蓮纖維的研究進展

程 騁，杜鄒菲，趙魯丹，彭靈慧，郭榮輝

(四川大學輕紡與食品學院，四川成都 610065)

?

蓮纖維的研究進展

程 騁，杜鄒菲，趙魯丹，彭靈慧，郭榮輝

(四川大學輕紡與食品學院，四川成都 610065)

蓮纖維存在于藕和蓮桿中，是一種新型天然纖維。單根蓮纖維直徑約4μm，且擁有獨特的螺旋帶狀復絲結構。蓮纖維的物理性能、化學性能和吸濕性能等都較優異，適合作為服用纖維材料和和產業用纖維材料。綜述了蓮纖維的成分、形態結構、制備、性能及應用。蓮纖維高效制備、性能及應用將成為未來研究的主要方向。

蓮纖維 結構 性能 制備 應用

隨著生活水平的提高，人們對服飾要求不只滿足于防寒保暖等基本功能，現更注重服飾材料的綠色環保、健康時尚等，這要求整個紡織服裝行業不斷開發出新技術、新產品以滿足人們不斷增長的新需求。新型服用纖維材料的開發既要滿足人們的新鮮感，又要考慮人們對健康和環保的關注。天然植物纖維材料不但綠色環保、工業污染小，容易生物降解，且親水性好，制成的服裝穿著舒適。此外，植物纖維中常常含有具有一定抗菌和衛生保健功能的生物活性成分。因此，天然植物纖維為理想的紡織服裝材料。目前，已有研究開發菠蘿纖維、香蕉纖維、椰子纖維等新型植物纖維用作紡織服裝材料。蓮是一種富含植物纖維的作物，在亞洲具有悠久的種植歷史，中國、東南亞等是傳統的蓮種植區。在中國根據蓮不同用途，蓮分為藕蓮、花蓮、子蓮[1]，蓮種植主要為滿足食品與藥品的需要。然而，一些東南亞國家從蓮桿中提取出蓮纖維制作佛教袈裟，這引起紡織服裝行業將其開發為服用材料的興趣。蓮纖維面料清爽透氣、吸濕性好、挺括抗皺、綠色環保，且具有一定的抑菌、保健效果。另外，蓮纖維具有良好的親水性和生物相容性，因而使其在醫療衛生領域具有潛在應用價值。

1 蓮纖維的成分與結構

1.1 蓮纖維的成分

蓮在不同地區有荷花、蓮藕、芙蕖等別名。在對蓮的開發利用中，發現從藕中能提取出纖維，因此有人稱這種纖維為藕絲纖維。后有研究發現藕絲纖維在蓮的根莖(藕)、蓮葉桿和蓮花桿等組織都大量存在，且蓮葉桿和蓮花桿中含量最多，并提出藕絲纖維應改稱蓮絲纖維[2]，后來的研究中多簡稱為蓮纖維或荷纖維。蓮纖維在蓮桿和蓮藕組織中的維管束中有大量分布，維管束中的導管或管胞次生壁經過生長延長形成蓮纖維[3,4]。Ying Pan等[5]分析蓮纖維的化學成分，結果表明，蓮纖維化學成分組成類似于其他植物纖維，主要由纖維素、木質素、半纖維素、果膠和少量蠟質及蛋白質組成。其中，纖維素含量達41.4±0.29%，半纖維素和木質素含量分別為25.87±0.64%和19.56±0.32%，非纖維素含量明顯高于棉和麻纖維。通過對蓮纖維在脫木素處理和脫半纖維素處理前后的橫截面分析，發現木質素主要分布在蓮纖維表層，而半纖維素分布于整個纖維截面，但主要分布在纖維的微纖絲間。

1.2 蓮纖維的形態結構

圖1是蓮纖維的微觀結構形態圖[6]。采用掃描電鏡觀察手工抽取出蓮纖維，結果表明，蓮纖維為多根單纖維組成的螺旋帶狀復絲構造。蓮纖維表面較光滑，單纖維直徑大約4μm；縱向每隔3μm～5μm存在細橫紋,且軸向上間隔10μm～20μm分布許多結點，結點將單絲締合聯結。蓮纖維長度范圍為40mm～300mm，最長可達480mm。蓮纖維為實心纖維，形狀不規則，橢圓形或近似圓形。蓮纖維的復絲結構和螺旋轉曲形態，賦予紡織品大量的空隙，從而提高織物的親水性和透氣性[7-10]。

圖1 蓮纖維的微觀結構

2 蓮纖維的制備與加工

蓮紡織品的制備主要分為纖維的提取、脫膠和紡紗等過程。從蓮中提取的蓮纖維含有較多的果膠、蠟質等雜質，這些雜質會影響纖維的性能，故需要脫膠處理，制得精制蓮纖維。將精制的蓮纖維加工成蓮纖維紗線，即可用于后面的服裝面料生產。

2.1 蓮纖維的提取

蓮纖維的提取工藝既要分析蓮纖維自身的結構和性能，還應該分析蓮植物的生物特形，例如蓮桿以及蓮桿中維管束等組織的生物結構和組成成分等[11]。目前，蓮纖維的提取方法按照提取工藝的不同可以分為物理法和生物化學法，其中物理法按照加工方式不同可細分為手工加工法和機械加工法。

2.1.1 物理法

手工加工法：每年荷葉成熟后，將收割的新鮮蓮桿切割成相等長度，清水洗凈。用小刀每隔3cm環切蓮桿表皮，然后在不弄斷纖維的情況下折斷蓮桿并向兩邊牽引，即可看到大量的蓮纖維。將這樣一束纖維加水加捻成絲，即得紗線[12]，加工工藝見圖2。此法得到的蓮纖維柔軟細長，顏色乳白泛黃，并略帶清香，但是生產效率低。有記載稱每生產一米的蓮纖維布料，需要35000根新鮮的荷葉莖，織造一件袈裟，需要十幾個女工工作一個月的時間。

圖2 手工加工法制備蓮纖維工藝流程圖

機械加工法：將新鮮蓮桿去葉除梗洗凈，切成相同長度，在溫水中浸漬24h；然后將蓮桿在滾軸壓軋機中進行壓軋，抽離出粗纖維束，再送入氣流開纖分離機，梳解開纖分離得到細纖維束；將細纖維束脫膠處理，即制得蓮纖維[13]，圖3是機械加工的工藝流程圖。對新鮮蓮桿直接加工的方法，屬于濕態機械加工法，將新鮮蓮桿換成干態蓮桿，直接通過物理擠壓搓揉分離出蓮纖維，則屬于干態機械加工法[14]。

圖3 機械加工法制備蓮纖維工藝流程圖

2.1.2 生物化學法

將新鮮蓮桿洗凈去根，利用生物發酵脫膠技術，在預處理階段將蓮桿在河水中浸漬1～4周，可以輔助加菌加酶處理，對發酵后的蓮桿使用物理加工法提取蓮纖維；或用15%～22% NaOH溶液在溫水中處理一定時間，繼而采用物理方法抽取。該法制得的纖維呈現淺棕色或棕色，質感較柔軟[15,16]。

2.2 蓮纖維的脫膠

從蓮桿中抽取的蓮纖維需要通過脫膠漂白工藝除去多余的木質素、半纖維素、果膠等雜質，使纖維的性能滿足紡紗要求。在2009年，張宏偉等[17]發明蓮纖維的“二煮一漂”脫膠漂白工藝，即將提取的蓮纖維通過一次堿煮、酸洗、二次堿煮、漂白，然后對蓮纖維開松處理，得到平均斷裂強度為1.68cN/d tex、平均斷裂伸長為6.68%和平均白度為42.9%的精制蓮纖維。

王建剛等[18]考察堿濃度、脫膠溫度、脫膠時間對蓮纖維物理性能的影響，結果表明，增加NaOH濃度，纖維細度減小，而斷裂強度和斷裂伸長率變化相似，即隨NaOH濃度增加先上升后降低，在13g/L處出現極大值。隨脫膠溫度升高，纖維的細度逐漸減小，斷裂強度和斷裂伸長率卻會增大，但當反應溫度超過90℃后，纖維則破碎為短纖維。脫膠時間越長，得到的纖維細度越細，斷裂強度和斷裂伸長呈現先快后慢的上升趨勢，并在最后達到極大值。

Fengyan Li等[19]研究堿液脫膠處理對不同生長階段蓮纖維的結構與性能的影響。結果顯示，隨NaOH濃度增加，蓮纖維平均斷裂強力先減小后增大。這是因為在低堿液濃度下，纖維的強度主要由分子間和分子內的氫鍵控制；在高堿液濃度下，堿液溶解蓮纖維的橫向聯結，單纖維的平行度增加，加上結晶取向增加的作用，纖維強力稍微增加。FTIR分析結果也證實在堿液處理過程中非纖維素雜質被有效去除。

2.3 蓮纖維的紡紗工藝

蓮纖維具有的復絲結構和竹節紗形態對提高纖維的抱合力有積極作用，提高了纖維的可紡性。蓮纖維細度小，具有優異的成紗強力和條干均勻度。纖維在紡紗過程中的靜電效應也因為蓮纖維較好的吸濕性能而顯著降低，減少了纖維對機器部件的纏繞[20]。蓮纖維的物理機械性能接近棉與麻類纖維，適合與棉麻纖維混紡。此外，紡紗之前對蓮纖維適當上油處理可以顯著改善蓮纖維較大的動靜摩擦系數帶來的問題。王培紅等[21]研究了蓮纖維的混紡工藝，具體的工藝過程如圖4所示。由于蓮纖維紡紗的各項工藝環節應根據纖維的特性調整紡紗工藝參數，目前已有關于蓮/棉20/80 28tex紗線和棉/藕絲92/08 28tex混紡紗線的研究報道。

圖4 蓮纖維的紡紗工藝流程

3 蓮纖維的性能

3.1 物理性能

研究報道，蓮纖維平均密度為1.184g/cm3，與蠶絲的密度接近，但低于棉與苧麻纖維密度。蓮纖維細度為1.55dtex，與棉細度接近，但低于蠶絲和苧麻[22]。

陳東生等[23]分析蓮纖維力學性能，結果見表1。結果顯示，蓮纖維的斷裂為脆性斷裂。蓮纖維剛性較佳，平均初始模量為146.81cN/dtex，平均斷裂強度為3.44cN/dtex，平均斷裂伸長為2.75%。蓮纖維模量接近苧麻，斷裂強度接近棉和蠶絲，斷裂伸長稍高于苧麻，是一種高強低伸性纖維。蓮纖維的靜、動摩擦因數分別為0.5541、0.3203，靜、動摩擦系數相差較大，均高于其他纖維素纖維，因此，蓮纖維擁有較澀糙的手感[24]。

表1 蓮纖維物理性能

3.2 吸濕性

王建剛等[24]對比蓮、棉、亞麻纖維吸濕與放濕性能，三種纖維的吸濕、放濕回潮率見表2。蓮纖維的吸濕、放濕回潮率均顯著高于棉、亞麻纖維。三種纖維的吸濕速率和放濕速率回歸曲線分別見圖5、圖6。蓮纖維最先達到吸濕放濕平衡，吸濕速率和放濕速率均高于棉與亞麻纖維，因此，蓮纖維吸濕性優于棉、麻纖維，主要由于蓮纖維含有較多的親水性基團；蓮纖維結晶度低于棉、麻纖維(48.06%)[25]；蓮纖維帶狀螺旋復絲結構促使蓮纖維表面含有大量孔隙，增加了蓮纖維比表面積。

表2 三種纖維吸濕與放濕回潮率[24]

圖5 三種纖維放濕回歸曲線[24]

圖6 三種纖維吸濕回歸曲線[24]

3.3 熱性能

蓮纖維的熱重曲線見圖7，結果顯示蓮纖維具有失水和分解兩個失重階段，60℃附近的失重主要為失去纖維水分和小分子；160℃附近時，纖維的失重率達68%，主要為蓮纖維自身的分解。蓮纖維的差示掃描量熱見圖8，溫度為324.7℃和377.7℃時，出現兩個熔融峰。蓮纖維的結晶度為48.06%，熱收縮率較低；在沸水中，熱收縮率為0.36%；在干熱空氣中，熱收縮率為0.3%。蓮纖維屬于易燃纖維，極限氧指數與棉纖維、粘膠纖維接近，為17.0% ～19.0%[26]。

圖7 蓮纖維的TG曲線[26]

3.4 化學性能

袁小紅等[27]分別用酸、堿及氧化劑對蓮纖維進行處理，研究在不同溫度和濃度條件下，蓮纖維的溶解狀況、色澤變化和力學性能變化。

耐酸性：使用無機強酸(硫酸、鹽酸等)時，增加無機酸濃度，升高反應溫度，蓮纖維溶解性增加。在質量分數為60%的濃硫酸中，大部分蓮纖維將溶解，強力明顯降低。鹽酸對蓮纖維的作用較強，15%的鹽酸會使蓮纖維出現顏色變化，37%的鹽酸就能使蓮纖維溶解。斷裂強力和斷裂伸長率分別降低50%和20%。蓮纖維在有機酸如冰乙酸中較穩定，未出現明顯的色澤變化和溶解現象。蓮纖維的耐酸性稍差于棉纖維。

耐堿性：蓮纖維在NaOH溶液中較穩定，但在煮沸的15g/L的NaOH溶液中，會有輕微的色澤變化，如果濃度過高，纖維會變得脆且易斷。隨NaOH濃度增加，蓮纖維斷裂強度和斷裂伸長率先增大而后減小，NaOH濃度為10g/L時，蓮纖維的強度和斷裂伸長均達最大值。

耐氧化性：蓮纖維在H2O2溶液中較穩定，分別采用5%和10%的H2O2溶液處理蓮纖維，纖維未溶解，也無色澤變化，其強力和斷裂伸長率變化較小。在NaClO溶液中，蓮纖維穩定性較差，30℃時，纖維在13% NaClO溶液中將微溶解，并伴有色澤變化，斷裂強力和斷裂伸長率則分別降低60%和95%。

3.5 抗菌性

蓮由于含有較多具有抑菌效果的生物活性成分，如黃酮類和生物堿類物質等，可作為中藥材使用[28-30]。同時，蓮纖維含有對人健康有益的多種氨基酸與微量元素。潘穎[31]研究蓮纖維的抗菌性，結果表明，蓮纖維對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有一定抑菌效果；蓮纖維與金黃色葡萄球菌作用4h后，即表現出明顯的抑制效果；18h后，抑菌率達99%。因此，蓮纖維對金黃色葡萄球菌具有優異的抑制效果。蓮纖維對大腸桿菌具有一定抑制效果，作用4h后，抑菌率為86.4%。

3.6 生物相容性

聶敏等[32]從蓮藕中提取出蓮纖維并研究蓮纖維電參數對溶液酸堿度的變化規律，發現蓮纖維電參數對溶液酸堿度有明顯的U/Ω效應。隨溶液pH值的增加，阻抗和電阻曲線呈現U型變化，在pH值等于7時有最小阻抗值和電阻值。而蓮纖維的電容隨著pH值增加，曲線呈現Ω型變化，在pH值等于7時有最大電容值。蓮纖維這種阻抗、電阻和電容隨溶液pH值的變化表現出的U/Ω效應與人體組織的電感特性變化類似。因此，蓮纖維對生物體有優異的生物相容性。蓮纖維良好的生物相容性使其在醫療衛生領域將具有潛在應用價值。

4 蓮纖維的應用

4.1 服飾

由于蓮纖維良好的可紡性，可用于紡高支高密紗線，也可以和其它纖維混紡。蓮纖維吸濕性好，面料輕柔，清爽透氣，是夏季服裝的理想材料。由于蓮具有特殊的宗教意義，可以將蓮纖維開發成宗教用品。蓮纖維具有一定抗菌性，可用于衛生保健類紡織服裝面料。蓮纖維作為一種具有優良性能的新型綠色纖維，必然吸引時尚界的注意。目前，日本、意大利等國家的公司將蓮纖維生產夾克和高檔西服等奢侈品。

4.2 醫療

由于蓮纖維纖維素具有親水性、生物降解性、生物相容性等特點，且蓮纖維在人體內與肌肉和血液分子相互滲透和擴散，可以逐漸被消化吸收[33]，因此可將蓮纖維應用于醫療領域，用于生產手術中大量需求的縫合線、醫用紗布、止血條、止血帶等。

4.3 其他應用

蓮纖維還可制成納米纖維材料。納米纖維素纖維具有較高粘度、良好的懸浮穩定性、優良的生物相容性與降解性能，因此，蓮纖維可應用于制備低熱食品、醫療領域的生物傳感器、載體、敷料和化妝品，甚至用于聚合物基地增強劑和功能紙開發[34,35]。已有研究將蓮纖維和海藻酸鹽復合制備具備生物降解調控功能的蜂窩狀多孔材料[36-38]。另外，蓮纖維也可作為纖維復合材料的增強體，Mengxi Wu等[39]在蓮纖維表面噴涂聚乙烯醇薄膜制備仿生復合蓮纖維材料，提高蓮纖維材料的力學強度。

5 展望

蓮纖維是一種新型綠色纖維，主要存在于蓮桿和藕中，目前主要從蓮桿中提取。蓮纖維結晶度低于棉、麻類纖維，非晶區域占比大，蓮纖維特殊的復絲排列結構賦予蓮纖維制品良好的吸濕性。蓮纖維強度較好、密度小、細度低、熱性能好、抗菌性佳且具有較好的耐化學試劑性能，因此，蓮纖維是一種理想的紡織材料。另外，蓮纖維在醫療、衛生、復合纖維材料等領域都有廣闊的應用前景。然而，蓮纖維的制備工藝僅停留于傳統制備方法。高效、綠色環保、適合工業化生產的蓮纖維制備工藝還需進一步研究。同時，需不斷開發新型蓮纖維的應用，使蓮纖維在紡織服裝、產業用等領域占有一席之地。

[1] 蔡再生.纖維化學與物理[M].北京:中國紡織出版社,2004:112.

[2] 王希慶.藕絲[J].生物學通報,1950,5(1):14-17.

[3] 陳維培,張四美.蓮的生態學解剖[J].生態學報,1988(3):279.

[4] 沈喆,唐笠,沈青.天然藕絲的纖維特征[J].纖維素科學與技術,2005,13(3):42-45.

[5] Ying Pan,Guangting Han,Zhiping Mao,etal.Structural characteristics and physical properties of lotus fibers obtained from Nelumbo nucifera petioles[J].Carbohydrate Polymers,2011(85):188- 195.

[6] Di Liu,Guangting Han,Jiancheng Huang,Yuanming Zhang.Composition and structure study of natural Nelumbo nucifera fiber[J].Carbohydrate Polymers ,2009(75): 39-43.

[7] 劉迪.蓮纖維的形態結構及物質組成初探[D].青島:青島大學,2008.

[8] 何軍,陳東生.蓮纖維形態結構探討[J].中國纖檢，2010(1)：70-73.

[9] 甘應進,袁小紅,王建剛,等.蓮纖維微觀結構分析[J].紡織學報,2009,30(11):14-17.

[10]陳東生,何軍,王建剛,等.蓮纖維的形態研究[J].纖維素科學與技術, 2008, 17(1): 57-60.

[11]Ying Pan,Guangting Han,Zhiping Mao,etal.The anatomy of lotus fibers found in petioles of Nelumbo nucifera[J].Aquatic Botany, 2011 ,95, 167-171.

[12]程醉.經年累月,纖維加工快馬還需猛加鞭[J].中國纖檢，2012,19(4):24-27.

[13]崔瑛.一種蓮纖維蛋白被:中國,201310379413.0[P].2015-03-18.

[14]張洪亭.天然纖維素長絲-蓮纖維[J].中國纖檢，2010(21):82-87.

[15]陳東生,甘應進.蓮纖維及其制備方法與制品:中國, 200610140888. 4 [P].2008-04-23.

[16]陳東生,甘應進.蓮纖維及其制取[J].閩江學院學報,2008,29(5):101-103.

[17]張宏偉,李永蘭,王明芳,李南.蓮纖維脫膠漂白工藝[J].印染,2009(14)：16-18.

[18]王建剛,嚴濤海.蓮纖維脫膠工藝的實驗研究[J].河南工程學院學報,2013,25(4).16-21.

[19]Fengyan Li, Hongjun Fu.Effect of Alkaline Degumming on Structure and Properties of Lotus Fibers at Different Growth Period[J].Journal of Engineered Fibers and Fabrics,2005,10(1).135-139.

[20]靳賀玲,秦姝.蓮纖維的紡紗工藝探究[J].化纖與紡織技術,2012,41(3):19-22.

[21]王培紅,寇修茂,蔣秀鳳.棉藕絲混紡系列產品的開發[J].棉紡織技術,2005,33(6):357-358.

[22]王建剛,袁小紅,何軍,等.蓮纖維的物理性能[J].紡織學報,2008,29(2):54-56.

[23]陳東生,甘應進,王建剛,等.蓮纖維的力學性能[J].紡織學報,2009,30(3):18-21.

[24]王建剛,倪海燕,袁小紅,等.蓮纖維的吸濕性能[J].紡織學報.2009,30(9):11-14.

[25]段慧.蓮纖維的結構與性能研究[D].青島:青島大學,2010.

[26]王建剛,袁小紅,甘應進,陳東生.蓮纖維的熱學性能[J].紡織學報,2010,31(2):7-9,23.

[27]袁小紅,陳東生,甘應進.蓮纖維的化學性能[J].纖維素科學與技術.2012,20(3):44-50.

[28]紀麗蓮.荷葉中抑菌成分的提取及其抑菌活性的研究[J].食品科學.1999, 20(8): 64-66.

[29]Akinjogunla O.J.,Adegoke A. A.,Udokang I. P.,Adebayo-Tayo B.C. Antimicrobial potential of Nymphaea lotus(Nymphaeaceae) against wound pathogens[J].Journal of Medicinal Plants Research,2009,3(3):138-141.

[30]劉樹興,趙芳.荷葉生物堿的含量測定方法及抑菌活性研究[J].食品研究與開發，2008,29(3): 124-127.

[31]潘穎.蓮纖維結構與性能研究[D].上海:東華大學,2011.

[32]聶敏,張天鵬,裴昌幸,等，藕絲電參數對溶液pH值的U/Ω效應[J].科學通報,2008,53(9):1089-1093.

[33]韓婭紅,孟家光,毛萃萃.針織用綠色保健纖維[J].針織工業，2011(11):9-10.

[34]范子千,袁嘩,沈青.納米纖維素研究及應用進展II [J].高分子通報,2010 (3):40-60.

[35]宮英.納米蓮纖維/海藻酸鹽多孔材料制備及表征[D].青島:青島大學,2014.

[36]袁本振.蒸汽閃爆預處理制備蓮納米纖維及其結構與性能研究[D].青島:青島大學,2014.

[37]Ying Gong ,Guang Ting Han,etal.Research on the degradation performance of the lotus nanofibers-alginate porous materials[J].Polymer Degradation and Stability, 2015,118 ,104-110.

[38]韓光亭,宮英,張元明.納米蓮纖維/海藻酸鹽多孔材料及其制備方法:中國,2014104911 02.8[P].2014-09-24.

[39]Mengxi Wu, Hua Shuai,etal.Bioinspred Green Composite Lotus Fibers[J].Angewandte Communications,2014, 53, 3358-3361.

2016-05-15

郭榮輝(1976-)，女，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：紡織材料與紡織品設計。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0120-06