木棉纤维性能及其应用进展*

江西服装学院服装工程学院， 江西 南昌 330201

木棉纤维被誉为“植物软黄金”[1]和“长在树上的羊绒”[2]，具有天然环保、中空质轻、保暖性佳、吸湿导湿、天然抗菌等特点，因此被广泛应用于纺织服装领域[3]。近年来，随着对木棉纤维性能的不断研究，以及新技术、新工艺的不断出现，木棉纤维在纺织服装领域的应用有了极大的进展。木棉类纱线及面料的品种和功能在日益增加，木棉类絮料和填充料的保暖性和蓬松性提升也很明显。除此之外，木棉纤维因具有极佳的吸附性和生物可降解性等优势，在油污处理和吸附过滤方面备受青睐[4]。再加上木棉纤维具有可再生性。这些都使得木棉纤维在当前追求绿色、环保、生态、自然的大环境下成为一种极具发展前景的新型生态纺织材料。

本文从木棉纤维的形态入手，结合木棉纤维的性能，总结木棉纤维在纺织上的应用进展，以期为木棉纤维相应产品的开发和应用提供理论参考。

1 木棉纤维的形态

木棉纤维是一种纤维素纤维，多来源于攀枝花树、英雄树和烽火树等木本植物的果实，属单细胞果实纤维。木棉纤维因与蒴果壳体内壁的附着力小，故极易分离得到。常见的木棉纤维颜色有黄色、白色及黄棕色三种。

木棉纤维的形态如图1所示：纤维的横截面为椭圆形，具有中空结构(中空率高达80%～90%)，细胞壁较薄(壁厚为0.5～2.0 μm)，为亚纳米级材料，纤维壁断面有微孔呈现；纤维纵向平直光滑，无转曲，光泽好；纤维根部呈封闭状态，细胞内充满空气，纤维外壁有类似蜡质的物质存在。

(a) 纤维横截面 (b) 纤维纵向 (c) 纤维根部

2 木棉纤维的化学成分

木棉纤维与棉纤维、苎麻纤维的化学成分含量见表1所示[5]。

由表1可知，木棉纤维与棉纤维、苎麻纤维在化学成分上存在明显的差异。木棉纤维中纤维素含量不超过50.0%，而棉纤维中纤维素含量则高达93.9%。木棉纤维的化学成分更接近苎麻纤维，这就决定了木棉纤维在纺纱时更应参考苎麻纤维类产品的加工和处理工艺。

表1 木棉纤维与棉纤维、苎麻纤维的化学成分含量(质量分数) (%)

3 木棉纤维的性能

3.1 基本性能

大量研究表明：木棉纤维的应用与其结构和基本性能密切相关。木棉纤维的基本性能见表2[6]。

表2 木棉纤维的基本性能

3.2 可纺性

由表2可知，木棉纤维长度短(为8～34 mm)，线密度低(仅为0.9～3.2 dtex)，扭转刚度达7.15×10-3cN·cm2/tex，加之表面光滑，故木棉纤维的可纺性差，纺制的纱线毛羽较多、强度较低，这极大地限制了木棉纤维在纺纱中的使用，尤其是木棉纤维纯纺纱线的纺制。常见的改变或提高木棉纤维可纺性的主要方法：(1)与其他纤维或新型纤维混纺。如王静[7]将木棉纤维与咖啡碳纤维混纺，成功纺出14.5 tex的抗菌保暖针织用纱。(2)发展新型纺纱技术与纺纱工艺。如邵卫兵等[8]利用紧密纺纺纱技术纺制出18.2 tex 的精梳棉/木棉/三维卷曲弹性聚酯短纤混纺纱。周思捷等[9]利用嵌入式复合纺纱技术纺制出亚麻/木棉/棉/黏胶(21/33/23/23)多组分混纺纱线。(3)对木棉纤维进行表面修饰，使木棉纤维表面形成毛刺，增强纤维间抱合力，从而提高木棉纤维的可纺性。常见的表面修饰方法有等离子体法[10]、超声波处理法[11]、碱处理法[12]等。

3.3 吸附性

由于木棉纤维含有中空内腔和蜡质表面，再加上木棉纤维含有较高的木质素，木质素中的甲醛基团(质量分数约为13.0%)使得木棉纤维对非极性液体有较高的吸附能力，故木棉纤维可用作深层过滤，以实现油水分离，被广泛应用于去油污领域。DONG等[13]研究发现，木棉纤维的表面能低(40.64 mN/m)，水接触角大(151°)，具有高度的疏水性和油润湿性。HUANG等[14]将木棉纤维用作过滤器用过滤材料，研究了木棉纤维对柴油和液压油的吸附作用，结果发现木棉纤维具有优良的油水分离作用，其对柴油和液压油的过滤效率分别达到了100.0%和99.4%。目前，油水过滤用木棉纤维材料的研究热点集中在木棉纤维的改性处理方面，具体可通过物理涂层或接枝共聚或酯化修饰等方式改善或增强其吸油性能[15-16]。

此外，木棉纤维的吸附性还表现在吸声方面。这是因为木棉纤维大长径比与高中空率增大了声音与纤维的摩擦面积。XIANG等[17]研究表明木棉纤维具有良好的阻尼性能，与相同厚度的商用玻璃棉和脱脂棉组件相比，体积密度小得多的木棉纤维组件具有与之相似的吸声系数。因此，木棉纤维可用作轻质环保吸声材料。

3.4 保暖性

木棉纤维具有较大的中空结构，中空率高达80%～90%，可握持大量的静止空气，保暖效果好，多用于制备保暖絮片、填充料等。张振方等[18]研究发现，木棉散纤维的升温速率和降温速率略高于羽绒，压缩后的木棉集合体保暖性能有所下降，其保暖性与木棉集合体的体积密度密切相关。刘茜[19]研究了羊毛、腈纶、木棉纤维及鹅绒4种絮填纤维集合体的保暖性能，得出在相同体积密度下，絮填纤维集合体的保暖性排序为羊毛>鹅绒>木棉纤维>腈纶。因此在研究木棉纤维类保暖材料时，对木棉纤维集合体的压缩性和蓬松性的研究不可或缺[20]。

3.5 抗菌性

木棉纤维还具有天然的抗菌防螨、防霉防蛀等功能。依据东华大学王府梅教授带领的木棉纤维研究团队的测试结果，木棉纤维产品的抗菌性能归纳于表3[21]。

表3 木棉纤维产品的抗菌性能

4 木棉纤维的应用

4.1 絮填材料

木棉纤维的大中空结构可握持大量的静止空气，使其具有良好的保暖效果，可作为保暖类絮填材料用于被褥、枕头、棉服等。王树山[22]利用木棉纤维的防螨和防蛀性能，将攀枝花木棉纤维作为主要填充材料，制备了中医保健枕。此外，还可将木棉纤维填充到保暖按摩床褥中，配以球面状的凸起结构，起到保健按摩、缓解疲劳的效果。李会改等[23]将木棉纤维与三维卷曲中空涤纶、羽绒三者混合层铺，用作春秋季睡袋填充料，但睡袋的保暖性能与絮料的压缩性和蓬松性密切相关。大量的研究表明，木棉纤维的压缩弹性较差，纤维集合体易被压扁毡化，尤其是在湿、热条件和反复持久的压缩下，木棉纤维产品的蓬松性变差，柔软性和保暖性下降很快，产品使用效果受影响。基于此，东华大学木棉纤维研究团队开发出“持久柔软保暖的木棉絮片的制造技术”，解决了木棉纤维反复使用后保暖性下降这一问题。此外，李素英等[24]利用非织造技术将木棉纤维与涤纶加工成结构和性能稳定的非织造材料，发现当面密度为145 g/m2时非织造材料的均匀性、透气量、保暖性和压缩弹性最优。杨艺丹等[25]利用针刺工艺和热风黏合工艺，将木棉纤维与羊绒、远红外涤纶、ES纤维混合，制备出保暖性佳、蓬松度高、压缩回弹性大的多组分非织造絮填材料，为多组分木棉纤维絮料的开发提供了思路。以往絮填材料以棉花、羽绒为主，随着木棉纤维的研究与开发，多组分复合功能的木棉纤维类絮填材料将具有更大的发展潜力。

4.2 纱线与面料

木棉纤维的可纺性差，这一方面限制了木棉纤维纯纺纱线的开发，另一方面促使了木棉纤维混纺纱线的发展。且随着纺纱技术的发展和新型纺纱技术的研发，木棉纤维除了与天然纤维(棉、羊毛、羊绒等)混纺制备普通纱线外，还与化学纤维(咖啡碳纤维、抗紫外纤维等)混纺制备功能性纱线。常用的纺纱方法有环锭纺、气流纺及紧密纺等[26]。木棉纤维具有质轻、柔软、抗静电、吸湿导湿、不霉不蛀、绿色环保等特点，其产品广受消费者青睐。目前，木棉纤维已被用于制作高效保暖内衣[27]、中高档的机织面料[28]和针织面料[29]。且随着纺纱和织造技术的进步，木棉纤维多组分混纺纱线、多功能复合型木棉纤维面料将得到更多的发展，木棉纤维与其他行业的结合潜力无限。

4.3 浮力材料

木棉纤维是迄今为止最轻的一种天然纤维，密度只有棉纤维的1/5，且木棉纤维的中空率达80%～90%，故木棉纤维浮力较大，可用于制备浮力材料。松散状态下，首次使用的优质木棉材料在水中能浮起大于自身20多倍的质量，如200～300 g的木棉材料足以浮起1位成年人[30]。衣卫京等[31]在研究木棉/三维卷曲中空涤纶混配集合体制备救生衣浮力材料时发现，纤维细度是影响纤维集合体浮力行为的重要因素。肖红等[32]利用低熔点纤维把木棉纤维固结成絮，提高了木棉纤维集合体的浮力，且比木棉/三维卷曲中空涤纶混配集合体具有更好的耐压缩性能, 能提供更大的浮力。由于木棉纤维长时间使用和存放时，纤维集合体易被压缩，故使用时应多加注意。

4.4 吸油材料

木棉纤维具有疏水亲油性，再加上其独有的薄壁大中空结构，纤维对油有着优秀的吸附能力。孙向玲[33]研究发现，木棉纤维与水的静态接触角大于130°，与机油、废油和色拉油的静态接触角均小于60°，这说明木棉纤维是一种优良的疏水亲油性纤维。崔美琪[34]将木棉纤维、涤纶与ES纤维结合制备出三组分集合体吸油材料，24 h内的保油率在80%以上，除油效果在97%以上，对于机油、植物油、柴油的吸油倍率均在30.00 g/g以上。虽然木棉纤维具有较高的饱和吸油能力，但其重复使用性差。因此，为提高木棉纤维集合体的重复使用性，周小三[35]将猪毛和轮胎粉分别与木棉纤维混合，制备出木棉-猪毛复合吸油材料和木棉-轮胎粉复合吸油材料，试验结果证明：这两种复合吸油材料的重复使用性能相对于纯木棉纤维吸油材料有所提高,且木棉-猪毛复合吸油材料的饱和吸油量比木棉-轮胎粉复合吸油材料的饱和吸油量的叠加值高。曹胜彬[36]研究发现，木棉散纤维的吸油倍率为25.79 g/g，高于蒲绒散纤维的11.91 g/g和棉纤维的14.98 g/g；结合有纤维滤材的油水分离装置实现了集油水分离、纤维滤芯离心脱油后循环利用和油液再回收功能于一体的效果。至于如何改善和提高木棉纤维及其集合体的吸油性能，尤其是木棉纤维的循环利用，仍将是木棉纤维作为吸油材料需关注和解决的重要问题。

5 结论

作为一种可再生的天然植物纤维，木棉纤维来源丰富，除具有吸湿导湿、抗菌防螨、中空保暖、超轻柔软等性能外，还具有良好的生物相容性和可生物降解性，在学术和工业领域受到了越来越多的关注，具有较大的发展潜力和市场价值。随着对木棉纤维研究的深入及木棉纤维相关产业的发展，利用新型纺纱技术开发多组分、多功能的木棉纤维系列复合纱线显得尤为重要。

此外，随着对绿色环保的追求，如何充分发挥木棉纤维的性能优势，增加其在高附加值领域的应用，如利用其高中空及疏水亲油的特性，开发环保可循环利用的复合材料，将是今后研究的重点和方向。

绿水青山就是金山银山