新黏胶纤维的结构与吸湿性能研究*

连文伟 张 劲 李明福 邓干然 薛 忠 何俊燕 黄 涛 庄志凯

(中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江，524091)

目前我国的纺织业进入了转型和创新发展的关键时期。然而，人口众多、耕地少制约了棉、麻等天然纤维的种植面积。虽然依靠科技进步，棉花的单产有所提高，但仍然满足不了我国纺织业的市场需求，目前仍然需要大量进口［1］。同样在世界上，纤维领域中天然纤维的比重越来越少，而它的珍贵度越来越高［2］。

如何寻找和开发新的天然纤维资源，特别是对速生植物纤维素的基础性科学研究和开发利用，将有助于开拓纺织原料的来源，缓解制约我国纺织工业发展的瓶颈问题［1］。

香蕉和菠萝都是热带著名的水果，2011年我国种植面积分别为36.67 万 hm2［3］和 5.53 万 hm2［4］。从种植到收获仅需12～18个月时间，水果采收后的香蕉茎杆和菠萝叶片可以提取纺织原料——一种新型环保的天然纤维［5-6］。

以香蕉茎杆纤维和菠萝叶纤维为原料，从中提取纯净的纤维素，经烧碱、二氧化硫处理制备成黏稠的纺丝溶液，采用湿法纺丝制造而成的新黏胶纤维已有文献［7-8］论述。本文对香蕉黏胶纤维、菠萝黏胶纤维、普通黏胶纤维的结构和吸湿性能进行了对比分析，希望通过这项研究得到有关吸湿的性能参数，根据其优缺点和特有的性能，为今后继续研发产品提供理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以中国热带农业科学院提取的香蕉茎杆纤维和菠萝叶纤维为原料，与山东海龙股份有限公司国家级技术中心合作，利用黏胶中试生产线联合研究试制出香蕉黏胶纤维和菠萝黏胶纤维。普通黏胶纤维(棉型)由湛江纺织集团提供，材料规格如表1所示。

表1 材料规格

1.2 试验仪器

傅里叶交换红外光谱仪，德国Bruker公司;S-4800型扫描电子显微镜，日本日立公司;YG747型八篮恒温快速烘箱，南通三思机电科技有限公司;YG501D型透湿试验箱，上海丽驰计量仪器有限公司;电子天平(精确度0.000 1 g)、玻璃干燥器、玻璃皿、密封称量盒等。

1.3 纤维结构表征分析方法

1.3.1 形态结构观察

纵表面形态:将黏胶纤维试样平铺于样品台上，经真空溅射镀金后，采用S-4800型扫描电镜观察黏胶纤维的表面形态。

横截面形态:将黏胶纤维试样切片后固定于样品台上，经真空溅射镀金后，采用S-4800型扫描电镜观察黏胶纤维的截面形态。

1.3.2 红外光谱分析

将黏胶纤维制作成细粉末，与KBr粉末混合均匀后压片制成样品，通过傅里叶红外光谱仪，在4 000～500 cm－1范围内扫描进行红外光谱测定。

1.4 性能测试

1.4.1 吸湿试验

依据GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定烘箱干燥法》和GB 6529—1986《纺织品的调湿和试验用标准大气》，采用烘箱干燥法。称取约1 g质量的黏胶纤维试样后放置在40～50℃烘箱内干燥1 h，降低黏胶纤维试样的回潮率，称取试样的初始质量。将试样放置在玻璃皿中，保持蓬松状态下进入吸湿过程，每隔5 min记录1次试样质量，直至纤维在标准状态(热带)下达到吸湿平衡。试样在105℃烘箱内烘干，密闭冷却，称取干质量，计算回潮率。

1.4.2 放湿试验

依据GB/T 9995—1997和 GB 6529—1986，采用烘箱干燥法。称取约1 g质量的黏胶纤维试样后放置在YG501D型透湿试验箱内，在相对湿度为100%的环境中放置96 h，让试样充分吸湿;然后在标准状态(热带)下测试试样放湿过程，每隔5 min记录1次试样质量变化;在试样达到放湿平衡后，将试样烘干，密闭冷却，称取干质量，计算回潮率。

1.5 数据处理

根据以上检测的统计数据，采用SAS数据分析软件进行黏胶纤维的回潮率对时间的相关关系以及回潮率对吸湿、放湿速率相关关系的回归分析。

2 结果与讨论

2.1 纤维形态结构

香蕉黏胶纤维、菠萝黏胶纤维和普通黏胶纤维的截面和表面形态的扫描电镜照片见图1。从三种纤维的截面形态图可以看出，它们的横截面都呈不规则锯齿形状，具有缝隙空洞多的较疏松结构;从表面形态图可以看出，菠萝黏胶纤维表面光洁，无明显裂纹，而香蕉黏胶纤维和普通黏胶纤维同样纵向平直，均为带有平直纵条纹的柱体，表面光滑且有深浅不一的沟槽和裂缝，但香蕉黏胶纤维表面较粗糙。三种黏胶纤维的内层结构疏松、有空隙，表面的结构较紧密和光滑，都具有皮芯层结构［7-9］。

图1 三种纤维的截面形态和表面形态

2.2 红外光谱分析

根据红外光谱的吸收图谱可推断出黏胶纤维所含基团和化学键类型及数量。由图2可知，三种黏胶纤维的红外光谱吸收图谱基本相似，表明它们主要成分的化学结构相同，说明这三种纤维都属于纤维素纤维。由图2所得到的主要基团及对应的吸收谱带情况见表2。由表2可以看出，三种纤维的主要基团和键的位置基本上未发生位移，它们的区别在于O—H和C—O—C峰的强度有些差异［8-10］。

图2 三种纤维的红外光谱图

表2 试样的主要红外线特征吸收峰(单位:cm－1)

红外光谱能够确定纤维素纤维的结晶度及不同生产方式对纤维素纤维结晶度的影响程度，红外结晶度指数反映了纤维素纤维结晶度的大小。O’Connor［9］等分别用物理和化学的方法对纤维素进行处理后，对纤维素结构进行研究时，发现1 429 cm－1谱带的强度随结晶度的降低而下降，893 cm－1谱带的强度随结晶度的降低而升高。因此他们首先提出了用A1429/A893作为结晶度指数分析纤维素的结晶度，得出的结果与用密度法的结果一致。三种纤维的红外结晶度指数见表3。

表3 试样黏胶纤维的红外结晶度指数

2.3 纤维吸放湿性能分析

图3(a)是三种纤维的吸湿曲线，可以看出:三种黏胶纤维的吸湿曲线相似，在120 min左右达到吸湿平衡。在吸湿初始阶段，香蕉黏胶纤维速率最快，始终高于另两种。随着吸湿时间的增加，纤维的回潮率变化缓慢，在120 min后达到吸湿平衡。此时，吸湿平衡回潮率分别是香蕉黏胶纤维20.5%、菠萝黏胶纤维18.4%、普通黏胶纤维18.9%。

图3(b)是三种纤维的放湿曲线。可以看出:三种黏胶纤维的放湿曲线也相似，呈前快后慢的特点。比较初始回潮率的高低情况，菠萝黏胶纤维﹥香蕉黏胶纤维﹥普通黏胶纤维。三种黏胶纤维均在120 min后达到放湿平衡，放湿平衡回潮率分别为香蕉黏胶纤维26.3%、菠萝黏胶纤维26.8%、普通黏胶纤维24.6%。

图3 三种纤维的吸放湿曲线

香蕉、菠萝、普通三种黏胶纤维的吸湿滞后值分别为5.8%、8.4%、5.7%。吸湿滞后值与纤维的吸湿能力有关，一般规律是吸湿性大的纤维吸湿滞后值比较大［10］。可见，菠萝黏胶纤维的吸湿性大于香蕉黏胶纤维和普通黏胶纤维。

2.4 吸湿、放湿回潮率回归方程的建立

根据纤维在吸放湿过程中回潮率和时间关系的曲线，通过菲克方程推导出其理论曲线为指数函数。因此将吸湿回潮率(W吸)和放湿回潮率(W放)对时间(t)的回归方程通式表示为:

式中:W吸、W放——吸湿、放湿回潮率，%;

t——时间，min;

a、b、c——常数。

利用SAS分析软件，将试验数据进行曲线拟合，得到三种纤维在吸、放湿过程中回潮率对时间的回归方程如下:

吸、放湿过程中的回潮率曲线见图4。

对菠萝黏胶纤维吸湿、放湿等回归方程进行方差分析，见表4，回归结果显著。

表4 菠萝黏胶纤维吸湿回归方差分析表

2.5 吸湿、放湿速率回归曲线的建立

从图3和图4可以看出，三种纤维在吸、放湿整个过程中的吸、放湿速率是不断变化的，且吸、放湿速率也会影响到服装面料的热湿舒适性和纤维吸湿、放湿的快慢程度。因此，有必要建立纤维吸、放湿速率的回归曲线来掌握其变化规律。

纤维吸湿、放湿速率的物理意义是:在标准状态下，单位质量的纤维瞬间吸收或放出水分的量，可表示为:

结合式(1)，可得到纤维吸、放湿速率回归方程通式:

式中:V吸、V放——吸、放湿速率，g/min;

b、c——常数。

根据式(2)～式(7)，可得到三种纤维的吸、放湿速率回归方程:

图4 吸放湿过程回潮率回归曲线

根据吸湿、放湿速率回归方程(10)～(15)绘制三种纤维的吸湿、放湿速率回归曲线，如图5所示。在整个吸放湿过程中三种纤维的吸湿、放湿速率不断发生变化，当吸放湿初始时，纤维吸湿、放湿速率最大;随着时间的延长，纤维的含湿量不断增大或减小，纤维吸湿、放湿速率呈指数形式衰减;纤维达到吸放湿平衡时，其吸湿、放湿速率降到最小，最终趋近于零。

图5 吸放湿速率回归曲线

由图5(a)可以看出:当吸湿初始时，香蕉黏胶纤维的吸湿速率最大，在60 min附近处与菠萝黏胶纤维和普通黏胶纤维的吸湿速率曲线重合在一起;随着时间的增加，吸湿速率减小，大约在130 min后趋近于零，达到吸湿平衡。由图5(b)可知:在放湿初期，菠萝黏胶纤维的放湿速率最快，香蕉黏胶纤维居中，普通黏胶纤维较慢;60 min后三种纤维的放湿速率逐渐减小，在130 min左右放湿速率曲线趋近于零。

以上现象的形成与黏胶纤维内在的结构有关，三种黏胶纤维都属于纤维素纤维，有相同的化学结构和较强的亲水基团。但它们的形态结构和集聚态结构有所不同，因此造成了它们的吸湿性差异。在形态结构方面，香蕉黏胶纤维不仅与普通黏胶纤维、菠萝黏胶纤维的表面和截面形态相似，有较大的比表面积，而且表面粗糙程度更高。比表面积越大，吸湿性也越大［11］。香蕉黏胶纤维表面吸附能力大，吸湿的动力比另两种黏胶纤维多，所以吸湿初期速率最快。在集聚态结构方面，菠萝黏胶纤维的结晶度最低，存在较大的无定形区，吸湿主要发生在无定形区［10］，吸湿的区域较多，所以吸湿量增加;在放湿初期，纤维均释放毛细水，故在一定时间内，菠萝黏胶纤维的毛细水减少最多，并且纤维具有较高的比表面积，表面有沟槽，截面呈锯齿形，缝隙空洞多，产生毛细管现象，使得纤维输水快速扩散和挥发，因而能迅速将吸收的水分子排放到外层蒸发，即放湿速率最快［12］。

3 结论

(1)香蕉黏胶纤维、菠萝黏胶纤维和普通黏胶纤维的形态结构相似，表面结构较紧密和光滑，截面呈不规则锯齿形状，内层结构疏松、有空隙，都具有皮芯层结构。但香蕉黏胶纤维较普通黏胶纤维和菠萝黏胶纤维表面粗糙度高。

(2)通过红外光谱分析发现:三种纤维的红外光谱吸收图谱基本相似，都具有纤维素的特征吸收峰，因此它们都属于纤维素纤维。

(3)三种纤维的红外结晶度指数为普通黏胶纤维最大，香蕉黏胶纤维居中，菠萝黏胶纤维最小。

(4)三种纤维的吸湿滞后值大小顺序为菠萝黏胶纤维＞香蕉黏胶纤维≈普通黏胶纤维，证明菠萝黏胶纤维具有较好的吸湿、放湿性能。

(5)香蕉黏胶纤维的吸湿速率高于菠萝黏胶纤维和普通黏胶纤维;随着时间的延长，三种纤维的吸湿速率减小，在130 min后达到吸湿平衡。

(6)菠萝黏胶纤维的放湿速率最快，香蕉黏胶纤维居中，普通黏胶纤维最慢;随着时间的延长，三种纤维的放湿速率快速减小，在130 min后达到放湿平衡。

［1］徐海云.天然纤维期待产业化新突破［J］.中国纺织，2009(6):59-61.

［2］杜钰洲.如何发挥天然纤维的资源优势［J］.中国纤检，2010(13):1.

［3］柯佑鹏，过建春，张锡炎，等.2012年我国香蕉产业发展趋势与建议［J］.中国果业信息，2012(5):23-25.

［4］刘海清，李光辉，黄媛媛，等.2011年中国菠萝产业发展现状分析［J］.热带农业科学，2012(3):79-83.

［5］万敏，孟家光.新型环保纤维:香蕉纤维［J］.广西纺织科技，2009(4):38-40.

［6］熊刚，高金花，洪杰.新型纺织环保原料:菠萝叶纤维［J］.上海纺织科技，2006(9):12-14.

［7］何俊燕，张劲，李勤奋，等.香蕉黏胶纤维的结构和性能研究［J］.林产化学与工业，2011(2):110-114.

［8］HE J Y，ZHUANG Z K，HANG T，et al.A study on the structure and properties of pineapple leaf viscose fiber［C］.Advances in Textile Engineering and Materials，2012:3-14.

［9］O’CONNOR R T，DUPRE E F，MITCHUM D.Application of infrared absorption spectroscopy to inverstigations of cotton and modified cottons I:Physical and crystalline modifications and oxidation［J］.Textile Res J，1958，28:382-392.

［10］姚穆，周锦芳，黄淑珍.纺织材料学［M］.2版.北京:中国纺织出版社，2000:188－194.

［11］黄涛，张劲，李勤奋.香蕉黏胶纤维的结构和理化指标［J］.上海纺织科技，2010(10):1-7.

［12］刘茜.吸湿排汗纤维的开发及应用［J］.广西纺织科技，2003(3):38.