天然绿色环保的竹纤维


蔡继权

(杭州市化工研究院有限企业  浙江杭州  310013)


摘  要:竹纤维是继棉、麻、毛、丝之后的第五大天然纤维。竹纤维资源丰富、可降解,有良好的透气吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性能,具有天然抗菌抑菌、除臭防螨、吸湿放湿、透气性好、负离子保健、抗紫外线和天然绿色环保等特性。本文简述竹纤维的结构特性,力学、热、抗菌和回潮率四方面性能,以及竹纤维产品的绿色环保、吸湿透气、抗菌抑菌、抗紫外线、天然保健、除臭防螨、柔软舒适、高雅飘逸特点。

关键词:竹纤维;可降解;吸湿透气;抗菌;抗紫外线;绿色环保


前  言

全球竹子75属1642种,在我国就有44属857种。我国竹林总面积2200万hm(占全国森林面积的2.94%,占世界竹林总面积的1/3),立竹总数量为281亿株,每年竹子产量1.3亿吨。我国是全球竹资源最丰富的国家,也是利用竹资源历史最悠久的国家,竹子种类、竹林面积和蓄积量均居世界之首,素有“竹子王国”之美称。

竹子属单子叶被子植物、禾本科、竹亚科,为多年生植物,盛产于热带、亚热带、温带地区。竹子长在山林为多,基本不占耕地,生长迅速,栽培成活后2~4年即可连续砍伐使用。竹子成材周期短、品种众多,强度高、韧性好、硬度大、用途广泛、可生物降解,一次种植多年采用。竹纤维的化学成分为天然纤维素、戊聚糖和木质素,另含有少量灰分等其他物质。天然纤维素含量约占竹子总质量的40%~50%,戊聚糖占20%~25%,木质素约占20%~30%。因品种、产地不同,竹纤维化学组成分含量也有不同。

竹纤维是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维素纤维,是继棉、麻、毛、丝之后的第五大天然纤维。竹纤维素有独特的天然抗菌性能,生态环保性好,染色性优良,是一种天然优质纺织原料,具有资源丰富、可降解、可持续利用、良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性、天然绿色等特点,同时又具有来源丰富、绿色环保、负离子保健、天然抗菌、抑菌、除螨、防臭、吸湿放湿性透气性好和抗紫外线等其他纤维无法比拟的天然特性。

用竹纤维加工的面料外观华贵,舒适性能好,还有一定的抗菌和保健功能,满足了人们对面料的功能性、保健性、舒适性、美观性的追求,适合生产高档时装、床上用品、家纺饰品等,是受消费者青睐的理想面料。纺织用竹纤维的开发应用方兴未艾,已成为引领服装行业新发展的一个重要方面,受到越来越多人的关注热点。

竹纤维是一种天然环保型绿色纤维。目前竹纤维分为两类:一类为竹原纤维(也称天然竹纤维);另一类为竹浆纤维(也称再生竹纤维)。竹浆纤维(再生竹纤维)又有竹粘胶纤维、竹炭纤维、竹Lyocell纤维等不同的类别。

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1.竹纤维的结构特性

1.1 竹纤维的微观结构

细胞壁是构成竹纤维细胞的实体物质,竹纤维细胞的壁层构造是初生壁层和薄窄层与厚宽层交替的多层次次生内壁层复合而成的超微结构。次生外层的微纤取向角很小,与纤维轴近乎平行排列,利用SEM能观察到竹纤维的同心层结构。竹纤维中部布满大大小小不规则椭圆形的孔隙。

竹纤维的毛细管效应明显,可以在短时间内吸取和蒸发水分,这使得竹纤维具有很强的吸湿放湿性能。用竹纤维制成的针织服装面料和寝具等凉爽舒适。竹纤维与其他纤维材料相比密度最低,多环型网状中空结构使其具有质轻的突出优点。Parameswaran等指出:厚层微纤丝基本沿纤维轴向取向,而薄层的与纤维轴向垂直;薄层的木质素和多糖含量、木质化程度都比厚层高。图2为所示的竹纤维细胞壁结构模型。

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通过观察超微切片的电镜,有研究者认为竹纤维主要有两种细胞壁状态:第一种细胞壁状态是纤维细胞壁呈多层结构,由宽层与窄层(各约4~5层)交替组合而成。宽层的木质素密度较低,而窄层的木质素密度则较高。这种纤维主要位于维管束的周边部位,约占纤维总数的50%左右,如图3所示。

第二种细胞壁状态是纤维细胞壁很厚,但胞腔狭小,纤维次生壁内层仅由两个宽层组成,而且中部的宽层比内部的宽层宽很多,竹纤维壁上的纹孔稀少,纹孔口较小,如图4所示。

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注:图中M1为真胞间层;P为初生壁层;S1为次生壁外层;S2为次生壁中层;S3~S7为次生壁内层。

1.2 竹纤维的形态结构

1.2.1 竹原纤维的形态结构

竹原纤维表面有竹节,粗细分布不均,表面有很多微细凹槽,横截面呈椭圆形、腰圆形等,内有环状中腔,横截面上布满了大小不一的空隙,且边缘有裂纹。竹原纤维的长度可根据需要而定,纤维直径约28μm,细度约为6dtex,纤维强度高,弹性偏小,弯曲度小,抱合力稍差。

竹原纤维是用物理方法将竹子碾平、扭转、梳理,不添加任何化学试剂,其直径为0.04~0.5mm,长度为10~200mm。由于竹子本身的一些物理特性,如长度、强度、粗糙度等,使其可获得良好的加工过程,而且成本低廉。目前竹原纤维主要代替玻璃纤维,用于建筑材料、汽车制造、环境保护等领域,在纺织纤维领域也开始有越来越多的开发和应用。

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从图7、8中可以看出,竹原纤维的横向截面呈不规则椭圆形、环状中空,纵向表面有明显的竹节,有的壁层上有裂痕。因此,具有优良的吸湿性和透气性。

1.2.2 竹浆纤维的形态结构

竹浆纤维的加工方法主要有溶剂纺丝法和粘胶纺丝法,目前生产中基本均采用粘胶纺丝法。竹浆纤维细度、白度与普通粘胶纤维接近,强力较好,且稳定均匀,并克服了竹原纤维刚性大、硬挺的缺点,染色、吸取性、渗透性强,韧性、耐磨性较高,手感柔和光滑。竹浆纤维的不足之处是不耐酸碱性,图9、图10分别为竹浆纤维的横、纵截面形态。从图9、10中可以看出,竹浆纤维的纵面有明显凹槽,这些凹槽形成的孔隙能够产生较强的毛细管效应,使得竹浆纤维具有良好的吸湿放湿性能。

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1.2.3 竹炭黏胶纤维

竹炭黏胶纤维是选用纳米级竹炭微粉,经过特殊工艺(以水为介质,在乳化分散剂作用下,借助机械搅拌,使竹炭微粉均匀分散形成的悬浮液)加入粘胶纺丝液中,再经近似常规溶液纺丝工艺纺织出的纤维产品;而竹炭涤纶、竹炭锦纶的生产是在切片中加入制作好的竹炭母粒,通过熔融纺丝法进行纺丝制备。

竹炭微粉是将竹子采用纯氧高温及氮气阻隔延时的煅烧新工艺,经气流粉碎及表面改性制成的,一般竹炭微粉的粒径不超过3μm,用于纺制竹炭涤纶的竹炭微粉一般为0.5μm以下。目前研制的除了竹炭粘胶纤维,还有竹炭涤纶、竹炭锦纶、竹炭磁性纤维等。

竹炭纤维优点很多(如吸附力超强、远红外线发射率高、负离子浓度高、矿物质含量高等),适宜开发新的功能纤维。

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2.竹纤维的性能

2.1 力学性能

纤维强度是其结晶结构的宏观表现。纤维强力测试结果如表1所示。

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由表1知,竹原纤维的断裂强度远高于棉,属强度高、伸长小的脆性纤维;而竹浆粘胶纤维的断裂强力与普通粘胶纤维相当,在断裂伸长上不如普通粘胶纤维。由于浆粕原料的变化,对纤维力学性能也带来一定的影响,但是由于再生纤维素纤维的加工工艺,决定了竹浆粘胶纤维是柔弱型纤维,而且其湿态强度会大大下降,湿膨胀严重,因此下水后易变形,保型性差。

2.2 热性能

了解纤维的热性能,便于纤维的合理应用。几种纤维的热分析结果见表2。

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表2表明,竹浆粘胶纤维的耐热性能稍优于普通粘胶,其失重30%、50%时的温度高于普通粘胶10%以上;但两者均低于棉纤维。如表2所示,竹原纤维的热稳定性明显好于竹浆粘胶纤维,也优于棉纤维,这是因为竹浆粘胶纤维在纺丝过程中其内部结构受到了一定程度的破坏。

2.3 抗菌性

表3表明,竹原纤维对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、白色念珠菌均有着优异的抵抗能力,且该抗菌效果与人工添加化学试剂的纤维截然不同,它是天然、环保、卫生、保健的;而在竹浆粘胶纤维纺丝过程中,原料中抗菌物质及其抗菌结构受到了一定程度的破坏,因此抗茵效果受到一些影响,其中对枯草芽孢杆菌的抗菌效果大受影响。

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2.4 回潮率

通过对竹纤维的截面分析可知,竹原纤维横截面呈天然高度中空,并呈梅花形排列,竹浆纤维纵向表面有多条较浅的沟槽,这些细微沟槽和截面孔隙能够产生毛细管效应,所以竹纤维具有优良的吸湿放湿性能。

对竹纤维的吸湿放湿性能进行测试,测得竹纤维在标准状态下的回潮率可达12%,与普通粘胶纤维的回潮率接近;但是,在36℃,100%的相对湿度条件下,竹纤维的回潮率可高达45%,且吸湿速率特别快,从8.75%的回潮率达到45%的回潮率仅用6个小时左右。相同的条件下,其他纤维的回潮率及其吸湿的速率都不如竹纤维。这说明竹纤维比其他纤维具有更优良的吸湿快干性能,更适合制作夏季服装、运动服和贴身衣物。

3.竹纤维产品特点

3.1 绿色环保

绿色环保产品是指在产品的生命周期全过程中,符合特定环境保护要求,对生态环境无害或危害极小,对人类生存无害或危害极小,资源广泛且利用率最高,能耗最低。竹子生长期短,能够快速生长,3~4年即可成材,而且一次种植可以多年收获,可持续利用,能够代替棉花、木材等资源。竹纤维产业的发展有利于保护森林资源和节约可耕地资源。竹子大多生长在山清水秀的自然山林环境中,基本不占农田耕地。

据测算,1亩耕地大概可以出产100公斤棉花,按1∶1的比例兑算(即1公斤竹纤维替代1公斤棉花),则以我国目前竹纤维的生产规模来算至少可以节约20万亩可耕地资源。这对于人均耕地少得可怜的我国来说,是弥足珍贵的。竹子极少受到农药和有害物质的污染,其本身具有抗菌抑菌的成分,在竹纤维原料提取和生产制造过程中采用物理方式,无任何化学成分,无污染。

竹纤维纺织品:从原料竹子的生产→竹纤维原料的加工→纺织面料形成→纺织品生产加工→穿着消费→废弃回收处理(再生或降解),这样一个全过程中的任何一个环节都保持环保性,因而竹纤维具有无毒、无害、无污染等特点。

竹纤维是可降解的纤维,是一种天然、绿色、环保的纺织原料。竹纤维制成品可在自然环境和土壤中自然生物降解、完全分解,分解后对环境无任何污染,不对环境造成损害。天然竹纤维织物的天然抗菌、抑菌、抗紫外线的特点得到市场认可,深受欢迎。竹纤维产品柔滑软暖、凉爽舒适、抑菌抗菌、绿色环保、天然保健的独特品质独树一帜,是一种天然绿色环保型的纺织原料。

3.2 吸湿透气

纤维在空气中一方面会不断地吸取空气中的水蒸气(吸湿过程),另一方面也会向空气放出水蒸气(放湿过程),不断进行空气与水蒸气的交换。纤维在空气中吸取或放出水蒸气的能力称吸湿放湿性。纤维的吸湿性能会影响纤维的强力等物理性质,从而影响其工艺加工和使用性能,还直接影响织物的穿着舒适性。

竹纤维机切长度为38mm,排列整齐,光泽亮丽,手感轻柔滑糯,在2000倍电子显微镜下观察,竹纤维的横截面凹凸变形,布满了椭圆形或梅花型排列的孔隙,呈高度中空,边沿有不规则的锯齿形;纵向表面具有光滑均一,呈多条较浅的沟槽,毛细管效应极强,可在瞬间吸取和蒸发水分,透气性能良好。

天然竹纤维具有较强的毛细管效应的实验(试验条件:30℃,预张力4 g ):5 min时为6.74 cm,15min时为6.85 cm,30 min时为6.90 cm,60 min以后保持不变。还有人研究证明:在竹浆纤维中,Lyocell法竹纤维的截面形状明显不同于粘胶法竹纤维,结晶度也大于粘胶法竹纤维。Lyocell法竹纤维具有较好的吸湿性能,但其吸湿放湿平衡回潮率以及吸湿放湿速率低于粘胶法竹纤维。

用水皿法对竹纤维纬平针织物试样进行透气性能测试,试验结果透气量竹纤维1.652、粘胶长丝1.375、腈纶0.980、丙纶0.640,竹纤维针织织物的透气性最大。这与竹纤维的横截面中空有直接关系。竹纤维这种特殊结构使其表面具有一定的摩擦系数,纤维具有较好的摩擦力和抱合力有利于纤维成纱。在温度为36℃、相对湿度为100%的条件下,竹纤维的回潮率超过45%,透气性比棉强3.5倍,被美誉为“会呼吸的纤维”。在棉、毛、丝、麻、竹这五大天然纤维中,竹纤维的吸放湿性及透气性位居第一,被称为“纤维皇后”。

3.3 抗菌抑菌

竹纤维中含有一种名为“竹醌”的物质,竹子中的竹沥有广泛的抗微生物功能,能使竹纤维产品具有天然抗菌、抑菌、杀菌、防螨、防臭的效果。经高科技工艺制作的竹纤维纺织品可有效地抑制细菌生长,清洁人体周围空气,预防传染病。

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按照AATCC6538标准对竹纤维进行抗菌性能测试,结果显示竹纤维有较强的抗菌作用,其天然、环保、持久、保健等抗菌特点与效果是人工添加的化学抗菌物质所无法比拟的。竹纤维服装经反复洗涤后其抑菌功能也不衰减。在显微镜下观察,细菌在棉、木等纤维制品中能够大量繁殖,而竹纤维制品上的细菌不但不能长时间生存,而且短时间内还能消失或减少,24小时内细菌死亡率达75%以上。中国棉纺织品产品质量监督检验中心和中国科学院上海微生物研究所的检测结果都证实了这一结论。

棉制品本身不具备抗菌、抑菌功能,所以夏日棉毛巾易发霉、变味、发粘和发臭即是细菌在毛巾上飞速大量繁殖的结果;而竹纤维毛巾自身具备抗菌、抑菌功能,细菌在其上面无法繁殖,甚至是无法生存。所以,竹纤维毛巾即使在温暖潮湿的环境中也不发霉、不变味、不发粘。

抗菌试验按JIS L1902-2002定量方法检验,结果如下:

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注:生长数F>1.5时试验有效,杀菌活性值越大,表示杀菌性能越好,抑菌活性值越大,表示抑菌性能越好。

根据表5、表6的检测结果,对于金黄色葡萄球菌AATCC 6538P和大肠杆菌AATCC 25922两种细菌,竹原纤维白坯布的杀菌性值和抑菌活性值均比苎麻纤维白坯布高。

3.4 抗紫外线

天然竹纤维含有的叶绿素铜钠,是安全、优良的紫外线吸取剂,因而天然竹纤维织物具有良好的防紫外线功效。紫外线的透过率取决于许多因素,比如组织结构、覆盖系数、颜色、工艺中的化学添加剂和样品的处理等。200~400nm波长的紫外线对人体的伤害最大。

经中国科学院上海物理研究所检测证明:对于200~400nm紫外线,棉的穿透率为25%,天然竹纤维的穿透率不足0.6%,其抗紫外线能力是棉的41.7倍,也优于苎麻纤维。天然竹纤维织物的这一特性,是其他种类纺织品所不可比拟的。

3.5 天然保健

竹子含有的果胶、竹蜜、酪氨酸、维生素E以及SE、GE等多种微量元素,具有抗癌、抗衰老的生物功效;竹子含有多种人体必需的氨基酸,对皮肤具有独特的保健功能;竹纤维素、竹密、果胶具有滋润皮肤和抗疲劳、抗衰老的生物功效,能增加人体的微循环血流、激活组织细胞,有效调节神经系统,疏通经络改善睡眠质量。

《本草纲目》中有24处阐述了竹子的不同药用功能和方剂,民间更是有近千种竹子的药方。现代医学认为竹子中的抗氧化物能有效的清除人体内的自由基和酯类过氧化合物,并能阻断强致癌物N-亚硝酸胺化合物,能显著提高机体免疫能力。

竹纤维不带自由电荷,抗静电,止瘙痒。采用天然竹纤维(竹原纤维)制成的产品不需添加任何人工合成的抗菌剂就具有抗菌、抑菌功能,不会引起皮肤过敏并能提高人体免疫能力,是纯天然的绿色健康产品。

3.6 除臭防螨

竹纤维(竹原纤维)中的叶绿素和叶绿素铜钠,有较好的除臭作用。竹纤维内部特殊的超细微孔结构使其具有强劲的吸附能力,能吸附空气中甲醛、苯、甲苯、氨等有害物质,并消除不良异味。对竹纤维(竹原纤维)进行除臭测试,初始氨浓度为40PPM,引入天然竹纤维织物2小时以后,氨的浓度降低为4.4PPM;引入天然竹纤维织物24小时以后,氨的浓度降低为0.6PPM。

实验表明:竹纤维(竹原纤维)织物对氨气的除臭率为70%~72%,对酸臭的除臭率达到93%~95%。根据这一特性,可以用竹纤维(竹原纤维)织物制造袜子,采用50/50竹原纤维/棉纤维21s、30/70竹原纤维/棉纤维30s这两种纱线为原料,研发生产后上市销售,这种竹纤维除臭袜子很受欢迎,获得了成功。

竹子里含有一种有共轭环己二烯二酮或环己二烯二亚甲基结构的独特物质——“竹醌”,它有抑菌、防螨、防臭、防虫功能。在显微镜下观察,细菌在棉、木等纤维制品中能够大量繁殖,而在竹纤维制品上,细菌不但不能长时间生存,而且短时间内还能消失或减少,24小时内细菌死亡率达75%以上。

3.7 柔软舒适

针对不同季节采用不同工艺制成的竹纤维服装,亲肤性优良,肤感舒爽,触感柔软,具有棉的柔软感,丝绸的滑爽感,亲和肌肤、柔软贴身,悬垂性好,给人一种零压力的舒适度。竹纤维比重1.34g/cm3,而澳毛纤维比重1.38g/cm3、普通毛型粘胶长丝比重1.50~1.52g/cm3。竹纤维比重较小,这是手感柔软的一个重要原因。竹纤维远红外发射率高达0.87,大大优于传统纤维面料,因此,有柔软舒适的特点。夏天穿竹纤维衣服比穿棉纤维衣服温度低1~2℃,感到凉爽,而冬春季节使用竹纤维衣服就会觉得既蓬松保暖润滑细腻,又能排除过多的热气和水分,柔软轻爽。竹纤维制成的纺织品冬暖夏凉,被称为“人的第二肌肤”,这是其他纤维无法相比的。

3.8 高雅飘逸

竹纤维具有天然朴实的高雅质感。竹纤维单位细度细,白度好,染色后色泽儒雅,鲜艳真实,光泽亮丽,丰满挺刮,飘逸大方;韧性及耐磨性强,有独特的回弹性;较强的纵向和横向强度,且稳定均一,悬垂性佳;柔软滑爽不扎身,比棉纤维还软,有特有的丝绒感。目前,国内已经推出了全竹、竹棉、竹麻、竹毛、竹真丝、竹天丝、竹莱卡、混纺丝、梭织、色织等一系列产品,以满足人们的各种需要。

4.结语

竹子生长期短,3~4年即可成材,而且一次种植可以多年收割,因此,竹纤维的原材料资源广泛、可利用性强。竹纤维制成的产品可在土壤中自然降解,分解后对环境无任何污染。竹纤维是一种天然、绿色、环保型的纺织原料。

竹纤维以天然抗菌、吸湿透气、防紫外线和除臭保健等优异功能,成为继棉、麻、丝、毛之后的第五大天然纤维,成为知名的新型纤维品种。竹纤维可以纯纺,也可以与棉、麻、绢、天丝、蒙代尔、涤纶、氨纶等其他原料混纺。竹纤维织物具有天然的抗菌、抑菌性,良好的吸湿透气性,滑爽柔软的舒适性,以及防紫外线、除臭等特殊功能,畅销国内外市场,市场前景十分美好!

 

编辑概况:

蔡继权,教授级高级工程师,长期从事新产品研发和科技管理。

邮  箱:cjq6834@163.com



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