桑皮纤维的研究现状及其应用

桑皮纤维的研究现状及其应用冯建永(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

摘 要:分析研究了我国桑树的丰富资源和进行桑皮纤维开发的经济效应,论述了桑皮纤维的研究历史及现状,表述了桑皮纤维的形态结构、分子结构和优良的可纺性能,探讨了桑皮纤维的提取方法及工艺、产品开发及染色过程。关键词:桑皮纤维;形态;结构;性能;开发;应用

桑皮纤维是一种取自桑树废枝的具有高附加值的纯天然绿色纤维,属韧皮纤维的一种。是由四川省丝绸进出口集团公司和四川大学联合组成的项目组完成的包括原材料的组织、调选、纤维的制取、纤维结构性能研究、纺纱工艺及其专用设备的研制与开发。这项具有我国自主知识产权的研究在我国乃至世界上属于首创,率先实现了桑皮纤维从桑皮的剥取、机械化生产到商品的全过程,标志着我国在新型天然纺织材料研发领域的一次新的突破。研究桑皮纤维的意义不仅增加了一种新的天然纺织材料,提高了纺织产品的多样性和附加值,而且是对桑树废弃枝条的废物利用,变废为宝,提高了资源的综合利用率[1]。1 桑树资源及经济效益分析1.1 我国的桑树资源桑树是落叶性多年生木本植物,属于桑科,桑属。我国是世界蚕业的祥地,也是桑树植物资源的起源中心和分布中心。目前,我国的桑树种植地区有:西北从内蒙古南部到新疆、青海、甘肃、陕西;南至广东、广西;东至台湾,西至四川、云南,尤其以长江中下游居多。桑田种植面积为5133@105hm2。我国收集保存的桑树种质分属15个桑种3个变种,是世界上桑种最多的国家,其中栽培种有鲁桑、白桑、广东桑、瑞穗桑;野生桑种有长穗桑、长果桑、黑桑、华桑、细齿桑、蒙桑、山桑、川桑、唐鬼桑、滇桑、鸡桑;变种有鬼桑(蒙桑的变种)、大叶桑(白桑的变种)、垂枝桑(白桑的变种)[4]。1.2 桑皮经济效益分析2000年我国蚕茧产量为40万t,白厂丝产量近6万t,占世界总产量的85%,其中:桑蚕丝出口近4万t,占世界丝绸出口总量的60%,丝绸产品出口占世界出口量的75%,主导着国际市场形势。5133@105hm2桑田一年至少春、夏、秋三个季节生产桑叶,一般地区可养春蚕、夏蚕、早秋蚕和晚秋蚕4批蚕,以6167@10-2hm2桑田1000株,1株5~7根枝,每根枝0.35~0.5kg计算,每亩在2t左右,一年只以剪伐两次计算,6167@10-2hm2桑田剪下来的桑枝就有4t。南通茧丝绸行业总会和南通市蚕桑指导站的开发专家经多次试验认为:桑树皮占桑条的15%~20%,桑皮纤维占桑皮的10%~30%,这样每亩桑田的废桑枝条可产桑皮纤维近100kg。过去伐下来的桑条除很少部分剥皮,用做中药,大部分都用来做柴烧,随着纺织科技的进步以及人们对桑皮纤维价值的认识,其经济价值很高[5]。据测算,桑皮纤维的生产成本大约为10100元/t,市场预测售价相当于优质棉,为12650元/t,利税率25%。副产品果胶销价2万元/t、利税23%,有着较好的开发利用价值。农民可从每亩桑园中增加收入200多元,每亩桑园提高经济效益20%以上,种桑综合效益的提高有利于稳定蚕桑生产,促进茧丝绸产业稳步发展。表1为2006年6月至7月,宜宾市翠屏区农牧局蚕业管理站组织全站工作人员,历时一个多月,对

32 2009年第2期该区的桑树资源利用情况进行了全面系统的调查结果[5]。表2为该区资源利用后的经济效应比较[6]。表1 宜宾翠屏区现有桑树资源及利用状况

乡镇桑树总量∕万株良桑∕万株四边桑∕万株利用桑树总量利用良桑总量数量∕万株比例∕%数量∕%比例∕%万株桑养蚕量∕万株牟坪141.0297.7111.4149.3357879.89.3高店74.632.943.9114.319.223705.1金坪5.22.34.170.59.6143.52.7象鼻12.47.712.10.542261.1

表2 宜宾翠屏区桑树资源的经济效应分析

乡镇2005年的养蚕情况全部利用后的情况增加数量发种∕张产值∕万元发种∕张产值∕万元发种∕张产值∕万元牟坪13154211376020310244516110高店382.612151990107151607.49510金坪1401434140716126711象鼻13.501435330716316.5711合计1725.15515622017184494.91714 从表1可以看出,该区的桑树资源利用率很低,

经过资源整合利用后缩产生的经济效应如表2所示。从表1和表2的对比,开发桑皮纤维是对桑树资源的充分利用,具有较高的经济价值和社会效益。

2 桑皮纤维的研究现状及化学结构、性质分析2.1 桑皮纤维的研究现状1996年,杨草[7]在5河南科技6杂志上介绍了利用桑皮纤维生产人造棉的新工艺,其方法是将桑皮中的木质素、果胶及其它杂质去除,经过提取其中的有用纤维,再经碱煮等工艺生产人造棉。2001年,羌晓阳、钱震[5]在5四川丝绸6上分析了桑皮纤维的可纺纱、织造、染整加工性能。随后开

始了桑皮纤维性能结构研究的一个新的阶段。2002年,邱训国、严松俊[8]研究了桑皮纤维的开发及综合利用,并分别开发了桑棉混纺、桑麻混纺、桑蚕交织、桑麻纱与涤纶长丝交织等产品的开发。2006年,荆学谦、杨佩鹏、武海良[9]研究了桑皮纤维的脱胶工艺,探讨了桑皮纤维常用的脱胶方法及脱胶机理。2007年,马君志、杜丽霞[10]介绍了桑皮纤维的制备工艺,并且利用SEM、DSC等方法对桑皮纤维的形态结构和热性能进行了研究分析,同时探讨了桑皮混纺织物的开发设计。2008年,张璐[11]等人研究了非织造材料桑皮纤维的提取方法,探讨了在有氧、无氧、室内、室外等环境条件下提取桑皮纤维的方法比较。而国外对于桑皮纤维的报道很少,JoydipKun-du、MoumitaDewan和SaraniGhoshal.S.C.Kundu.[12]研究了桑皮纤维作为一种生物基体材料的物理、力学性能。HisatoKatayama和SumiharuNagaoka研究了桑皮纤维细胞的超分子结构[13]。2.2 桑皮纤维的化学结构分析桑皮纤维的化学成分如表3[9]所示。

表3 桑皮纤维与其它纤维化学成分(%)比较纤维品种纤维素半纤维素木质素果胶水溶物蜡状物质灰分桑皮23.017.418.516.019.02.8大麻55.0~60.016.0~17.07.0~8.07.0~8.09.0~10.01.6~1.81.0~3.0剑麻44.8614.3832.163.0210.214.4黄麻64~6716~1911~151.1~1.30.3~0.70.6~1.7菠萝叶56.0~68.516.0~18.86.0~13.01.1~2.01.0~1.463.2~7.20.9~2.8

由表3可知,桑皮纤维的纤维素含量低于剑麻、大麻、黄麻、菠萝叶纤维;果胶含量远远大于其他几种植物纤维。果胶物质对纤维的吸附性能有较大影响,直接关系到桑皮纤维的染色性能。2.2.1 桑皮纤维的形态结构图3所示为桑波纤维的SEM截面形态[14]。通过KYKY-2800扫描电子显微镜进行研究分析可以看出,桑皮纤维的两端秃钝,有些纤维的两端则开叉,纵向有竖纹,与麻纤维纵向侧面带有竖纹的结构较为相似,没有棉纤维的天然转曲现象。桑皮纤维的横截面形状呈三角形、椭圆形和少量多角形,其中

以椭圆形的居多。纤维中间无胞腔。图3 桑皮纤维的横截面形状(左图)和纵向形态特征(右图)2.2.2 桑皮纤维的分子结构桑皮纤维的分子结晶结构包括晶体结构、晶胞参数、微晶尺寸、结晶程度和非晶态结构。华坚[15]等使用x-射线衍射仪研究了桑皮纤维的结晶度和微晶尺寸。纤维的结晶度大小直接关系到纤维的强

332009年第2期 度、模量、弹性、伸长率、韧性以及吸湿、染色等性能。微晶尺寸直接与纤维的力学性能相关,特别是与弹性、耐磨性相关。研究得出:桑皮纤维的结晶度为49.10%,微晶尺寸为44.1mm。2.2.3 桑皮纤维性能桑皮纤维的物理性能与其它几种纤维的性能比较如表4所示[8]。

表4 不同纤维的各项物理指标项 目桑皮纤维桑蚕丝纤维棉纤维麻纤维平均长度∕mm21~221000~120023~3160~250长度不匀CV∕%19~3150~58线密比∕dtex3.25~4.001.11~2.222.78~6.67断裂强度∕(cN/dtex)3.5~5.13.3~42.7~4.44.85强力不匀CV∕%23~43断裂伸长率∕%4~1215~255~72~2.5断裂伸长不匀CV∕%20~38回潮率∕%9~109~107~812~13质量比电阻∕(8#g/cm2)106~1071011~1012106~107107~108

由表4可以看出,桑皮纤维的强度为3.5~5.1

cN/dtex,好于棉花和桑蚕丝,断裂伸长率为4%~l2%,亦好于棉、麻,次于蚕丝,质量比电阻106~1078#g/cm2,好于桑蚕丝、苎麻,与棉花相当。桑皮纤维在20e/min的升温速率下,达到61.4e时,少许分子热运动开始,至118e,全部分子开始运动,与其他纤维素纤维一样,热分解温度低于其热熔融温度。掌握好适当的升温速度,桑皮纤维可以成为炭化纤维[15]。3 桑皮纤维的制取及织造、染整工艺3.1 桑皮纤维的制取桑皮纤维制取的工艺流程:桑皮除杂y浸酸y锤洗y碱煮y水洗y漂白y酸洗y水洗y烘干y给油y甩干y烘干y预开松y开松[10]。(1)桑皮除杂:采用机械法,即用除皮机搓揉加风吹将表皮除去;也可采用微生物法,即在水中将原料浸没,在温水中接菌种清除,提高纺纱质量。(2)浸酸:可以降低残胶率,去除木质素。工艺配方为:常压下,硫酸浓度为1~3g/L,浴比\1B15,酸浴温度为40~50e,浸渍时间为60min。(3)碱煮:主要是脱胶。桑皮纤维的煮练是在常压下普通容器中沸煮进行,工艺配方为:碱浓度为8~I2g/L,温度为95~100e,常压下,煮沸1~2h,反复碱煮2~4次后机械锤洗,后用清水中洗[16]。常用的脱胶方法有:化学脱胶和生物-化学脱胶法[17]。(4)漂白:可选用次氯酸钠或双氧水进行低浓度常温短时间处理。(5)酸洗:常温处理低酸(硫酸或盐酸,0.4g/L)短时间(15min左右)的处理工艺,在酸洗之后应尽快用清水洗去纤维表面的酸液。(6)水洗:用清水洗去在浸酸、碱煮和酸洗过程中残留在桑皮纤维上的碱液或酸液,使桑皮纤维的pH值达到中性。(7)给油增柔:为了使桑皮纤维表面形成一层柔软平滑薄膜的柔软平滑剂和表面活性剂,对纤维用量2.5%左右,在70~90e温度下浸泡2~3h,脱水阴干,经过开松、梳理得到桑皮纤维。3.2 桑皮纤维的产品开发及应用目前,由于桑皮纤维具有较好的断裂强度和断裂伸长率,因此适合织造时的上机张力的要求。对于桑皮纤维的产品开发及应用主要有:(1)桑棉混纺因为桑纤维强度好于棉纤维,目前研制成功的桑/棉5/45混纺产品,其强力得到了提高,纱线性能得到了改善。该纱线更适应于高速织机的生产。桑棉混纺纱比纯棉纱耐磨性高,抗皱性也有所增强,并且有丝般光泽。(2)桑麻混纺大麻纤维与多数麻类纤维一样具有吸湿性好的特点。大麻纺织品无需任何处理,水洗后即具有抑菌效果,且大麻纺织品手感滑爽、柔软。为了克服大麻纤维纺织品外观及染色过程中的一些缺点,将桑纤维与大麻纤维进行混纺,混纺后,使桑、麻纤维发挥各自优势,并使混纺纱具有强力高、光泽好、较易染色、耐磨性强等特点。