棉纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李鐸，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

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棉纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李鐸，楊建忠，郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

摘要：論述了棉纖維的結(jié)構(gòu)、性能，從物理、化學(xué)、生物工程等方面對(duì)當(dāng)前棉纖維改性技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)棉纖維的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：棉纖維物理技術(shù)改性化學(xué)技術(shù)改性生物技術(shù)改性研究現(xiàn)狀

0前言

棉纖維作為紡織、服裝領(lǐng)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(wèi)生及可生物降解性等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直受到廣大消費(fèi)者的青睞[1，2]。雖然20世紀(jì)以來(lái)化學(xué)纖維取得飛速發(fā)展，尤其以聚酯纖維為主的合成纖維在紡織纖維應(yīng)用領(lǐng)域中占有重要位置，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2015年棉產(chǎn)量為560.5萬(wàn)噸，同時(shí)進(jìn)口棉花配額為89.4萬(wàn)噸，棉纖維在紡織行業(yè)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(huán)保意識(shí)的提高以及對(duì)生活質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)展現(xiàn)出較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并在紡織、服裝領(lǐng)域展現(xiàn)其特有的魅力。

1棉纖維的結(jié)構(gòu)與性能

棉纖維主要是由纖維素組成，約占總質(zhì)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(duì)棉纖維的后加工均有著重要影響[5]。棉纖維在縱向結(jié)構(gòu)呈天然轉(zhuǎn)曲，橫截面呈帶狀腰圓形并由多層同心層組成，可以增強(qiáng)棉纖維在后加工中抱合力。在纖維素分子結(jié)構(gòu)式(見圖1)，可以看出纖維素中含有大量羥基，具有較強(qiáng)的親水性，化學(xué)反應(yīng)活性較好，使其具有化學(xué)改性潛質(zhì)。

圖1　纖維素分子結(jié)構(gòu)式

棉纖維具有較好的力學(xué)性能，細(xì)絨棉和長(zhǎng)絨棉強(qiáng)力范圍一般在3.5CN～6.0CN，具有可紡性，斷裂伸長(zhǎng)率一般為3%～7%，彈性相對(duì)較差。由于纖維素分子上含有許多游離性親水性基團(tuán)，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(xué)活性，棉纖維在大氣環(huán)境中易被氧化，分子間作用力發(fā)生變化，棉纖維性能被破壞，高溫環(huán)境中纖維素分子易發(fā)生裂解。此外，棉纖維具有優(yōu)良耐堿性能，但強(qiáng)酸強(qiáng)堿對(duì)纖維素分子結(jié)構(gòu)的破壞容易造成棉纖維力學(xué)性能變差。

2棉纖維改性技術(shù)

棉纖維具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(fā)霉、染色牢度低等，進(jìn)一步開發(fā)棉纖維的可利用價(jià)值及其功能化研究，是提高產(chǎn)品附加值的關(guān)鍵[8]。棉纖維改性研究是在保持纖維基本優(yōu)良性能的前提下來(lái)賦予纖維所需功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維的功能化，并使棉纖維的潛在功能得以充分利用，進(jìn)而拓寬棉纖維應(yīng)用領(lǐng)域。在棉纖維改性方面，歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家作了大量的研究工作，我國(guó)對(duì)棉纖維的改性研究也在不斷的摸索中取得了新的進(jìn)展。而目前針對(duì)棉纖維的改性技術(shù)，從手段上來(lái)講是以物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)為主，此外還包括生物技術(shù)改性、納米技術(shù)改性等；從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，有表面改性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、組成變化等。常見的物理改性技術(shù)有低溫等離子體技術(shù)、輻射技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、多孔技術(shù)等，化學(xué)改性技術(shù)有接枝、交聯(lián)、共聚、化學(xué)鍍以及各種化學(xué)試劑處理等，生物技術(shù)改性主要涉及基因改性技術(shù)、生物酶改性技術(shù)等[9-11]。

2.1物理技術(shù)改性

物理技術(shù)改性主要是采用物理方法來(lái)使纖維達(dá)到所需性能。

2.1.1低溫等離子體技術(shù)改性

等離子體技術(shù)作為一種物理改性方法，通過(guò)等離子氣體的高能活化粒子對(duì)纖維表面基團(tuán)進(jìn)行轟擊，改變纖維表層分子結(jié)構(gòu)以及化學(xué)活性，進(jìn)而改變纖維性能。而這種物理改性一般只發(fā)生在纖維表面微米級(jí)并不破壞纖維本身的優(yōu)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(jīng)空氣或氧氣等離子處理后的棉織物吸水性增強(qiáng)、染色性增強(qiáng)。也有研究人員采用Ar等離子體對(duì)棉紗進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(duì)棉纖維表面的蠟質(zhì)等雜質(zhì)能進(jìn)行有效的去除，此外將等離子體技術(shù)與其他方法相結(jié)合對(duì)棉纖維進(jìn)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(duì)棉纖維的改性，主要是通過(guò)粒子的轟擊增強(qiáng)纖維表面活性，以及在纖維表面發(fā)生氧化反應(yīng)而引入新的基團(tuán)，進(jìn)而來(lái)改變棉纖維表面性能。

2.1.2復(fù)合技術(shù)改性

復(fù)合技術(shù)改性主要是將棉纖維與其他纖維進(jìn)行混紡或者復(fù)合紡紗。將棉纖維與聚酯纖維按比例進(jìn)行混紡后所得紗線，既能保持聚酯纖維優(yōu)異的力學(xué)性能，也改善了聚酯纖維吸濕性差的特點(diǎn)[15]。而將棉纖維與長(zhǎng)絲進(jìn)行復(fù)合紡紗，諸如包芯紗、包纏紗、包覆紗等，從外觀形態(tài)與性能上都發(fā)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(yōu)良性能，在牛仔布行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，而將金屬纖維棉紗復(fù)合紡或者交織，則增加了織物金屬纖維的光澤感。而越來(lái)越多的新型合成纖維的開發(fā)，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(fā)展，各種新型纖維材料的問(wèn)世，將棉與莫代爾、天絲、聚乳酸纖維等相結(jié)合，拓展棉纖維的應(yīng)用，也使得棉產(chǎn)品更加豐富多樣化。

2.1.3其他

此外，還有輻射改性、機(jī)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(duì)棉纖維進(jìn)行輻照處理引入新的極性基團(tuán)來(lái)改善其表面化學(xué)活性[16-18]。而機(jī)械處理主要是在機(jī)械作用下使棉纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)棉纖維結(jié)晶度、聚合度、可及度的變化來(lái)拓展其用途。

2.2化學(xué)技術(shù)改性

采用化學(xué)手段來(lái)改變纖維分子化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)。棉纖維主要是由纖維素構(gòu)成，表現(xiàn)出纖維素的性質(zhì)，在其表面接枝上蛋白質(zhì)分子鏈、多糖分子鏈等使其具有這些特性，是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注重點(diǎn)。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(zhǎng)，而且負(fù)載甲殼胺的棉纖維可以抑制血液擴(kuò)散，具有凝血功效。而將蛋白質(zhì)分子鏈接枝到棉纖維上，則負(fù)載蛋白質(zhì)的棉纖維則會(huì)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(xué)者通過(guò)交聯(lián)劑將環(huán)糊精接枝在棉纖維上，增加棉纖維的活性，進(jìn)一步負(fù)載其他功能性物質(zhì)，加強(qiáng)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(yī)療衛(wèi)生、美容化妝等領(lǐng)域都有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2化學(xué)鍍改性

化學(xué)鍍主要是利用氧化還原反應(yīng)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(zhì)，而這種方法應(yīng)用在抗菌布、導(dǎo)電布等方面有著明顯的效果。東華大學(xué)吳建文[22]等通過(guò)首先在棉織物表層形成殼聚糖-鈀膜，再在化學(xué)鍍鎳溶液中形成納米級(jí)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(jìn)行化學(xué)鍍銅，發(fā)現(xiàn)鍍銅后棉織物對(duì)大腸桿菌有著明顯的抑制效果。此外，無(wú)論是直接進(jìn)行化學(xué)鍍還是間接以棉織物為基布進(jìn)行鍍層，包括鍍銀、鍍鎳等，對(duì)棉織物在抗菌、導(dǎo)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(xué)試劑改性

化學(xué)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(xué)試劑進(jìn)行處理，或者是作為預(yù)處理環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)棉織物的功能化。柴麗琴等[24]采用反應(yīng)型改性劑和非反應(yīng)型改性劑對(duì)棉纖維進(jìn)行陽(yáng)離子化改性，改性后在物理機(jī)械性能沒(méi)有明顯變化的前提下，天然染料對(duì)棉織物的染色性能得到明顯改善。柳內(nèi)雄一[25]采用在氮?dú)猸h(huán)境中用氨水對(duì)棉織物進(jìn)行處理，棉織物的防皺防縮性能增強(qiáng)、強(qiáng)度增大、手感更加柔軟，主要是由于液氨處理后棉纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，結(jié)晶度降低，結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(duì)棉織物進(jìn)行處理，研究棉纖維結(jié)晶、取向度的變化，來(lái)驗(yàn)證對(duì)棉織物光澤、防縮、手感、力學(xué)性能的影響。此外，還可以采用無(wú)機(jī)鹽溶液、稀土預(yù)處理等對(duì)棉纖維或棉織物進(jìn)行處理，通過(guò)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(jìn)行分解，將棉纖維中纖維素溶解，溶劑分子進(jìn)入纖維素晶區(qū)內(nèi)部，對(duì)纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，纖維素分子與溶劑分子形成均相溶液，再輔以相關(guān)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(jìn)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?zhǔn)姑蘩w維具有所需性能。

2.3生物技術(shù)改性

2.3.1基因改性

基因改性主要是利用基因技術(shù)將一些能夠控制特殊性能的基因?qū)朊藁w內(nèi)，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(dǎo)入棉花體內(nèi)，生產(chǎn)出來(lái)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(jié)約了成本也避免了污水排放對(duì)環(huán)境的破壞。天然彩棉因其環(huán)保衛(wèi)生，常被用于內(nèi)衣、嬰幼兒服裝等領(lǐng)域，但天然彩棉也存在色澤不均、顏色單一等缺點(diǎn)，但基因工程作為一項(xiàng)新的技術(shù)領(lǐng)域，將其進(jìn)一步深入研究并應(yīng)用于棉纖維改性中來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)條件溫和、安全等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)的工業(yè)廢水排放對(duì)環(huán)境造成巨大壓力，節(jié)能減排采用對(duì)環(huán)境友好方法來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)是勢(shì)在必行的。將淀粉酶應(yīng)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(yè)應(yīng)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(jìn)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(huán)保觀念的深入，紡織綠色加工也將會(huì)成為時(shí)代的主題，生物酶改性技術(shù)在棉織物改性應(yīng)用中也將發(fā)揮著重要作用。

2.4其他

此外，還有納米改性技術(shù)、電鍍改性技術(shù)等在棉纖維改性中也得到廣泛應(yīng)用。納米改性技術(shù)主要是由納米材料特殊結(jié)構(gòu)特征對(duì)棉纖維或棉織物進(jìn)行表面處理，使棉織物獲得納米材料的特殊性能，通過(guò)浸軋、層壓等后整理手段，對(duì)棉織物進(jìn)行功能整理來(lái)開發(fā)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(fā)展趨勢(shì)

棉纖維作為一種天然纖維素類大宗纖維，綜合性能優(yōu)異。在科技飛速發(fā)展的今天，能源、環(huán)保等都是當(dāng)代熱門話題，通過(guò)物理或化學(xué)手段來(lái)賦予棉纖維特殊功能，從分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)等微觀方面對(duì)棉纖維進(jìn)行改性，對(duì)發(fā)展環(huán)境友好材料、醫(yī)療衛(wèi)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(xù)發(fā)展的要求，而在今后對(duì)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(diǎn)內(nèi)容。而且隨著機(jī)電一體化、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等快速發(fā)展，將其應(yīng)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(lái)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(wú)論是從性能，還是從安全衛(wèi)生、能源等方面來(lái)講都是一種優(yōu)良的紡織原材料，進(jìn)一步開發(fā)和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)論是從棉纖維研究、生產(chǎn)還是產(chǎn)品開發(fā)方面都是值得重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。在研究與應(yīng)用的過(guò)程中充分挖掘棉纖維潛在的功能，使其在功能多樣化、產(chǎn)品多樣化等方面發(fā)揮出自己的優(yōu)勢(shì)，而隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展以及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，也會(huì)給棉纖維的改性帶來(lái)新的思路與突破，棉纖維功能多樣化也會(huì)在不斷的探索與應(yīng)用中逐步向前發(fā)展。

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中圖分類號(hào)：TS102

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)02-0174-04

通訊作者：楊建忠(1964-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)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(fā)。