楊竹麗，李清林，關(guān)福旺，江大偉，王府梅，邱夷平，張初陽

(1.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000；2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

木棉是高大落葉喬木，主要產(chǎn)地為東南亞地區(qū)、非洲、中國華南和西南各省[1],其具有高抗旱性、速生性和高存活率，能夠很好地適應(yīng)惡劣環(huán)境，非常適合修復(fù)海南已退化的熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)[2]。海南大量種植木棉樹，因此木棉纖維有廣泛的來源。目前應(yīng)用的木棉纖維品種主要有木棉屬的木棉種、長果木棉種和吉貝屬的吉貝種[3]。

木棉為天然纖維素纖維，縱向為圓柱形，表面光滑，截面為原型或橢圓形[4]。木棉纖維兩端封閉，中腔內(nèi)充有空氣，中空率高達80%～90%[5]，其細胞壁非常薄，壁厚僅為1～2 μm[6]，這種薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，使其多用作為吸油、保暖、浮力材料或填充材料[7]。木棉纖維還具有抗菌、驅(qū)螨、防霉等優(yōu)點，可用于床上用品、衛(wèi)生盥洗類紡織品[8-9]。木棉纖維價廉易得、可回收、可降解，在海洋石油泄漏、生活污水處理等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

文獻[10-11]研究確定木棉纖維的主要組成物質(zhì)為纖維素約64.0%，木質(zhì)素約13.0%，水分8.6%，水溶性物質(zhì)4.7%～9.7%，木聚糖2.3%～2.5%，灰分1.4%～3.5%，蠟質(zhì)0.8%。肖紅[12]深入研究攀枝花木棉的微細結(jié)構(gòu)和基本性狀，測得木棉纖維單纖維密度為0.30 g/cm3、結(jié)晶度為35.9%，胞壁結(jié)構(gòu)比棉纖維疏松，因此油液更容易進入到木棉纖維的內(nèi)部。劉美霞等[13]對木棉纖維進行堿處理，Hu等[14]采用超聲波處理木棉纖維，在去除木質(zhì)素和半纖維素后，均得到螺旋帶狀的纖維素。Dong等[15]對木棉纖維表面進行超疏水化處理，破壞其表面蠟質(zhì)，并接枝甲基三氯硅烷，賦予纖維超疏水特性。Wang等[16]在木棉纖維表面接枝甲基丙烯酸丁酯，大大提高了吸油倍率。劉杰等[17]發(fā)現(xiàn)吸油后的木棉纖維表面出現(xiàn)折痕，纖維之間相互黏連。Yang等[18]發(fā)現(xiàn)木棉纖維細胞壁存在大小不一的微孔，為油分子進入中腔提供路徑。徐艷芳等[19]采用木棉粉末料在自然狀態(tài)下吸油，吸油量約是木棉原纖維的50%。范金玥等[20]以木棉纖維為原料，采用酸水解處理方法，成功制備了納米I型纖維素。

我國市場上應(yīng)用的木棉大部分為印尼木棉，國產(chǎn)木棉沒有得到有效利用，既浪費資源，又給人們生活帶來困擾。在福建地區(qū)木棉樹已大量存在，以泉州地區(qū)的木棉樹為例，木棉每年2～4月陸續(xù)開花，5月果實成熟，蒴果開裂，木棉絮隨風飄落，不僅影響環(huán)境整潔，木棉纖維易進入人體鼻腔還會引起咳嗽、流涕，甚至引發(fā)哮喘等病癥；纖維飄落至皮膚上還容易引起皮膚痛癢、眼結(jié)膜發(fā)炎等過敏性反應(yīng)[21]。因此，希望通過對泉州本地產(chǎn)木棉纖維的性能進行探究，推動國產(chǎn)木棉在市場中的應(yīng)用，有效利用木棉果實，使木棉變廢為寶是本研究重點。

1 木棉果結(jié)構(gòu)分析

木棉果實為卵圓形，蒴果開裂顯現(xiàn)出果實內(nèi)橢圓形的種子，棉絮呈灰白色，由果皮內(nèi)壁細胞蔓延成纖維[22]，即木棉纖維。將采集到的泉州本地木棉(以下簡稱“泉州木棉”)果實與印尼爪哇島產(chǎn)的吉貝木棉(以下簡稱“印尼木棉”)果實進行對比。

1.1 果實外觀

印尼木棉果和泉州木棉果的外觀形態(tài)類似，但又略有不同。成熟的印尼木棉果長度為20～30 cm，為細長圓柱狀，如圖1(a)所示，其外殼堅硬，呈現(xiàn)棕黃色，外皮光滑，但是有凹凸的紋路[23]。泉州木棉果如圖1(b)所示，果實近似棗核形，中間鼓，兩端稍尖，顏色呈現(xiàn)茶黑色，表面凹凸不平，有細細的絨毛。與印尼吉貝木棉果相比，泉州木棉果整體較小，長度為11～14 cm。隨機選取2個印尼木棉果和5個泉州木棉果，測量長度如表1所示。

圖1 木棉果外觀Fig.1 Appearances of kapok fruit

表1 木棉果基本信息Table 1 The specification of kapok fruit

1.2 果實內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)

木棉花為5片花瓣，蒴果成熟后也分裂為5瓣。沿著蒴果分裂的方向打開木棉果，果實內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，果皮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有不同，印尼木棉果皮內(nèi)側(cè)為一個個橢圓形的小凹坑，而泉州木棉果皮內(nèi)側(cè)很平整，僅有一根沿著果實長度方向的分割線。這樣的果皮內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)與纖維的排列方式(見圖3)是一致的。由圖3可知：印尼木棉果內(nèi)，纖維沿橫向呈簇狀排列；泉州木棉果內(nèi)，纖維沿縱向呈列狀排列。

泉州木棉果內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，泉州木棉和印尼木棉的果實內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別不大。果實中部被薄層的木質(zhì)壁(見圖4(a))分為結(jié)構(gòu)相同的5室，5個薄層的木質(zhì)壁呈五角星狀排列。木棉纖維中散布著黑色的圓球形木棉籽(見圖4(c))，種子和纖維幾乎沒有黏連。初步測量發(fā)現(xiàn)，泉州木棉果每一室木棉纖維之間的距離大約為3 cm，木質(zhì)壁平均長度為10～11 cm，比果實外殼稍短。

圖2 蒴果皮內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)Fig.2 Inner structure of capsule skin

圖3 纖維排列方式Fig.3 The arrangement of kapok fibers

圖4 泉州木棉果內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 The inner structure of Quanzhou kapok fruit

2 纖維形態(tài)特征分析

2.1 材料

本地木棉，在泉州本地采集的木棉果實及木棉纖維；印尼木棉，印尼吉貝木棉，由江西瑋譽家紡有限公司提供。

2.2 測試指標與試驗方法

2.2.1 纖維長度

參考標準GB 1103—2007《棉花 細絨棉》，將木棉纖維試樣通過手扯法逐根測量纖維長度，盡量保證木棉纖維扯開時不被扯斷，用直尺測量，并保留一位小數(shù)。

2.2.2 纖維細度

木棉纖維為圓形截面，直徑可以準確反映木棉纖維的厚度和非均勻性，因此選擇直徑表征纖維細度。參考標準GB/T 10685—2007，將纖維切成片段后放在BM 2000型生物顯微鏡的載物臺上放大500倍投影，將楔形尺校準后測量纖維直徑。

2.2.3 表面蠟質(zhì)含量

采用索氏萃取法，用油脂浸抽器萃取木棉纖維表面的蠟質(zhì)。將燒瓶烘干后，注入有機溶劑，稱取一定質(zhì)量的木棉纖維放入燒瓶，溶解木棉纖維表面蠟質(zhì)，烘干稱得燒瓶質(zhì)量為m3，根據(jù)式(1)計算得到木棉纖維蠟質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)Q。

(1)

式中：m1為烘干的空燒瓶質(zhì)量，g；m2為烘干木棉纖維樣品質(zhì)量，g。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 纖維長度

采用逐根測量法，分別測量100根泉州木棉與印尼木棉得到纖維長度分布，如圖5所示。由圖5可知：印尼木棉的長度為8.0～34.0 mm，68%集中分布于21.0～34.0 mm；泉州木棉的長度為10.0 ～30.0 mm，65%集中分布于14.5～27.5 mm。印尼木棉纖維平均長度為23.5 mm，變異系數(shù)為30.70%；泉州木棉纖維平均長度為20.2 mm，變異系數(shù)為28.86%。由此可知：印尼木棉平均纖維長度略大于泉州木棉，且長纖維分布較廣；印尼木棉纖維長度分布離散度更高，泉州木棉纖維長度分布更集中。

圖5 木棉長度統(tǒng)計Fig.5 The length statistics of kapok fiber

2.3.2 纖維細度

木棉纖維細度一般為15～45 μm[24]，呈現(xiàn)出尾端稍細、中段較粗、梢端較細的形態(tài)。不同地區(qū)不同品種的木棉纖維細度略有差別。采用顯微投影法測試了200組木棉纖維細度，如圖6所示。由圖6可知，印尼木棉纖維細度為5～40 μm，94.5%集中分布于10～30 μm，平均細度為22.08 μm。泉州木棉纖維細度為5～40 μm，92%集中分布于15～35 μm，平均細度為24.26 μm。由此可知，兩種木棉纖維細度接近，泉州木棉纖維平均細度更高。

圖6 木棉細度統(tǒng)計Fig.6 The fineness statistics of kapok fiber

2.3.3 纖維形態(tài)

在BM 2000型生物顯微鏡的不同放大倍數(shù)下觀察木棉纖維的縱向形態(tài)，如圖7(a)～(d)所示。由圖7(a)～(d)可知，泉州木棉纖維和印尼木棉纖維縱向皆為圓柱形，管壁非常薄，在顯微鏡下可以看到纖維呈透明管狀(圖中黑色為液體進入中腔所致)，外表光滑，光澤好，可以觀察到明顯的薄壁中空結(jié)構(gòu)。

圖7 木棉纖維的縱向和橫截面形態(tài)Fig.7 Longitudinal and cross-section morphology of kapok fiber

利用Helios 5UC型掃描電鏡觀察木棉纖維縱向和橫截面形態(tài)，如圖7(e)～(h)所示。由圖7(e)～(h)可知，泉州木棉纖維和印尼木棉纖維縱向為光滑圓柱形，截面為圓形，同樣為薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，同時薄壁上分布有無規(guī)則的裂隙和孔徑，孔徑貫穿整個細胞壁，為氣體和油液分子進出中腔提供路徑。泉州木棉纖維基本無轉(zhuǎn)曲，而大部分印尼木棉纖維有轉(zhuǎn)曲，且纖維截面被壓扁。這應(yīng)該是在采集和加工時，印尼木棉纖維被壓折所致，泉州木棉為手工采集，不存在這樣的現(xiàn)象。

2.3.4 表面蠟質(zhì)含量

木棉纖維表面蠟質(zhì)的存在使其具有天然的親油疏水性能。兩種木棉纖維表面蠟質(zhì)質(zhì)量分數(shù)如表2所示。表2中數(shù)據(jù)表明，泉州木棉表面蠟質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)略高于印尼木棉，并且波動較小，含量較穩(wěn)定。

表2 木棉纖維蠟質(zhì)質(zhì)量分數(shù)Table 2 Epidermis wax mass fraction of kapok fiber %

3 吸油性能分析

3.1 材料

采用第2.1節(jié)中的泉州木棉纖維、印尼木棉纖維進行試驗；油液為植物油(大豆油)、機油。采用NDJ-8 S型旋轉(zhuǎn)黏度計和4號轉(zhuǎn)子測得油液黏度如表3所示。由表3可知，兩種油的黏度百分數(shù)均在10%～100%的測量標準范圍，表明黏度測量準確性。

表3 油液黏度Table 3 Oil viscosity

3.2 測試指標與試驗方法

利用吸油倍率和保油率兩個指標對兩種木棉纖維的吸油性能進行評價。因為散纖維質(zhì)量較輕，直接放進油液里會分散開，不利于試驗后續(xù)的收集和質(zhì)量稱取，因此采用無紡布袋包裹纖維進行測試。每次試驗所用的無紡布袋質(zhì)量相等，故忽略無紡布袋對吸油試驗產(chǎn)生的影響。

3.2.1 吸油倍率

吸油倍率為木棉纖維吸收油液的質(zhì)量與木棉纖維質(zhì)量的比值。取100 mL的純油液放入500 mL燒杯中，稱取2 g木棉纖維放入無紡布袋中放入燒杯浸泡吸油15 min后取出，置于漏網(wǎng)上靜置20 min后稱量。吸油倍率(q)按式(2)計算。

(2)

式中：m4為木棉纖維質(zhì)量，g；m5為吸油15 min又靜置20 min后的木棉纖維質(zhì)量，g。

3.2.2 保油率

保油率為木棉纖維吸飽油液后在室溫下放置24 h后，剩余油液質(zhì)量與油液飽和質(zhì)量之比。測量方法與吸油倍率的測試方法一致，將試樣在室溫下靜置24 h后稱量。保油率(b)按式(3)計算。

(3)

式中：m6為吸油后靜置24 h后的木棉纖維質(zhì)量，g。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 吸油倍率

為了明確兩種木棉纖維的吸油性能，選擇原棉纖維、竹原纖維、聚乳酸纖維等3種纖維作為對比樣。分別取2 g不同纖維置于100 mL大豆油和100 mL機油中吸油15 min，再靜置20 min,然后根據(jù)式(2)計算得到吸油倍率的平均值，如圖8所示。由圖8可以看出，不論是純機油還是純大豆油，木棉纖維的吸油倍率普遍高于其他3種纖維，其中原棉纖維的吸油倍率次之，竹原纖維的吸油倍率最低。

圖8 不同纖維集合體的吸油倍率Fig.8 Oil sorption capacity of different fibers assembly

竹原纖維表面有許多較細的凹槽，縱向有粗細分布不勻的橫節(jié)，雖然其也呈現(xiàn)高度中空，但吸水能力更強。聚乳酸纖維內(nèi)部蓬松，分子端基為羥基和羧基[25]，親水性更佳，因此竹原纖維和聚乳酸纖維的吸油性能略差。雖然文獻[26]利用熱處理使竹原纖維表面產(chǎn)生親油性物質(zhì)，提高親油能力，文獻[27]采用靜電紡絲等技術(shù)制備超疏水親油的聚乳酸纖維，但是兩者的吸油倍率仍然不及木棉纖維。原棉雖同為棉纖維，吸油性能優(yōu)于竹原纖維和聚乳酸纖維，但低于木棉纖維。木棉纖維表面有一層烷烴類和脂肪酸類蠟質(zhì)，使其具有親油疏水的性能。木棉纖維集合體吸附油液主要通過兩種途徑:一是纖維中腔吸油，木棉纖維細胞壁上存在著大小不一的巨孔、中孔和微孔，油分子由此路徑進入纖維中腔，油液得以儲存[18]；二是纖維間隙吸油，纖維集合體中纖維與纖維間隙存在芯吸效應(yīng)，能吸收并儲存部分油液。因此，木棉纖維集合體具有優(yōu)良的油液吸附性能，對純大豆油的平均吸油倍率高達41.05。

由圖8可知：2 g泉州木棉纖維在100 mL純大豆油里的平均吸油倍率為41.05，高于印尼木棉(34.00)；2 g泉州木棉在100 mL純機油里的平均吸油倍率為37.85，高于印尼木棉(32.43)。由第2.3節(jié)可知，泉州木棉纖維與印尼木棉纖維在長度、細度等方面相差不大，但泉州木棉纖維表面蠟質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于印尼木棉，因此纖維疏水親油性更強，對油分子具有更強的吸附能力。

對比兩種木棉纖維和3種其他纖維對大豆油和機油兩種不同油液的吸油倍率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5種纖維對大豆油的吸油倍率均高于機油。由于機油的黏度遠大于大豆油，而油液黏度較大時，隨著黏度升高，上油率下降[28]。因此纖維吸附機油的能力低于大豆油，吸附機油的速度也低于大豆油。

3.3.2 保油率

2 g不同品種的5種纖維在100 mL大豆油和100 mL機油中吸油15 min靜置24 h后根據(jù)式(3)獲得保油率結(jié)果,如圖9所示。由圖9所知，木棉纖維的保油率優(yōu)于其他纖維，其中，泉州木棉纖維在純大豆油中的平均保油率為97.48%，在純機油中的保油率為97.97%，部分試驗值高達99.74%，保油率最佳。木棉纖維的中腔結(jié)構(gòu)為儲存和保持油液提供了絕佳場所，泉州木棉對油液的保持能力也高于印尼木棉。

此外，機油的黏度遠高于大豆油，不容易從纖維中分離。因此，在同樣的試驗條件下，5種纖維對純機油的保油率都高于純大豆油。

圖9 不同纖維的保油率Fig.9 Oil retention rate of different fibers

3.3.3 循環(huán)使用性能

為了驗證木棉纖維的重復(fù)吸油性能，將印尼木棉纖維和泉州木棉纖維在大豆油和機油中分別重復(fù)使用2～7次，測試其吸油倍率和重復(fù)使用7次的保油率。木棉纖維重復(fù)使用的吸油倍率如圖10所示。

圖10 木棉纖維集合體重復(fù)使用的吸油倍率Fig.10 Oil sorption capacity of recycling kapok fiber assembly

從圖10中可以看出:隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，兩種木棉纖維的吸油倍率都呈下降趨勢，且數(shù)據(jù)波動增大；重復(fù)使用2次和3次時，纖維吸油能力急劇下降；隨著使用次數(shù)持續(xù)增加，纖維吸油能力下降趨勢減緩，基本保持穩(wěn)定；但重復(fù)使用7次使用時，纖維吸油能力又開始下降。因此，木棉纖維吸油材料的重復(fù)使用次數(shù)最好不要超過6次。泉州木棉纖維重復(fù)使用7次時：對大豆油的平均吸油倍率為22.83，平均保油率為85.1%；對機油的平均吸油倍率為19.53，平均保油率為89.3%。印尼木棉纖維重復(fù)使用7次時：對大豆油的平均吸油倍率為18.17，平均保油率為88.3%；對機油的平均吸油倍率為17.54，平均保油率為87.8%。兩者與聚丙烯纖維的吸油能力類似。此外，泉州木棉纖維的重復(fù)吸油能力略優(yōu)于印尼木棉纖維。

4 結(jié) 語

為充分利用國產(chǎn)木棉的優(yōu)良特性，將泉州木棉在果實、纖維形態(tài)特征和吸油性能等方面與印尼木棉進行對比，得出以下結(jié)論：

(1)泉州木棉果和印尼木棉果的外觀形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較接近，但泉州木棉果呈茶黑色，表面有細微絨毛，果實形狀為棗核形，果實長度和周長普遍較小。泉州木棉果實內(nèi)部由木質(zhì)壁均勻分為五室，纖維緊貼木質(zhì)壁生長，沿著果實方向呈列狀排列。

(2)泉州木棉纖維長度為10.0～30.0 mm，集中分布于14.5～27.5 mm，平均長度為20.2 mm，略小于印尼木棉，但長度分布更均勻。纖維細度與印尼木棉接近，分布于5～40 μm，集中分布于15 ～35 μm。纖維縱向呈圓柱形，表面有光澤，纖維壁很薄，截面為圓形，可以觀察到明顯的中空形態(tài)。泉州木棉纖維的蠟質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)約為1.660%，高于印尼木棉纖維。

(3)泉州木棉纖維在純大豆油里的平均吸油倍率為41.05，平均保油率為97.48%；在純機油里的平均吸油倍率為37.85，平均保油率為97.97%。泉州木棉纖維的吸油性能高于印尼木棉纖維。

(4)木棉纖維的重復(fù)吸油性能較好，為了保證吸油質(zhì)量，重復(fù)使用次數(shù)以6次為宜。