木棉纤维的性能及其在纺织上的应用

孙晓婷

(青岛大学纺织学院，山东青岛 266071)



木棉纤维的性能及其在纺织上的应用

孙晓婷

(青岛大学纺织学院，山东青岛 266071)

摘要：介绍了木棉纤维的形态结构、化学组成以及基本的物理和化学性能，并阐述了其在纺织领域中的最新应用现状。木棉纤维具有优良的抗菌性和保暖性，已成为服装好家用纺织品中首选的保暖填充材料，有较好的应用前景。

关键词：木棉木棉纤维结构性能应用

1木棉简介

木棉又名红棉、攀枝花、英雄树，高10～30m，属木棉科植物，可以说是棉花的近亲。木棉科植物品种较多，约有20属，180余种，是一种生长于热带和亚热带地区的落叶大乔木[1]，耐旱不耐寒，宜种植于温暖干燥和阳光充足的环境中。

木棉四季会展现不同的外观变化：春天一树橙红；夏天绿叶成荫；秋天枝叶萧瑟；冬天秃枝寒树。木棉树每年3～4月份先开花后长叶，花通常为红色或橙红色，花落后约至7～8月份会长出椭圆形的蒴果，外层覆盖着纤细的细毛，待果实成熟后自动裂开，内部包裹的黑色种子会随棉絮飘散。木棉种子约含20%～25%的油份，可用于榨油；种子内部充满了棉絮，可用作棉被、枕头等的填充材料[2]。

2木棉纤维组成

木棉纤维是木棉树的果实纤维，纤维附着于木棉蒴果壳体内壁细胞发育而成，有白色、黄色和黄棕色三种，长约8～32mm，直径约为20～45μm，是一种天然纤维素纤维，与棉纤维同属于单细胞纤维。木棉纤维在蒴果壳体内壁的附着力小，容易分离，不须经过轧棉加工，手工即可除去棉籽[3]。木棉纤维与棉纤维的化学组成及结构见表1。

表1　木棉和棉的结构及化学成份比较

从表1中可以看出，木棉纤维与普通棉纤维在结构及化学成分上存在较大差异：木棉纤维中纤维素含量仅占一半左右，木质素含量占20%左右，非纤维素类物质含量较高；而棉纤维中纤维素含量高达90%，木质素含量却接近0。研究表明，木棉纤维轴向和径向的各向异性程度均小于棉纤维，其原纤的取向排列程度也低于棉纤维[4]。因此可表明，木棉纤维虽称之为棉，但并非常规棉类纤维，在纺织加工过程中，不宜直接采用棉纤维的加工处理工艺。

3木棉纤维基本性能

3.1物理性质

木棉纤维纵向(图1)呈圆柱形，表面光滑，无转曲，光泽好。纤维中段较粗，稍端较细，两端封闭，细胞中充满空气，中空度高达80%～90%[5]，纵向易折，容易被压扁，是迄今为止中空度最高的纤维。横截面为圆形或椭圆形(图2)，截面细胞未破裂时呈气囊状结构(图3)，破裂后纤维呈扁平带状，不存在类似棉纤维次生胞壁纤维素淀积的过程。胞壁厚度仅为0.5～2μm，接近透明，胞宽壁厚比值为20，表面存在较多的蜡质，较为光滑，不易吸水，不易缠结，具有独特的薄壁、大中空结构[6-7](图4)。

图1　木棉纤维纵向电镜照片

图2　木棉纤维横向电镜照片

图3　木棉纤维根端电镜照片

图4　薄壁、大中空结构

木棉纤维独特的纤维结构决定了其与其他天然纤维素纤维具有不同的基本性能，木棉与棉的基本物理性能对比见表2。

表2　木棉和棉物理性能对比

通过木棉纤维与棉纤维的性能对比可以看出：

(1)木棉纤维线密度为0.9～1.2dtex,细度仅为棉纤维的1/2，中空率却是普通纤维的2～3倍，是目前最细的天然纤维素纤维。纤维长度较短，表面蜡质的存在会降低纤维之间的抱合力；同时纤维中含有大量木质素，提高了纤维的扭转刚度，导致加捻困难，拉伸断裂伸长随之降低，所有这些性能都会导致木棉纤维纺出的纱线强力低、毛羽多[8]，因此木棉纤维不适宜单纤维纺纱，通常将其与其他纤维进行混纺，以改善其可纺性，同时混纺纱不适合做表面光洁、滑爽度高的织物，但适合制作起绒或要求手感蓬松、柔软的织物。

(2)由于木棉纤维极高的中空度和极薄的细胞壁，导致其相对密度小，质量轻，纤维集合体在水中可承受自重20～36倍的负荷而不致下沉，具有较好的浮力性能，同时赋予木棉纤维极好的隔音性和保暖性。

(3)木棉纤维的回潮率高于棉纤维，具有较好的吸湿性，主要是由于木棉纤维内部非纤维素物质含量较高，亲水性好，能快速地吸水膨胀，大量木质素的存在以及内部空气的流动，加快了水分在纤维内部输送的速度；同时，纤维独特的中空结构使得纤维比表面积增大，这些都会使木棉纤维具有优异的吸湿导湿性能[9]。

(4)木棉纤维压缩模量较小，受压后容易产生变形，极易被压扁。当压力过大时，纤维空腔内的空气会被挤出，产生不可恢复的塑性变形，导致保暖性降低[10]。研究表明，干燥和潮湿的木棉纤维在受到相同压力时，干燥纤维内部中空结构的损失要小于潮湿纤维，塑性变形程度轻[11]。因此，在纺织加工时，可适当降低环境相对湿度来保持纤维内部的大中空结构，以提高保暖性。

(5)木棉纤维纵向表面光滑，无转曲，横截面为圆形，平均光折射率高于棉纤维，光泽较好，可被用于增光材料。

3.2化学性质

3.2.1耐酸碱性

木棉纤维具有较好的耐酸碱性能，常温下，稀酸和NaOH溶液不会对其产生影响。在不同的溶解条件下，分别将木棉纤维置于不同的酸性和碱性溶剂中，一定时间后纤维的溶解情况见表3[12-13]。

表3　木棉纤维耐酸碱性能

3.2.2染色性

木棉纤维上染率较低，仅为63%，可用于染色的染料种类较少，通常采用直接染料对其进行染色。主要是由于纤维中含有大量木质素和非纤维素类物质，它们与纤维素大分子互相纠缠以及分子间作用力的影响，阻碍了纤维素上部分羟基的活性，染料分子不能顺利进入纤维内部，导致织物染色不匀、色牢度差[14]。

3.2.3热性能

热降解温度是表征纤维热稳定性最重要的指标，研究表明，木棉纤维的热降解温度比棉低，热稳定性差。虽然木棉纤维的热降解温度低，但是纤维在开始产生热降解后，达到最大降解速率需要的时间较长，发生热降解的温度区间大，时间长。同时，较低的结晶度和半纤维素含量过高均会造成木棉纤维热稳定性能差[15]。

3.2.4保暖性

木棉纤维具有优异的保暖性能：一方面纤维中空度高，内部充满大量空气，很容易形成静止空气层，由于静止空气的比热容和导热系数均小于干燥纤维，导致纤维传导热阻高[16]；另一方面纤维孔隙率高达102%，纱体蓬松，超细纤维容易进入织物空隙中，纤维间孔隙变小，散热量减少,两者都会增加木棉纤维的保暖性。

3.2.5抗菌性

木棉纤维抗菌的主要原因有两方面：从纤维结构上来说，木棉纤维壁薄、高中空，比表面积大，纤维内部空隙中富含氧气，阻碍了厌氧菌在纤维表面的繁殖；从纤维化学组成上来说，纤维中含有的黄酮类和三萜类物质，对细菌有较好的抵抗性。经测得木棉纤维对大肠杆菌的抗菌性好于金黄色葡萄球菌。由于木棉纤维中含有部分蜡质，表面拒水、亲油，纤维中的抗菌物质不能及时溶出纤维，因此在进行抗菌性测试时，宜采用吸收法。当采用高温高压对木棉纤维试样进行灭菌时，由于黄酮类物质在高温时会发生分解，因此测得的抑菌率会低于医用酒精灭菌的抑菌率。

4木棉纤维在纺织中的应用

随着现代纺织技术的快速发展，以及木棉纤维所具有的强吸湿、抗菌、防螨、防霉、不易缠结、生态、保暖等优良特性[17]，目前，在纺织领域主要集中于产业用和服装用纺织品两大方面[18-21]。

4.1浮力材料

木棉纤维密度小、质量轻，拒水大中空结构，在水中可承受自重的20～30倍而不下沉，是很好的浮力材料。通过对木棉、cattail、milkweeds、玻璃纤维等多种纤维集合体进行浮力试验，结果表明木棉纤维是最佳的浮力材料，且经长时间浸泡后，浮力下降极小；干燥后纤维集合体浮力恢复如初。以木棉纤维为填充料做成的救生衣在穿着使用过程中不会产生老化现象，耐用性好。

由于木棉纤维中空度高，易被压扁破裂，使得作为救生衣或其他浮力材料长期使用后，经挤压浮力会有所下降。研究表明，木棉纤维浮力材料的最佳体积质量为0.036g/cm3～0.05g/cm3。并可通过分层铺絮以及热熔粘合技术等处理工艺，提高纤维集合体的抗压缩性能，更好地满足浮力材料要求。

4.2吸油材料

当前，工业中使用较多的吸油材料为熔喷PP无纺布、木棉纤维和高吸油性树脂，其中木棉纤维成本最低，在天然吸油材料中用量最大。木棉纤维表层含有蜡质，疏水亲油性好，可吸收约为自重30倍的油量，是丙纶的3倍，无论是植物油还是矿物油，都能被其充分吸收，可用于海上浮油的处理。

木棉纤维对废油的吸附性强、吸收速度快，制作吸油材料时只需对其进行浸泡风干即可使用，经过简单的机械挤压后便能快速恢复吸附性，可重复多次使用，并可回收多余的油脂，极大地降低了生产成本。

4.3吸声隔热材料

木棉纤维特有的薄壁、大中空结构，使其具有热含量大、导热系数低、吸音效率高等性能，可用作房屋的吸声层和隔热层材料，比单独的毛纤维材料具有更好的热滞留性，起到较好的隔音、隔热效果。

4.4增强体复合材料

研究表明，将木棉与棉按2:3制成织物，并用NaOH对混纺织物进行处理，提高纤维集合体之间的粘附力，然后与不饱和树脂按一定体积分数进行复合制得的材料可用作增强体复合材料。将经酸或碱处理后的木棉与棉的混纺织物浸泡于改性后的聚丙烯树脂溶液中，复合材料的柔性模量和挠曲强度会有所提高，使用较少的纤维既可达到玻璃纤维增强体材料的效果。

4.5保暖填充材料

纺织材料的保暖性主要是通过阻断热量的传播途径来实现，材料本身比表面积越大、内部存储的静止空气越多，则保暖性越好。木棉纤维不吸潮，防虫、防蛀，非常适宜作为枕芯、棉被、褥垫等的填充材料。利用木棉纤维的这些特性，可制成中药保健枕。但由于木棉纤维压缩模量小，弹性较差，经反复挤压后，填充料的蓬松性和保暖性会明显降低，絮片强度低，限制了木棉纤维在这些领域的应用。

为了弥补木棉纤维压缩弹性差的缺点，可将木棉纤维、压缩弹性好的化学纤维、低熔点纤维等混合铺网，再经热熔粘合处理，既可充分利用木棉纤维的保暖性，又可保证纤维集合体较为理想的聚集状态，提高絮片填充料的强度和弹性，可作为中高档被褥絮片、靠垫等的填充材料。

4.6服装、家纺面料

木棉纤维长度短，纺成的纱线强度低、毛羽多，纤维可纺性差，一般难以单独纺纱。通常将其与棉、粘胶等其他纤维混合纺纱，综合各自优点，可纺制出光泽好、手感柔软的面料。试验证明，将棉纤维、木棉纤维、氨纶三者按比例进行混合纺纱，织成的服装面料弹性舒适、吸湿导湿、保暖性好。

通过将木棉纤维进行前处理，使其表面形成较多毛刺，以增大纤维之间的抱合力，可实现木棉纤维单独纺纱。同时，木棉纤维混纺纱线具有抗菌、防螨、抗静电、抗起球、吸湿导湿、柔软亲肤等性能，可用于制作内衣、文胸、床单、枕套、毛毯、浴衣、泳衣等服装和家纺产品。

5前景展望

随着社会的发展和人们生活理念的提高，人们对纺织品不仅仅只要求舒适、保暖、时尚，更加崇尚自然、环保，追求健康，消费者们越来越注重生态纺织品的加工与使用。木棉纤维作为一种新型生态纺织品，具有天然抗菌、防螨、保暖等优良特性，符合新时代绿色环保纺织品的发展趋势，具有较大的市场价值和发展前景。

虽然木棉纤维的市场在不断扩大，但目前在木棉纤维应用中仍需亟待解决的问题主要有[22]：(1)扩大木棉纤维种植范围，培育更多性能优异的木棉新品种，以保证原料供应充足；(2)加大对木棉纤维结构、性能等的研究力度，更好地了解木棉纤维，充分发挥其优势；(3)对新型纺纱技术进行深入研究，改善木棉纤维的可纺性，纺制出更高质量的纱线，加大新产品的开发力度，以便更好地满足市场需求。

参考文献

[1]田向楠,伍建榕,郑艳玲等.木棉植物相关研究进展[J].林业调查规划,2014,39(4):36-41.

[2]冯红莲.木棉的特性分析及应用[J].轻纺工业与技术,2014,43(4):49-51.

[3]姚穆.纺织材料学(第3版)[M].北京：中国纺织出版社.2009.

[4]肖红,于伟东,施楣梧等.木棉纤维的基本结构和性能[J].纺织学报,2005,26(4):4-6.

[5]常桑,李长龙.木棉纤维结构与性能研究[J].河南工程学院学报(自然科学版),2013,25(4):7-10.

[6]胡真迎,丁颖,杨欢斌，等.木棉纤维的性能及应用[J].上海工程技术大学学报,2008,22(3):202-205.

[7]李扬,张弦.木棉纤维的特性及应用前景[J].轻纺工业与技术,2011,40(5):38-39.

[8]应玉斐，周梦岚，王府梅.木棉和蚕丝纤维在棉混纺纱中的径向分布规律[J].成都纺织高等专科学校学报,2015,32(4):49-55.

[9]吴双全,张佩华.木棉纤维及其在纺织上的应用[J].国际纺织导报,2009,37(1):11-12,14-16.

[10]房超.木棉纤维集合体的压缩性能研究[D].东华大学,2011.

[11]曹红梅.木棉纤维的吸湿排汗性能测试[J].现代纺织技术,2012,(5):41-42.

[12]李长龙,常桑,周磊，等.碱处理对木棉纤维结构及性能的影响[J].纺织学报,2015,36(4):20-24.

[13]陈丽君，尹晓娇，王府梅.对木棉纺织品在加工使用过程中的损耗探索[J].成都纺织高等专科学校学报,2015,32(4)：56-59.

[14]周晓英.木棉纤维的染色性能及其工艺研究[D].上海工程技术大学,2010.

[15]张艳华,凡启光,何建新，等.木棉纤维的结构与热性能[J].山东纺织科技,2009,50(1):48-52.

[16]刘杰,王府梅.木棉纤维及其应用研究[J].现代纺织技术,2009,17(4):55-57.

[17]张振方,王梅珍,林玲，等.以木棉为户外睡袋填充料的探索研究[J].成都纺织高等专科学校学报,2015,32(4):94-97.

[18]尹晓娇.木棉纤维的微细结构及破损机理研究[D].东华大学,2015.

[19]谈丽平,王府梅,刘维，等.木棉系列絮料的保暖性[J].纺织学报,2007,28(4):38-40,44.

[20]刘维.木棉保暖材料及其保温机理的研究[D].东华大学,2011.

[21]冯洁,孙景侠,王府梅，等.天然的保暖纤维——木棉纤维[J].纺织导报,2006,(10):97-100.

[22]韩玲.木棉纤维性能及其在纺织中应用的建议[J].棉纺织技术,2010,38(7):61-64.

Performance of Kapok Fiber and Its Application in Textile

SUNXiao-ting

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao, 266071)

Abstract:The morphological structure, chemical composition and basic physical and chemical properties of kapok fiber were introduced and its latest application in the textile field was described. With excellent antibacterial and warmth retention properties, kapok fiber had become the best warming and filling materials for clothing and household textiles which had a promising application prospect.

Key words:kapokkapok fiberstructurepropertyapplication

中图分类号：TS102

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0145-05

收稿日期：2015-11-03

作者：孙晓婷(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。