竹原纤维(天然竹纤维)


蔡继权

(杭州市化工研究院有限公司  浙江杭州  310013)


摘  要:竹原纤维(天然竹纤维)是采用物理脱胶法或微生物脱胶法从竹材中直接提取的纤维。竹原纤维具有独特的横截面形态和粗糙的纵表面,使其有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性。竹原纤维具有天然抗菌抑菌、除螨防臭、抗紫外线、吸湿放湿和水分挥发速度快的优异性能。竹原纤维织物具有吸湿透气、灭菌抑菌、快干耐磨、生态凉爽等特点。文章简述了国内制取竹原纤维的化学机械法、碾压开纤法、机械梳解制纤法、闪爆脱胶制纤法、裂解开纤法等工艺方法,并指出利用木聚糖酶、果胶酶等微生物脱胶法制取竹原纤维还需要深入研究开发。竹原纤维可以进行纯纺和与棉、毛、麻、绢及化学合成纤维进行混纺,生产各种规格的机织面料和针织面料,制作窗帘、夹克衫、休闲服、西装套服、衬衫、床单和毛巾、浴巾、内衣、内裤、汗衫、T恤衫、袜子、医疗护理用品和环保纸巾等系列产品。

关键词:竹原纤维;吸湿透气;抗菌;机织;针织;面料;服装


前 言

竹子为多年生植物,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,持续利用,不“与粮争地"。竹子中含40%~50%的纤维素纤维。竹纤维天然绿色生态环保,染色性优良,有独特的抗菌抑菌性能,资源丰富,可降解,是一种优质纺织原料。用竹纤维加工的面料外观华贵,舒适性能好,还有抗紫外线辐射、抗菌抑菌等保健功能,符合人们对面料的功能性、保健性、舒适性、美观性要求。纺织用竹纤维的开发应用已成为引领服装行业新发展的一个重要方面,越来越受科研和市场销售人员的重视。

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)又分为竹粘胶纤维、竹Lyocell纤维以及竹炭纤维等。

竹原纤维就是将天然的竹材锯成生产上所需要的长度,然后通过机械、物理的方法去除竹子中的木质素、多戊糖、竹粉、果胶等杂质,从竹材中直接分离出来的纤维。其生产工艺与制备麻纤维类似,是纯粹的天然绿色环保型纤维。

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竹浆纤维(再生竹纤维)是以竹子为原料,经一定工艺制成适合纺丝的竹浆粕,再将竹浆粕经湿法纺丝制成纤维,主要包括粘胶纺丝法制得的竹粘胶纤维和溶剂纺丝法制得的竹Lyocell纤维。而竹炭纤维是将竹炭微粉与载体化纤通过熔融纺丝制得。竹炭纤维先运用纳米技术先将竹炭微粉化,再将纳米级竹炭微粉经过高科技工艺纺丝成型,制备出合格的竹炭纤维。

1.竹原纤维(天然竹纤维)的构成与力学性能

竹原纤维(天然竹纤维,bamboo fiber)是采用物理脱胶法或微生物脱胶法从竹材中直接提取的纤维。竹原纤维的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木质素(三者总量占纤维干质量的90%以上),其次是蛋白质、脂肪、果胶、单宁、色素、灰分等。大多数存在于细胞内腔或特殊的细胞器内,直接或间接地参与其生理作用。

竹原纤维细胞的主要物质是纤维素,也因此它才能成为纺织材料。毛竹、嫩竹的纤维素含量为75%、3年生毛竹的纤维素含量为58%。随着毛竹竹龄的增加,天然竹纤维中的半纤维素含量有所下降,2年生毛竹中半纤维素含量24.9%,4年生毛竹中半纤维素含量23.6%。

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经扫描电子显微镜观察,竹原纤维纵向有横节,粗细分布很不均匀,纤维表面有无数微细凹槽。横向为不规则的椭圆形、腰圆形等,内有中腔,横截面上布满了大大小小的空隙,且边缘有裂纹。竹原纤维具有独特的横截面形态和粗糙的纵表面,使其具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性,吸湿、吸水和水分挥发速度快,其织物具有吸湿、吸水、透气、快干、耐磨、感觉凉爽等优点。

竹原纤维具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。我国拥有天然竹原纤维制取的核心专利技术,其提取、加工技术为我国独创,在国际上处于领先水平,是现阶段竹材加工利用附加值最高的产品。

竹原纤维(天然竹纤维)的长度整齐度较好,其长度可根据使用要求,制成棉型、中长型和毛型所需要的长度。竹原纤维具有较强的毛细管效应(试验条件:30℃,预张力4g),5min时为6.74cm,15min时为6.85cm,30min时为6.90cm,60min以后保持不变,略高于棉纤维,远高于苎麻、粘胶纤维和再生竹纤维。

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经过傅立叶变换红外光谱法、x射线衍射、电子显微镜、抗菌测试、热重分析及其他常规测试仪器的测试,表明竹原纤维(天然竹纤维)是一种纺织服装用性能极佳的天然纤维素纤维。

有研究提出:竹原纤维的纤维素含量比竹浆纤维高12%左右,而木质素的含量都为0。竹原纤维的断裂强度与苎麻纤维相当,高于棉纤维,属高强低伸型的脆性纤维;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,属低强高伸的柔弱型纤维(见下表2)。

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注:温度为23℃、相对湿度为30%条件下测试。

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2.竹原纤维(天然竹纤维)的特点

2.1 生态性

竹原纤维是直接从自然成长的竹子中提取的纤维素纤维,本身就是一种能在自然界完全生物降解的生物质,所以竹原纤维及其相关制品一般情况下不需要进行任何特殊处理就能完全自然生物降解。无论是在制取竹原纤维,还是生产竹原纤维纺织品,其生产工艺流程中没有废气废物产生,其制成品对人体没有毒害,属于纯天然、无公害的绿色纤维。

2.2 吸湿透气性

由于竹原纤维的高度中空和表面众多沟槽的结构特性,吸湿速率快,放湿也特别快,几乎在人体刚出汗的同时大部分水分就被转移出去。竹原纤维有吸湿性优、透气性好的特性,这个优异的吸湿透气性是其他纤维难以做到的。

2.3 灭菌抑菌性

竹原纤维中含有一种灭杀细菌、抑制细菌的“竹醌”物质,能自然持久的抗菌;而在竹原纤维的生产过程中,由于采用机械、物理的方法,抗菌物质“竹醌”等仍与纤维大分子紧密相连,基本没有被损坏,所以竹原纤维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杂质,仅保留“竹醌”物质,所以竹原纤维抗菌抑菌效果比竹子更好。

而在竹原纤维(天然竹纤维)的纺丝过程中,由于原料中抗菌物质、抗菌结构受到一定程度的破坏,因此抗菌效果受到一定的影响,其对枯草芽孢杆菌的抗菌效果受到严重损伤,对黑曲霉菌基本没有抵抗能力。表3列出了几种纤维的抗菌测试结果。

同时由于竹原纤维含有叶绿素铜钠,使其具有良好的除臭作用,对酸臭和氨气的除臭效果比棉布要好得多:而叶绿素铜钠还是安全、优良的紫外线吸收剂,可减小紫外线对人体的伤害。

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3.竹原纤维(天然竹纤维)的生产

国内竹原纤维制取有化学机械法、碾压开纤法、机械梳解制纤法、闪爆脱胶制纤法、裂解开纤法等工艺方法。至于用具有环保优势的微生物脱胶法提取竹原纤维的研发,还需要产业化生产的报道。

化学机械制取竹原纤维的生产工艺是:先用化学药品对竹材进行预处理,使竹材中的胶质、木质素、半纤维素等受到破坏而溶解,从而削弱与纤维之间的结合力,再经机械外力作用而形成竹纤维。研究表明机械轧压和牵伸对竹原纤维的细化有显著作用。此法纤维得率低,使用化学品制得的竹纤维还有一定酸碱性,纤维处理工艺复杂,成本高,对竹龄长的竹子较为适用。

生产工艺分前期处理工序、分解工序、成型工序和后处理工序4部分。具体步骤为:选料→截断→制竹片→浸泡→蒸煮软化→水洗→分解→分丝→再蒸煮→软化→分丝→还原→分丝→蒸煮→脱水→上油→软化→干燥→梳纤→筛选→检验→打包。

碾压开纤法制取竹原纤维的生产工艺技术一般先将竹材分片,然后蒸煮软化,使纤维牢固结合一体的木素胞间层部分分离,通过锤击或碾压来削弱纤维之间的结合强度。竹片在受到机械冲击摩擦的外力作用下,最终导致纤维分解。包括三道工序:第一道工序是用碾压机沿竹子生长方向碾压;第二道工序是用专用的锤磨型研磨机将从第一道工序所得的辗碎了的竹子纤维化;第三道工序是从第二道工序制得的纤维中分离出混合在其中的竹内薄皮部分。

浙江林学院和四川厂家联合开发了成套的碾压开纤设备,该工艺包括机械碾压、揉搓开纤细化等关键设备,批量生产出了竹纤维。此技术生产效率高,但对纤维的强力损伤大,纤维的纤细度及均匀度难以保证。

进一步改进该法中在工序中加入生物酶,制取工艺过程是:竹材→制竹片(首先把竹子截断去掉竹节并剖成竹片,竹片的长度根据需要而定)→煮炼竹片(将竹片放入沸水中煮炼)→压碎分解(将竹片取出压碎锤成细丝)→蒸煮竹丝(将竹丝再放入压力锅中蒸煮,去除部分果胶、半纤维素、木质素)→生物酶脱胶(把上述预处理的竹丝浸入到含有生物酶的溶液中处理,让生物酶进一步分解竹丝中的木质素、半纤维素、果胶,以获得竹子中的纤维素纤维。在分解木质素、半纤维素、果胶的同时也可在处理液中加入一定量的可以分解纤维素的酶,以获得更细的竹原纤维(天然竹纤维)→梳理纤维(把酶分解后的竹纤维清洗、漂白、上油、柔软、开松梳理→获得纺织用竹原纤维(天然竹纤维)。

机械梳解制纤法制取竹原纤维是采用机械设备将经过碾压的扁竹材直接梳解成竹纤维。该工艺采用机械作用破坏了纤维的强力,获得的竹纤维粗、短、柔韧性差。由于该法工艺简单,加工效率较高,有一定的实用价值。

闪爆脱胶制纤法制取竹原纤维:由于竹子组分中木质素含量较高,通常脱胶方法一般难以去除,为此,利用高温高压状态下液态水和水蒸气作用于经预处理的竹片,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化,脱胶制备竹纤维。此法竹纤维得率高,不用化学药品,无污染,制得的竹纤维均匀性好,但设备成本高、处理工艺复杂,所得纤维颜色较深;目前未见闪爆脱胶技术的规模化应用。

裂解开纤制备竹原纤维:该法先将竹材成竹片,然后放入特制的高压蒸煮容器内蒸煮软化,再采用机械外载将竹片夹裂松解产生脱层和微裂纹,并使脱层和裂纹沿平行于纤维方向扩展以引发竹材开纤,然后在另一外载荷的协同作用下,促使竹材宏观裂纹不断扩展,实现其界面脱粘分层,从而获得竹子粗纤维,再将竹子粗纤维经过后续一系列的软化、梳理工序,获得细竹纤维。该方法的特点是对纤维强力损伤小,生产的竹纤维形态均匀,纤维柔软,长度在25~80cm之间。经精细化处理后细度可达0.04~0.06mm,平均断裂强度达到5.5cN/dtex。

以浙江省林学院为科技支撑的福建建州竹业科技有限公司,采用热-机械耦合开纤法研发出竹原纤维洗浴用品等系列产品,产品外观粗犷,在欧美很受欢迎。四川阆中棉纺织厂是国内最早采用碾压开纤法成功制取出竹束纤维并进行竹原纤维研发的企业。浙江南方竹木制品有限公司在国内最早提出纺织用竹原纤维提取方法的中国专利申请,该公司提取的竹原纤维主要供应给湖南株洲雪松有限责任公司纺纱,已成功开发出竹原纯纺高档面料和竹原纤维与棉纤维、麻纤维混纺系列面料与服装产品,并主要销往国外。浙江凯喜雅国际股份有限公司研制生产了竹原纤维混纺新原料,并开发出竹原纤维与绢、毛、棉等混纺纱线。

国际竹藤组织中心、北京服装学院、东华大学纺织学院、苏州大学、浙江省林学院等科研单位对天然竹纤维的提取也进行了大量的基础性研究,各种细度和强度的竹原纤维相继出现,质量在不断提高。

福建省生态产业绿色技术重点实验室吕橄、魏志辉、华伟平、武广珩利用木聚糖酶、果胶酶对粗竹纤维精细化处理的工艺条件以及多种酶复合酶解进行了初步研究。结果表明,在50℃、pH 8.0的条件下,添加2%木聚糖酶酶解60min,半纤维素去除率为30.56%,、失重率为11.4%;在60℃、pH 8.0的条件下添加4%果胶酶酶解40min,果胶去除率为90.32%、失重率为11.6%;对纤维性能进行测定及扫描电镜观察发现,采用多酶复合酶解工艺相比单一酶酶解效果更好。

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4.纺织用竹原纤维产品的开发应用

目前制取的纺织用竹原纤维,干态断裂强度在3cN/dtex以上,细度达到18dtex以下,具有纺织纤维的特性和形态,可以满足纺纱的要求,已经制造出枕套、靠垫、凉席、服装等纺织产品。竹原纤维为纯天然的绿色纺织纤维,其结构特性决定竹原纤维结晶度高、纤维刚性大、胶质含量比较高、上染深度浅、柔软性差、细度低、色泽偏黄。因此,竹原纤维的均匀度、细度,还需要不断提升,但其许多天然特性功能以及生产过程对环境污染和生态破坏很小的特点,符合我国产业发展政策,因而具有很大的发展前景。

竹原纤维开发应用的主要产品有纯天然竹纤维高支细薄织物、提花织物、色织物、斜纹织物、牛仔布。利用竹原纤维面料设计制作出了休闲西服、休闲夹克、衬衫、T恤衫、贴身衣物、各种女时装、床上用品、毛巾、浴巾、袜类等,大受消费者的青睐。

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竹原纤维可以进行纯纺和混纺,是毛纺、麻纺、绢纺、棉纺、色纺、半精纺等企业开发和推广新产品所要选择的新原料之一,混纺产品更是走向内衣、袜子等领域不可或缺的品种之一。竹纤维纯纺支数可达60Nm,面料生产企业可以选用竹原纱线进行交织,增加面料的功能性,例如采用亚麻39Nm和竹纤维39Nm进行交织,面料在保留麻产品风格的同时,又增加了产品的抗菌除臭功能,提高了产品附加值。已经开发的交织混纺成品有:

(1)竹原纤维与棉粘胶交织、混纺系列产品(包括弹力织物、竹节方平织物、斜纹牛仔织物、装饰用面料等)。

(2)竹原纤维与棉、涤交织混纺的系列衬衫面料。

(3)竹原纤维与绢丝、Tencel、Modal混纺的针织、机织系列高支细薄高档产品。

竹原纤维纱线用于服装面料、凉席、床单、窗帘、围巾等,采用与维纶混纺的方法可生产轻薄服装面料。竹原纤维与棉、毛、麻、绢及化学合成纤维进行混纺,用于机织或针织,生产各种规格的机织面料和针织面料。机织面料可用于制作窗帘、夹克衫、休闲服、西装套服、衬衫、床单和毛巾、浴巾等。针织面料适宜制作内衣、汗衫、T恤衫、袜子等。

竹原纤维纤维含量30%以下的竹棉混纺纱线更适合于内裤、袜子,还可以用于制作医疗护理用品,以及用于环保纸巾的制造(如以竹原纤维为主要原材料的本色竹纤维纸巾)。

在竹原纤维类面料及服装的保养方面,竹原纤维床品缩水率在3%以内,可高温机洗,但不宜机洗甩干,清洗后在通风避光处晾干即可,不要曝晒,应低温熨烫;而竹浆纤维产品,属再生粘胶纤维,床品成品缩水率达到8%。因此,可低温水洗、干洗、常温洗涤,不宜长时间高温浸泡,也不宜机洗,手洗时不要来回强力揉搓;如用烘干机,请选用低温烘干,温度不要超过35℃度,以防过分缩水。有花边、坠子等装饰物的必定要先取下再洗。衣物晾晒时应平铺晾晒,禁止过分拉伸衣物,以防衣物变形。保藏时折叠齐整,并存放在湿度低,通风阴暗的地方,也可放入一定量的樟脑丸防蛀。

5.结语

我国纺织用竹纤维的发展世界领先,竹原纤维作为一种绿色天然的资源性纤维,具有广阔的应用前景。竹原纤维的开发符合开发天然绿色产品的潮流和国家节能减排的战略,有效利用竹原纤维的自身特性,提高纺织品的档次,增加应用领域,增强竹原纤维产品在国际市场上的竞争力,是我们义不容辞的义务。

 

作者简介:

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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