• 竹原纖維(天然竹纖維)


    蔡繼權

    (杭州市化工研究院有限公司  浙江杭州  310013)


    摘  要:竹原纖維(天然竹纖維)是采用物理脫膠法或微生物脫膠法從竹材中直接提取的纖維。竹原纖維具有獨特的橫截面形態和粗糙的縱表面,使其有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性和良好的染色性。竹原纖維具有天然抗菌抑菌、除螨防臭、抗紫外線、吸濕放濕和水分揮發速度快的優異性能。竹原纖維織物具有吸濕透氣、滅菌抑菌、快干耐磨、生態涼爽等特點。文章簡述了國內制取竹原纖維的化學機械法、碾壓開纖法、機械梳解制纖法、閃爆脫膠制纖法、裂解開纖法等工藝方法,并指出利用木聚糖酶、果膠酶等微生物脫膠法制取竹原纖維還需要深入研究開發。竹原纖維可以進行純紡和與棉、毛、麻、絹及化學合成纖維進行混紡,生產各種規格的機織面料和針織面料,制作窗簾、夾克衫、休閑服、西裝套服、襯衫、床單和毛巾、浴巾、內衣、內褲、汗衫、T恤衫、襪子、醫療護理用品和環保紙巾等系列產品。

    關鍵詞:竹原纖維;吸濕透氣;抗菌;機織;針織;面料;服裝


    前 言

    竹子為多年生植物,成材周期短、品種眾多,強度高、韌性好、硬度大、用途廣泛、可生物降解,一次種植,持續利用,不“與糧爭地"。竹子中含40%~50%的纖維素纖維。竹纖維天然綠色生態環保,染色性優良,有獨特的抗菌抑菌性能,資源豐富,可降解,是一種優質紡織原料。用竹纖維加工的面料外觀華貴,舒適性能好,還有抗紫外線輻射、抗菌抑菌等保健功能,符合人們對面料的功能性、保健性、舒適性、美觀性要求。紡織用竹纖維的開發應用已成為引領服裝行業新發展的一個重要方面,越來越受科研和市場銷售人員的重視。

    目前竹纖維分為兩類:一類為竹原纖維(也稱天然竹纖維);另一類為竹漿纖維(也稱再生竹纖維)。竹漿纖維(再生竹纖維)又分為竹粘膠纖維、竹Lyocell纖維以及竹炭纖維等。

    竹原纖維就是將天然的竹材鋸成生產上所需要的長度,然后通過機械、物理的方法去除竹子中的木質素、多戊糖、竹粉、果膠等雜質,從竹材中直接分離出來的纖維。其生產工藝與制備麻纖維類似,是純粹的天然綠色環保型纖維。

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    竹漿纖維(再生竹纖維)是以竹子為原料,經一定工藝制成適合紡絲的竹漿粕,再將竹漿粕經濕法紡絲制成纖維,主要包括粘膠紡絲法制得的竹粘膠纖維和溶劑紡絲法制得的竹Lyocell纖維。而竹炭纖維是將竹炭微粉與載體化纖通過熔融紡絲制得。竹炭纖維先運用納米技術先將竹炭微粉化,再將納米級竹炭微粉經過高科技工藝紡絲成型,制備出合格的竹炭纖維。

    1.竹原纖維(天然竹纖維)的構成與力學性能

    竹原纖維(天然竹纖維,bamboo fiber)是采用物理脫膠法或微生物脫膠法從竹材中直接提取的纖維。竹原纖維的化學成分主要是纖維素、半纖維素和木質素(三者總量占纖維干質量的90%以上),其次是蛋白質、脂肪、果膠、單寧、色素、灰分等。大多數存在于細胞內腔或特殊的細胞器內,直接或間接地參與其生理作用。

    竹原纖維細胞的主要物質是纖維素,也因此它才能成為紡織材料。毛竹、嫩竹的纖維素含量為75%、3年生毛竹的纖維素含量為58%。隨著毛竹竹齡的增加,天然竹纖維中的半纖維素含量有所下降,2年生毛竹中半纖維素含量24.9%,4年生毛竹中半纖維素含量23.6%。

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    經掃描電子顯微鏡觀察,竹原纖維縱向有橫節,粗細分布很不均勻,纖維表面有無數微細凹槽。橫向為不規則的橢圓形、腰圓形等,內有中腔,橫截面上布滿了大大小小的空隙,且邊緣有裂紋。竹原纖維具有獨特的橫截面形態和粗糙的縱表面,使其具有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性和良好的染色性等特性,吸濕、吸水和水分揮發速度快,其織物具有吸濕、吸水、透氣、快干、耐磨、感覺涼爽等優點。

    竹原纖維具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外線功能。我國擁有天然竹原纖維制取的核心專利技術,其提取、加工技術為我國獨創,在國際上處于領先水平,是現階段竹材加工利用附加值最高的產品。

    竹原纖維(天然竹纖維)的長度整齊度較好,其長度可根據使用要求,制成棉型、中長型和毛型所需要的長度。竹原纖維具有較強的毛細管效應(試驗條件:30℃,預張力4g),5min時為6.74cm,15min時為6.85cm,30min時為6.90cm,60min以后保持不變,略高于棉纖維,遠高于苧麻、粘膠纖維和再生竹纖維。

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    經過傅立葉變換紅外光譜法、x射線衍射、電子顯微鏡、抗菌測試、熱重分析及其他常規測試儀器的測試,表明竹原纖維(天然竹纖維)是一種紡織服裝用性能極佳的天然纖維素纖維。

    有研究提出:竹原纖維的纖維素含量比竹漿纖維高12%左右,而木質素的含量都為0。竹原纖維的斷裂強度與苧麻纖維相當,高于棉纖維,屬高強低伸型的脆性纖維;而竹漿粘膠纖維的斷裂強力與普通粘膠纖維相當,在斷裂伸長上不如普通粘膠纖維,屬低強高伸的柔弱型纖維(見下表2)。

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    注:溫度為23℃、相對濕度為30%條件下測試。

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    2.竹原纖維(天然竹纖維)的特點

    2.1 生態性

    竹原纖維是直接從自然成長的竹子中提取的纖維素纖維,本身就是一種能在自然界完全生物降解的生物質,所以竹原纖維及其相關制品一般情況下不需要進行任何特殊處理就能完全自然生物降解。無論是在制取竹原纖維,還是生產竹原纖維紡織品,其生產工藝流程中沒有廢氣廢物產生,其制成品對人體沒有毒害,屬于純天然、無公害的綠色纖維。

    2.2 吸濕透氣性

    由于竹原纖維的高度中空和表面眾多溝槽的結構特性,吸濕速率快,放濕也特別快,幾乎在人體剛出汗的同時大部分水分就被轉移出去。竹原纖維有吸濕性優、透氣性好的特性,這個優異的吸濕透氣性是其他纖維難以做到的。

    2.3 滅菌抑菌性

    竹原纖維中含有一種滅殺細菌、抑制細菌的“竹醌”物質,能自然持久的抗菌;而在竹原纖維的生產過程中,由于采用機械、物理的方法,抗菌物質“竹醌”等仍與纖維大分子緊密相連,基本沒有被損壞,所以竹原纖維保留了竹子所有的抗菌抑菌功能,而且由于去除了竹子的其他雜質,僅保留“竹醌”物質,所以竹原纖維抗菌抑菌效果比竹子更好。

    而在竹原纖維(天然竹纖維)的紡絲過程中,由于原料中抗菌物質、抗菌結構受到一定程度的破壞,因此抗菌效果受到一定的影響,其對枯草芽孢桿菌的抗菌效果受到嚴重損傷,對黑曲霉菌基本沒有抵抗能力。表3列出了幾種纖維的抗菌測試結果。

    同時由于竹原纖維含有葉綠素銅鈉,使其具有良好的除臭作用,對酸臭和氨氣的除臭效果比棉布要好得多:而葉綠素銅鈉還是安全、優良的紫外線吸收劑,可減小紫外線對人體的傷害。

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    3.竹原纖維(天然竹纖維)的生產

    國內竹原纖維制取有化學機械法、碾壓開纖法、機械梳解制纖法、閃爆脫膠制纖法、裂解開纖法等工藝方法。至于用具有環保優勢的微生物脫膠法提取竹原纖維的研發,還需要產業化生產的報道。

    化學機械制取竹原纖維的生產工藝是:先用化學藥品對竹材進行預處理,使竹材中的膠質、木質素、半纖維素等受到破壞而溶解,從而削弱與纖維之間的結合力,再經機械外力作用而形成竹纖維。研究表明機械軋壓和牽伸對竹原纖維的細化有顯著作用。此法纖維得率低,使用化學品制得的竹纖維還有一定酸堿性,纖維處理工藝復雜,成本高,對竹齡長的竹子較為適用。

    生產工藝分前期處理工序、分解工序、成型工序和后處理工序4部分。具體步驟為:選料→截斷→制竹片→浸泡→蒸煮軟化→水洗→分解→分絲→再蒸煮→軟化→分絲→還原→分絲→蒸煮→脫水→上油→軟化→干燥→梳纖→篩選→檢驗→打包。

    碾壓開纖法制取竹原纖維的生產工藝技術一般先將竹材分片,然后蒸煮軟化,使纖維牢固結合一體的木素胞間層部分分離,通過錘擊或碾壓來削弱纖維之間的結合強度。竹片在受到機械沖擊摩擦的外力作用下,最終導致纖維分解。包括三道工序:第一道工序是用碾壓機沿竹子生長方向碾壓;第二道工序是用專用的錘磨型研磨機將從第一道工序所得的輾碎了的竹子纖維化;第三道工序是從第二道工序制得的纖維中分離出混合在其中的竹內薄皮部分。

    浙江林學院和四川廠家聯合開發了成套的碾壓開纖設備,該工藝包括機械碾壓、揉搓開纖細化等關鍵設備,批量生產出了竹纖維。此技術生產效率高,但對纖維的強力損傷大,纖維的纖細度及均勻度難以保證。

    進一步改進該法中在工序中加入生物酶,制取工藝過程是:竹材→制竹片(首先把竹子截斷去掉竹節并剖成竹片,竹片的長度根據需要而定)→煮煉竹片(將竹片放入沸水中煮煉)→壓碎分解(將竹片取出壓碎錘成細絲)→蒸煮竹絲(將竹絲再放入壓力鍋中蒸煮,去除部分果膠、半纖維素、木質素)→生物酶脫膠(把上述預處理的竹絲浸入到含有生物酶的溶液中處理,讓生物酶進一步分解竹絲中的木質素、半纖維素、果膠,以獲得竹子中的纖維素纖維。在分解木質素、半纖維素、果膠的同時也可在處理液中加入一定量的可以分解纖維素的酶,以獲得更細的竹原纖維(天然竹纖維)→梳理纖維(把酶分解后的竹纖維清洗、漂白、上油、柔軟、開松梳理→獲得紡織用竹原纖維(天然竹纖維)。

    機械梳解制纖法制取竹原纖維是采用機械設備將經過碾壓的扁竹材直接梳解成竹纖維。該工藝采用機械作用破壞了纖維的強力,獲得的竹纖維粗、短、柔韌性差。由于該法工藝簡單,加工效率較高,有一定的實用價值。

    閃爆脫膠制纖法制取竹原纖維:由于竹子組分中木質素含量較高,通常脫膠方法一般難以去除,為此,利用高溫高壓狀態下液態水和水蒸氣作用于經預處理的竹片,并通過瞬間泄壓過程實現原料的組分分離和結構變化,脫膠制備竹纖維。此法竹纖維得率高,不用化學藥品,無污染,制得的竹纖維均勻性好,但設備成本高、處理工藝復雜,所得纖維顏色較深;目前未見閃爆脫膠技術的規?;瘧?。

    裂解開纖制備竹原纖維:該法先將竹材成竹片,然后放入特制的高壓蒸煮容器內蒸煮軟化,再采用機械外載將竹片夾裂松解產生脫層和微裂紋,并使脫層和裂紋沿平行于纖維方向擴展以引發竹材開纖,然后在另一外載荷的協同作用下,促使竹材宏觀裂紋不斷擴展,實現其界面脫粘分層,從而獲得竹子粗纖維,再將竹子粗纖維經過后續一系列的軟化、梳理工序,獲得細竹纖維。該方法的特點是對纖維強力損傷小,生產的竹纖維形態均勻,纖維柔軟,長度在25~80cm之間。經精細化處理后細度可達0.04~0.06mm,平均斷裂強度達到5.5cN/dtex。

    以浙江省林學院為科技支撐的福建建州竹業科技有限公司,采用熱-機械耦合開纖法研發出竹原纖維洗浴用品等系列產品,產品外觀粗獷,在歐美很受歡迎。四川閬中棉紡織廠是國內最早采用碾壓開纖法成功制取出竹束纖維并進行竹原纖維研發的企業。浙江南方竹木制品有限公司在國內最早提出紡織用竹原纖維提取方法的中國專利申請,該公司提取的竹原纖維主要供應給湖南株洲雪松有限責任公司紡紗,已成功開發出竹原純紡高檔面料和竹原纖維與棉纖維、麻纖維混紡系列面料與服裝產品,并主要銷往國外。浙江凱喜雅國際股份有限公司研制生產了竹原纖維混紡新原料,并開發出竹原纖維與絹、毛、棉等混紡紗線。

    國際竹藤組織中心、北京服裝學院、東華大學紡織學院、蘇州大學、浙江省林學院等科研單位對天然竹纖維的提取也進行了大量的基礎性研究,各種細度和強度的竹原纖維相繼出現,質量在不斷提高。

    福建省生態產業綠色技術重點實驗室呂橄、魏志輝、華偉平、武廣珩利用木聚糖酶、果膠酶對粗竹纖維精細化處理的工藝條件以及多種酶復合酶解進行了初步研究。結果表明,在50℃、pH 8.0的條件下,添加2%木聚糖酶酶解60min,半纖維素去除率為30.56%,、失重率為11.4%;在60℃、pH 8.0的條件下添加4%果膠酶酶解40min,果膠去除率為90.32%、失重率為11.6%;對纖維性能進行測定及掃描電鏡觀察發現,采用多酶復合酶解工藝相比單一酶酶解效果更好。

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    4.紡織用竹原纖維產品的開發應用

    目前制取的紡織用竹原纖維,干態斷裂強度在3cN/dtex以上,細度達到18dtex以下,具有紡織纖維的特性和形態,可以滿足紡紗的要求,已經制造出枕套、靠墊、涼席、服裝等紡織產品。竹原纖維為純天然的綠色紡織纖維,其結構特性決定竹原纖維結晶度高、纖維剛性大、膠質含量比較高、上染深度淺、柔軟性差、細度低、色澤偏黃。因此,竹原纖維的均勻度、細度,還需要不斷提升,但其許多天然特性功能以及生產過程對環境污染和生態破壞很小的特點,符合我國產業發展政策,因而具有很大的發展前景。

    竹原纖維開發應用的主要產品有純天然竹纖維高支細薄織物、提花織物、色織物、斜紋織物、牛仔布。利用竹原纖維面料設計制作出了休閑西服、休閑夾克、襯衫、T恤衫、貼身衣物、各種女時裝、床上用品、毛巾、浴巾、襪類等,大受消費者的青睞。

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    竹原纖維可以進行純紡和混紡,是毛紡、麻紡、絹紡、棉紡、色紡、半精紡等企業開發和推廣新產品所要選擇的新原料之一,混紡產品更是走向內衣、襪子等領域不可或缺的品種之一。竹纖維純紡支數可達60Nm,面料生產企業可以選用竹原紗線進行交織,增加面料的功能性,例如采用亞麻39Nm和竹纖維39Nm進行交織,面料在保留麻產品風格的同時,又增加了產品的抗菌除臭功能,提高了產品附加值。已經開發的交織混紡成品有:

    (1)竹原纖維與棉粘膠交織、混紡系列產品(包括彈力織物、竹節方平織物、斜紋牛仔織物、裝飾用面料等)。

    (2)竹原纖維與棉、滌交織混紡的系列襯衫面料。

    (3)竹原纖維與絹絲、Tencel、Modal混紡的針織、機織系列高支細薄高檔產品。

    竹原纖維紗線用于服裝面料、涼席、床單、窗簾、圍巾等,采用與維綸混紡的方法可生產輕薄服裝面料。竹原纖維與棉、毛、麻、絹及化學合成纖維進行混紡,用于機織或針織,生產各種規格的機織面料和針織面料。機織面料可用于制作窗簾、夾克衫、休閑服、西裝套服、襯衫、床單和毛巾、浴巾等。針織面料適宜制作內衣、汗衫、T恤衫、襪子等。

    竹原纖維纖維含量30%以下的竹棉混紡紗線更適合于內褲、襪子,還可以用于制作醫療護理用品,以及用于環保紙巾的制造(如以竹原纖維為主要原材料的本色竹纖維紙巾)。

    在竹原纖維類面料及服裝的保養方面,竹原纖維床品縮水率在3%以內,可高溫機洗,但不宜機洗甩干,清洗后在通風避光處晾干即可,不要曝曬,應低溫熨燙;而竹漿纖維產品,屬再生粘膠纖維,床品成品縮水率達到8%。因此,可低溫水洗、干洗、常溫洗滌,不宜長時間高溫浸泡,也不宜機洗,手洗時不要來回強力揉搓;如用烘干機,請選用低溫烘干,溫度不要超過35℃度,以防過分縮水。有花邊、墜子等裝飾物的必定要先取下再洗。衣物晾曬時應平鋪晾曬,禁止過分拉伸衣物,以防衣物變形。保藏時折疊齊整,并存放在濕度低,通風陰暗的地方,也可放入一定量的樟腦丸防蛀。

    5.結語

    我國紡織用竹纖維的發展世界領先,竹原纖維作為一種綠色天然的資源性纖維,具有廣闊的應用前景。竹原纖維的開發符合開發天然綠色產品的潮流和國家節能減排的戰略,有效利用竹原纖維的自身特性,提高紡織品的檔次,增加應用領域,增強竹原纖維產品在國際市場上的競爭力,是我們義不容辭的義務。

     

    作者簡介:

    蔡繼權,教授級高級工程師,長期從事新產品研發和科技管理。

    郵  箱:cjq6834@163.com



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