牛角瓜纖維開發(fā)的研究進展

靳美琦,譚宇豪,李毓陵,*,薛文良,馬顏雪,丁 亦,王克毅,許建初,陳 鵬

(1.東華大學 紡織學院,上海 201620;2.中國科學院昆明植物研究所山地未來研究中心,云南 昆明 650201;3.宜興市中長色織有限公司,江蘇 無錫 214211)

牛角瓜因外形類似于牛角而得名,國內生長在云南、兩廣和海南等地區(qū),為多年生植物,在干熱河谷、曠野瘠地、荒山荒坡、江灘海岸等生態(tài)脆弱環(huán)境下表現出很好的適應性,尤其耐鹽堿與干旱,適宜在熱帶地區(qū)生長[1]。牛角瓜纖維,也稱水晶棉,是一種新型天然纖維素纖維,輕質柔軟如羊絨,光澤如蠶絲般亮白,高中空度也使其纖維制品的保暖性好、隔音、導濕透氣,可用于功能性紡織品的開發(fā)[2]。相比于同樣中空的木棉纖維[3],牛角瓜纖維長度更長,為21～39 mm,此外,它還具有良好的抗菌、防霉、防蛀特性,是生態(tài)友好的“綠色纖維”,眾多特性使得牛角瓜纖維可以作為救生浮力材料、輕質復合材料及家紡填充材料等[4]。在世界能源危機和環(huán)境惡化日趨嚴重的今天,結構與性能獨特的牛角瓜纖維有望成為一種新的天然原料,滿足紡織品市場對舒適化、功能化和美觀化的需求。

早期的牛角瓜經常用于藥物產品等的研發(fā)[5-8],牛角瓜的植株本身也是綠肥,表現出優(yōu)異的生態(tài)經濟植物特點[9-11]。汁液含有石油的化學成分,有著“植物石油”的美譽,有助于開發(fā)液體燃料,具有一定的經濟價值[12-13]。近年來,牛角瓜果實內的纖維開始用于服用產品的開發(fā)與優(yōu)化,常與棉紗混紡用于織造舒適、美觀、保暖的面料,但由于其纖維表面光滑,且無明顯轉曲,純紡產品比較少見[14]。此外,牛角瓜纖維中非纖維素含量較高,導致其易脆斷,斷裂強度不高。因此,牛角瓜的價值仍未被深度挖掘,從種植到纖維產品應用整個過程的工藝或技術是其在紡織領域內實現產業(yè)化應用需要優(yōu)化的關鍵點。

針對牛角瓜纖維結構與性能,從牛角瓜植株的種植技術、纖維的提取與養(yǎng)生預處理、紡織加工與應用等方面對現有的研究進行綜述。通過分析牛角瓜纖維的開發(fā)現狀,尋求需要改進的關鍵工藝或技術,以期推進牛角瓜纖維產品的紡織產業(yè)化應用進程。

1 牛角瓜纖維結構與性能

牛角瓜纖維由于不同尋常的特性,吸引了眾多學者對其結構和性能的關注。費魏鶴等[15]測試了牛角瓜纖維的表面形態(tài),并分析纖維微觀結構。李璇等[16]鑒別了牛角瓜纖維內部所含的主要成分,發(fā)現其中有纖維素、半纖維素、木質素等存在。牛角瓜纖維中的纖維素含量遠低于棉,含有的半纖維素和木質素成分較高,其果膠和脂蠟質的含量也比較高。楊雪[17]研究了牛角瓜纖維的基本理化性能如長度、細度、線密度、力學性能及吸濕性能等,并與同屬天然纖維素纖維的棉和木棉進行了對比分析。李穎[18]測試了牛角瓜纖維從宏觀到微觀的各種性能,分析纖維的耐化學試劑性、含糖量和抗菌性,結果發(fā)現牛角瓜纖維內部并不含有抗菌物質,且其纖維含糖量極高,易于細菌生長。崔玉梅系統(tǒng)地研究牛角瓜纖維的結構與性能,并與木棉和棉纖維做對比,它們的果實、纖維表面和橫截面形態(tài)對比分別如圖1、2、3所示。從圖1可看出木棉和棉纖維的果實狀態(tài)相似,都是呈團狀彎曲,而牛角瓜果實裂開后纖維連接著囊和種子,呈較筆直的形態(tài),這種果實狀態(tài)的不同也對3種纖維性能測試產生一定影響;從圖2和圖3看出牛角瓜纖維的縱向及橫截面特征與木棉相似,都是縱向光滑、大中空橫截面,而與天然轉曲、腰圓形截面的棉不同,這種結構的異同會影響纖維的性能以及后續(xù)的紡紗織造工作,也會影響最終產品的應用。

圖1 牛角瓜、木棉、棉纖維的果實

圖2 牛角瓜、木棉、棉纖維表面形態(tài)

圖3 牛角瓜、木棉、棉纖維橫截面形態(tài)

牛角瓜纖維與木棉、棉纖維的性能指標參數見表1。與木棉相比,牛角瓜纖維腔寬與壁厚的比值以及中空度稍大,故牛角瓜纖維后道產品的保暖性與木棉相近甚至更好;牛角瓜纖維的長度較長,斷裂強度、斷裂伸長較大,故牛角瓜纖維的可紡性較木棉好。與棉相比,牛角瓜纖維的長度和細度離散較大,且斷裂強度較小、體積密度較小,會影響后道紡紗工序及產品品質;但牛角瓜纖維回潮率和含水率較棉纖維高,吸濕性較好。因此,牛角瓜纖維的眾多優(yōu)勢體現出了其應用于功能性紡織品的巨大潛力。但是,牛角瓜纖維表面光滑,無明顯轉曲,導致各纖維間的抱合力低,故需增摩。牛角瓜纖維的纖維素含量不高,非纖維素含量尤其木質素含量高導致柔韌性差,故需增韌和增柔。牛角瓜纖維的中空度高、易脆斷、斷裂強度低,故需增強。綜上可知,牛角瓜纖維無法直接作為纖維原料用于紡織產品的開發(fā),必須先對纖維進行針對性的預處理。

表1 牛角瓜纖維與木棉、棉纖維性能的比較

此外,牛角瓜纖維在測試上述性能時,因其結構的特殊性,并不能完全按照棉纖維測試方法進行測試。牛角瓜纖維和木棉纖維都是天然中空纖維,與中空有關的測試方法都可以考慮借鑒木棉纖維,但是,除了相同的中空結構,兩者在長度和單纖維直徑分布等方面又有很多差異,也會影響纖維性能的測試方法。因此,探究目前棉纖維、木棉纖維的性能測試方法是否適用于牛角瓜纖維,以及建立合理的牛角瓜纖維性能測試方法和評價體系十分的重要。

2 牛角瓜種植

牛角瓜果實的質量、產量與其種植技術和方式密不可分。魏靜等[20]重點研究了牛角瓜的施肥技術、栽植密度和株型控制,發(fā)現牛角瓜的栽培規(guī)模和產量都有了很大的提高。于國棟等[21]通過對云南東川和元陽等多個干熱河谷中的牛角瓜進行對比,得到了單株結實量與單枝、單位冠幅的結實量以及分枝數性狀的關系,發(fā)現選育結實量大的單株能夠明顯增大牛角瓜果實的產量。Berkman[22]綜述了牛角瓜的繁殖方式以及水分、土壤、光照、營養(yǎng)對其生長的影響,認為使用浸種和低溫冷凍可以提高種子發(fā)芽率,并且在疏松土壤種植的行間距在0.6 m為宜。Winthrop[23]闡述了牛角瓜種子采集、溫室育苗和幼苗移植及除草施肥管理的整個過程,并研究了種植間距對植物生長的影響。劉鵬[24]對牛角瓜幼苗做了氮、磷、鉀肥不同配比的培育測試,發(fā)現適宜牛角瓜生長的最佳方案,可以促進產量和質量提升。袁曉慧[25]也開展了氮、磷、鉀肥的不同用量水平對牛角瓜株高、地徑、葉片數和冠幅生長等生理指標影響的施肥試驗,確定了牛角瓜生長期的最佳施肥方案。

種植密度、施肥技術及環(huán)境因素(如溫度、濕度等)均會影響牛角瓜的產量和質量,因此種植技術的優(yōu)化是保證得到優(yōu)質牛角瓜纖維的前提。

3 提纖部分

牛角瓜果實結構[26]如圖4所示,其果實由果殼、種子(籽)、纖維和囊四部分組成。牛角瓜纖維提取的主要過程為:鮮果脫水后成熟→果實開裂→打開果縫→從果殼內取出纖、籽、囊→將纖維與籽、囊分離除雜。其中,鮮果脫水開裂是提纖的前提。

圖4 牛角瓜果實結構圖

3.1 果實干燥

由于牛角瓜果實完全成熟后會發(fā)生自然開裂,果實內的纖維會隨風飄散導致無法收集,故采摘一般設定在果實成熟至纖維能自然釋放的3～4周內。這個時間段內離體果實的含水率比較高,大約75%～80%,果實極易發(fā)霉,不便于存儲。此外,果實含水率高時,會導致果縫不易打開,進而引起纖維無法分離。因此,必須將果實干燥到低含水率(8%～10%)才適宜提纖加工[22]。

牛角瓜果實不易脫除水分,在野外干燥通常需要1個月或更長時間,而高溫下暴曬會損害果實品質,常采用自然風干和熱風干燥等傳統(tǒng)方式。有工廠分兩個階段干燥,為避免收購的鮮果在長途運輸中發(fā)生果實霉變,在果實收購地用大網眼洋蔥袋吊掛干燥,脫去60%水分;半干果的脫水由工廠內特制的大型烘干機完成[27]。竹架平攤干燥與網袋吊掛干燥均可使果實在2～8天內開果。果實越重,果實開裂所需時間越長,采取按果實重量分組干燥的方法,能夠提高干燥效率和降低能耗。碰撞和擠壓果實都能實現果實開縫,但應對果實進行熟化處理使之統(tǒng)一成熟度。相比自然干燥和低溫烘燥,崔玉梅等[4]采用微波實現了牛角瓜果實的拓縫提纖,可以大大提高干燥效率。但如果單獨使用微波干燥,果實內部溫度不宜控制,也易造成纖維強力受損。因此,在選用合適的果實干燥方式基礎上,必須優(yōu)化干燥工藝參數保證良好的果實開縫效果。

3.2 纖維提取

牛角瓜果實干燥開裂后,對其內部纖維的分離和提取是重要的環(huán)節(jié)。人工采集纖維的方式效率低下,往往利用機械方式或專門的提取裝置。但是,采用單純的機械分離方式提取纖維,必然帶來纖維的損傷和囊片的碎裂,增加纖維純凈且無損提取的難度。由于牛角瓜纖維束、碎囊片和籽間空氣動力學特性有顯著差異,氣流分離纖維和雜質被廣泛采用。

Ragsdale等[27]采用的提取裝置包括果殼破裂、纖籽囊等采集以及纖維分離幾個部分,前期以機械方式,后期采用氣流進行分離,對纖維損傷小,但是機構較復雜。Bargen等[28]利用碾搓的摩擦力與剪切力的共同作用,將牛角瓜果殼腹縫撕裂,但無法保證將不同形狀和成熟度的果殼全部開果。黃惠民等[29]通過加熱對牛角瓜開殼,憑借纖維與果殼和雜質間的重量差異,以風力將纖維收集到上部,其他物質則受重力作用掉入底部篩網。此分離方式高效且纖維純凈,但破殼筒內相互作用過多會對纖維造成刮擦和磨損,影響纖維質量,不利于后序紡織加工。劉黨賜[30]設計的除雜裝置可以將牛角瓜纖維與囊、籽分離,以應對并解決牛角瓜纖維、囊和籽分離難的問題。但是,該裝置在使用時仍需要給棉羅拉握持住金屬片打手進行除雜,得到的纖維含雜率在3%左右,且纖維會出現擊打損傷,無法得到高純、高質的纖維。嚴靜[26]對牛角瓜纖維與籽、囊沉降性能進行了初步探究。陳冬冬[31]則進一步對牛角瓜纖維與籽、囊進行了懸浮性能差異實驗,并研究了一種水晶棉纖雜分離專用裝置[32],該裝置的除雜效果明顯,且輸出羅拉為木質材質,減少對中空纖維的損傷,但并沒有通過具體試驗來證明其裝置內部對纖維的損傷。此外,該裝置喂入系統(tǒng)的設計也只是參考振動給棉機的形式,并沒有針對牛角瓜進行創(chuàng)新性設計。

李剛等[33-35]基于微波催熟和氣懸分離原理陸續(xù)設計了幾種牛角瓜纖維的提取裝置,通過微波作用使牛角瓜果實內部的水分子高速運動,產生氣壓使果實爆破,并利用吸風裝置將纖維收集,對纖維進行有效分離獲得純凈的牛角瓜纖維。其中一種連續(xù)式牛角瓜纖維提取裝置[34],解決了牛角瓜纖維提取困難、提取不純凈等問題,提高了提取效率和提取質量,解決了囊籽纖維分離難、提取純凈率低的問題并且能夠降低提取成本。可滿足高生產效率、低纖維損傷、低纖維損失、低能耗、生態(tài)環(huán)保等產業(yè)化生產的要求,具有良好的推廣應用前景。

因此,在牛角瓜提纖過程中,利用微波技術干燥和氣流除雜展現出高效、低成本且纖維損傷小等優(yōu)勢,值得進一步研究。

4 養(yǎng)生預處理

纖維預處理方式一般為溶液浸漬法與溶液噴淋法。浸漬法是將纖維浸漬在配制好的溶液中,纖維與溶液能發(fā)生充分的接觸、反應與作用。噴淋法是將溶液分層噴淋到散纖維上,然后對纖維進行攪拌翻滾使之均勻。噴淋法的浴比小,纖維與溶液接觸的充分性與均勻性不及浸漬法。目前已有一些研究利用這兩種方法對牛角瓜纖維進行養(yǎng)生預處理。

羅江玲等[36]采用表面膜化處理增強牛角瓜纖維,提高了其斷裂強度及彈性模量。黃惠民[37]通過碾壓和蒸汽加濕,增強了牛角瓜纖維間抱合,使其易成條。之后又以NaCl溶液熟化增加纖維韌性,并以NaOH溶液硬化進行纖維增強[38]。此外,還利用化學助劑鞣化處理增摩,提高纖維間的抱合力,利于紡紗[39]。董華[40]研究發(fā)現,以反應濃度20 g/L,反應溫度40℃,反應時間30 min下的碳酸鈉弱堿處理,牛角瓜纖維表面的粗糙度增加,而非纖維素類物質含量減少,引起脆性降低,韌性增強。羅艷[41]還利用淀粉乳液來處理牛角瓜纖維,測試發(fā)現可以起到增強增摩的效果。由于牛角瓜纖維質量很輕,紡紗時牽伸區(qū)位置中纖維很難被控制,受力作用易出現漂浮現象,對后續(xù)加工產生了影響,需對纖維進行增重。于是,馬灣灣[42]將水和甘油配比97∶3處理實現增重的目的,甘油附著在纖維表面或進入空腔,同時甘油與纖維不會發(fā)生化學反應而影響纖維自身性能。Zhao等[43]制備了一種功能性增塑劑對牛角瓜纖維進行紡紗前處理,纖維表面覆蓋了一層薄膜,形態(tài)變得較為粗糙,中空腔也有少量的增塑劑填充,牛角瓜纖維的力學性能得到了全面提升,使牛角瓜纖維具有更大的可紡性。因此,牛角瓜纖維的養(yǎng)生預處理對其性能具有至關重要的作用,決定了纖維的可紡性和產品應用的前景,如深入研究,可更大程度地挖掘牛角瓜纖維的價值。

5 紡紗部分

利用堿性試劑處理牛角瓜纖維,主要目的是增強增摩,并以紗線質量來評價處理效果。Mansi等[44]用濃度1%～8%的NaOH溶液和3%～15%的水溶性黏合劑分別處理牛角瓜纖維,改善了牛角瓜纖維紡紗成網成條性差的問題。Sakthivel等[45]用濃度為5%的NaOH溶液在室溫下處理牛角瓜纖維5 min,經過處理后的纖維成功紡出了含75%牛角瓜纖維的19.4 tex牛角瓜/棉混紡紗。但Sakthivel同時發(fā)現,用NaOH溶液處理纖維,纖維易黏結,開松梳理困難,且纖維綜合性能出現輕度退化。Karthik等[46]的研究結果則與此相反,用堿處理(5%NaOH溶液處理10 min)和染色處理改性纖維,纖維的強伸性能均有所提高,初始模量減小,說明堿處理反而使纖維增強和增韌;與染色改性纖維比較,堿作用后纖維的摩擦因數增加更顯著,梳棉落棉率和生條棉結數降低,生條短絨減少,紗線的強力增大,成紗CV值、紗疵和毛羽均降低。與棉混紡后,對混紡紗及其織物的研究[38]發(fā)現,環(huán)錠紡得到的紗線強度低,并且紗線毛羽多,紡紗時還會出現繞羅拉和膠輥,以及多次斷頭的情況,而緊密紡得到的紗線各方面的性能都有極大提升,但紡紗時仍會出現類似的情況。此外,劉曉莉[14]研究混紡Modal纖維/牛角瓜纖維紗線,發(fā)現該紗線的性能比棉紗差。

牛角瓜纖維的純紡紗線或織物很少,導致其在服用領域推廣受限。牛角瓜紗線綜合性能較棉紗差,但手感、色澤等更好?，F有的牛角瓜紗線多為混紡紗,且混紡比較低,紗線線密度大,純紡產品難以生產。因此,今后牛角瓜纖維在紡紗上需要制備更高性能、更細線密度以及更高混紡比的紗線。

6 織造部分

由于牛角瓜混紡紗線強力低的特點,為了滿足織造需求,一般先對紗線進行性能優(yōu)化,然后,選擇適當的上機工藝進行織造。目前已有一些學者嘗試對牛角瓜混紡紗進行織造。Drean等[47]制備了30 tex環(huán)錠紗,牛角瓜纖維的混紡比分別設置為25%、33%和50%,織造平紋織物。對成紗強力的測試結果表明,當牛角瓜纖維的混紡比增加后,紗線強度等性能都變差。蔣曉[48]和饒良魁[49]都選用牛角瓜/棉(70/30)混紡紗,經上漿處理后織成平紋和2/1斜紋的梭織物與雙羅紋和空氣層針織物,測試后發(fā)現牛角瓜織物與棉織物相比,在保暖性能、接觸冷暖感、懸垂性能和風格等方面都可以滿足服用性能的要求,且牛角瓜針織物的保暖性能要優(yōu)于棉針織物的保暖性能。羅艷[41]選用牛角瓜/棉混紡比分別為30/70、40/60和50/50,以及牛角瓜/棉/滌綸混紡比分別為30/20/50、40/27/33、50/33/17的6種混紡紗織成針織物,測試結果表明牛角瓜/棉/滌綸混紡織物的拉伸性能、耐磨性、透氣性優(yōu)于牛角瓜/棉混紡織物,而保暖性和透濕性略差,且牛角瓜纖維的含量越大,兩類混紡織物的保暖性越好。馬灣灣[42]采用2根紗線合股并線的方法對紗線性能進行優(yōu)化,織成緯平針織物,結果表明,牛角瓜織物的服用性能均較好,牛角瓜纖維適合開發(fā)輕質保暖型內衣面料。劉曉莉[14]選用牛角瓜纖維/Modal混紡紗、純棉紗及Modal紗為緯紗,純棉紗為經紗的6種梭織物,測試發(fā)現含牛角瓜纖維的織物各項性能未達到最好,可能是因為牛角瓜纖維含量較少,且在加工過程中對纖維產生了一定的損傷。

牛角瓜織物多采用牛角瓜混紡紗織成簡單組織的梭織物和針織物,織物組織種類的單一性也導致其在家紡和服裝領域應用受限。因此,今后可以嘗試開發(fā)出不同組織結構的針織、梭織物,也需要進一步優(yōu)化紡紗織造、前處理及后整理的過程,盡可能保留牛角瓜纖維的優(yōu)良性能,從而提高產品的檔次。

7 染整部分

牛角瓜纖維中蠟質和果膠含量偏高,結晶度低,結構較疏松,并且纖維表面光滑,都導致染料的上染率低,這就促使許多研究來試圖提升牛角瓜纖維的染色性能。高靜等[50]用不同顏色的沙拉菲尼爾直接上染,探究了多項技術指標對上染率的影響。龍丹等[51]研究了靛藍染料染色的最佳工藝,并分析了果膠、蠟質對靛藍染料上染率、染色深度的影響。Bahreini等[52]研究活性染料對牛角瓜纖維的染色性能,所用染料為活性染料C.I.活性黃3和C.I.活性紅120,并紡制了純棉紗、純牛角瓜紗和棉/牛角瓜(75/25)混紡紗。對3種紗線用浸染法染色的結果顯示,活性染料染牛角瓜纖維的得色深度淺于棉纖維,但牛角瓜/棉混合纖維的得色深度大于棉纖維?？傮w看,純牛角瓜纖維對活性染料的上染率高于純棉,牛角瓜/棉混紡纖維的染色性能優(yōu)于純牛角瓜纖維,這些研究結果都表明牛角瓜纖維對活性染料可染。

牛角瓜纖維的染色性能與棉纖維相似,但由于其半纖維素含量高、表面光滑等原因,染色前需要對牛角瓜纖維進行預處理,從而提高染料的上染率。

8 產品開發(fā)與應用

根據牛角瓜纖維不同的性能特點,已有學者在牛角瓜產品開發(fā)及應用上進行了探索。牛角瓜纖維與木棉纖維相似,有極大的中空度,產品開發(fā)上也可參考木棉纖維,制成保暖面料或充當絮用填充料;質輕,相對密度小,可作如浮力材料等紡織輕質材料;色澤光亮,表面光滑,手感柔軟,可紡制高檔紡織品;回潮率和含水率較棉纖維高,吸濕性好,可做吸濕排汗且舒適度高的保暖內衣等服裝產品[53];具有抗菌性能,可制成具有抗菌效果的內衣內褲等貼身衣物及床上用品等,也可在非織造衛(wèi)生材料領域使用,制成牛角瓜醫(yī)用紗布、抑菌衛(wèi)生巾及抑菌定型棉等無紡布產品[54-57]。

除上述優(yōu)勢以外,牛角瓜纖維的密度小、斷裂強度低、表面光滑無轉曲等特點,也導致其纖維易飛花、易脆斷、抱合力差從而不利于后序的紡織加工,制約了其在紡織方面的應用。為改善牛角瓜纖維這些缺點,需要對牛角瓜纖維進行增重、增摩和增韌等養(yǎng)生處理,這些過程需要一定的資金支持,相比于棉纖維就增加了投入成本。因此,在應用方面也需要盡可能將牛角瓜纖維獨特的優(yōu)勢發(fā)揮到最大,應設計開發(fā)出能充分凸顯牛角瓜纖維優(yōu)勢特性的紡織面料、服裝和家紡等中高檔產品,走高端產品路線,提高產品附加值。

9 結束語

結合牛角瓜纖維的結構與性能,綜述了其開發(fā)現狀,包括牛角瓜種植、提纖、養(yǎng)生、紡織加工和應用等方面?，F有研究成果表明牛角瓜纖維可初步開發(fā)應用于紡織領域,但要實現產業(yè)化的目標,仍有許多關鍵技術或工藝問題需要去突破。今后可以重點發(fā)揮牛角瓜纖維的結構與性能優(yōu)勢,從纖維提取和養(yǎng)生兩個角度深入研究,如合理利用微波處理技術(微波-熱風組合干燥或真空微波干燥),實現果實的高效低損干燥;弱堿預處理減小纖維內的非纖維素含量,再以淀粉、甘油等進行養(yǎng)生增強增韌等。此外,還可制定牛角瓜纖維相關的測試標準,以更好地評價產品性能,為產業(yè)化應用提供技術指導。