張明宇，譚艷君，劉姝瑞

(1.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安710048；2.偉格仕紡織助劑(江門)有限公司，廣東江門529000)

0 前言

木棉纖維是在屬于吉貝屬吉貝種、木棉屬的長果木棉種和木棉種的植物果實蒴果殼體內發(fā)育、生長的纖維，無需去除棉籽，其與內壁間的黏附力小，容易分離。我國生長的木棉為落葉大喬木，木棉種[1－2]。木棉本身具有活血、清熱、消腫等藥用功效，木棉纖維細、短、輕、中空度高。因此，木棉纖維及其混紡、交織、復合材料不僅可用于保暖、抗菌防蟲、保健、吸濕導熱等紡織領域，同時在吸油吸附、吸聲、過濾等產業(yè)用紡織材料領域也有廣闊應用前景[3－4]。

1 木棉纖維的結構及性能

1.1 木棉纖維的結構

木棉纖維表面光滑，其圓柱形并伴有細小凸痕的縱向形態(tài)，橢圓形或圓形的橫截面，80%～90%中空度的中腔結構，使得纖維表面光澤好，纖維壁薄，幾乎透明，密度小，可作為填充材料、救生材料，承重20～36倍于自身的重力于水面而不下沉[5]。

由表皮層和主體結構組成的木棉纖維，表皮層主要包含強堿易腐蝕的半纖維素和木質素，纖維壁上為沿著纖維軸向，緊密交叉、直徑約0.93μm的原纖維或細絲整齊聚集而成，接縫中的樹皮或鱗形狀的螺旋狀帶狀單元，是像復合材料一樣填充的木質素和半纖維素，與纖維的軸向有很高的一致性[6－7]。

1.2 木棉纖維的性能

木棉纖維的中空度高，質量超輕，導熱系數小，細度細，是良好的保暖材料，再加之細胞壁表面的溝槽和凹凸痕，吸濕放濕性良好，但其強度低，耐稀酸、稀堿，不耐強酸，經強堿處理后，纖維結構塌陷變成扁平狀，細胞壁變薄、強力降低、彈性受損、手感光澤變差[8－9]。但木棉纖維經過濃堿快速處理放置幾秒后，纖維的中空度會迅速回復，幾乎無損傷。同時木棉纖維具有良好的抗靜電性、導濕放濕性、隔熱保暖性、熱舒適性和較中空滌綸好的染色均勻性[10]。

經劉杰等人發(fā)現，木棉纖維面料的芯吸高度、擴散面積與木棉纖維的比例呈線性正相關。這是由于木棉纖維對去離子水的靜態(tài)接觸角大，表面潤濕性差，屬低能表面材料[11]。與棉纖維相比，木棉纖維表面的疏水性稍強，回潮率、吸放濕性、吸放濕速率均較好；與純棉面料相比，木棉纖維面料的液態(tài)水傳遞性能較佳。

木棉纖維具有優(yōu)異的保暖性。張芳芳等人發(fā)現木棉纖維的填充度增加，保暖性先增大后下降，填充度為0.3時，保暖性最大。具有0.3填充度的木棉纖維，與聚酯纖維、棉纖維相比，其透濕性、保暖性均更佳，還兼具隔熱透濕、中空超輕、天然抗菌等性能，故在紡織服裝面料應用上具有極佳的應用空間[12]。張振方等人發(fā)現控制木棉纖維集合體的體積質量，可使得纖維集合體保持較多的靜止空氣，提高面料保暖性，而壓縮木棉纖維，因纖維被擠壓，擁有的靜止空氣較少，升降溫速率比未壓縮木棉和灰鴨絨均快很多，保暖性最差[13]。

對木棉纖維織物的綜合熱舒適性探討，劉杰等人分別制備了含7種不同木棉纖維比例的織物，并對其透濕透氣性、導濕快干性、保暖性、瞬間放熱量進行了研究，并綜合評估了織物的熱舒適性。木棉纖維含量越高的織物，熱舒適性越優(yōu)異，低木棉纖維含量的織物的熱舒適性與全棉織物都具有中等的熱舒適性，含滌綸織物的熱舒適性較差。同時含木棉纖維的織物均接觸暖感佳，觸感溫暖，保暖性良好[14]。

2 木棉纖維在紡織上的應用

2.1 木棉纖維紡紗研究

木棉纖維含纖維素少，含木質素多，纖維表面因有蠟質而抱合力差、表面光滑、轉曲少，細度小、主體長度偏短、高含雜率、低整齊度的木棉纖維，扭轉剛度大、單纖強度差、成熟度差異大、色澤均勻性差，導致紡紗斷頭率高、加捻效率低、可紡性差，需提升紡紗技術水平[15]。

有研究發(fā)現，含木棉纖維的緊密紡紗混紡紗線與全棉環(huán)錠紡紗相比，其毛羽稍差、條干較均勻，木棉纖維主要在紗線表面，且已被壓扁，但木棉纖維可自身回復中空形態(tài)，具有成束趨勢，同時在紗線表面可使其保持較好的中空度及可回復中空，紗線放置時間越久，木棉纖維中空度越高，混紡紗線表面的中空度也越高[16－18]。

周思婕等人對木棉纖維、棉纖維、亞麻、粘膠等使用嵌入式復合紡紗，得到了亞麻/木棉/棉/粘膠21/33/23//23的嵌入式復合紡紗工藝[19]。王靜選用白色的木棉纖維、淺灰色的聚酯基咖啡碳纖維，以45∶55的比例，經過預處理、開清棉、梳棉、并條、粗紗、細紗等工序，紡制40S/1咖啡碳/木棉55/45抗菌保暖多功能混紡淺灰針織紗[20]。王宗文等人發(fā)現木棉纖維SIRO紡包芯紗的細紗捻度達到每英寸24捻回、后區(qū)牽伸為1.25倍時，含30%木棉纖維的雙包芯紗強力最佳、條干CV最小、3mm毛羽指數小，改善了所織面料緯向斷裂強力[21]。張圣忠等人首先對木棉纖維進行預處理，然后使用小比例混紡技術，將3種超細柔纖維木棉纖維、有機棉、澳毛按20/70/10的比例采用聚絨紡技術得到32S/1有機棉/木棉/澳毛70/20/10超短細柔纖維多組分復合紗線，可應用于高檔紡織品[22]。

2.2 吸油吸附材料

在現階段的生產生活中，油煙油液、污漬廢煙氣時常出現，甚至產生有害物質，不僅對人體會產生危害，還會對環(huán)境生活造成污染。而當溢油漏油、油煙廢氣出現時，我們需要一種材料能夠吸附快、效果好、成本低、可生物降解且可循環(huán)使用。木棉纖維吸附三種不同粘度的植物油、汽油、潤滑油均符合準二級動力學模型、Langmuir等溫吸附熱力學模型，25℃條件下的最大吸附量分別是21.2、18.6、26.1g/g[23]。因木棉纖維壁薄中腔大，高孔隙率的中空結構可儲大量油/液，中腔通過物理吸附儲油后，纖維間發(fā)生黏連和折痕，油的粘度越大，纖維間黏連增強，吸附效果越好[24]。同時木棉纖維可生物降解，故木棉纖維及其復合材料、改性材料可作為良好的吸油吸附材料。

木棉非織造布因木棉纖維的中空圓形結構，具有多而大的可吸收大量油液油煙的孔徑，且其熱穩(wěn)定性好。與粘棉、黏膠、全面非織造布相比，徐夢成發(fā)現，在油液吸附方面，木棉非織造布的鋪展速率大，表面能稍小，最大芯吸高度較小，吸附油液的毛細吸收系數偏小、吸附速率較慢、達飽和吸油時間最長[25]。在油煙吸附方面，木棉纖維中腔、纖維表面、纖維交叉點上均有吸附油煙后的液滴附著，吸附10小時后未達到飽和，對機油、植物油的吸附效率分別為11.29%、3.27%。

改性木棉纖維，可提升吸油材料的吸附性能。王錦濤等人使用基材木棉纖維、37.5%?；瘎┮宜狒?.3mmol/L催化劑NBS，在70攝氏度低溫條件下乙?；男阅久蘩w維，反應1小時，達最大吸油率，顯著提高了對甲苯、氯仿、環(huán)己烷的吸油倍率[26]。岳新霞等人對木棉纖維采用乙酸酐改性，纖維表面出現褶皺、變粗糙，結晶區(qū)變小，吸附柴油量提升2.5倍，吸油瀝干2小時的保油率為84.8%，重復使用5次后，吸油量下降不到三層[27]。柴文波使用物化法、化學法、生物法分別改性木棉纖維，并以此作為基體，分別制備改性石墨烯浸涂木棉纖維、超疏水二氧化鈰改性木棉纖維、纖維素酶改性纖維三種吸油材料，前者對油的吸附量在85%以上；化學法、生物法改性的木棉纖維的吸油過程均符合Lagergren準二級動力學方程，前者符合Freundlich等溫式，吸油3分鐘左右達飽和，可循環(huán)利用。通過綜合考慮成本、回用情況、吸油效果，纖維素酶生物法改性的木棉吸油材料是最佳的吸油材料[28]。

以木棉為基體，制備吸油復合材料的技術研究，胡薇薇等人，在95℃溫度下，通過引發(fā)劑過氧化苯甲酰產生的自由基，引發(fā)基材木棉纖維的纖維素大分子鏈的羥基，生產活性中心，并與2 mol/L接枝劑甲基丙烯酸甲酯發(fā)生接枝共聚反應，反應時間1小時，制備出表面較為粗糙、能提升吸柴油能力的木棉基復合材料[29]。喬娟等人對木棉纖維和聚乳酸纖維使用非溶劑誘導相分離技術，制備吸油速率快、可生物降解、可循環(huán)利用的具有三緯結構的復合多孔吸油材料。三維結構比二維結構吸油速率快，且吸油后可無需焚燒、填埋，可生物降解成水和二氧化碳；木棉纖維的長度和質量分數與吸油性能呈正相關[30]。董智賢等人，將木棉纖維與硅烷偶聯(lián)劑、Fe3O4、分散介質制備的分散液進行混合，并除去纖維中的液體，干燥后制得的木棉纖維基磁性復合材料，有效提升了材料的吸油率，且吸油后可回收，同時自身可降解，無二次污染[31]。

崔美琪等人，對木棉/PET/ES纖維集合體的吸收柴油、機油、植物油的性能進行了測試及評價，發(fā)現吸油倍率為40g/g～63g/g，能去除97%及以上的水油液中的油液，去油效果優(yōu)異，同時能保持較長時間，保油率大于80%，可以說此集合體具有優(yōu)異的油水選擇性[32]。

對木棉纖維粉末吸附材料的研究，徐艷芳等人使用機械切割木棉纖維，制備長度在幾十微米至2毫米的，比表面積大于木棉原纖維的木棉纖維粉末材料。該粉末材料對PAO4和礦物油的接觸角小于90度，對水接觸角為136度，具有疏水親油性，但機械切割后，材料的體積密度增大，纖維孔隙減少，故較原木棉纖維的吸油量下降近一半。對于同體積密度的吸附材料，木棉纖維粉末吸附PAO4合成油的速率提高，礦物油的飽和吸油量也得到提高[33]。

因木棉纖維獨特的中腔結構，纖維材料吸水性也很好。方海慧等人發(fā)現經堿處理的木棉纖維，吸水倍率提升1.5倍，斷裂強力、斷裂伸長率分別提高0.5cN～4cN，18%～40%。木棉纖維在真空條件下處理，吸水倍率提升2倍[34]。

對有機物的吸附性能，韓笑等人在450℃氬氣氣氛下，使用氯化鋅、氫氧化鈉化學活化木棉纖維，制備比表面積1394m2/g、平均孔徑1.718nm、總孔容0.6cm3/g的由無定形碳組成的、具有大量微孔結構的木棉基活性碳纖維。與活性碳相比，該纖維制品對二氯甲烷的吸附量提高1倍多，對揮發(fā)性有機物具有較好的濃縮富集作用，30℃，甲苯、苯的飽和吸附量分別為479mg/g、359 mg/g，吸附效果佳[35]。

木棉纖維因其優(yōu)異的吸附性，可作為高性能空氣過濾材料的新選擇。楊家喜通過預處理木棉纖維，增加纖維對柴油、機油燈的吸油率、并對木棉纖維過濾紙業(yè)材料的制備進行研究，并使用固體氣溶膠、液體氣溶膠對過濾材料的檢測，發(fā)現木棉纖維的應用可提高空氣過濾效果、容塵性能[36]。

2.3 吸聲材料

針對木棉纖維特殊的大中空、壁薄結構，其在吸聲材料領域也有較好的應用。田媛媛等人，選用基體為乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)粉末，增強材料為木棉纖維，使用熱壓法制得木棉/EVA吸聲復合材料，其無論在低頻、中頻還是高頻環(huán)境中，均有優(yōu)異的吸聲性能，頻帶也較寬。增大木棉復合材料密度，吸聲系數曲線總體增大，向低頻移動；高頻區(qū)域，材料密度增大，吸聲曲線降低；在合適的熱壓溫度和時間下，材料壓制越均勻，內部孔隙越多，分布越均勻，吸聲性能越好。在中低頻區(qū)域，吸聲系數曲線因木棉纖維占比的增大而向低頻移動；在高頻區(qū)域，曲線出現上升趨勢；材料厚度增加，吸聲系數曲線，向低頻移動[37]。

劉雪亭等人將中空滌綸、木棉纖維按1∶1等比例混和，制備針刺非織造布，與樹皮縐和兩層蜂巢機織物使用紗線縫合的技術，制備輕薄吸聲復合材料。其中非織造布為底層，蜂巢機織物為中間層，樹皮縐機織物為上層，是可用于建筑、汽車內飾、高鐵等領域的可工業(yè)化生產的低頻寬頻的吸聲復合材料[38]。

2.4 保暖材料

目前，羊毛、羊絨纖維是天然保暖纖維中保暖性最好的，但產量有限、價格昂貴。木棉纖維因其獨特大中空結、壁薄、質輕、保暖性好而受到重點關注，但木棉纖維長度短、紡制困難，也受到一定的限制。

賈芳等人分別以1∶1、3∶7的比例混合加工木棉/羊毛保暖絮片，并對比純滌綸、純羊毛保暖絮片，發(fā)現純羊毛和含木棉纖維的絮片，保暖性均遠比純滌、純羊毛絮片好，加入木棉纖維的絮片保暖性略低于純羊毛絮片，但含木棉纖維的絮片透氣性最佳；加入木棉纖維的絮片的尺寸穩(wěn)定性，在純羊毛、純滌綸絮片間，隨木棉纖維的占比越多越好；木棉/羊毛保暖絮片是綜合性能最佳的保暖絮片[39]。周靜怡使用纖維開松混合、梳理、鋪網、針刺(針刺密度10刺/cm2)、熱熔粘合(125℃2分鐘)的加工工序將木棉纖維、羊絨、ES纖維、遠紅外滌綸纖維按30%、20%、20%、30%的比例進行混合，制備出各項性能最佳的三維結構保暖絮片[40]。將羊毛、羊絨纖維與木棉纖維復合的保暖材料，可體現各優(yōu)異特性、互補、降成本，昰新保暖材料的應用研究方向。

木棉纖維的保暖性雖較羊絨稍差，但也比其他纖維包括中空滌綸、中空棉好很多。陳麗麗等人，用木棉、棉纖維，織造了不同緯密、不同組織結構、不同含量的木棉纖維混紡織物，發(fā)現蜂巢組織，組織結構越松厚的織物，經緯紗的交織次數需越少，保暖透氣性會越好；體積密度越大保暖性降低，隨緯密增加，木棉纖維的占比增高，面料保暖性提高，透氣性降低；當含20%木棉纖維時，越松厚的面料組織，越少的經緯紗交織次數，面料保暖透氣性就越好[41]。

2.5 服裝家紡面料

木棉纖維因其輕便、貼身舒適、中空保暖、天然可降解，有一定的抗菌性，在服裝面料上，可用于無縫針織面料、機織防紫外面料、夏季服裝面料、毛巾布、抗菌襪[42]等。

無縫針織技術是一種以人體生理機能、曲線為基礎，依托電腦設計的一體成衣針織技術。木棉纖維的引入，擴展了無縫服裝的保暖舒適的新領域。沈利恩通過使用木棉纖維的無縫針織面料和毛圈木棉無縫針織物的物理機械性能、熱濕舒適性能的研究，設計開發(fā)了一套秋冬款女式木棉針織無縫內衣[43]。對于錦綸/木棉纖維混紡交織的無縫針織面料來講，組織結構和交織比例相同的面料，隨木棉纖維在面紗含量中的比例的增加，面料的保暖、透濕、吸濕性越好，拉伸回復性、褶皺回復性、頂破性、剛柔性、透氣性會變差；組織結構和面紗原料相同的面料，隨木棉纖維交織比例的降低，面料的保暖、透濕、吸濕性變差，拉伸回復性、褶皺回復性、頂破性、剛柔性、透氣性會變好；緯平針組織的無縫針織面料的剛柔性、透氣性最好，3＋1假羅紋的拉伸回復性、頂破性、保暖透濕性最好；面紗采用棉/木棉纖維70/30，按100∶0交織的3＋1假羅紋無縫針織面料的綜合服用性能最佳。對于毛圈木棉無縫針織面料來講，面紗原料相同的面料，隨毛圈紗木棉纖維的占比增加，面料保暖性、吸濕透濕性、接觸冷感變好，而面料的透氣性、熱傳導性變差；對于擁有相同原料毛圈紗的無縫面料，棉/木棉70/30的混紡面紗織物的保暖性、透氣性、接觸冷感較好，棉/木棉/天絲50/30/20混紡面紗織物的吸濕透濕、熱傳導性較好。綜合來講，當面紗與耳圈紗均使用棉/木棉70/30紗時，面料的綜合熱舒適性最好。

俞儉等人研究了木棉纖維占木棉/棉混紡紗的比例對織物的服用性、力學性進行研究，發(fā)現木棉纖維的含量增加，面料的折皺回復性、保暖性、芯吸性、抗紫外性提高，拉伸強力、親水性降低，透氣性、懸垂性、耐磨性、抗起毛球變差，當占比為50%時抗紫外效果佳，所織紡織品可為防紫外功能面料[44]。王明芳等人，對同規(guī)格、不同木棉纖維含量的木棉/棉混紡面料對比發(fā)現，含木棉纖維的量越大，面料的保暖透氣性、抗紫外性均提高，懸垂性、折皺回復性、紗線力學性能降低。木棉纖維的加入，質感更輕，提高了面料的保暖透氣性、抗紫外性，但折皺回復性沒有純棉面料好。因此，在服裝面料開發(fā)中，可將木棉纖維與棉纖維以超過30%比例混紡，采用較為疏松的緞紋、斜紋組織，來做為夏季服裝面料[45]。張瑾等人使用棉/木棉混紡紗、純棉紗，織造不同經緯密的紗線，并增加絲光、防羽等后整工藝，探討機織面料的阻螨性，發(fā)現同織物緊密度下，使用含木棉纖維的混紡紗，防螨性能較好；同原料、同紗線線密度，高密織物的防螨性能佳，織物緊密度與防螨性能呈現正相關性；絲光、防羽整理會在一定程度降低防螨效果，故此類情況需提高木棉纖維含量及面料的緊密度[46]。

對于羽絨服裝家紡防鉆絨面料，邱成等人采用以天絲長絲做芯紗，木棉纖維以螺旋式包纏芯紗天絲而紡成的木棉包芯紗作為緯紗和經紗，替代傳統(tǒng)的防鉆絨紗線，選用平紋組織結構，織成柔軟輕薄、觸感細膩滑爽、保暖透氣、抗菌防蛀、親膚的超柔超薄防鉆絨面料[47]。

經研究木棉混紡毛巾發(fā)現，同規(guī)格的毛巾，木棉纖維加入后，毛巾的吸水性增強、厚度變薄、表面摩擦減小、透氣性變差。在濕態(tài)下的木棉混紡毛巾，比干態(tài)柔軟，懸垂性更佳、表面摩擦更好[48]。但木棉纖維易發(fā)生掉絮，在開發(fā)設計需改善工藝參數，降低毛巾的掉絮和提升透氣性。

2.6 木棉纖維在其它紡織上的應用

王洪等人將中空度達80%的木棉纖維與黏膠纖維按30/70比例共混、成網，通過水刺加工，制備非織造材料，用于面膜基布。由于木棉纖維基本保持空腔結構，面膜吸收性增強，變得更柔軟蓬松、透氣性良好、親水性佳[49]。孫信等人，將木棉/PP作為面膜吸放控制層，與錦綸彈力布、木漿/黏膠保濕層，制備的彈力基濕法水刺面膜基布，因為吸放控制層30%～60%的8～12毫米長的木棉纖維的添加，增強了面膜基布的帶液率、貼敷性[50]。

3 展望

木棉纖維作為一種天然可降解的高中空結構的纖維材料，在環(huán)保日益?zhèn)涫苤匾暤漠斚?，成為可替代中空滌綸等保暖化學纖維的材料。目前木棉纖維在非織造領域、復合材料領域應用較多，因其紡紗相對困難，在織造領域，尤其昰針織面料應用領域相對較少，隨著不斷攻克、提升紡木棉紗的技術難點，未來木棉纖維在織造領域將出現突破性進展。無論是作為天然環(huán)保可降解的產業(yè)用紡織品、家用紡織品，還是舒適、抗菌、吸濕保暖的服裝面料紡織品，都將成為開發(fā)的新焦點與新趨勢。