云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性

崔玉梅， 程隆棣, 肖遠淑

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 新疆大學 紡織與服裝學院， 新疆 烏魯木齊 830046)

云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性

崔玉梅1，2， 程隆棣1, 肖遠淑2

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 新疆大學 紡織與服裝學院， 新疆 烏魯木齊 830046)

為了解云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性能，測試了這種纖維的標準回潮率、吸放濕曲線及吸水率，建立了吸、放濕回歸方程和吸、放濕速率回歸方程，并與棉纖維比較。結果顯示：牛角瓜纖維比棉纖維有更好的吸濕性，其標準回潮率為11.4%。牛角瓜纖維的吸濕滯后性大于棉，其吸、放濕行為可以用指數模型描述，放濕速率顯著高于棉纖維，吸濕與放濕平衡時間的差異更大。牛角瓜纖維比棉纖維的吸濕量和吸、放濕速率明顯高，將使其織物有更好的穿著舒適性。牛角瓜纖維和棉纖維都表現出不易浸潤的特性，但牛角瓜纖維的吸水率(133.62%)明顯高于棉(74.98%)，有作為吸水材料的潛在價值。

牛角瓜； 果實纖維； 吸濕性； 回潮率； 吸水率

牛角瓜是一種生長在熱帶、亞熱帶地區的多年生灌木植物，具有很高的經濟價值和藥用價值，其果實纖維是一種生態環保的新型纖維素纖維。牛角瓜纖維細長如棉，光澤如絲，輕盈保暖，抗菌防蛀，可作為床上用品的填充絮料、救生衣和救生艇的浮力材料、輕質復合材料的增強基等[1-2]。對牛角瓜纖維的紡紗性能已有初步的研究，與棉混紡實驗中牛角瓜纖維的混紡比已達到67%和75%[3-4]。

吸濕性能是紡織纖維最重要的特性之一。對牛角瓜種屬纖維吸濕性能的研究目前大多集中在對含水率和回潮率指標的測試。高靜等[5]依據GB 5883—1986《苧麻回潮率、含水率試驗方法》測試牛角瓜、木棉和棉纖維的回潮率和含水率，結果顯示牛角瓜纖維的回潮率大于棉和木棉；Sakthivel等[3]測試了白花牛角瓜纖維的回潮率和含水率,并與棉纖維比較；Louis等[4]也評價了2種馬利筋纖維(A.syriaca和C.gigantea)的吸濕性；Woeppel等[6]研究了2種馬利筋纖維的水分特性，測試了含水率、回潮率、吸水速度和吸水率等指標，其中吸水速度和吸水率實驗參照非織造布的測試方法和標準。

本文采集云南昆明地區的野生牛角瓜果實纖維，測試其含水率、回潮率、吸放濕曲線、吸放濕速率曲線和吸水率等指標，并與棉纖維或木棉纖維做對比分析。本文目的在于明確云南馴化野生牛角瓜果實纖維的水分特性，以便更好地挖掘其作為紡織原料和吸水性材料的潛在價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：野生牛角瓜纖維(云南昆明)、長絨棉(新疆吐魯番)。

實驗儀器：YG747型八籃恒溫快速烘箱；YG601型透濕試驗箱，溫度范圍為20～50 ℃，濕度范圍為20%～95%，箱內氣流速度為0.3～0.5 mm/s；YG002型纖維細度儀；電子天平(0.000 1 g)。

1.2 實驗方法

1.2.1 吸濕實驗

取1 g試樣，在50 ℃烘箱內烘1 h，稱取烘后質量，將試樣置于標準大氣條件下，使試樣進入吸濕過程，記錄試樣的質量變化，前80 min每隔5 min稱量1次，其后每隔10 min稱量1次，直至試樣達到吸濕平衡。稱取試樣干態質量，計算吸濕過程中的回潮率，以吸濕時間為橫坐標，回潮率為縱坐標繪制吸濕曲線。

1.2.2 放濕實驗

將1 g試樣密封于盛有蒸餾水的玻璃干燥器內48 h，使試樣在100%相對濕度時達到吸濕平衡，再將試樣置于標準大氣條件下放濕。以放濕時間為橫坐標，回潮率為縱坐標繪制放濕曲線。

1.2.3 吸濕與放濕等溫線測試

透濕儀的溫度設置為30 ℃，相對濕度分別設置為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，當儀器內的溫、濕度達到設定值時，放入烘干后的試樣，每個試樣在箱內平衡2 h后取出稱量，計算其回潮率。以相對濕度為橫坐標，試樣回潮率為縱坐標繪制吸濕等溫線。同理，使試樣在100%的相對濕度下達到吸濕平衡，再將試樣置于不同的濕度環境下進行放濕平衡，計算試樣在不同濕度環境下的回潮率，繪制放濕等溫線。

1.2.4 吸水性實驗

將待測纖維放在標準大氣中平衡48 h，稱取1 g樣品放入盛有1 000 mL去離子水的量杯中，觀察纖維在水中的浸潤情況；將纖維完全壓入水中，30 min后取出試樣，自然懸垂滴水30 min后稱取試樣質量，按式(1)計算纖維吸水率。

(1)

式中：Wa為纖維吸水率，%；Gew為試樣原始質量，g；Gsw為吸水后的試樣質量，g。

2 結果與分析

2.1 回潮率和含水率

本文測得牛角瓜纖維和新疆長絨棉在標準大氣條件下的回潮率分別為11.4%和7.7%。高靜等[5]測得牛角瓜、棉和木棉纖維的回潮率分別是11.9%、7.0%和9.3%。顯然，牛角瓜纖維的吸濕性明顯高于棉纖維，也高于同為大中腔、薄壁的木棉纖維。

高吸濕纖維吸附的水分為2類：一類是結合水，存在于纖維外表面、內部空隙表面、晶區表面和無定形區，且與纖維素的羥基形成氫鍵結合；另一類是游離水，即當纖維吸濕達到飽和點后，水分子繼續進入纖維的中腔和孔隙中，形成多層吸附水或毛細水。水對纖維材料的可及性取決于材料的幾何結構和組成。牛角瓜纖維的結晶度大于棉，無定形區比例大，晶區顆粒小、比表面積大；牛角瓜纖維為薄壁大中腔結構，中空度高達80%以上[7]，其半纖維素和果膠物質含量也高于棉(見表1)，而半纖維素聚合度低(80～200)，親水基團數量多，對水分子高度可及。上述因素都會使牛角瓜纖維比棉有更多的結合水和大毛細水，因而，牛角瓜纖維表現出比棉纖維明顯大的吸濕性。木棉與牛角瓜纖維的組成與結構非常相似，但木棉纖維親水的果膠含量少很多，結晶顆粒較大(見表1、2)，這些因素可能導致木棉纖維吸濕能力小于牛角瓜纖維。衣著用纖維一般要求吸濕平衡回潮率在12%～14%之間。牛角瓜纖維符合人體對紡織纖維吸濕性的要求，且輕柔保暖、防霉防蛀、低過敏[8-9]，可以預測其織物具有良好的服用舒適性。

注：a為本文測試結果；牛角瓜纖維數據來自文獻[2,5]；木棉纖維數據來自文獻[10-12]；成熟細絨棉數據來自參考文獻[13]，其中蠟質成分為含脂肪的數值；結晶度測試采用X射線衍射法。

表2 牛角瓜、木棉和棉纖維的形態特征參數

注：牛角瓜纖維數據來自文獻[2,7]；木棉纖維數據來自文獻[10-12]；成熟細絨棉數據來自文獻[13]。

2.2 吸放濕等溫線

圖1示出30 ℃時牛角瓜纖維和長絨棉的吸放濕等溫線。由圖可見2種纖維的吸放濕曲線都呈S型(IUPAC type II)，這與其他天然纖維的吸放濕行為一致[16-17]；且放濕曲線比吸濕曲線更接近于直線。從曲線形態看，牛角瓜纖維的吸濕機制與長絨棉完全一致；2種纖維吸濕滯后的區域均集中于70%～90%高濕范圍，這與2種纖維均有較顯著的濕態膨脹特性有關。高濕環境下，吸附到纖維胞壁內的結合水對纖維素基質(由無定形木質素、半纖維素和果膠構成[15])產生膨脹壓力，導致胞壁內無定型區大分子間的距離拉大，纖維結構變松[14]，毛細管變粗，使毛細管凝結水大量增多。這種變化是不可逆的，因而當大氣濕度降低時，纖維能保持更多的水，產生更大的吸濕滯后性。

纖維吸濕滯后程度與吸濕后纖維結構的變化有關[14]，這可能是受纖維中木質素含量的影響[15]。通常用吸放濕纖維含水量的差異表征，其計算公式為

(2)

式中：Hy為濕滯度，%；Md和Ms分別是纖維的放濕與吸濕平衡回潮率，%。該公式排除了吸濕量對纖維吸濕滯后度的影響。

圖2示出2種纖維濕滯度隨相對濕度變化的曲線。在30%～70%范圍內，隨相對濕度增加，牛角瓜纖維濕滯程度明顯增加，說明此階段吸濕增加引起的纖維胞壁結構改變較小；在70%～90%相對濕度時，纖維濕滯程度呈明顯下降趨勢，說明在高濕環境下牛角瓜纖維結構發生了很大的變化。而長絨棉是在80%～90%相對濕度時濕滯度下降，反映出長絨棉纖維結構更穩定。此外，在整個吸放濕過程中，牛角瓜纖維的濕滯度都大于長絨棉，這可能與牛角瓜纖維木質素含量高有關，木質素網狀物吸濕后容易變形[15]，從而能容納更多的水。在100%的相對濕度下，牛角瓜纖維和長絨棉的平衡回潮率分別為18.87%和11.58%。棉纖維在高濕環境下的回潮率顯著低于牛角瓜纖維，也低于亞麻(19.4%)和大麻(25.0%)等纖維素纖維[13]。這是因為棉纖維無定形多糖成分少，也可能與棉纖維的原纖維間質剛度大，能更好地抵御吸濕膨脹壓力帶來的纖維結構變化有關。

2.3 吸放濕曲線

圖3、4分別示出牛角瓜纖維和長絨棉在標準大氣條件下的吸放濕曲線。由于2種纖維的吸濕機制一致，因此吸放濕曲線的形狀相似。牛角瓜纖維比長絨棉達到吸濕和放濕平衡都需要更長的時間，且吸放濕平衡時間的差異更大，這可以用纖維吸濕膨脹造成纖維胞壁結構不可逆變化的差異性來解釋。此外，高吸濕纖維的吸濕積分熱大，在相同大氣條件下，吸濕后所需散熱時間長，因此，達到放濕平衡也需更長時間。

2.4 吸放濕擬合方程

纖維的吸放濕過程可用指數規律描述[16]。經初步擬合實驗的探索，本文選擇指數模型描述纖維的吸放濕行為，得到2種纖維吸濕回潮率對時間的回歸方程為

(3)

(4)

放濕回潮率對時間的回歸方程為

(5)

(6)

式中：Wsg和Wsc分別為牛角瓜纖維和長絨棉吸濕過程t時刻的回潮率，%；Wdg和Wdc為2種纖維放濕過程t時刻的回潮率，%；t為吸、放濕時間，min。

用F值檢驗法對吸放濕回歸方程檢驗，吸濕方程式(3)、(4)的F值分別為12 377和14 823，P值均為0(<0.05),R2均為0.993；放濕方程式(5)、(6)的F值分別為34 632和77 216，P值均為0(<0.05)，R2均為0.998。所以，2種纖維的吸放濕方程回歸都極為顯著，其吸放濕規律可以用指數模型描述。

2.5 吸放濕速率方程

吸濕或放濕速率被定義為標準狀態下單位質量的纖維材料瞬間吸收或放出水分的量。依據式(3)、(4)可得到牛角瓜纖維吸濕和放濕速率方程為

(7)

(8)

依據式(5)、(6)可得到長絨棉的吸濕和放濕速率方程為

(9)

(10)

式中：Vsg、Vsc分別為牛角瓜纖維和長絨棉的吸濕速率，90/min；Vdg、Vdc分別為2種纖維的放濕速率，%/min。

根據式(7)～(10)繪制牛角瓜纖維與長絨棉的吸放濕速率曲線，結果見圖5、6。由圖可知，牛角瓜纖維的放濕速率始終大于吸濕速率；吸濕和放濕的初始速度都比較快，隨后吸濕速率迅速下降，而放濕速率下降緩慢。棉纖維的放濕速率始終小于牛角瓜纖維，其吸放濕速率都下降的很快，在更短的時間內達到放濕平衡。牛角瓜纖維吸濕量和吸放濕速率都高于棉纖維；可以預測，用牛角瓜纖維加工的服裝可以迅速而大量地吸收人體排出的汗液，并迅速地排除，從而加快身體散熱，降低皮膚溫度，減輕對環境的不舒適感，即牛角瓜織物將比棉織物有更好的穿著舒適性。

2.6 吸水性

表3示出2種纖維吸水性的測試結果。將未負載的2種纖維放入水中48 h，纖維仍懸浮于水面。這是因為纖維表面或者說初生胞壁上存在天然的蠟質使得纖維拒水。牛角瓜纖維比棉纖維表面含有更多的蠟質(見表1)，同木棉纖維一樣，細胞壁內含約20%疏水的木質素，可以預見牛角瓜纖維和木棉纖維的吸水速度都比棉小，能在水中懸浮更長的時間，應而具有成為浮力材料的潛在價值。

表3 牛角瓜纖維和棉纖維的吸水性

本文測得牛角瓜纖維和長絨棉的吸水率分別為133.62%和74.98%，按標準回潮率折算成干纖維吸水率后，1 g牛角瓜纖維可以吸附1.48 g的水，而1 g棉纖維只能吸附0.81 g的水，1 g木棉纖維可吸附1.03 g水(浸潤3 h)[10]。

中空纖維對水的吸附主要發生在纖維中腔。用光學顯微鏡觀察牛角瓜纖維的吸水過程發現，水遇到纖維就迅速進入纖維中腔。因牛角瓜纖維胞壁內含有疏水的木質素，表面含有疏水的蠟質，可阻止水通過胞壁進入，可以認為水是通過纖維開口端進入中腔。在纖維接觸到水的初始階段，可以觀察到纖維中腔有很多氣泡，部分纖維內還有氣泡在快速流動(見圖7(a))，說明空氣正在從纖維中腔排出；吸水一段時間后，水能夠充滿整個中腔(見圖7(b))。棉纖維的中腔較小，因而吸水少。

牛角瓜纖維雖然與木棉有相似的形態結構，有接近的木質素和蠟質含量，但牛角瓜纖維比木棉纖維結晶度小得多(見表2)，無定型區大，胞壁的結構更疏松，細胞壁厚度也比木棉薄，可以認為牛角瓜比木棉纖維的吸水膨脹更大，有更大的中腔和孔隙滯留更多的水。可以預測，用牛角瓜纖維做吸水材料其制品比木棉有更優良的性能。

3 結 論

1)牛角瓜纖維的吸濕性與棉纖維顯著不同，其標準回潮率為11.4%，遠大于棉纖維(7.7%)。牛角瓜纖維良好的吸濕性能較好地滿足人體對紡織穿著的要求。

2)牛角瓜纖維的吸放濕等溫線呈S型，符合高分子材料的吸放濕行為。但纖維結構不如棉穩定，水分子更易進入纖維內部。

3)牛角瓜纖維比棉達到吸放濕平衡需要更長的時間，且吸放濕平衡時間的差異更大，反映出因吸濕膨脹引起的胞壁結構變化更大。

4)牛角瓜纖維的吸濕回潮率隨時間的變化規律呈現指數規律，其吸濕放濕速率都比棉纖維快，且吸濕量大，其織物比棉織物有更好的服用舒適性。

5)牛角瓜纖維和棉纖維均表現出不易浸潤的特性，投入水中48 h仍不下沉；牛角瓜纖維吸水率大于棉，有成為吸水材料的應用價值。

FZXB

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Moisture absorption of wildCalotropisgiganteafiber in Yunnan

CUI Yumei1,2， CHENG Longdi1， XIAO Yuanshu2

(1.KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

To investigate the moisture absorption property of the wildCalotropisgigantea(C.gigantea) fiber in Yunnan of China, the moisture regain ofC.giganteain standard atmosphere and water absorptive capacity were measured and compared with cotton fiber. The moisture adsorption/desorption curves and the moisture adsorption/desorption rate curves were analyzed. The experiment results indicate thatC.giganteafiber exhibits superior hygroscopicity compared to that of cotton, and under standard atmospheric conditions, the equilibrium moisture regain ofC.giganteais 11.4%. The hysteresis between the adsorption and desorption isotherms ofC.giganteafiber is higher than that of cotton in all relative humidity range. TheC.giganteafiber′s moisture adsorption-desorption behavior can also be described using an exponential model. Its moisture desorption rate and the difference of the moisture absorption and desorption equilibrium time are significantly higher than that of cotton fiber.The hygroscopic capacity and moisture absorption/desorption rate ofC.giganteafibers are high in comparison with cotton fibers. Thus,C.giganteafabric when wearing is more comfortable than cotton fabric. BothC.giganteafiber and cotton fiber exhibit poor infiltration property, but the adsorption capacity ofC.giganteafiber, being 133.62%, is significantly higher than that of cotton (74.98%). It concludes that fibers extracted fromC.giganteapod can be an ideal source as absorbent materials.

Calotropisgigantea; fruit fiber; hygroscopicity; moisture regain; absorption capacity

10.13475/j.fzxb.20150404706

2015-04-25

2015-03-01

崔玉梅(1962—)，女，副教授，博士生。主要研究方向為紡織新材料,紡織加工新技術。程隆棣，通信作者，E-mail: ldch@dhu.edu.cn。

TS 102.2

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