值高。曹勝彬[36]研究發現，木棉散纖維的吸油倍率為25.79 g/g，高于蒲絨散纖維的11.91 g/g和棉纖維的14.98 g/g；結合有纖維濾材的油水分離裝置實現了集油水分離、纖維濾芯離心脫油后循環利用和油液再回收功能于一體的效果。至于如何改善和提高木棉纖維及其集合體的吸油性能，尤其是木棉纖維的循環利用，仍將是木棉纖維作為吸油材料需關注和解決的重要問題。

5 結論

作為一種可再生的天然植物纖維，木棉纖維來源豐富，除具有吸濕導濕、抗菌防螨、中空保暖、超輕柔軟等性能外，還具有良好的生物相容性和可生物降解性，在學術和工業領域受到了越來越多的關注，具有較大的發展潛力和市場價值。隨著對木棉纖維研究的深入及木棉纖維相關產業的發展，利用新型紡紗技術開發多組分、多功能的木棉纖維系列復合紗線顯得尤為重要。

此外，隨著對綠色環保的追求，如何充分發揮木棉纖維的性能優勢，增加其在高附加值領域的應用，如利用其高中空及疏水親油的特性，開發環?？裳h利用的復合材料，將是今后研究的重點和方向。

綠水青山就是金山銀山