泉州產(chǎn)木棉果與纖維形態(tài)特征及其吸油性能

楊竹麗，李清林，關(guān)福旺，江大偉，王府梅，邱夷平，張初陽(yáng)

(1.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000；2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

木棉是高大落葉喬木，主要產(chǎn)地為東南亞地區(qū)、非洲、中國(guó)華南和西南各省[1],其具有高抗旱性、速生性和高存活率，能夠很好地適應(yīng)惡劣環(huán)境，非常適合修復(fù)海南已退化的熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)[2]。海南大量種植木棉樹(shù)，因此木棉纖維有廣泛的來(lái)源。目前應(yīng)用的木棉纖維品種主要有木棉屬的木棉種、長(zhǎng)果木棉種和吉貝屬的吉貝種[3]。

木棉為天然纖維素纖維，縱向?yàn)閳A柱形，表面光滑，截面為原型或橢圓形[4]。木棉纖維兩端封閉，中腔內(nèi)充有空氣，中空率高達(dá)80%～90%[5]，其細(xì)胞壁非常薄，壁厚僅為1～2 μm[6]，這種薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，使其多用作為吸油、保暖、浮力材料或填充材料[7]。木棉纖維還具有抗菌、驅(qū)螨、防霉等優(yōu)點(diǎn)，可用于床上用品、衛(wèi)生盥洗類(lèi)紡織品[8-9]。木棉纖維價(jià)廉易得、可回收、可降解，在海洋石油泄漏、生活污水處理等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

文獻(xiàn)[10-11]研究確定木棉纖維的主要組成物質(zhì)為纖維素約64.0%，木質(zhì)素約13.0%，水分8.6%，水溶性物質(zhì)4.7%～9.7%，木聚糖2.3%～2.5%，灰分1.4%～3.5%，蠟質(zhì)0.8%。肖紅[12]深入研究攀枝花木棉的微細(xì)結(jié)構(gòu)和基本性狀，測(cè)得木棉纖維單纖維密度為0.30 g/cm3、結(jié)晶度為35.9%，胞壁結(jié)構(gòu)比棉纖維疏松，因此油液更容易進(jìn)入到木棉纖維的內(nèi)部。劉美霞等[13]對(duì)木棉纖維進(jìn)行堿處理，Hu等[14]采用超聲波處理木棉纖維，在去除木質(zhì)素和半纖維素后，均得到螺旋帶狀的纖維素。Dong等[15]對(duì)木棉纖維表面進(jìn)行超疏水化處理，破壞其表面蠟質(zhì)，并接枝甲基三氯硅烷，賦予纖維超疏水特性。Wang等[16]在木棉纖維表面接枝甲基丙烯酸丁酯，大大提高了吸油倍率。劉杰等[17]發(fā)現(xiàn)吸油后的木棉纖維表面出現(xiàn)折痕，纖維之間相互黏連。Yang等[18]發(fā)現(xiàn)木棉纖維細(xì)胞壁存在大小不一的微孔，為油分子進(jìn)入中腔提供路徑。徐艷芳等[19]采用木棉粉末料在自然狀態(tài)下吸油，吸油量約是木棉原纖維的50%。范金玥等[20]以木棉纖維為原料，采用酸水解處理方法，成功制備了納米I型纖維素。

我國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用的木棉大部分為印尼木棉，國(guó)產(chǎn)木棉沒(méi)有得到有效利用，既浪費(fèi)資源，又給人們生活帶來(lái)困擾。在福建地區(qū)木棉樹(shù)已大量存在，以泉州地區(qū)的木棉樹(shù)為例，木棉每年2～4月陸續(xù)開(kāi)花，5月果實(shí)成熟，蒴果開(kāi)裂，木棉絮隨風(fēng)飄落，不僅影響環(huán)境整潔，木棉纖維易進(jìn)入人體鼻腔還會(huì)引起咳嗽、流涕，甚至引發(fā)哮喘等病癥；纖維飄落至皮膚上還容易引起皮膚痛癢、眼結(jié)膜發(fā)炎等過(guò)敏性反應(yīng)[21]。因此，希望通過(guò)對(duì)泉州本地產(chǎn)木棉纖維的性能進(jìn)行探究，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)木棉在市場(chǎng)中的應(yīng)用，有效利用木棉果實(shí)，使木棉變廢為寶是本研究重點(diǎn)。

1 木棉果結(jié)構(gòu)分析

木棉果實(shí)為卵圓形，蒴果開(kāi)裂顯現(xiàn)出果實(shí)內(nèi)橢圓形的種子，棉絮呈灰白色，由果皮內(nèi)壁細(xì)胞蔓延成纖維[22]，即木棉纖維。將采集到的泉州本地木棉(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“泉州木棉”)果實(shí)與印尼爪哇島產(chǎn)的吉貝木棉(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“印尼木棉”)果實(shí)進(jìn)行對(duì)比。

1.1 果實(shí)外觀

印尼木棉果和泉州木棉果的外觀形態(tài)類(lèi)似，但又略有不同。成熟的印尼木棉果長(zhǎng)度為20～30 cm，為細(xì)長(zhǎng)圓柱狀，如圖1(a)所示，其外殼堅(jiān)硬，呈現(xiàn)棕黃色，外皮光滑，但是有凹凸的紋路[23]。泉州木棉果如圖1(b)所示，果實(shí)近似棗核形，中間鼓，兩端稍尖，顏色呈現(xiàn)茶黑色，表面凹凸不平，有細(xì)細(xì)的絨毛。與印尼吉貝木棉果相比，泉州木棉果整體較小，長(zhǎng)度為11～14 cm。隨機(jī)選取2個(gè)印尼木棉果和5個(gè)泉州木棉果，測(cè)量長(zhǎng)度如表1所示。

圖1 木棉果外觀Fig.1 Appearances of kapok fruit

表1 木棉果基本信息Table 1 The specification of kapok fruit

1.2 果實(shí)內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)

木棉花為5片花瓣，蒴果成熟后也分裂為5瓣。沿著蒴果分裂的方向打開(kāi)木棉果，果實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，果皮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有不同，印尼木棉果皮內(nèi)側(cè)為一個(gè)個(gè)橢圓形的小凹坑，而泉州木棉果皮內(nèi)側(cè)很平整，僅有一根沿著果實(shí)長(zhǎng)度方向的分割線(xiàn)。這樣的果皮內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)與纖維的排列方式(見(jiàn)圖3)是一致的。由圖3可知：印尼木棉果內(nèi)，纖維沿橫向呈簇狀排列；泉州木棉果內(nèi)，纖維沿縱向呈列狀排列。

泉州木棉果內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，泉州木棉和印尼木棉的果實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別不大。果實(shí)中部被薄層的木質(zhì)壁(見(jiàn)圖4(a))分為結(jié)構(gòu)相同的5室，5個(gè)薄層的木質(zhì)壁呈五角星狀排列。木棉纖維中散布著黑色的圓球形木棉籽(見(jiàn)圖4(c))，種子和纖維幾乎沒(méi)有黏連。初步測(cè)量發(fā)現(xiàn)，泉州木棉果每一室木棉纖維之間的距離大約為3 cm，木質(zhì)壁平均長(zhǎng)度為10～11 cm，比果實(shí)外殼稍短。

圖2 蒴果皮內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)Fig.2 Inner structure of capsule skin

圖3 纖維排列方式Fig.3 The arrangement of kapok fibers

圖4 泉州木棉果內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 The inner structure of Quanzhou kapok fruit

2 纖維形態(tài)特征分析

2.1 材料

本地木棉，在泉州本地采集的木棉果實(shí)及木棉纖維；印尼木棉，印尼吉貝木棉，由江西瑋譽(yù)家紡有限公司提供。

2.2 測(cè)試指標(biāo)與試驗(yàn)方法

2.2.1 纖維長(zhǎng)度

參考標(biāo)準(zhǔn)GB 1103—2007《棉花 細(xì)絨棉》，將木棉纖維試樣通過(guò)手扯法逐根測(cè)量纖維長(zhǎng)度，盡量保證木棉纖維扯開(kāi)時(shí)不被扯斷，用直尺測(cè)量，并保留一位小數(shù)。

2.2.2 纖維細(xì)度

木棉纖維為圓形截面，直徑可以準(zhǔn)確反映木棉纖維的厚度和非均勻性，因此選擇直徑表征纖維細(xì)度。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10685—2007，將纖維切成片段后放在BM 2000型生物顯微鏡的載物臺(tái)上放大500倍投影，將楔形尺校準(zhǔn)后測(cè)量纖維直徑。

2.2.3 表面蠟質(zhì)含量

采用索氏萃取法，用油脂浸抽器萃取木棉纖維表面的蠟質(zhì)。將燒瓶烘干后，注入有機(jī)溶劑，稱(chēng)取一定質(zhì)量的木棉纖維放入燒瓶，溶解木棉纖維表面蠟質(zhì)，烘干稱(chēng)得燒瓶質(zhì)量為m3，根據(jù)式(1)計(jì)算得到木棉纖維蠟質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Q。

(1)

式中：m1為烘干的空燒瓶質(zhì)量，g；m2為烘干木棉纖維樣品質(zhì)量，g。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 纖維長(zhǎng)度

采用逐根測(cè)量法，分別測(cè)量100根泉州木棉與印尼木棉得到纖維長(zhǎng)度分布，如圖5所示。由圖5可知：印尼木棉的長(zhǎng)度為8.0～34.0 mm，68%集中分布于21.0～34.0 mm；泉州木棉的長(zhǎng)度為10.0 ～30.0 mm，65%集中分布于14.5～27.5 mm。印尼木棉纖維平均長(zhǎng)度為23.5 mm，變異系數(shù)為30.70%；泉州木棉纖維平均長(zhǎng)度為20.2 mm，變異系數(shù)為28.86%。由此可知：印尼木棉平均纖維長(zhǎng)度略大于泉州木棉，且長(zhǎng)纖維分布較廣；印尼木棉纖維長(zhǎng)度分布離散度更高，泉州木棉纖維長(zhǎng)度分布更集中。

圖5 木棉長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig.5 The length statistics of kapok fiber

2.3.2 纖維細(xì)度

木棉纖維細(xì)度一般為15～45 μm[24]，呈現(xiàn)出尾端稍細(xì)、中段較粗、梢端較細(xì)的形態(tài)。不同地區(qū)不同品種的木棉纖維細(xì)度略有差別。采用顯微投影法測(cè)試了200組木棉纖維細(xì)度，如圖6所示。由圖6可知，印尼木棉纖維細(xì)度為5～40 μm，94.5%集中分布于10～30 μm，平均細(xì)度為22.08 μm。泉州木棉纖維細(xì)度為5～40 μm，92%集中分布于15～35 μm，平均細(xì)度為24.26 μm。由此可知，兩種木棉纖維細(xì)度接近，泉州木棉纖維平均細(xì)度更高。

圖6 木棉細(xì)度統(tǒng)計(jì)Fig.6 The fineness statistics of kapok fiber

2.3.3 纖維形態(tài)

在BM 2000型生物顯微鏡的不同放大倍數(shù)下觀察木棉纖維的縱向形態(tài)，如圖7(a)～(d)所示。由圖7(a)～(d)可知，泉州木棉纖維和印尼木棉纖維縱向皆為圓柱形，管壁非常薄，在顯微鏡下可以看到纖維呈透明管狀(圖中黑色為液體進(jìn)入中腔所致)，外表光滑，光澤好，可以觀察到明顯的薄壁中空結(jié)構(gòu)。

圖7 木棉纖維的縱向和橫截面形態(tài)Fig.7 Longitudinal and cross-section morphology of kapok fiber

利用Helios 5UC型掃描電鏡觀察木棉纖維縱向和橫截面形態(tài)，如圖7(e)～(h)所示。由圖7(e)～(h)可知，泉州木棉纖維和印尼木棉纖維縱向?yàn)楣饣瑘A柱形，截面為圓形，同樣為薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，同時(shí)薄壁上分布有無(wú)規(guī)則的裂隙和孔徑，孔徑貫穿整個(gè)細(xì)胞壁，為氣體和油液分子進(jìn)出中腔提供路徑。泉州木棉纖維基本無(wú)轉(zhuǎn)曲，而大部分印尼木棉纖維有轉(zhuǎn)曲，且纖維截面被壓扁。這應(yīng)該是在采集和加工時(shí)，印尼木棉纖維被壓折所致，泉州木棉為手工采集，不存在這樣的現(xiàn)象。

2.3.4 表面蠟質(zhì)含量

木棉纖維表面蠟質(zhì)的存在使其具有天然的親油疏水性能。兩種木棉纖維表面蠟質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。表2中數(shù)據(jù)表明，泉州木棉表面蠟質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于印尼木棉，并且波動(dòng)較小，含量較穩(wěn)定。

表2 木棉纖維蠟質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Epidermis wax mass fraction of kapok fiber %

3 吸油性能分析

3.1 材料

采用第2.1節(jié)中的泉州木棉纖維、印尼木棉纖維進(jìn)行試驗(yàn)；油液為植物油(大豆油)、機(jī)油。采用NDJ-8 S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和4號(hào)轉(zhuǎn)子測(cè)得油液黏度如表3所示。由表3可知，兩種油的黏度百分?jǐn)?shù)均在10%～100%的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)范圍，表明黏度測(cè)量準(zhǔn)確性。

表3 油液黏度Table 3 Oil viscosity

3.2 測(cè)試指標(biāo)與試驗(yàn)方法

利用吸油倍率和保油率兩個(gè)指標(biāo)對(duì)兩種木棉纖維的吸油性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。因?yàn)樯⒗w維質(zhì)量較輕，直接放進(jìn)油液里會(huì)分散開(kāi)，不利于試驗(yàn)后續(xù)的收集和質(zhì)量稱(chēng)取，因此采用無(wú)紡布袋包裹纖維進(jìn)行測(cè)試。每次試驗(yàn)所用的無(wú)紡布袋質(zhì)量相等，故忽略無(wú)紡布袋對(duì)吸油試驗(yàn)產(chǎn)生的影響。

3.2.1 吸油倍率

吸油倍率為木棉纖維吸收油液的質(zhì)量與木棉纖維質(zhì)量的比值。取100 mL的純油液放入500 mL燒杯中，稱(chēng)取2 g木棉纖維放入無(wú)紡布袋中放入燒杯浸泡吸油15 min后取出，置于漏網(wǎng)上靜置20 min后稱(chēng)量。吸油倍率(q)按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：m4為木棉纖維質(zhì)量，g；m5為吸油15 min又靜置20 min后的木棉纖維質(zhì)量，g。

3.2.2 保油率

保油率為木棉纖維吸飽油液后在室溫下放置24 h后，剩余油液質(zhì)量與油液飽和質(zhì)量之比。測(cè)量方法與吸油倍率的測(cè)試方法一致，將試樣在室溫下靜置24 h后稱(chēng)量。保油率(b)按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：m6為吸油后靜置24 h后的木棉纖維質(zhì)量，g。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 吸油倍率

為了明確兩種木棉纖維的吸油性能，選擇原棉纖維、竹原纖維、聚乳酸纖維等3種纖維作為對(duì)比樣。分別取2 g不同纖維置于100 mL大豆油和100 mL機(jī)油中吸油15 min，再靜置20 min,然后根據(jù)式(2)計(jì)算得到吸油倍率的平均值，如圖8所示。由圖8可以看出，不論是純機(jī)油還是純大豆油，木棉纖維的吸油倍率普遍高于其他3種纖維，其中原棉纖維的吸油倍率次之，竹原纖維的吸油倍率最低。

圖8 不同纖維集合體的吸油倍率Fig.8 Oil sorption capacity of different fibers assembly

竹原纖維表面有許多較細(xì)的凹槽，縱向有粗細(xì)分布不勻的橫節(jié)，雖然其也呈現(xiàn)高度中空，但吸水能力更強(qiáng)。聚乳酸纖維內(nèi)部蓬松，分子端基為羥基和羧基[25]，親水性更佳，因此竹原纖維和聚乳酸纖維的吸油性能略差。雖然文獻(xiàn)[26]利用熱處理使竹原纖維表面產(chǎn)生親油性物質(zhì)，提高親油能力，文獻(xiàn)[27]采用靜電紡絲等技術(shù)制備超疏水親油的聚乳酸纖維，但是兩者的吸油倍率仍然不及木棉纖維。原棉雖同為棉纖維，吸油性能優(yōu)于竹原纖維和聚乳酸纖維，但低于木棉纖維。木棉纖維表面有一層烷烴類(lèi)和脂肪酸類(lèi)蠟質(zhì)，使其具有親油疏水的性能。木棉纖維集合體吸附油液主要通過(guò)兩種途徑:一是纖維中腔吸油，木棉纖維細(xì)胞壁上存在著大小不一的巨孔、中孔和微孔，油分子由此路徑進(jìn)入纖維中腔，油液得以?xún)?chǔ)存[18]；二是纖維間隙吸油，纖維集合體中纖維與纖維間隙存在芯吸效應(yīng)，能吸收并儲(chǔ)存部分油液。因此，木棉纖維集合體具有優(yōu)良的油液吸附性能，對(duì)純大豆油的平均吸油倍率高達(dá)41.05。

由圖8可知：2 g泉州木棉纖維在100 mL純大豆油里的平均吸油倍率為41.05，高于印尼木棉(34.00)；2 g泉州木棉在100 mL純機(jī)油里的平均吸油倍率為37.85，高于印尼木棉(32.43)。由第2.3節(jié)可知，泉州木棉纖維與印尼木棉纖維在長(zhǎng)度、細(xì)度等方面相差不大，但泉州木棉纖維表面蠟質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于印尼木棉，因此纖維疏水親油性更強(qiáng)，對(duì)油分子具有更強(qiáng)的吸附能力。

對(duì)比兩種木棉纖維和3種其他纖維對(duì)大豆油和機(jī)油兩種不同油液的吸油倍率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5種纖維對(duì)大豆油的吸油倍率均高于機(jī)油。由于機(jī)油的黏度遠(yuǎn)大于大豆油，而油液黏度較大時(shí)，隨著黏度升高，上油率下降[28]。因此纖維吸附機(jī)油的能力低于大豆油，吸附機(jī)油的速度也低于大豆油。

3.3.2 保油率

2 g不同品種的5種纖維在100 mL大豆油和100 mL機(jī)油中吸油15 min靜置24 h后根據(jù)式(3)獲得保油率結(jié)果,如圖9所示。由圖9所知，木棉纖維的保油率優(yōu)于其他纖維，其中，泉州木棉纖維在純大豆油中的平均保油率為97.48%，在純機(jī)油中的保油率為97.97%，部分試驗(yàn)值高達(dá)99.74%，保油率最佳。木棉纖維的中腔結(jié)構(gòu)為儲(chǔ)存和保持油液提供了絕佳場(chǎng)所，泉州木棉對(duì)油液的保持能力也高于印尼木棉。

此外，機(jī)油的黏度遠(yuǎn)高于大豆油，不容易從纖維中分離。因此，在同樣的試驗(yàn)條件下，5種纖維對(duì)純機(jī)油的保油率都高于純大豆油。

圖9 不同纖維的保油率Fig.9 Oil retention rate of different fibers

3.3.3 循環(huán)使用性能

為了驗(yàn)證木棉纖維的重復(fù)吸油性能，將印尼木棉纖維和泉州木棉纖維在大豆油和機(jī)油中分別重復(fù)使用2～7次，測(cè)試其吸油倍率和重復(fù)使用7次的保油率。木棉纖維重復(fù)使用的吸油倍率如圖10所示。

圖10 木棉纖維集合體重復(fù)使用的吸油倍率Fig.10 Oil sorption capacity of recycling kapok fiber assembly

從圖10中可以看出:隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，兩種木棉纖維的吸油倍率都呈下降趨勢(shì)，且數(shù)據(jù)波動(dòng)增大；重復(fù)使用2次和3次時(shí)，纖維吸油能力急劇下降；隨著使用次數(shù)持續(xù)增加，纖維吸油能力下降趨勢(shì)減緩，基本保持穩(wěn)定；但重復(fù)使用7次使用時(shí)，纖維吸油能力又開(kāi)始下降。因此，木棉纖維吸油材料的重復(fù)使用次數(shù)最好不要超過(guò)6次。泉州木棉纖維重復(fù)使用7次時(shí)：對(duì)大豆油的平均吸油倍率為22.83，平均保油率為85.1%；對(duì)機(jī)油的平均吸油倍率為19.53，平均保油率為89.3%。印尼木棉纖維重復(fù)使用7次時(shí)：對(duì)大豆油的平均吸油倍率為18.17，平均保油率為88.3%；對(duì)機(jī)油的平均吸油倍率為17.54，平均保油率為87.8%。兩者與聚丙烯纖維的吸油能力類(lèi)似。此外，泉州木棉纖維的重復(fù)吸油能力略?xún)?yōu)于印尼木棉纖維。

4 結(jié) 語(yǔ)

為充分利用國(guó)產(chǎn)木棉的優(yōu)良特性，將泉州木棉在果實(shí)、纖維形態(tài)特征和吸油性能等方面與印尼木棉進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1)泉州木棉果和印尼木棉果的外觀形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較接近，但泉州木棉果呈茶黑色，表面有細(xì)微絨毛，果實(shí)形狀為棗核形，果實(shí)長(zhǎng)度和周長(zhǎng)普遍較小。泉州木棉果實(shí)內(nèi)部由木質(zhì)壁均勻分為五室，纖維緊貼木質(zhì)壁生長(zhǎng)，沿著果實(shí)方向呈列狀排列。

(2)泉州木棉纖維長(zhǎng)度為10.0～30.0 mm，集中分布于14.5～27.5 mm，平均長(zhǎng)度為20.2 mm，略小于印尼木棉，但長(zhǎng)度分布更均勻。纖維細(xì)度與印尼木棉接近，分布于5～40 μm，集中分布于15 ～35 μm。纖維縱向呈圓柱形，表面有光澤，纖維壁很薄，截面為圓形，可以觀察到明顯的中空形態(tài)。泉州木棉纖維的蠟質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.660%，高于印尼木棉纖維。

(3)泉州木棉纖維在純大豆油里的平均吸油倍率為41.05，平均保油率為97.48%；在純機(jī)油里的平均吸油倍率為37.85，平均保油率為97.97%。泉州木棉纖維的吸油性能高于印尼木棉纖維。

(4)木棉纖維的重復(fù)吸油性能較好，為了保證吸油質(zhì)量，重復(fù)使用次數(shù)以6次為宜。