棉纤维的研究现状及发展趋势

2016-05-10李铎杨建忠郭昌盛

纺织科学与工程学报 2016年2期

关键词：棉织物棉纤维纤维素

李铎，杨建忠，郭昌盛

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

棉纤维的研究现状及发展趋势

李铎，杨建忠，郭昌盛

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

摘要：论述了棉纤维的结构、性能，从物理、化学、生物工程等方面对当前棉纤维改性技术进行了分析，并对棉纤维的发展趋势进行了展望。

关键词：棉纤维物理技术改性化学技术改性生物技术改性研究现状

0前言

棉纤维作为纺织、服装领域中用途最为广泛的天然纤维之一，具有穿着舒适性、柔软保暖、易染色、良好的透气性，并具备天然纤维的安全卫生及可生物降解性等诸多优点，一直受到广大消费者的青睐[1，2]。虽然20世纪以来化学纤维取得飞速发展，尤其以聚酯纤维为主的合成纤维在纺织纤维应用领域中占有重要位置，据国家统计局数据显示，2015年棉产量为560.5万吨，同时进口棉花配额为89.4万吨，棉纤维在纺织行业依然占有重大份额[3，4]。由于石油资源的不可再生性，人们环保意识的提高以及对生活质量要求的标准的提高，棉纤维作为最适合的纺织品用天然纤维之一，依旧会展现出较强的市场竞争力，并在纺织、服装领域展现其特有的魅力。

1棉纤维的结构与性能

棉纤维主要是由纤维素组成，约占总质量的94%，主要还有碳、氢、氧三种元素，此外还有约5%的伴生物，通常棉纤维表面都含有棉蜡，棉蜡与棉花含糖量对棉纤维的后加工均有着重要影响[5]。棉纤维在纵向结构呈天然转曲，横截面呈带状腰圆形并由多层同心层组成，可以增强棉纤维在后加工中抱合力。在纤维素分子结构式(见图1)，可以看出纤维素中含有大量羟基，具有较强的亲水性，化学反应活性较好，使其具有化学改性潜质。

图1　纤维素分子结构式

棉纤维具有较好的力学性能，细绒棉和长绒棉强力范围一般在3.5CN～6.0CN，具有可纺性，断裂伸长率一般为3%～7%，弹性相对较差。由于纤维素分子上含有许多游离性亲水性基团，棉纤维公定回潮率为8.5%，因此棉纤维具有良好的吸湿性与易染色性能[6，7]。由于纤维素分子的化学活性，棉纤维在大气环境中易被氧化，分子间作用力发生变化，棉纤维性能被破坏，高温环境中纤维素分子易发生裂解。此外，棉纤维具有优良耐碱性能，但强酸强碱对纤维素分子结构的破坏容易造成棉纤维力学性能变差。

2棉纤维改性技术

棉纤维具有诸多优点，但是也存在一定的局限性，比如纯棉织物易起皱、免烫性差、服装易缩水、易发霉、染色牢度低等，进一步开发棉纤维的可利用价值及其功能化研究，是提高产品附加值的关键[8]。棉纤维改性研究是在保持纤维基本优良性能的前提下来赋予纤维所需功能，来实现纤维的功能化，并使棉纤维的潜在功能得以充分利用，进而拓宽棉纤维应用领域。在棉纤维改性方面，欧美、日本等发达国家作了大量的研究工作，我国对棉纤维的改性研究也在不断的摸索中取得了新的进展。而目前针对棉纤维的改性技术，从手段上来讲是以物理技术、化学技术为主，此外还包括生物技术改性、纳米技术改性等；从结构上来讲，有表面改性、内部结构变化、组成变化等。常见的物理改性技术有低温等离子体技术、辐射技术、复合技术、多孔技术等，化学改性技术有接枝、交联、共聚、化学镀以及各种化学试剂处理等，生物技术改性主要涉及基因改性技术、生物酶改性技术等[9-11]。

2.1物理技术改性

物理技术改性主要是采用物理方法来使纤维达到所需性能。

2.1.1低温等离子体技术改性

等离子体技术作为一种物理改性方法，通过等离子气体的高能活化粒子对纤维表面基团进行轰击，改变纤维表层分子结构以及化学活性，进而改变纤维性能。而这种物理改性一般只发生在纤维表面微米级并不破坏纤维本身的优良性能[12,13]。等离子体工作气体常采用空气、氧气、惰性气体等。许多研究表明，经空气或氧气等离子处理后的棉织物吸水性增强、染色性增强。也有研究人员采用Ar等离子体对棉纱进行处理，结果发现改性处理后的棉纱采用淀粉上浆渗透效果更好，有取代PVA上浆的可能[14]。而且采用等离子处理对棉纤维表面的蜡质等杂质能进行有效的去除，此外将等离子体技术与其他方法相结合对棉纤维进行改性，可以使棉织物具有抗皱、抗菌、拒水、阻燃等功能性。等离子对棉纤维的改性，主要是通过粒子的轰击增强纤维表面活性，以及在纤维表面发生氧化反应而引入新的基团，进而来改变棉纤维表面性能。

2.1.2复合技术改性

复合技术改性主要是将棉纤维与其他纤维进行混纺或者复合纺纱。将棉纤维与聚酯纤维按比例进行混纺后所得纱线，既能保持聚酯纤维优异的力学性能，也改善了聚酯纤维吸湿性差的特点[15]。而将棉纤维与长丝进行复合纺纱，诸如包芯纱、包缠纱、包覆纱等，从外观形态与性能上都发生了变化，氨纶/棉包芯纱赋予纱线较高弹性但又具备棉纤维的优良性能，在牛仔布行业中有着广泛的应用，而将金属纤维棉纱复合纺或者交织，则增加了织物金属纤维的光泽感。而越来越多的新型合成纤维的开发，包括从聚合物种类、差别化纤维的形式，赋予纤维功能化。随着科技的发展，各种新型纤维材料的问世，将棉与莫代尔、天丝、聚乳酸纤维等相结合，拓展棉纤维的应用，也使得棉产品更加丰富多样化。

2.1.3其他

此外，还有辐射改性、机械处理等。辐射改性主要是利用γ-射线、紫外线、电晕、超声波或微波等对棉纤维进行辐照处理引入新的极性基团来改善其表面化学活性[16-18]。而机械处理主要是在机械作用下使棉纤维结构形态和微观结构，通过棉纤维结晶度、聚合度、可及度的变化来拓展其用途。

2.2化学技术改性

采用化学手段来改变纤维分子化学结构来实现改性目的。

2.2.1接枝改性

接枝改性主要是采用一定的手段在棉纤维大分子链上接上支链，并使支链的特性得以体现。棉纤维主要是由纤维素构成，表现出纤维素的性质，在其表面接枝上蛋白质分子链、多糖分子链等使其具有这些特性，是国内外众多学者关注重点。甲壳素、葡萄糖、海藻酸等都具有抗菌止血的效果，如果将其分子链接枝在棉纤维上，那么棉织物就具有这些功能性[19]。Shin等[20]将甲壳胺接枝到棉纤维上，在一定程度上有效抑制了金黄色葡萄球菌的增长，而且负载甲壳胺的棉纤维可以抑制血液扩散，具有凝血功效。而将蛋白质分子链接枝到棉纤维上，则负载蛋白质的棉纤维则会具有羊毛或蚕丝或大豆纤维的功效，提高了棉纤维的附加值。也有学者通过交联剂将环糊精接枝在棉纤维上，增加棉纤维的活性，进一步负载其他功能性物质，加强功效[21]。此外，将多肽类、脂类等分子链接枝到棉纤维，使得棉纤维在医疗卫生、美容化妆等领域都有着很高的应用价值。

2.2.2化学镀改性

化学镀主要是利用氧化还原反应原理，将金属离子液中的金属离子还原成金属沉积在纤维、纱线或者织物表面，使纤维或者织物具有金属性质，而这种方法应用在抗菌布、导电布等方面有着明显的效果。东华大学吴建文[22]等通过首先在棉织物表层形成壳聚糖-钯膜，再在化学镀镍溶液中形成纳米级钯金属催化层，研究表明改性后的棉织物电磁屏蔽效果明显。杨召等[23]在棉织物表面进行化学镀铜，发现镀铜后棉织物对大肠杆菌有着明显的抑制效果。此外，无论是直接进行化学镀还是间接以棉织物为基布进行镀层，包括镀银、镀镍等，对棉织物在抗菌、导电、屏蔽电磁等方面都有着明显的改善效果，大大拓展了棉织物的用途。

2.2.3化学试剂改性

化学试剂改性主要是将棉纤维或者棉织物，采用具有某些功能的化学试剂进行处理，或者是作为预处理环节来实现棉织物的功能化。柴丽琴等[24]采用反应型改性剂和非反应型改性剂对棉纤维进行阳离子化改性，改性后在物理机械性能没有明显变化的前提下，天然染料对棉织物的染色性能得到明显改善。柳内雄一[25]采用在氮气环境中用氨水对棉织物进行处理，棉织物的防皱防缩性能增强、强度增大、手感更加柔软，主要是由于液氨处理后棉纤维内部结构发生了变化，结晶度降低，结晶结构松弛，液氨处理装置见图2。安倍俊三[26]也采用氨水、氢氧化钠等试剂对棉织物进行处理，研究棉纤维结晶、取向度的变化，来验证对棉织物光泽、防缩、手感、力学性能的影响。此外，还可以采用无机盐溶液、稀土预处理等对棉纤维或棉织物进行处理，通过渗透、吸附等作用使棉织物在抗静电、去尘、改善染色牢度等方面有着显著效果。

图2　液氨处理装置

2.2.4其他

此外还有将棉纤维进行分解，将棉纤维中纤维素溶解，溶剂分子进入纤维素晶区内部，对纤维素结晶结构进行破坏，纤维素分子与溶剂分子形成均相溶液，再辅以相关试剂可以制成纤维素纤维。也可以将棉纤维中纤维素上的羟基进行氧化、酯化，改变棉纤维的物化性能，并接枝上所需分子支链使棉纤维具有所需性能。

2.3生物技术改性

2.3.1基因改性

基因改性主要是利用基因技术将一些能够控制特殊性能的基因导入棉花体内，使棉纤维拥有这些性能。天然彩色棉就是利用基因改性将控制颜色的基因片段导入棉花体内，生产出来的棉纤维就具有天然色泽，这样可以避免染色，也可以省却染色、印染等工序，既节约了成本也避免了污水排放对环境的破坏。天然彩棉因其环保卫生，常被用于内衣、婴幼儿服装等领域，但天然彩棉也存在色泽不均、颜色单一等缺点，但基因工程作为一项新的技术领域，将其进一步深入研究并应用于棉纤维改性中来实现棉纤维的多功能化，也是值得期待的[27]。

2.3.2生物酶改性

生物酶具有专一、高效、反应条件温和、安全等优点，从棉纤维到成品之间涉及多道工序，包括纺纱、上浆、织布、退浆、精练、漂染、印花等，这其中因印染带来的工业废水排放对环境造成巨大压力，节能减排采用对环境友好方法来进行生产是势在必行的。将淀粉酶应用于棉织物退浆中不但能使棉织物退浆更彻底，而且更加高效。纤维素酶可以去除棉织物表面绒毛、改善起球性能等，也可以使棉织物更加柔软，在牛仔布行业应用比较广泛[28]。此外，果胶酶的利用可以有效的去除棉纤维中所含果胶成分，提高纤维所占百分比，进一步提高棉制品的吸湿性能，也可以使精练效果更佳。生物水解酶的使用也可以改善棉织物的防皱性能、柔软、生物抛光等[29]。随着绿色环保观念的深入，纺织绿色加工也将会成为时代的主题，生物酶改性技术在棉织物改性应用中也将发挥着重要作用。

2.4其他

此外，还有纳米改性技术、电镀改性技术等在棉纤维改性中也得到广泛应用。纳米改性技术主要是由纳米材料特殊结构特征对棉纤维或棉织物进行表面处理，使棉织物获得纳米材料的特殊性能，通过浸轧、层压等后整理手段，对棉织物进行功能整理来开发功能棉织物[30]。电镀主要是将电镀液中的金属离子沉积在织物表面，包括电镀镍、银、铬等，使织物具有抗菌、屏蔽电磁波等功能[31]。

3棉纤维的研究发展趋势

棉纤维作为一种天然纤维素类大宗纤维，综合性能优异。在科技飞速发展的今天，能源、环保等都是当代热门话题，通过物理或化学手段来赋予棉纤维特殊功能，从分子结构、形态结构等微观方面对棉纤维进行改性，对发展环境友好材料、医疗卫生材料都有着重要意义。棉纤维作为可再生资源，符合能源可持续发展的要求，而在今后对于废旧棉织物的回收利用，改性成本低但效果好，这些方面都是今后纤维改性所需研究的重点内容。而且随着机电一体化、微电子技术、计算机技术等快速发展，将其应用于棉纤维的改性研究，可以从信息处理、快速控制等方面来解决所面临难题，也为棉纤维的改性研究提供了新的思路。

棉纤维无论是从性能，还是从安全卫生、能源等方面来讲都是一种优良的纺织原材料，进一步开发和拓展其应用领域，无论是从棉纤维研究、生产还是产品开发方面都是值得重点关注的对象。在研究与应用的过程中充分挖掘棉纤维潜在的功能，使其在功能多样化、产品多样化等方面发挥出自己的优势，而随着科技的进一步发展以及人们对生活质量要求的提高，也会给棉纤维的改性带来新的思路与突破，棉纤维功能多样化也会在不断的探索与应用中逐步向前发展。

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中图分类号：TS102