天然竹原纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究

韓旭輝

（四川師范大學(xué)，四川 成都610010）

按照原料加工方法的不同，紡織用竹纖維分為原生竹纖維和再生竹纖維兩種。原生竹纖維是用物理、機(jī)械的方法將竹子反復(fù)軋壓后，采用脫膠工藝進(jìn)行部分脫膠，部分脫膠后的竹纖維靠余膠將竹單纖維縱向相互連接起來(lái)而制成，這種纖維是束纖維，即工藝?yán)w維。再生竹纖維是把竹子切片、風(fēng)干后，采用化學(xué)方法將竹片精制成符合纖維生產(chǎn)要求的漿粕，再經(jīng)溶解、紡絲而成［1］，現(xiàn)在市場(chǎng)上所售的竹纖維基本上都是再生竹漿粘膠纖維。本課題的研究對(duì)象是原生竹纖維。

本文將采用紅外光譜、熱失重、干濕強(qiáng)度等測(cè)試方法與手段，對(duì)竹纖維的大分子結(jié)構(gòu)、熱性能、力學(xué)性能等進(jìn)行測(cè)試研究。

1 性能測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

竹纖維（自制）及竹材，黃麻纖維。

本實(shí)驗(yàn)所用的竹纖維和黃麻纖維都是半成品，因而測(cè)試前先對(duì)兩種纖維進(jìn)行漂白處理，采用氧漂工藝：有效 H2O2濃度15g／L、助劑8g／L、堿8g／L、pH＝10.5，95℃、90min。經(jīng)處理后，兩種纖維的細(xì)度、白度規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 四種纖維的規(guī)格參數(shù)

1.2 竹纖維結(jié)構(gòu)的表征

1.2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡下纖維的微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)儀器：JSM－6360LV型掃描電子顯微鏡。測(cè)試條件：放電電壓10kV，放大倍數(shù)1100～7000倍。

1.2.2 傅里葉變換紅外光譜

實(shí)驗(yàn)儀器：Nexus 670型傅里葉變換紅外顯微光譜儀。

測(cè)試條件：掃描次數(shù)64，分辨率8.000，波長(zhǎng)范圍675～4000cm－1。

1.2.3 廣角X射線衍射

實(shí)驗(yàn)儀器：D／max－B型X射線衍射儀。

測(cè)試條件：粉末法：電壓40kV，電流50mA，Cu－Ka靶（λ＝1.5418埃），掃描速度5°／min。

1.3 竹纖維性能測(cè)試

1.3.1 濕強(qiáng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)方法：參照GB5882－86苧麻纖維斷裂強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)儀器：Modle LY－06型電子單纖維強(qiáng)力儀。

實(shí)驗(yàn)條件：相對(duì)濕度65%±5%，溫度20℃±3℃，預(yù)加張力0.4cN，隔距20mm，拉伸速度20 mm／min，浸泡時(shí)間2h，測(cè)試根數(shù)10～20根。

測(cè)試指標(biāo)：干濕態(tài)斷裂強(qiáng)度、干濕態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率、干濕態(tài)斷裂功及其不勻率。

1.3.2 比重測(cè)試

實(shí)驗(yàn)方法：參照Z(yǔ)BW04004.9－89紡織纖維鑒別方法：密度梯度法進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)儀器：MD－01型密度測(cè)定儀，TDL－16B型高速離心機(jī)。

實(shí)驗(yàn)試劑：四氯化碳、正庚烷。

實(shí)驗(yàn)條件：試驗(yàn)在25℃±0.5℃的恒溫水浴槽內(nèi)進(jìn)行。

1.3.3 碘吸附測(cè)定

實(shí)驗(yàn)儀器：SC－80C型全自動(dòng)色差計(jì)，SHZ－88X型恒溫震蕩水浴鍋，1000mL容量瓶，50mL錐形瓶。

測(cè)試指標(biāo)：亨特色差。

試劑：碘50.76g，分析純；醋酸90g，分析純；2，4－二氯苯酚10g，化學(xué)純；碘化鉀100g，分析純。

測(cè)試方法：

（1）碘液的配置：在1000mL容量瓶中裝入試劑，加去離子水配成1L溶液。

（2）將纖維切短到1cm，精確秤取0.1g放在50mL錐形瓶中；加入配置的20mL碘液，在60℃±0.5℃振動(dòng)，使其充分吸附50min；之后試樣在流動(dòng)水中洗滌10min后，干燥后用全自動(dòng)色差計(jì)測(cè)色差△L。

1.3.4 干燥速度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)儀器：Y802L型八籃恒溫烘箱，AR2140型電子分析天平。

實(shí)驗(yàn)方法：將纖維在水中浸泡2h后，在離心轉(zhuǎn)速為3000rpm條件下離心脫水10min，在空氣中自然干燥，測(cè)0s、5s、10s、20s、90s、120s時(shí)纖維的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算：M＝（Wtn—W0）／（Wt0—W0）×100%

式中：M—試樣剩余含水率，%；Wtn—某時(shí)間下的試樣濕重，g；

W0—干燥冷卻后的試樣干重，g；Wt0—離心脫水后的試樣濕重，g。

1.3.5 保水率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)方法：參照DIN 53814測(cè)試方法，將纖維在水中浸泡2h后，在離心轉(zhuǎn)速為3000rpm條件下離心脫水10min，稱重，然后將纖維放入105℃烘箱中烘1h，冷卻30min后，稱重記錄。

實(shí)驗(yàn)儀器：TDL－5型低速大容量離心機(jī)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算：M＝（W－W0）／W0×100%

式中：M—保水率，%；W—離心后試樣濕重，g；W0—烘干1h后試樣干重，g。

1.3.6 熱重分析

實(shí)驗(yàn)儀器：TGA熱分析儀。

測(cè)試條件：氮?dú)夥?，氮?dú)饬髁?0mL／min。

升溫速度10℃／min，溫度范圍0～600℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹纖維結(jié)構(gòu)

2.1.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡觀察竹材橫截面（見(jiàn)圖1），維管束包藏于基本薄壁組織之中，是輸導(dǎo)組織（導(dǎo)管、篩管）、維管束鞘和纖維組織共同構(gòu)成的在形態(tài)上的一個(gè)復(fù)合組織［2］。由圖1可以看出，叢竹的維管束不存在纖維股，僅有中心維管束，其中內(nèi)方維管束鞘顯著地較其他三個(gè)大，并向左右呈扇形延伸；毛竹的維管束也不存在纖維股，但側(cè)方與內(nèi)方維管束鞘相連。

2.1.2 大分子結(jié)構(gòu)與組成

表2 竹纖維的紅外光譜峰歸屬

采用紅外吸收光譜FT－IR對(duì)竹纖維進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由紅外光譜圖2和表2中可以看出，官能團(tuán)區(qū)在3376cm－1的－OH伸縮振動(dòng)峰清晰可見(jiàn)，木質(zhì)素的特征基團(tuán)吸收峰主要在1500～1750 cm－1范圍內(nèi)，除了在1663cm－1附近處為水的吸收峰。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，竹纖維在1500～1750 cm－1范圍內(nèi)明顯存在木質(zhì)素特征基團(tuán)吸收峰。

2.2 竹纖維性能

2.2.1 濕態(tài)強(qiáng)度（見(jiàn)表3）

表3 竹纖維濕態(tài)下的拉伸性能

由表3可以看出，在60s之內(nèi)，竹纖維的強(qiáng)度很低，此時(shí)不宜進(jìn)行紡織加工。60～120s斷裂強(qiáng)度迅速增加，然后趨于穩(wěn)定。90s以上，纖維強(qiáng)力基本滿足紡織加工的需要。竹纖維在濕態(tài)下強(qiáng)度大大下降，這是目前竹纖維存在的問(wèn)題之一。

2.2.2 比重

天然纖維的比重一方面是纖維中占主要成分的纖維素大分子結(jié)晶度的宏觀表現(xiàn)，另一方面也是天然纖維中多種混合物的共同表現(xiàn)，因此其比重大小也與該纖維各組成物質(zhì)的比例有關(guān)。表4給出了竹與黃麻纖維的比重。較純凈的纖維素大分子的比重大約在1.54g／cm3左右，而這兩種纖維的比重都小于該數(shù)值，并且竹纖維的比重比黃麻纖維的比重還小，說(shuō)明黃麻纖維素的含量純度稍高，脫木質(zhì)素更徹底。

2.2.3 上染性用碘吸附法比較吸附前后的色差，來(lái)比較不同材料之間的結(jié)構(gòu)差異，結(jié)構(gòu)越松碘越容易被吸附到材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此前后色差越大。色差儀測(cè)試?yán)w維碘吸附前后的色差，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 竹與黃麻的密度與色差

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中苧麻纖維為樣品，未得色，而竹纖維黃麻的得色較深，且竹纖維吸附碘量比黃麻略大，因此苧麻結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)緊于竹纖維與黃麻，且竹纖維的結(jié)構(gòu)較黃麻更疏松，與比重法相吻合。

2.2.4 干燥速度（見(jiàn)圖3）

由于竹纖維與麻纖維化學(xué)組成上的不同，也包括結(jié)晶度上的少量差異（竹纖維52.54%，黃麻53.80%）［1］，使得竹纖維的剩余含水率比黃麻的低，從干燥速率來(lái)看，竹纖維的放濕速率高于黃麻纖維，特別是初始放濕速度更快，從而有利于人體開(kāi)始發(fā)汗的短時(shí)間內(nèi)水分的轉(zhuǎn)移，使人體感覺(jué)干爽舒適。

2.2.5 保水率

表5 竹纖維的保水率

表5顯示了竹纖維的保水率。竹纖維的保水率高達(dá)96%，對(duì)服用來(lái)說(shuō)是不利的。一定的保水率可以保證人體對(duì)水分的調(diào)節(jié)與補(bǔ)充作用，可以使纖維吸收較多的水分而不感覺(jué)潮濕、粘體，但是保水率過(guò)高反而使人體產(chǎn)生濕粘感［3］。竹纖維1與竹纖維2之間保水率的差異表明經(jīng)氯漂處理后，非纖維素物質(zhì)去除較充分，故保水率有所降低。

2.2.6 熱性能

圖4 竹纖維的TG

圖5 黃麻纖維的TG

表6 竹纖維與黃麻分解溫度和失重

圖4～圖5是纖維的熱重分析（TG）圖，表示纖維在氮?dú)夥諊码S溫度變化的質(zhì)量損失率，可以反映各纖維的耐熱性能。由表6可知，纖維中綜纖維素（纖維素和半纖維素的總和）的分解溫度在150～350℃范圍內(nèi)。木質(zhì)素的分解溫度為350～500℃左右。由圖4、圖5可以看出：兩種纖維都出現(xiàn)綜纖維素的分解曲線，但各自的起始分解溫度和結(jié)束分解溫度有所不同，圖中所標(biāo)出的點(diǎn)分別表示綜纖維素開(kāi)始分解和結(jié)束分解的溫度，以上兩種纖維的綜纖維素中以纖維素含量為主，因此其特點(diǎn)也主要反映了纖維素的熱性能。纖維素開(kāi)始分解的溫度越高，表示該纖維的耐熱性越好，這是由纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)所決定的；同時(shí)，纖維素從開(kāi)始分解到結(jié)束分解的溫度范圍越小，表示該纖維的纖維素純度越高。

3 結(jié)論

通過(guò)各種儀器和方法對(duì)竹纖維結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測(cè)試研究，并參照對(duì)比測(cè)試黃麻，得出以下結(jié)論：

（1）竹纖維在形態(tài)結(jié)構(gòu)上其橫截面近似圓形，內(nèi)有中腔，縱表面有明顯的紋狀肌理，是單纖維搭接而成的竹束纖維；通過(guò)紅外光譜分析竹纖維的化學(xué)特征基團(tuán)和熱失重分析，證明其纖維素大分子主鏈的存在，但仍含有一定量的半纖維素和木質(zhì)素，說(shuō)明脫膠還不夠充分，這對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)和性能都造成了一定影響。

（2）竹纖維比重小、結(jié)構(gòu)松弛，通過(guò)比重法和碘吸附得以相互印證，竹纖維在性能上表現(xiàn)出放濕性較好和耐熱性較好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在保水率過(guò)高的特點(diǎn)。

總體來(lái)說(shuō)，竹纖維的結(jié)構(gòu)和性能與黃麻纖維比較接近。

［1］韓曉俊.原生竹纖維的化學(xué)—機(jī)械—生物聯(lián)合脫膠工藝研究［D］北京：北京服裝學(xué)院，2007.

［2］孫寶芬，隋淑英，孫永軍，等.新型再生纖維素纖維—竹纖維［J］.山東紡織科技，2003，44（2）：46—48.

［3］翟亞麗，陳麗，宋慧芬.竹纖維面料合適性能的探討［J］.山東紡織科技，2005，46（6）：3—5.