云南野生火草纖維及其絨網(wǎng)的結構與性能

俞 琰， 王西朝， 張瑞云,2， 李蓉麗， 程隆棣,2

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織科 創(chuàng)中心， 上海 201620； 3. 昆明玖雍民族文化創(chuàng)意產(chǎn)品有限公司， 云南 昆明 650000)

火草學名鉤苞大丁草，為多年生草本植物，是主要生長在云南等地區(qū)的少數(shù)民族沿襲幾千年的紡織原料之一[1]，曾與棉、麻、葛列為同等重要的紡織原料。在幾千年的紡織材料發(fā)展中，棉、麻等鋒芒畢露，火草卻被淹沒于浩瀚史卷中，這無論是從人文角度還是從科學技術角度來看，都是一大損失。近年來，得益于植物科學技術發(fā)展，火草產(chǎn)量得到顯著提高，同時在文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的加持下，火草紡織品煥發(fā)出新的巨大生機和活力。

目前，火草的應用主要為2個部分，即紡織用和藥用。火草紡織品在云南等地區(qū)少數(shù)民族具有極強的民俗文化意義。對火草紡織品如此重視主要有以下方面原因：原料珍稀，《扯火草歌》[2]中記載火草生長于荒山野嶺之中較難采摘；純手工制作成衣工藝復雜，需要將火草葉背纖維絨網(wǎng)經(jīng)特定的手工操作技巧撕下捻成紗線；具有紡織品的優(yōu)良性能，走訪當?shù)厝肆私獾剑麄兘?jīng)常穿用的火草衣具有防水透濕、柔軟保暖等優(yōu)良性能。

火草纖維取自生長于火草葉背的纖維絨網(wǎng)，屬天然植物纖維，其成分主要是纖維素。為推廣火草在紡織領域的應用，亟待對火草進行紡織體系的研究開發(fā)。為此，本文對云南野生火草纖維及其絨網(wǎng)的基本結構和性能進行表征，并與普通棉纖維進行比較。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文選取我國云南昆明地區(qū)的天然野生火草，通過手工方式從火草葉片背部剝離火草纖維絨網(wǎng)。圖1示出火草葉片背部及已經(jīng)剝離下的火草纖維絨網(wǎng)照片。

圖1 火草葉片背部及纖維絨網(wǎng)Fig.1 Back of fireweed leaf (a) and fibrous network (b)

其他材料：甲酸(98%)，上海沃凱化學試劑有限公司；冰乙酸(≥99.8%)、硫酸(95.0%～98.0%)、鹽酸(36.0%～38.0%)、氫氧化鈉(片狀，≥96.0%)， 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 測試與表征

纖維化學成分測定：根據(jù)GB/T 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》，對纖維絨網(wǎng)進行化學成分定量分析。

化學結構測試：采用Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo Fisher公司)測試火草纖維絨網(wǎng)的化學結構。

形貌觀察：采用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡(SEM， 日本JEOL公司)觀察纖維絨網(wǎng)及單根纖維的表面和截面形態(tài)結構，加速電壓為20 kV。

直徑測試：參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法 投影顯微鏡法》測量火草纖維直徑。

聚集態(tài)結構測試：采用18 kW D/max-2550VB+/PC轉靶X射線衍射儀(XRD，日本Rigaku公司)、Bruker D8 ADVANCE X射線多晶衍射儀(XRD，美國Bruker公司)測試纖維絨網(wǎng)的聚集態(tài)結構。

熱性能測試：通過TGA 4000熱重分析儀(TGA，美國Perkinelmer公司)測試纖維絨網(wǎng)的熱性能，測試溫度范圍為25～700 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮氣氣氛，流量為20 mL/min。

力學性能測試：采用LLY-06E電子單纖維強力儀(中國萊州市電子儀器有限公司)測定纖維絨網(wǎng)的力學性能。測試參數(shù)為：隔距5 mm，拉伸速度 20 mm/min， 試樣尺寸10 mm×5 mm。

纖維吸濕性測定：參考GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率試驗方法 烘箱法》對火草纖維進行回潮率、含水率的測定。

潤濕性能測試：采用OCA15EC接觸角測試儀(德國Dataphysics公司)對火草纖維絨網(wǎng)的水接觸角進行測試。

耐酸堿性測試：觀察火草纖維在不同濃度的甲酸、冰乙酸、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液中的狀態(tài)而初步獲得其耐酸堿性。

pH值測試：根據(jù)GB/T 7573—2009《紡織品 水萃取液pH值的測定》，將火草纖維絨網(wǎng)放入配制好的pH緩沖液中萃取一段時間，以測定火草纖維的水萃取液的pH值。

2 結果與分析

2.1 形態(tài)結構分析

從火草葉背剝離下的火草纖維絨網(wǎng)，其自然形態(tài)為由纖維隨機交叉成網(wǎng)的非織造結構，掃描電鏡照片如圖2所示。可以看出，纖維無明顯取向，不具有各向異性。絨網(wǎng)厚度為23～66 μm，僅為整片葉子厚度的8%～10%；火草纖維絨網(wǎng)非常輕薄，單片葉背纖維絨網(wǎng)質(zhì)量為0.02～0.06 g。

圖2 火草纖維絨網(wǎng)的SEM照片(×200)Fig.2 SEM image of fireweed fibrous network(×200)

天然纖維素纖維中，棉纖維的縱向形態(tài)為細長不規(guī)則的帶狀，有顯著的轉曲現(xiàn)象。在掃描電子顯微鏡下，火草纖維縱向外觀與棉纖維有較大的相似之處，也存在轉曲現(xiàn)象，形似帶狀，如圖3(a)所示。與棉纖維光滑的表面不同，火草纖維的表面并不光滑，存在顯著的溝槽和褶紋，如圖3(b)所示。

圖3 火草纖維縱向形態(tài)Fig.3 Longitudinal morphology of fireweed fibers. (a) Longitudinal banded curvature structure(×3 000); (b) Surface pleats structure(×10 000)

圖4示出火草纖維橫截面掃描電鏡照片。可以看出，火草纖維的橫截面呈現(xiàn)為不規(guī)則腰圓形帶中腔，和棉纖維的橫截面極為相似。橫截面SEM照片中顯示并非所有纖維都是帶中腔的，這可能是由于自身纖維較為柔軟，本來帶中腔的纖維在制作切片試樣時受外力擠壓導致中腔閉合。火草纖維自身細軟的特性使其在開發(fā)比棉更加柔軟的產(chǎn)品上具有極大可能；穿插糾纏的結構以及纖維中腔的存在使其具備保留更多靜止空氣的能力，這使得火草纖維具有作為柔軟保暖材料的潛在優(yōu)勢。

圖4 火草纖維橫截面電鏡照片(×5 000)Fig.4 SEM image of cross section of fireweed fiber(×5 000)

選取10個葉片，每個葉片背部取30根纖維測量纖維長度，得到火草纖維長度分布在2～6 mm之間。參照GB/T 10685—2007測得火草纖維直徑在1.05～5.76 μm之間，這與掃描電鏡照片下觀察到的纖維直徑尺寸基本相符。火草纖維與棉纖維[3]形態(tài)尺寸對比如表1所示。

表1 火草纖維與棉纖維形態(tài)對比Tab.1 Morphological comparison of fireweed fiber and cotton fiber

火草纖維的線密度僅為棉纖維的1/6左右，約為0.5 dtex[4]。實驗測出的火草纖維直徑是棉纖維直徑的0.06～0.23倍，表明火草纖維是比棉纖維還細的超細天然植物纖維。

火草纖維細軟且非常短，觀察火草纖維絨網(wǎng)可發(fā)現(xiàn)纖維之間形成了較多孔隙，且纖維帶中腔，這就導致火草纖維絨網(wǎng)及其集合體在液體浸潤之后，存在快速擴散和較強的芯吸效應。根據(jù)芯吸效應規(guī)律：在相同紗線線密度和同樣截面形狀下，紗線中的單根纖維越細，纖維間孔隙越小且多，毛細管附加壓力越大，芯吸效應越強[5]；在非織造結構中，纖維越細，其內(nèi)部能夠形成較細的毛細管，使材料具有更強的毛細內(nèi)壓，質(zhì)量吸濕率更高[6]。火草纖維是目前已知天然纖維素纖維中線密度最小的，因此，單從線密度角度而言，其材料在液體擴散、芯吸等方面具有很好的潛力，可應用于開發(fā)導濕快干產(chǎn)品等。

2.2 化學結構分析

火草纖維的主要成分為纖維素(占約65%)，半纖維素為21%，脂蠟質(zhì)為6%，木質(zhì)素為4.5%，水溶物為3.1%，果膠為0.6%，半纖維素成分較多。棉纖維的纖維素含量約為95%，剩下的為脂蠟質(zhì)等物質(zhì)[3]。與棉纖維相比，火草纖維具有更多的脂蠟質(zhì)、半纖維素和木質(zhì)素成分。火草纖維絨網(wǎng)的紅外光譜圖如圖5所示。

圖5 火草纖維絨網(wǎng)的紅外光譜圖Fig.5 Infrared absorption spectra of fireweed fibrous network

2.3 聚集態(tài)結構分析

火草纖維的X射線衍射曲線如圖6所示。可知，火草纖維樣品的特征衍射峰位置分別位于2θ為15.74°、22.72°和34.32°處，對應纖維素的(110)、(020)和(004)晶面。

圖6 火草纖維絨網(wǎng)的X射線衍射圖Fig.6 XRD pattern of fireweed fibrous network

根據(jù)文獻[11-12]分析可知，I型纖維素的(110)、 (020)和(004)晶面一般分別位于2θ為16°、23°以及34.5°附近，對應譜圖中的3個特征衍射峰。于是可由XRD表征結果得出，火草纖維具有與棉纖維素相同的I型晶體結構。火草纖維的結晶度為55.52%，與棉纖維相比偏低，說明火草纖維中纖維素大分子有序排列形成的結晶區(qū)結晶度較棉纖維少，這是由于脂蠟質(zhì)、果膠、半纖維素和木質(zhì)素等無定形成分降低了火草纖維結晶度。

2.4 熱性能分析

火草纖維的TG曲線如圖7所示。可以看出：火草纖維在30～100 ℃的質(zhì)量損失對應為水分的揮發(fā)；在240 ℃左右開始降解，而棉纖維在270 ℃左右開始降解。其原因主要歸結為2點：第一，火草纖維的結晶度較棉纖維低，較少的結晶區(qū)對纖維素熱穩(wěn)定性無益[13]；第二，火草纖維中半纖維素含量較高，木質(zhì)素含量不高，在纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三者中，半纖維素熱分解溫度最低，而木質(zhì)素最高[14]。

圖7 火草纖維絨網(wǎng)的TG曲線Fig.7 TG curve of fireweed fibrous network

2.5 纖維網(wǎng)力學性能分析

火草纖維的長度非常短，為2～6 mm，且非常細軟，不易分離出單根纖維，無法滿足單纖維強力儀測試要求，因此，無法測試單根纖維的強伸性能。本文以統(tǒng)一尺寸的火草纖維絨網(wǎng)試樣為標準測試，得到火草纖維絨網(wǎng)的平均撕破強力約為30 cN，平均斷裂伸長率較大，約為80%。

2.6 吸濕及吸水性分析

參考GB/T 6102.1—2006測試得到火草纖維的回潮率為11.69%，含水率為10.47%，與棉纖維的回潮率(8.5%)和含水率(10%)相比都略高。這是由于火草纖維中半纖維素、果膠物質(zhì)遠高于棉，而半纖維素聚合度低，親水基團數(shù)量多，對水分子高度可及。除此之外，火草纖維自身較細，纖維之間形成的幾何結構對水分子的附著提供了有利條件。

在接觸角測試儀上測得火草纖維絨網(wǎng)與水的接觸角為129.5°左右，如圖8所示。說明火草纖維有較好的疏水效果。這是因為火草纖維中脂蠟質(zhì)含量比棉高6倍左右，而這些脂蠟質(zhì)主要存在于火草纖維表面，因而使得其疏水。

圖8 火草纖維絨網(wǎng)與水的接觸角Fig.8 Contact angle of fireweed fibrous network with water

2.7 耐酸堿性及化學溶解性分析

將火草纖維放置于不同溶劑中，在不同的條件下觀察其浸潤和溶解情況并與棉纖維進行對比，結果如表2所示。可知，火草纖維具有較好的化學性能，耐酸堿性好，常溫下稀酸對其基本無影響。參照 GB/T 7573—2009 測得火草纖維的pH值為7.23，符合GB 18401—2003《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術規(guī)范》中規(guī)定的 A類(嬰幼兒用品)產(chǎn)品要求，表明火草紡織品對人體皮膚友好。

表2 不同溶解時間下火草纖維的耐酸堿性及浸潤性Tab.2 Acid-base resistance property and wettability of fireweed fiber with different dissolution time

3 結 論

1)火草纖維具有較高含量的纖維素和半纖維素，脂蠟質(zhì)含量遠高于棉纖維，可能含有黃酮類物質(zhì)。其絨網(wǎng)的厚度占整片葉厚度的8%～10%，單片葉背纖維絨網(wǎng)質(zhì)量為0.02～0.06 g。火草纖維非常細軟，為超細纖維，直徑僅為1.05～5.76 μm，長約 2～6 mm。火草纖維截面與棉相似，都為不規(guī)則腰圓形帶中腔結構，縱向形態(tài)為特征性的帶狀轉曲，表面有褶紋溝槽，不光滑。

2)火草纖維結晶度為55.52%，明顯小于棉纖維的結晶度，脂蠟質(zhì)、木質(zhì)素和含量較高的半纖維素等無定形成分導致了火草纖維結晶度的降低。火草纖維的熱分解溫度較棉纖維低，在240 ℃左右開始降解，主要原因是較低的結晶度和較高的半纖維素含量。

3)火草纖維的回潮率為11.69%，含水率為10.47%，比棉纖維略高，其纖維絨網(wǎng)強力較低而斷裂伸長率較大。火草纖維具有較好的化學性能，耐酸性好，水萃取液呈中性對皮膚友好，且疏水性良好，在水及無機酸溶液中不浸潤。