黄麻纤维的性能及应用

魏 晨， 郭荣辉

(四川大学轻工科学与工程学院，四川成都610065)

黄麻纤维是属于一种韧皮纤维，其可纺性较差。 因此，在加工利用的时候往往需要先通过梳理改性得到工艺纤维[1]。 黄麻的生长主要集中在亚热带到热带区域，在自然界中来源广泛、原料丰富。黄麻纤维是价格低廉的纤维素纤维之一，早在我国古代就以黄麻作为麻袋的主要原理，为粗加工产品。 作为环境之友的黄麻纤维，随着现代纺织技术的应用，对黄麻纤维进行各种改性处理，能够制得不同功能的黄麻纤维[1]。 它与其他麻类物质一样，等同属于韧皮纤维素纤维，被称为“黄金纤维”[2]，具有热湿舒适、染色性好、抑菌、力学性能好、廉价、可生物降解等优异特性，其资源也十分丰富，种植和产量仅次于棉花。

1 黄麻纤维的分类和基本组成

黄麻的品种按照形态，一种称为圆果种，另一种称为长果种。 圆果种相比于长果种而言纤维的半径更大，但是价格较低；长果种的可纺性能更好，制得织物更高档[3]。

亚麻的加工改性纤维细度通常在2.2tex ～3.3tex，而黄麻工艺纤维细度一般在2.0tex ～3.5tex范围内[1]。 长果种的工艺纤维直径要高于圆果种，这是因为圆果种细胞密度要高于长果种，并且纤维的细胞面积、孔腔面积等都小于长果种。 黄麻纤维以其茎部作为主要的支撑结构，纤维素纤维环形围绕茎部，有规则平行排列，存在着纤维层，以柔膜组织间隔开各个纤维层[4]。 麻茎部位会导致工艺纤维直径有变化，纤维细胞成熟度与初生韧皮纤维的比例是决定麻茎部的工艺纤维直径大小的两个重要影响因素。 通常来说，工艺纤维的麻茎中部细度支数高，其基部是相对最低的。

黄麻纤维主要是由纤维素组成，存在着半纤维素、木质素等杂质，其具体成分含量见表1。 由表1可以看出，占主要成分的是以单纤维状存在的纤维素，占58%～63%。 胶质，也就是细胞间质，指的是纤维间存在的物质，这种物质把黄麻纤维细胞之间相互粘结起来。 果胶是胶质的主要成分，此外还有木质素与半纤维素[5]。 其中，木质素的存在会导致纤维的脆性较大，不适合用于服用纺织品。

表1 黄麻纤维组成的成分表

2 黄麻纤维的性能

2.1 黄麻纤维的外观特性

由于黄麻纤维的单纤维较短，黄麻单纤维长度很短，一般为1mm～2.5mm，无法单独纺纱[2]，且黄麻纤维手感粗硬，纤维刚性较强[1]。 因此，只能采用黄麻纤维工艺纺丝，黄麻纤维往往被称为黄麻工艺纤维。 从纤维结构上看，黄麻纤维是由许多单个纤维素细胞组成的，纤维素细胞呈纤维状，纤维素细胞以平行方式排列，通过纤维中的果胶等杂质黏结一起。 半纤维素与木质素组合形成纤维基体，每个纤维素纤维都由更细的纤维素原纤平行交叠地嵌入基体中[3，5]。 因此，黄麻纤维的基本单元是纤维素原纤[2]。

从黄麻纤维茎部横截面的电镜图上可以看到，每个纤维素单纤维含5 到30 个纤维细胞不登，每个基本纤维素细胞含有中腔，并且半纤维素和木质素形成的基体中含有复杂的原纤结构，这些都导致了基体的强力提高。 因为黄麻纤维中木质素成分相对高，柔性相对差，黄麻纤维织物会更为硬挺，甚至产生刺痒感觉。 黄麻纤维纵截面呈竹子节状，没有天然卷曲，纤维细胞的厚度是统一的，整体无转曲，纤维两端细度较低。 因此，黄麻纤维会呈现出光泽感，其横截面如图1，大多呈无规则多边形，纤维中含有较多无规则形状的空腔，这些空腔的大小不一[4]，断面有明显的倾斜龟裂条痕。

图1 黄麻纤维横截面[4]

2.2 力学性能

黄麻纤维具有优异的力学性能[4]。 经过处理后的黄麻工艺纤维的比强度甚至接近E-玻璃纤维[6]。 黄麻纤维的抗冲击性能也由于普通的天然纤维[7]，黄麻工艺纤维平均断裂强度为2.8cN/dtex，断裂伸长率为2.2% ～3.6%，胞壁密度为1.22g/cm3，通常长度为80.0mm ～150.0mm，细度为17dtex～36dtex 的黄麻工艺纤维用来制作麻绳、麻袋；长度为17mm ～25mm，细度为5.4dtex ～8.6dtex 的黄麻纤维用来制作麻布的工艺纤维[8]。

2.3 吸音性能

黄麻纤维具有较好的吸音性能。 由于黄麻纤维的单纤维细胞具有中腔结构，且整体纤维也具有多尺度结构。 因此，其吸音系数在天然纤维中是较高的。 Yang 和Li[9]对黄麻纤维织物及其环氧树脂基复合材料的吸声性能进行了探究讨论，发现黄麻纤维相较于常见的一些高性能纤维，如玻璃纤维、碳纤维，甚至具有相对更好的吸声性能[10]。 因此，黄麻纤维可广泛地应用于吸音材料领域。

2.4 吸湿排汗性能

黄麻纤维的吸湿率高，透气率较好，具有良好的吸湿排汗功能。 因为黄麻纤维属于天然纤维，且其纤维素组分中含有大量含氧基团[1]，这些含氧基团的亲水性很高。 此外，因为不规则的多尺度结构和中空结构，有助于毛细管效应，吸放湿的速度很快，具有导湿快干的特点。 人们往往会觉得麻织物的穿着舒适性好，其实这就是因为麻纤维导湿快干，帮助人体调节与外界环境的温度湿度交换关系，缓解温度湿度梯度，使人体湿热平衡。 如果采用长果种的黄麻，经过工艺处理，能够提高纱线支数，让黄麻纤维的手感柔软，不再产生刺痒感。 因此，黄麻纤维可以广泛应用于服饰领域[11]。

2.5 抗菌性能

天然黄麻纤维具有突出的抗菌性能。 黄麻纤维的多尺度结构以及中腔结构中能够储存大量的氧气，这使得厌氧细菌无法在黄麻纤维内部生存[8]。 同时，纤维组分中含有一种叫做麻凿醇的物质，该物质具有抗菌性，帮助黄麻纤维抗菌抑菌能力的提高。 有实验利用接触法，对黄麻纤维的抗菌能力进行了检测，其实验结果如表2。 通过实验数据分析，可以看出对大多数常见细菌，黄麻纤维的抗菌能力较好，存活率不超过40%[2]。

表2 黄麻纤维对各种纤维的存活率[2]

黄麻纤维属于天然纤维，其吸湿排汗能力好。因此，特别适合作为人体卫生保健服装的原材料。因为黄麻纤维可以防止细菌交叉感染，在医疗方面也有着广泛的运用前景[12]。

2.6 抗紫外线性能

黄麻纤维具有突出的抗紫外线能力。 其横截面是异形的，这种不规则结构能够很好的反射消散光波和声波，其抗紫外线能力是十分突出的[2，12]。与常见的化纤抗紫外织物相比，黄麻纤维织物属于天然纤维，既绿色环保、价格低廉，其优良的吸湿透气性能也对人体是有好处的，对人体健康无害，适用于暴露于室外时穿着或使用的纺织品，如夏天服饰、旅行服、窗帘布、帐篷布等。

2.7 生物降解性

黄麻纤维属于可生物降解纤维。 黄麻纤维在自然界光热和微生物作用下能自行降解，腐烂后沉淀[2]，最终产物是二氧化碳和水。 二氧化碳和水在自然界中大量存在，是对环境无污染的，这符合绿色环保的生态理念。 因此，现有很多研究以黄麻纤维为增强材料，以可生物降解材料为基体，制备完全可生物降解复合材料[13]，这可以极大的降低可生物降解材料的成本。 此外，可直接用黄麻纤维制成黄麻纤维素膜[14]，这种纤维素膜也是完全可降解的。

3 黄麻纤维的改性及复合

由于木质素等不溶性物质在黄麻纤维中含量较高，黄麻直接纺丝，得到黄麻纤维的可纺性差、手感粗糙、弹性较低。 这些问题是目前限制黄麻纤维开发的最主要问题。 因此，用于纺织的黄麻一定要先进行工艺处理[15-17]。

3.1 黄麻纤维的改性

3.1.1 黄麻纤维的精细化改性

黄麻的精细化处理方法有很多，例如有碱改性、脱胶、聚合，还有些直接进行黄麻的基因改性等[1]。

碱改性处理是简单实用的方法，通过浸碱、皂化、漂白等工艺后，得到精细化黄麻纤维。 碱改性法是目前采用较多的方法，在黄麻纤维的复合材料中运用广泛。 例如，有研究对黄麻纤维在室温碱处理和热处理的方法下进行物理改性，并将黄麻纤维与酚醛树脂(PF)模压成复合材料(JF/PF)，改性处理后的纤维均起到明显的增强和韧化作用[18]。

细胞间质是将单纤维黏着一起的化学成分，但是胶质包含很多难溶成分，如果胶、木质素等，使得黄麻纤维的手感是粗而硬的，这极大的影响了黄麻纤维的可纺性。 此外，黄麻单纤维细胞是很短的，仅有几毫米的长度，难以纺丝，需要依靠果胶等物质形成纤维束后再纺丝。 因此，黄麻纤维的脱胶不完全，只能采用部分脱胶[19]。 脱胶的主要方法为生物脱胶和化学脱胶。 生物脱胶利用微生物去分解黄麻纤维中的胶质部分，且微生物对环境的影响也较小，属于天然环保的一种改性方式。 化学脱胶的方法与苎麻的脱胶方式相似，主要需要对原麻浸泡在酸性溶液中，碱煮漂白后还需要再次在酸性溶液中洗涤，以此达到精细化。

聚合改质是通过一些手段，使部分木质素和半纤维素溶解去除，生成空隙，用水溶性聚合物处理填补，取得改质效果。 经改性过程后，一是黄麻纤维卷曲度会提升；二是黄麻纤维中的结晶度和聚合度都有下降，细胞间质也大多脱除，虽然整体强力下降了，但是断裂伸长率得到了提升；三是降低了木质素的比重，使其形成的织物手感更加柔软。 这种方式提高纤维的可纺性，为生产精品纺织品提供条件。

3.1.2 黄麻纤维的柔软化改性

韩菊等[20]采用环氧交联剂对黄麻纤维进行改性处理，结果表明，环氧交联剂的加入，能够代替胶质对纤维起到集束的作用，使得黄麻纤维的柔软度等得到了提升。

此外，还有研究利用生物酶和化学柔软剂对其进行柔软化处理。 化学柔软剂能够对黄麻纤维进行除杂处理，而生物酶对比起之前的交联剂而言具有专一性，更加的温和，可以降低其在柔软化后的强度损失[21]。

3.1.3 黄麻纤维的羊毛化改性

黄麻纤维与天然羊毛具有相似的力学特征，为了使其与羊毛的外观性能类似，黄麻纤维的柔软必须得到提升。 因此，可以在碱性溶液的条件作用下，对其进行羊毛化处理，使其具有类似于羊毛的卷曲形态，使得其弹性、可纺性和柔软性得到改善[2]。

3.1.4 黄麻纤维的表面改性

黄麻纤维密度小、相对高的强度和模量，并且成本廉价，适合作树脂的复合材料的增强基体。 由于黄麻纤维含有大量亲水基团，并且呈不规则多尺度结构，有强的极性和亲水性；但是树脂的表面具有拒水基团，使表面呈现拒水，两者间的复合相容能力相对弱，导致材料的各方面性能受到影响[22]。为了增强树脂与纤维间的粘合性，往往会对需要进行复合整理的黄麻纤维进行表面处理，如等离子处理等，从而提高复合材料的强度。

3.2 黄麻纤维复合材料

3.2.1 增强材料

黄麻纤维的比强度接近E-玻璃纤维。 在20世纪90 年代，有研究将黄麻纤维与环氧树脂短纤维通过复合制成增强材料，其拉伸强度、抗弯曲能力以及力学性能在当时优于大部分增强材料[23-24]。

利用天然纤维，如黄麻纤维等作为其他高性能纤维的复合材料的研究较多。 例如，黄麻织物与不饱和聚酯树脂制备得到复合材料的强力远远优于树脂本身，这是高性能天然纤维复合材料研发的一大技术基础，相对于其他高性能纤维而言更为绿色环保[25-26]；用氢氧化钠和苯丙乳液处理黄麻纤维，得到黄麻工艺纤维与聚丙烯之类增强毛毯类材料[27]；物理改性处理后的黄麻工艺纤维与酚醛树脂直接压制得到增强材料[28-29]；将没食子酸月桂酯接枝改性在纤维表面，使纤维的表面呈疏水性，然后再与聚乳酸树脂复合得到增强材料[30]，使其具有较高的强力。 近日，科学家们在曼彻斯特大学，首次将石墨烯与黄麻纤维复合制备石墨烯增强材料[31]。 李瑞等[26]以二维编织结构的黄麻纤维为增强结构，聚酯为基体树脂，通过模压工艺制备黄麻纤维/聚酯增强体，得到的材料机械性能十分优异。

以上这些研究进展都为制造性能与环保两不误的绿色天然纤维复合材料做出了一大突破，将这种增强复合材料应用于各个行业，如交通领域、汽车领域、建筑领域以及船体领域都能够极大的降低增强材料的成本。

3.2.2 吸附材料

目前常见的吸附剂主要是活性炭、硅胶等。 黄麻纤维因为具有中腔结构，且其资源相对而言更加丰富、价格优势大、可完全生物降解，是十分理想的绿色环保吸附剂代替品，在吸附材料领域有广泛的运用[32-33]。 黄麻纤维对废水中Cr6＋等有毒物质的吸附能力已得到证实[34]。 此外，Huang 等[35]研究出黄麻纤维生物吸附剂连续去除苯胺和重金属离子，进行了活性吸附质改性吸附剂的实用设计，不仅仅在污水处理方面提供了一种新型材料，在吸音材料也有一定的研究进展。 这点在吸音性能中已做介绍。

3.2.3 阻燃材料

资源丰富的黄麻纤维，与其他当前正在应用的阻燃材料相比，成本更为便宜，也更加环保安全。将黄麻纤维进行常规的阻燃处理后，能够与其他纤维材料混合制成一些非织造布，满足于汽车内饰。这种非织造布的力学性能优异，且具有很好的透气性能，对环境压力小，符合汽车行业的发展需求[9-10]。 有研究使用阻燃剂DAG-50 与DAG-80，对黄麻纤维进行阻燃处理，得到的复合材料具有良好的阻燃性，并且制作成本低，是良好的阻燃材料替代品[36]。

4 黄麻纤维的应用

黄麻纤维的产品逐渐步入大众视野，已然不是一开始局限在麻袋产品。 现在，在服用、家纺、包装、工业用等领域中的黄麻纺织品也在不断地被开发，而经过改性的黄麻纤维也可以用于制备各种复合材料，可应用于各个高端技术领域。

4.1 服用领域

黄麻纤维通常不单一的出现在纺织品中，往往需要与其他纱线进行复合后织造。 复合方式主要有两种：一是直接以黄麻纤维为纬纱，其他天然纤维为经纱；另一种是将黄麻纤维在纺纱过程中与化学纤维进行复合加捻[1]。 与化学纤维复合得到的纱线用于服装行业较多，其原因是黄麻复合纱在保证亲肤性的同时还能够降低纱线成本，且其手感完全可以代替中高档的亚麻等产品。

黄麻纤维经过精细化和柔软化处理后，能够纺出支数较高的纱线，这种纱线织造出的织物手感细腻、舒适，能够直接用于服装领域。 目前在国内外的市场上，高档黄麻面料十分常见[10]。

4.2 家纺领域

黄麻纱线原本是暖黄色调的，给人以亲近自然、朴素简单的感觉，适合用于温暖风格的装饰用品。 此外，黄麻纤维具有抑菌杀菌、防虫螨等性能，可以避免细菌的滋生[2]。

可用黄麻纤维的编织物进行设计创新。 有设计师利用黄麻纤维，编织成各种形状不一的灯罩，这种灯罩不仅透光性能很好，而且外观具有黄麻纤维特有的挺括性，给家庭的装修锦上添花。 此外，目前还有黄麻与合成纤维的混纺织物用来织造轻质的窗帘。 如果将黄麻纤维与其他化学纤维(天丝、丙纶等)通过混合纺丝，制成混纺粗纱，可以生产各类毛织物，特别是毛毯。 这种混纺纱制成的毛毯相比于纯羊毛毛毯，耐磨的性能更加优异，还具有一定的隔热性能。 这种混纺纱毛毯的成本远低于纯羊毛毯[37]。

4.3 包装领域

由于黄麻纤维不规则的结构特点，其与别的天然纤维相比，光线投射在黄麻工艺纤维上更加亮丽，再经过纺丝后整理，往往让人感觉到古朴、简单的美学风格，符合当代人追求的回归自然的感觉，可以用于DIY 制作的牛皮纸袋的替换天然材料。黄麻纤维优异的抗菌、抑菌性能，使其可以作为食品的外包装材料[38]。 另外，因为黄麻纤维的防水性能与力学性能较为优异，且大部分电子产品对空气湿度的敏感度很高，受湿度影响而被破坏。 因此，黄麻纤维也可以作为电子产品的外包装材料。黄麻纤维用于包装材料，可以让人感受到返璞归真的纯朴气息[2]，符合当下“与自然和谐相处”的社会趋势。

4.4 工业领域

目前黄麻纤维在工业领域中主要以增强复合材料和土工布等形式存在。

黄麻复合材料具有价格低廉、高机械性能、耐化学腐蚀等优点。 黄麻纤维在工业领域的应用目前可总结为三大类：增强材料、吸附材料和阻燃材料。 例如，黄麻纤维与热塑性树脂(聚丙烯)合成的一种复合材料——“麻塑粒子”，其力学性能优于单一聚丙烯材料，而且黄麻纤维是生物可降解的，可代替容易被腐蚀的天然木材，保护环境，广泛应用于汽车领域、建筑构件等。 将黄麻纤维下脚料织成独特网眼结构的管状物，生产出的土工布可改善土壤微环境，具有优异的水土保持效果。 黄麻纤维的复合增强材料还可以用于加固水库、公路等建筑的边坡，以及环境保护(水土流失、沙漠化问题)、环境装饰等方面[39]。

5 结束语

黄麻纤维作为可再生的天然纤维，具有天然纤维优良的吸湿导热性和生态环保性，比常见的天然纤维具有更高的强力、抗菌性与抗紫外线能力，是理想的环保材料。 对黄麻纤维进行改性后，其应用范围更为广泛，黄麻纤维的价格相较于同等性能的纤维更为低廉。 因此，黄麻纤维可作为一些高性能纤维的替代纤维与其他高性能纤维进行复合，应用于服用、家纺、包装以及工业领域。 黄麻纤维的增强材料、吸附材料以及阻燃材料是目前的研究热点，如何将黄麻纤维高性能复合材料的科研成果运用于实际的生产过程中，仍然是一个迫切需要去解决的问题。