稻秸秆纤维的吸湿性能

刘玉森， 陈 莉， 刘 冰， 王 驰

(1. 西安工程大学 应用技术学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)

稻秸秆纤维的吸湿性能

刘玉森1， 陈 莉2， 刘 冰2， 王 驰2

(1. 西安工程大学 应用技术学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)

为拓展稻秸秆纤维的应用，利用扫描电镜对稻秸秆纤维的表面形态进行表征，测试了稻秸秆纤维、亚麻纤维、棉纤维在标准大气条件下的吸放湿特性，绘出了3种纤维的吸放湿回归曲线，推导出吸湿和放湿速率回归方程，对比分析了3种纤维吸湿性能的差异。结果表明：稻秸秆纤维纵向有大量沟槽，比表面积很大；稻秸秆纤维具有良好的吸湿、放湿性能，稻秸秆纤维的吸湿回潮率为9.3%，放湿回潮率为10.35%；3种纤维的吸放湿速率呈指数曲线衰减，亚麻纤维的吸放湿速率最高，稻秸秆纤维的吸放湿速率居中，棉纤维的吸放湿速率最低。

稻秸秆纤维； 形态结构； 吸湿性； 吸放湿速率

我国是水稻种植大国，稻秸秆作为水稻的副产品其每年的产量约为2亿t[1]。目前，部分稻秸秆用来造纸或加工成饲料，而大量的稻秸杆用于废弃物焚烧、当做燃料、秸秆回填耕地或作为垃圾丢弃，对秸秆资源的高值化利用非常少[2]。研究表明，从稻秸秆中可以提取出一种新型天然纤维素纤维——稻秸秆纤维[2-3]，开发稻秸秆纤维可为稻秸秆合理利用开辟新的途径，有助于拓展我国可再生纺织原料的来源，实现对农业废弃资源的合理利用，同时，可大大减少秸秆焚烧对环境造成的不利影响。

目前，稻秸秆纤维在纺织领域的开发研究还处于起步阶段，主要集中在纤维提取方法研究[4-6]、稻秸秆纤维的形态结构以及在非织造材料的开发利用[7]等方面，但对稻秸秆纤维的吸湿与放湿规律及性能的研究少见报道。本文对稻秸秆纤维的吸湿、放湿性能进行了研究，以期为稻秸秆纤维的应用提供理论参考。

1 实验部分

1.1 材 料

稻秸秆纤维，自制，纤维平均长度为61.82 mm，线密度为3.9～4.2 tex，残胶率为9.02%，结晶度为61.5%[3]。棉纤维、亚麻纤维，广州辉瑞纺织有限公司提供。

稻秸秆纤维提取方法：原稻秸秆经水洗、晾干后，剪取100 mm的长度，经浸酸(H2SO42 g/L,浴比1∶30，温度50 ℃，时间2 h)→水洗→碱煮(NaOH 30%(o.w.f)，H2O26 mL/L,Na2SiO33%(o.w.f)，Na2SO35%(o.w.f)，浸透剂JFC 2 mL/L, 浴比1∶30，温度95 ℃，时间2 h)后，制得稻秸秆纤维。

稻秸秆纤维主要化学成分为：纤维素53.53%，半纤维素21.36%，木质素10.23%(参照GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》测定)。亚麻纤维主要化学成分为：纤维素70%～80%，半纤维素12%～15%，木质素2.5%～5%[2]。

1.2 仪 器

QUANTA600F扫描电子显微镜(美国FEI公司)，DHG-9023型电热恒温鼓风干燥机，HWS-250型恒温恒湿箱，JA3003B型精密电子天平(精确度为0.000 1 g)，玻璃干燥器，密封称量盒。

1.3 实验方法

1.3.1 形态结构观察

将稻秸秆纤维试样经真空喷金后，采用扫描电子显微镜观察稻秸秆纤维的表面形态。

1.3.2 吸放湿性能测试

参照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/T 6529—2008《纺织品的调湿和试验用标准大气》，分别进行纤维吸湿和放湿实验，测定试样在标准环境下的平衡回潮率，得到纤维的吸湿、放湿曲线。

1.3.2.1 吸湿实验 取1 g纤维试样在40～50 ℃烘箱内处理1 h，使纤维试样的回潮率显著降低，再精确称取并记录纤维试样的初始质量，然后将纤维试样置于称量盒中，每5 min称取并记录1次纤维试样质量，直到纤维试样的质量不再发生变化。将试样放置于烘箱内，于105 ℃条件下烘干后密闭冷却，精确称量，并计算回潮率。

1.3.2.2 放湿实验 取1 g纤维试样置于相对湿度为100%的恒温恒湿箱内，放置96 h，使得纤维试样充分吸湿，精确称取纤维试样的初始质量，每5 min称取并记录纤维试样质量，直至纤维试样质量不再发生变化。将纤维试样放置于烘箱内，于105 ℃条件下烘干后密闭冷却，精确称量，计算回潮率。

2 结果与讨论

2.1 纤维的形态结构

图1示出稻秸秆纤维的纵向形态。可以看出，稻秸秆纤维纵向外观粗糙，有大量深浅不一的沟槽，表面积很大，这样的结构使稻秸秆纤维具有较大的吸湿放湿空间，并能产生毛细管效应。

2.2 纤维的吸放湿曲线

根据实验结果绘制稻秸秆纤维、棉纤维和亚麻纤维的吸湿曲线和放湿曲线，分别如图2、3所示。

由图2可知，稻秸秆纤维的吸湿过程及变化规律与亚麻、棉纤维的基本一致，在吸湿初始阶段吸湿曲线斜率较大，吸湿速率很快，在吸湿过程的中、后阶段，曲线趋于平直，吸湿速率放缓。在吸湿时间少于40 min时，3种纤维的吸湿回潮率都快速增加；40～60 min后，纤维吸湿回潮率增加缓慢；在100 min后逐渐达到吸湿平衡。吸湿平衡回潮率分别为：稻秸秆纤维9.3%，亚麻纤维11.2%，棉纤维8.2%。稻秸秆纤维的吸湿能力介于棉纤维和亚麻纤维之间。

由图3可看出，3种纤维的放湿曲线也相似，呈现出先快后慢的特点。亚麻纤维的初始回潮率最高，稻秸秆纤维居中，棉纤维最小。3种纤维均在放湿5 h左右达到放湿平衡。达到放湿平衡状态时，稻秸秆纤维的回潮率为10.35%，亚麻纤维的回潮率为12.12%，棉纤维的回潮率为9.21%。

稻秸秆纤维的吸放湿能力是比较突出的，这与其表面形态结构、化学组成和超分子结构密切相关。与棉纤维相比，稻秸秆纤维吸放湿能力好于棉纤维，主要是因为纤维纵向有大量沟槽，纤维比表面积大；与亚麻纤维相比，稻秸秆纤维的吸放湿能力要差一些，主要与稻秸秆纤维的纤维素和半纤维素含量较低，木质素含量较高以及残胶率高有关。

2.3 纤维的吸放湿回归方程及其曲线

为研究稻秸秆纤维的吸湿、放湿的规律，利用Origin软件将实验数据进行曲线拟合[8]，得到稻秸秆纤维、亚麻纤维及棉纤维的吸湿、放湿回归方程，具体方程见表1。3种纤维的回归方程曲线分别见图4、5。

表1 3种纤维的吸湿和放湿回归方程Tab.1 Regression equations of moisture absorption and liberation of three fibers

由表1可知，3种纤维的吸湿回归方程显著，这3种纤维的放湿回归方程也显著。

由图4、5可知，在整个吸湿、放湿过程中，稻秸秆纤维的吸放湿回潮率介于亚麻纤维和棉纤维之间。纤维的吸放湿回潮率不同，且吸放湿速率也在不断变化，这主要与3种纤维的表面形态结构、化学成分差异以及内部结构的不同有直接关系。

2.4 纤维的吸放湿速率回归方程及其曲线

利用Origin软件得出3种纤维的吸湿速率方程、放湿速率方程[9-11]以及3种纤维的吸湿、放湿速率回归曲线，分别见表2和图6、7。

表2 3种纤维的吸放湿速率回归方程Tab.2 Regression equations of absorption and liberation rates of three fibers

由表2和图6可知，3种纤维的吸湿速率方程均为指数函数，随吸湿时间的延长，吸湿速率下降。这是由于3种纤维的化学组成相似，即都主要由纤维素组成，含有大量亲水性基团，具有较好的吸湿能力，但是，由于纤维表面形态、结晶度、伴生物含量等方面的差异，又决定了纤维吸湿速率及其速率变化存在不同。在吸湿开始时，稻秸秆纤维的吸湿速率略小于亚麻，而棉纤维较前二者小很多。亚麻纤维速率衰减最快，稻秸秆纤维衰减速度次之，棉纤维衰减最慢。约100 min后，3种纤维先后达到吸湿平衡，吸湿速率均趋于零，进入到平衡状态。

由图7可看出，3种纤维的放湿速率衰减趋势相近。初始阶段，亚麻纤维的放湿速率最快，稻秸秆纤维居中，棉纤维最慢；约300 min后3种纤维的放湿速率逐渐接近、减小，逐渐趋于零，进入到平衡状态。

3 结 论

1)稻秸秆纤维纵向有沟槽结构，比表面积比较大，可为纤维的吸湿、放湿提供较大空间，同时，细小的沟槽也能够产生毛细管效应。

2)稻秸秆纤维具有良好的吸放湿性能，其吸放湿回潮率低于亚麻纤维，高于棉纤维，吸湿平衡回潮率为9.3%，放湿平衡回潮率为10.35%。

3)稻秸秆纤维吸放湿速率变化规律与亚麻纤维、棉纤维相似，均呈指数曲线衰减，即随着吸放湿时间的延长，纤维的吸放湿速率减小。

4)在吸湿初始阶段，稻秸秆纤维吸湿速率高于棉纤维，低于亚麻纤维，但在吸湿30 min后，稻秸秆纤维吸湿速率又低于棉纤维，3种纤维均约在100 min后达到吸湿平衡。稻秸秆纤维放湿速率低于亚麻纤维，高于棉纤维，约在300 min后达到放湿平衡。

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Moisture adsorption property of rice-straw fiber

LIU Yusen1， CHEN Li2， LIU Bing2， WANG Chi2

(1.SchoolofAppliedTechnology，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an,Shaanxi710048,China；2.SchoolofTextiles&Materials，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an,Shaanxi710048,China)

In order to extend the application of rice-straw fiber, the morphological structure of rice-straw fiber was characterized by scanning electron microscopy, and the absorption and liberation properties of rice-straw fiber,flax fiber and cotton fiber were tested in the standard normal atmospheric conditions.The moisture absorption and desorption properties of rice-straw fiber were tested.Their regression curves of moisture absorption and liberation were drawn, and based on it, the regression equations of moisture absorption and desorption velocity were derived. The hygroscopicity of rice-straw fiber was analyzed and compared with that of flax fiber and cotton fiber. The results show that the lengthwise of the rice-straw fiber has a large number of grooves and its specific surface area is large. The moisture absorption and liberation of rice-straw fiber are very good. The moisture absorption and liberation regain rate of rice-straw fiber are 9.3% and 10.35%, respectively. The moisture absorption and liberation rate of three fibers decay as an exponential curve. The moisture absorption and liberation rate of flax fiber is the quickest, rice-straw fiber is the second, and cotton fiber is the slowest.

rice-straw fiber; morphological structure; hygroscopicity; absorption and liberation rate

10.13475/j.fzxb.20150401005

2015-04-08

2015-12-07

陕西省教育厅自然科学专项项目(12JK0565)

刘玉森(1974—)，男，高级工程师。研究方向为新型纺织加工技术。E-mail: fzlys@xpu.edu.cn。

TS 102.2

A