孫亞虎 張美玲 C. T. Bagiritima 鄭廣偉

1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院(中國) 2. 天津邦維錦潤紡織有限公司(中國)

香蕉樹生長快，果實甜美，在中國等130多個國家廣泛種植[1]。香蕉被采摘后，大量香蕉樹的莖稈等被當作廢物丟棄或燃燒，不僅浪費資源，而且還造成了嚴重的環(huán)境污染。為解決這一問題，近年來，人們以香蕉莖稈為原料，研究科學高效、適于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的香蕉纖維脫膠和紡紗工藝。香蕉纖維的性能與麻纖維相似，其原料豐富，價格低廉。2019年，全球香蕉產(chǎn)量達到11 666.38萬t，其中，中國香蕉產(chǎn)量1 165.57萬t，僅中國一年便可產(chǎn)生上千萬噸與香蕉果實等量的香蕉莖稈，可以用作提取香蕉纖維的原料。由香蕉纖維制成的紗線，可用于制作服裝或產(chǎn)業(yè)用紡織品。目前該領(lǐng)域已取得一定的研究成果，真正實現(xiàn)了變廢為寶。

1 香蕉纖維的組成、結(jié)構(gòu)及性能

1.1 香蕉纖維的組成

香蕉纖維分為香蕉莖纖維和香蕉葉纖維。香蕉葉纖維的強力較香蕉莖纖維差，且香蕉葉纖維的單纖維長度較小，因此不適合紡紗和織造。目前，關(guān)于香蕉葉纖維的研究較少。本文所述的香蕉纖維指香蕉莖纖維。香蕉莖纖維為韌皮纖維，屬于新型天然纖維素纖維，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，還包含少量的灰分和水溶物等。

香蕉纖維與亞麻、黃麻[2]11、苧麻和漢麻纖維[3]的主要組成成分如表1所示。因香蕉產(chǎn)地、生長期和莖稈部位的不同，其化學組成成分也存在一定的差異。從表1可以看出，香蕉纖維中的纖維素含量與苧麻和亞麻纖維接近，但香蕉纖維的纖維素含量波動范圍比苧麻、亞麻纖維大。相對于苧麻、亞麻纖維而言，香蕉纖維半纖維素和木質(zhì)素的含量較多。這表明與其他麻類纖維相比，香蕉纖維較為粗硬，彈性較差，不利于紡紗。因此，需要通過脫膠改善纖維性能，提高香蕉纖維的可紡性。香蕉纖維的脫膠是一項重要且復(fù)雜的工藝。獲得性能良好的香蕉纖維是開發(fā)和利用這種纖維的重要保障和前提。

表1 香蕉纖維與部分麻類纖維的組成成分

1.2 香蕉纖維的結(jié)構(gòu)與性能

香蕉纖維的橫截面多為腰圓形，粗細差異很大。部分香蕉纖維的橫截面類似于棉纖維，呈腰圓形且包含中腔。多數(shù)香蕉纖維與麻纖維類似，其中腔到細胞壁之間存在明顯的裂痕。少部分香蕉纖維的橫截面呈腰圓形且無中腔。香蕉纖維縱向平直，且具有明顯的橫節(jié)，部分呈現(xiàn)天然的轉(zhuǎn)曲狀態(tài)，有的橫節(jié)上還有鱗片樣的凸起。其形態(tài)結(jié)構(gòu)與麻纖維相似，又呈部分棉、毛纖維的特征。圖1是香蕉纖維在不同放大倍數(shù)的光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下的橫、縱向截面圖。

圖1 香蕉纖維橫截面的光學顯微鏡照片和縱截面的掃描電鏡照片[4]

表2是香蕉纖維與麻纖維微觀結(jié)構(gòu)的比較。纖維微觀結(jié)構(gòu)采用X光衍射法及偏振光顯微鏡的貝克線法測試。

表2 香蕉纖維與麻纖維的微觀結(jié)構(gòu)比較[2]11

香蕉纖維呈乳白色或棕黃色，密度為1.3～1.4 g/cm3，比玻璃纖維的密度(2.50～2.56 g/cm3)小。香蕉纖維結(jié)晶度為44.25%，亞麻纖維結(jié)晶度為66.24%，較低的結(jié)晶度使得香蕉纖維具有較好的吸濕性和染色性。分別用活性藍KN-B、活性黃3RS、活性紅2BD這3種染料對香蕉與亞麻纖維進行染色，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，香蕉纖維的上染率與固色率均略高于亞麻纖維[5]。香蕉纖維的回潮率較高，為 5.13%～20.23%。纖維容易降解，這影響其力學性能。但經(jīng)堿處理后，纖維的回潮率降低，力學性能提高。表3是香蕉纖維與亞麻、黃麻纖維力學性能的對比。

表3 香蕉纖維與亞麻、黃麻力學性能對比

香蕉纖維與麻纖維的組成和結(jié)構(gòu)相似，物理力學性能也類似于麻纖維。香蕉纖維具有普通麻類纖維的優(yōu)點，強度大、伸長小、初始模量大、吸濕放濕能力強，但其纖維粗硬，彈性較差。

2 香蕉纖維的制取工藝

香蕉纖維的制取主要包括兩個部分：一是香蕉纖維的提取，二是香蕉纖維的脫膠。通過提取可去除香蕉莖稈中含有的大量水分和雜質(zhì)，但分離出的香蕉纖維單纖維長度比較短，僅為2.0～3.8 mm，其單細胞寬度也較小，為11～34 μm。這種纖維主要用于手工編織以制作室內(nèi)裝飾品，如窗簾、坐墊等。由于香蕉纖維的單纖維太短，不能直接用于紡紗。因此，香蕉纖維的脫膠宜采用與亞麻、黃麻相近的半脫膠方式，脫膠時需保留部分膠質(zhì)，使纖維黏連，從而具有一定的長度，以便用于紡紗[6]。

2.1 香蕉纖維的提取方法

香蕉纖維提取的主要方法有機械方法和化學方法兩種。香蕉纖維最早是通過手工剝?nèi)⊥瓿傻?。將香蕉莖桿撕成片狀，在刮板裝置上反復(fù)刮取(圖2)，從而得到能夠用于裝飾品制作的粗纖維。

1——刮雜裝置; 2——滾扎裝置; 3——傳送裝置。圖3 機械法提取香蕉纖維示意圖

圖2 人工提取香蕉纖維

人工提取香蕉纖維方法勞動強度大、生產(chǎn)效率低，所得纖維含雜率高，不適于產(chǎn)業(yè)化加工需要。目前，人們開始嘗試改裝剝麻機，以通過機械方式提取香蕉纖維(圖3)，使提取效率大幅提高。

張喜瑞等[7]對香蕉纖維的提取設(shè)備進行研制和試驗，成功研制出可移動的全喂入香蕉莖稈纖維提取機。該機器每小時能夠提取約206.6 kg香蕉纖維，提取100.0 kg香蕉莖稈纖維的能耗為 22.3 kW·h，滿足生產(chǎn)需求。李雙等[8]借鑒手動刮胡刀設(shè)計原理，設(shè)計出雙層漸近式刀片結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了移動式全喂入香蕉莖稈纖維提取機的工作性能，使纖維提取率從14.50%提升至約16.03%，纖維含雜率從14.21%降至約9.85%，并且在多片莖稈片疊加時，機器的加工性能更加穩(wěn)定。

2.2 香蕉纖維的脫膠方法

香蕉纖維的脫膠可借鑒麻類工藝纖維的脫膠工藝，主要有化學脫膠、生物脫膠以及機械脫膠等。機械脫膠符合現(xiàn)代環(huán)保發(fā)展理念，但成本較高。生物脫膠是利用生物酶或微生物來分解膠質(zhì)，該方法脫膠時間長，脫膠率低，生物酶或微生物選擇性強，成本較高。化學脫膠已大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)中，其脫膠效率高，獲得的纖維性能良好，但需要改善這種方法的環(huán)境友好性。圖4是化學脫膠前后香蕉纖維的縱向掃描電子顯微鏡圖。

圖4 香蕉纖維縱向掃描電子顯微鏡圖

2.2.1 化學脫膠

2.2.2 機械脫膠

香蕉纖維的機械脫膠方法也有較多相關(guān)研究。王春等[13]采用超聲波處理的方法對香蕉纖維進行脫膠處理，在超聲波清洗機中對香蕉纖維進行30 min預(yù)處理(處理溫度為50 ℃，功率為200 W)后，膠質(zhì)去除率高于36%。處理后分別加入氫氧化鈉、硅酸鈉、亞硫酸鈉和三聚磷酸鈉溶液至燒杯中，在100 ℃條件下繼續(xù)煮煉2.5 h。經(jīng)測試，所得香蕉纖維的木質(zhì)素含量為3.32%(質(zhì)量分數(shù))，半纖維素含量為25.81%(質(zhì)量分數(shù))。文獻[14]介紹了一種利用汽爆技術(shù)對香蕉纖維進行脫膠的方法。此法是采用含半纖維素酶、果膠酶和木質(zhì)素酶的復(fù)合酶對香蕉纖維進行酶脫膠處理，然后將纖維放入汽爆罐中，設(shè)定壓力參數(shù)后，瞬間釋放、水洗并脫水。采用這種脫膠方式，所得香蕉纖維的殘膠率可由15.57%降至3.03%，白度由40%增至63%，斷裂強度由8.0 cN/tex提升至14.6 cN/tex。

2.2.3 生物脫膠

生物脫膠法目前大多用在試驗研究當中。Vellaichamy等[15]對香蕉纖維進行酶處理脫膠，采用了3種方法并進行對比試驗。測試了纖維的負荷、伸長、斷裂強度和彈性模量等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酶處理后的纖維，斷裂伸長率為2.86%，且纖維直徑顯著減小，均勻度較好。Vardhini等[16]采用漆酶和木聚糖酶處理香蕉纖維。結(jié)果表明，兩者都能去除木質(zhì)素，但作用機理不同。漆酶直接作用于木質(zhì)素，而木聚糖酶則有助于纖維素與木質(zhì)素間木聚糖的水解，從而去除纖維中的木質(zhì)素。由于木聚糖酶是間接去除木質(zhì)素的，因此與漆酶處理相比，木質(zhì)素的去除量較少，但半纖維素去除率達61%，遠高于漆酶。研究還發(fā)現(xiàn)，當酶濃度過高時，纖維斷裂強度會大幅下降，原因可能是酶濃度過高會導(dǎo)致纖維降解。Shroff等[17]用半纖維素酶、果膠酶和纖維素酶分別處理香蕉纖維，得到最佳酶濃度和處理時間后，用3種酶進行綜合處理，然后測試分析纖維的質(zhì)量損失、強度損失、白度指數(shù)和柔軟度，得到酶的最佳組合：3種酶用量相對纖維質(zhì)量的百分數(shù)(o.w.f)分別為半纖維素酶5%、果膠酶2%、纖維素酶5%。生物脫膠法以酶處理為主，這種方式較為環(huán)保，但是脫膠強度小，效率較低，因此工業(yè)生產(chǎn)上較少采用此方法進行脫膠處理。

2.2.4 聯(lián)合脫膠

聯(lián)合脫膠是將兩種脫膠方法結(jié)合起來，以達到更好的脫膠效果。熊月林等[18]采用生物酶-化學聯(lián)合脫膠的方法對香蕉纖維脫膠工藝進行了研究，并確定了最佳處理工藝。測試發(fā)現(xiàn)，所得香蕉纖維的殘膠率降至5.42%，木質(zhì)素殘余率僅為1.58%，纖維強力為88.63 cN，斷裂伸長率為3.11%，纖維線密度可低至3.13 tex，基本可滿足紡紗的要求。劉文娟[19]對香蕉纖維分別進行了化學和生物酶脫膠，確定最優(yōu)工藝后，在該工藝條件下進行了化學-生物酶脫膠、生物酶-化學脫膠的聯(lián)合脫膠，然后測試纖維的殘膠率、斷裂強度、斷裂伸長率和白度指標。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物酶-化學脫膠后的纖維殘膠率較低，為10.32%，而化學-生物酶脫膠后的纖維殘膠率則為12.46%；生物酶-化學脫膠后纖維的白度高達63.42%，高于化學-生物酶脫膠的54.28%；兩種脫膠工藝處理后，所得纖維的斷裂強度和斷裂伸長率相差不大，生物酶-化學脫膠法對纖維的損傷相對較小。綜上所述，生物酶-化學聯(lián)合脫膠的方法可產(chǎn)生較好的脫膠效果。

3 香蕉纖維的應(yīng)用

隨著環(huán)保意識的增強，人們對天然纖維產(chǎn)品的開發(fā)愈加重視。天然纖維具有成本低、資源豐富、可再生、可生物降解性等諸多優(yōu)良特性。香蕉的種植主要是為了獲得美味的果實，而與香蕉果實近乎等量的香蕉韌皮、香蕉葉等副產(chǎn)品，并未被合理應(yīng)用。如果能變廢為寶，既可以提高香蕉作物的經(jīng)濟附加值，又可以解決香蕉種植的環(huán)境污染問題。香蕉纖維作為天然纖維的一種，其優(yōu)良的品質(zhì)也得到人們的認可，目前其在家紡和服用紡織品、造紙、非織造布、復(fù)合材料(圖5)等領(lǐng)域都得以應(yīng)用。

圖5 香蕉纖維相關(guān)產(chǎn)品

3.1 家紡與服用紡織品

印度作為全球香蕉產(chǎn)品第一生產(chǎn)國，對香蕉纖維的開發(fā)和應(yīng)用也走在世界的前列。使用香蕉纖維束作為緯紗，棉紗作為經(jīng)紗,開發(fā)制作夾克、短上衣等的服裝面料，制成的服裝在推出后受到紡織服裝行業(yè)專家的一致好評[20]。日本日清紡織公司與名古屋市立大學合作，成功開發(fā)出香蕉纖維/棉(30/70)混紡紗[21]，并將其織制成牛仔服及網(wǎng)球服等產(chǎn)品進行銷售[22]。蔡永東[23]將香蕉纖維、黏膠及天絲纖維按照質(zhì)量比為30/30/40混紡成紗，并采用此混紡紗織制家用床品面料，經(jīng)檢驗，面料的各項物理性能指標均達到優(yōu)等品標準，屬于高檔家紡面料。文獻[24]介紹了一種香蕉纖維麻床墊的制備方法，使用這種方法制作的床墊，其防蟲抑菌效率高達90%，相比現(xiàn)有常規(guī)的床墊，防蟲抑菌效率提高了85%，且成品價格僅為目前利用純麻纖維制作的床墊的70%。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院海口實驗站于2014年發(fā)布了一項研究成果——香蕉精干麻與香蕉纖維/苧麻混紡織物，這種織物具有防靜電、抑菌等特點，可用于家紡用品如窗簾等的生產(chǎn)[25]。

3.2 造紙

紙漿的質(zhì)量以其纖維形態(tài)和純凈程度作為評價標準。纖維素含量越高，紙漿品質(zhì)越好。分析香蕉纖維的組成成分可知，香蕉纖維的纖維素含量略低于其他麻類，但其生產(chǎn)成本較低[26]。綜合考慮成本、資源等因素，香蕉纖維是造紙的上好原料。在印度，香蕉纖維除用于家居用紡織品和裝飾品外，還用于制作紙張。用香蕉纖維造紙時采用機械紙漿法，無需使用化學藥品，具有環(huán)保特性，在國際上享有很好的市場[27]。日本名古屋市立大學的教授已采用香蕉廢棄物制造出了一種強度較高的紙。

3.3 非織造布

Sengupta等[28]采用針刺法生產(chǎn)出3種非織造布，分別是100%香蕉纖維、香蕉/黃麻混紡和香蕉/聚丙烯混紡非織造布。對所有3種非織造布進行斷裂伸長率、初始模量、隔熱、隔聲、透氣性等性能測試，得出香蕉/黃麻、香蕉/聚丙烯混紡非織造布可用作過濾織物或絕緣織物。香蕉纖維具有吸聲效果，因此，香蕉/聚丙烯非織造布可以用作隔聲材料[29]。

3.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或多種成分組成的材料，其中一種成分作為基質(zhì)材料，另一種成分作為增強材料。在以環(huán)氧樹脂、聚酯、聚乙烯、聚氯乙烯等為基質(zhì)的復(fù)合材料中，研究者已探究了將不同類型天然纖維用作復(fù)合材料的增強材料。由于天然纖維具有成本低，密度小，環(huán)境友好和可生物降解性，其可用于替代復(fù)合材料中的石油基和不可再生合成纖維。

香蕉纖維增強聚丙烯材料已被汽車公司用于豪華汽車的制造，如用作梅賽德斯汽車地板的保護板。使用熱重和差示掃描量熱法進行分析，可知化學處理后香蕉纖維增強聚丙烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有所提高，硬度和拉伸性能顯著增加[30]。龐錦英等[31]使用香蕉纖維與聚乳酸復(fù)合，使材料的力學和燃燒性能均得以改善。香蕉纖維的添加彌補了聚乳酸脆性大、成本高、阻燃性差等缺點。Kalita等[32]利用水凝膠系統(tǒng)，通過用抗微生物藥物(氯氨酚和克霉唑)和生長因子(神經(jīng)和上皮生長因子)浸漬由香蕉纖維制作的縫合線，獲得具有抗微生物性能的縫合線。這種縫合線制作方法簡單，經(jīng)測試具有較好的生物相容性，可作為一種新型的先進生物縫合材料。毛敏敏等[33]以丙烯酸為單體，過硫酸鉀為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，通過溶液聚合制備香蕉桿纖維吸水樹脂，拓展了以石油資源為基礎(chǔ)合成的吸水樹脂的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)論

作為綠色環(huán)保的天然纖維，香蕉纖維的開發(fā)利用能夠帶來經(jīng)濟與生態(tài)方面的雙重價值。將香蕉莖稈開發(fā)為香蕉纖維，對于香蕉產(chǎn)地而言，銷售香蕉莖稈可增加種植者的收入；建立香蕉纖維加工企業(yè)，能夠提升當?shù)鼐蜆I(yè)率；同時可避免因香蕉莖稈焚燒或丟棄造成的污染，保護生態(tài)環(huán)境。此外，香蕉纖維的開發(fā)可為傳統(tǒng)紡織企業(yè)提供新的低成本天然纖維原料，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。香蕉纖維的產(chǎn)業(yè)化將具有顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，符合“資源節(jié)約型社會”和“綠色發(fā)展理念”。然而，香蕉纖維雖嶄露頭角，但在生產(chǎn)應(yīng)用上仍存在一定的局限性，如纖維粗硬，難以進行純紡，只能以較低的比例與棉或其他纖維混紡。此外，需通過對香蕉纖維脫膠工藝的進一步研究，提高纖維質(zhì)量，滿足不同的市場要求。