竹原纤维的物理提取工艺及其性能研究

王春红，张青菊

（天津工业大学纺织学部，天津 300387）

竹原纤维的物理提取工艺及其性能研究

王春红，张青菊

（天津工业大学纺织学部，天津 300387）

以绿竹片为原料，采用物理机械工艺处理竹片，主要探索了高温高压蒸煮时间对制取纤维质量的影响，确定最佳处理时间，对制取的纤维进行细度强度测试、表面形貌观察及抗菌性测试，并与化学法制取的竹原纤维进行比较.结果表明：当蒸煮时间为14 h时，制取的竹原纤维品质最优；纤维断裂强度、断裂伸长率、拉伸模量、断裂比功分别为297.20 MPa、5.12%、10.44 GPa、11.30 J.抗菌性测试结果表明，该方法制取的竹原纤维对金黄色葡萄球菌和黑曲霉菌的抗菌性较好.

竹原纤维；物理提取；蒸煮时间；力学性能；抗菌性

竹纤维属于新型纤维，取材于竹子中的纤维素，具有其他纤维无法比拟的优点，如良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性、良好的染色性、产品手感柔软、色泽亮丽、丝绸滑爽、抗菌、防臭、抗紫外线、易于生物降解以及不对环境造成污染等特性[1].在当前倡导绿色环保的社会背景下，竹纤维产品以其优良的性能，顺应了环保、回归自然的潮流，受到国内外消费者的推崇[2].竹纤维可分为天然竹纤维和再生竹纤维，天然竹纤维也称竹原纤维，是利用各种方法从竹材中直接提取的纤维；再生竹纤维采用类似黏胶纤维的生产工艺把竹材的纤维素成分溶解制成竹浆，再造丝制得可用于纺织的竹纤维[3-4].其中竹原纤维是纯粹的天然纤维，属绿色环保型纤维，纤维性能优异，具有特殊的风格，服用性能极佳，保健功效显著[5].目前国内制取竹原纤维的主要方法可分为物理法、化学法和生物法.其中物理法工艺简单、操作便捷且较环保；化学法能够制取线密度相对较小的竹原纤维，但成本较高，且对环境污染严重；而生物法对环境污染小，同时具有专一性强、催化效率高、反应条件温和等显著特点，但其成本较高[6].竹纤维是一种环保的纤维，应选用绿色加工工艺来制取竹纤维，保留其天然独特功能.本文利用清水高温高压蒸煮竹片，再进行机械碾压分丝，探究了蒸煮时间对制取纤维质量的影响；然后测试制取出的竹原纤维的基本性能，并与实验室购买的竹原纤维（采用化学法制取）进行比较.

1 实验部分

1.1 实验原料

绿竹片、竹原纤维，福建建州竹业科技开发有限公司提供.

1.2 实验仪器与设备

XFS-280A型手提式压力蒸汽灭菌锅，浙江新丰医疗器械有限公司生产；02141型软麻机，常德市立新纺织机械公司生产；Instron3369型万能强力机，美国英斯特朗集团生产；TM-1000台式扫描电镜，日本日立公司生产.

竹纤维制取流程为：清洗竹片—高温高压蒸煮—软麻机机械软化分丝—筛选分离—自然晾干.其中，蒸煮温度为126～129℃、压强为0.15～0.17 MPa，蒸煮过程中使竹片保持在液面以下.蒸煮时间为2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h，根据各时间段制取竹原纤维的分散度、细度、纤维制得率确定最佳处理时间.

1.4 测试方法

（1）纤维细度、强度测试：依据标准SN/T 2627-2010测试纤维直径.用测试过直径的纤维做拉伸实验，按照标准ASTM D3822-2007测试单纤维拉伸性能，强力机夹持间距为10 mm，拉伸速率为1 mm/min.

（2）表面形貌表征：竹原纤维表面形态采用SEM扫描电镜观察.

（3）抗菌性测试：依据《GB/T 20944.1-2007纺织品抗菌性能的评价》、《GB/T 24346-2009纺织品防霉性能的评价》分别测试竹原纤维对金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌的抗菌性.

2 结果与讨论

本文主要讨论物理机械法制取竹原纤维工艺中高温高压蒸煮时间对制取的纤维质量品质的影响，然后取最佳蒸煮时间处理的纤维做性能测试，并与用化学方法制取的竹原纤维进行比较.本文将用物理法制取的竹原纤维记为1#，将实验室购买的化学法制取的竹原纤维记为2#.

2.1 最佳蒸煮时间确定

设定高温高压蒸煮时间为2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h，通过各时间段制取的竹原纤维的分散度、细度、纤维制得率确定最佳处理时间.制的出的纤维形态如图1所示，细度、纤维制得率如图2所示.

宝玉给晴雯写了《芙蓉女儿诔》，黛玉帮着修改，写出了“茜纱窗下，我本无缘；黄土垄中，卿何薄命？”的诗句。

图1 高温高压蒸煮4 h、6 h、14 h、18 h机械软化分丝后输出的纤维Fig.1 Output fibers of cooking time is 4 h，6 h，14 h，18 h

图2 各时间段纤维制得率及纤维细度Fig.2 Fiber yield and fiber fineness of each time period

由实验结果可知，2 h、4 h制取的纤维没有分离开来，如图1（a）所示，大部分粘结在一起，纤维呈束纤维状（细度很大，无法用纤维投影仪法测试直径）；6 h、 8 h、10 h、12 h制取的纤维分散度很好，但纤维细度较大且较坚硬，如图1（b）所示；14 h制取的纤维品质最佳，纤维分散度好，细度比蒸煮时间小于14 h的小，与蒸煮时间大于14 h的相差不大，且其纤维制得率较高，如图1（c）所示；16 h以后制取的纤维发生断裂现象，纤维纠缠在一起，且纤维制得率较低，如图1（d）所示.

用SPSS软件对各时间段纤维细度、纤维制得率作单因素方差分析和显著性分析，得出结果如表1、表2所示.

表1 蒸煮时间对纤维细度的方差及显著性分析Tab.1 Analysis of variance and significance of fiber fineness

表2 蒸煮时间对纤维制得率的方差及显著性分析Tab.2 Analysis of variance and significance of fiber yield

由显著性分析结果可知，高温高压蒸煮时间对纤维制得率、纤维细度的影响都是显著的.综上所述，竹原纤维最佳蒸煮时间为14 h.

2.2 性能测试

2.2.1 细度和力学性能

测试得出的2种竹原纤维的细度和力学性能如表3、表4所示.

表3 2种竹原纤维细度Tab.3 Fineness of two kinds of bamboo fibers

表4 2种竹原纤力学性能Tab.4 Mechanical properties of two kinds of bamboo fibers

由表3可知，竹原纤维1#细度大于竹原纤维2#，但细度不匀率小，物理机械法制备的竹原纤维细度分布较均匀.由表4可知，虽然竹原纤维1#和2#的细度相差较大，但断裂强度、断裂伸长率、拉伸模量等值相当.在制取竹原纤维时，高温高压使竹原纤维1#结晶度提高，纤维的大分子排列变得更规整，分子之间的作用力大，在拉伸过程中要使大分子断裂，破坏大分子之间的结合力较困难.所以竹原纤维1#的断裂强度较高，和竹原纤维2#相差不大.又因纤维结晶度高时，大分子之间的结合力较大，破坏大分子结合力后产生的滑移较小，使得纤维的断裂伸长较小.故竹原纤维1#的断裂伸长小些.断裂比功的大小说明纤维的韧性，断裂比功大表明纤维的韧性较好，而且耐磨，其制品一般比较坚韧.另外，半纤维素和木质素等成分在纤维中还起到黏结和传载等韧性方面的作用.从上表可知竹原纤维1#的韧性优于竹原纤维2#.

2.2.2 表面形貌表征

图3、图4为2种竹原纤维的横纵截面观察图.

图3 2种竹原纤维纵向形态Fig.3 Longitudinal view of two kinds of bamboo fibers

图4 2种竹原纤维横截面形态Fig.4 Cross-sectional view of two kinds of bamboo fibers

由图3（a）可知，经过高温高压蒸煮并碾压后，竹片分离成纤维，制取的竹原纤维较粗，有分丝现象，束纤维由很多单纤维或工艺纤维粘附在一起.竹原纤维1#表面较粗糙，沿纤维纵向有许多较深的平行沟槽，纤维表面布满果胶等杂质.由图3（b）可知，竹原纤维2#表面相对光滑，沿纤维纵向的平行沟槽深度较浅，纤维表面的果胶等杂质较少.竹纤维纵向结构中的沟槽和孔隙有利于导湿和吸放湿，具有良好的透气性能，使得纤维中富含氧气，对于在潮湿环境中生存繁殖的霉菌类代谢作用和生理活性具有抑制作用[7]，从而达到抑菌效果，在结构中体现竹原纤维独特的抗菌性能.

由图4可知，竹原纤维1#和2#的横截形态不规整，边缘呈锯齿形，纤维分散度好，纤维基本呈均匀分散状态，但纤维都未达到单纤化的水平[8].

2.2.3 抗菌性

2种竹原纤维对黑曲霉素和葡萄球菌的抗菌效果如图5和图6所示.

图5 2种竹原纤维对黑曲霉菌抗菌效果Fig.5 Antibacterial effect of Aspergillusniger

图6 2种纤维对金黄色葡萄球菌抗菌效果图及纤维底部细菌繁殖情况Fig.6 Inbition of S.Aureusgrouth and S.Aureus growth conditions under fiber

由图5可知，竹原纤维1#黑曲霉菌生长面积约为50%左右，竹原纤维2#黑曲霉菌生长面积大于60%，按照标准竹原纤维1#防霉等级为3级，竹原纤维2#防霉等级为4级；由图6可知，2种纤维底部细菌繁殖数量较少，且竹原纤维1#底部细菌数量明显小于竹原纤维2#.综上所述，竹原纤维1#对黑曲霉菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果均优于竹原纤维2#.一般认为，竹原纤维之所以具有抗菌性能，一是由于竹原纤维中含有起抗菌作用的α位酚羟基和β位酚羟基蒽醌化合物成分[9]；二是由于竹纤维天然、独特的纤维结构使其具有抑菌性能[10].竹原纤维1#的制取方法采取物理机械方法，没有采用任何化学药剂，纤维中的抗菌成分或抑菌结构未遭到破坏，故其抗菌效果更好.

3 结论

（1）用清水高温高压蒸煮14 h竹片并经过机械软化处理，制取的纤维分离度好、细度小且纤维制得率高.

（2）采用物理机械工序，不使用任何化学药剂，清洁环保，简单易行，制取的纤维断裂强度、断裂伸长率、拉伸模量、断裂比功分别为297.20 MPa、5.12%、10.44 GPa、11.30 J，与化学法制取的竹原纤维相比，断裂强度、断裂伸长率、拉伸模量分别小5.4%、6.4%、7.2%，而断裂比功大30.6%，纤维力学性能优良.

（3）制取出的竹原纤维对金黄色葡萄球菌和黑曲霉菌的抗菌性较好，优于化学法生产的竹原纤维.

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Study on physical extraction process and property of raw bamboo fiber

WANG Chun-hong，ZHANG Qing-ju
（Division of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

With bamboo slice as raw material,the raw bamboo fibers were prepared by means of physical and mechanical treatment,in which the effects of high temperature and pressure cooking time to the fiber quality were analyzed to determine the best cooking time.Compared with the bamboo fibers of chemical preparation,fineness and strength of the fibers and the surface morphology were tested and the antibacterial property of bamboo fibers were evaluated.The results show thatwhen the cooking time is 14 h,the output bamboo fibers have the best quality.The tensile strength,elongation at break,tensile modulus and breaking work were 297.20 MPa,5.12%,10.44 GPa and 11.30 J respectively.In vitro antibacterial test,we find bamboo fiber has fine antibacterial effect to Staphylococcus aureus and Aspergillusniger.

raw bamboo fiber；physical extraction；cooking time；mechanical property；antibacterial

TS102.2

A

1671-024X（2014）05-0014-04

2014-07-07

国家自然科学基金（51303131）；中国纺织工业协会科技指导性项目（2008026）

王春红（1980—），女，博士，副教授，硕士生导师.E-mail:cn_wangch@163.com