云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性

崔玉梅， 程隆棣, 肖遠(yuǎn)淑

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；2. 新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046)

云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性

崔玉梅1，2， 程隆棣1, 肖遠(yuǎn)淑2

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；2. 新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046)

為了解云南野生牛角瓜纖維的吸濕與吸水性能，測(cè)試了這種纖維的標(biāo)準(zhǔn)回潮率、吸放濕曲線(xiàn)及吸水率，建立了吸、放濕回歸方程和吸、放濕速率回歸方程，并與棉纖維比較。結(jié)果顯示：牛角瓜纖維比棉纖維有更好的吸濕性，其標(biāo)準(zhǔn)回潮率為11.4%。牛角瓜纖維的吸濕滯后性大于棉，其吸、放濕行為可以用指數(shù)模型描述，放濕速率顯著高于棉纖維，吸濕與放濕平衡時(shí)間的差異更大。牛角瓜纖維比棉纖維的吸濕量和吸、放濕速率明顯高，將使其織物有更好的穿著舒適性。牛角瓜纖維和棉纖維都表現(xiàn)出不易浸潤(rùn)的特性，但牛角瓜纖維的吸水率(133.62%)明顯高于棉(74.98%)，有作為吸水材料的潛在價(jià)值。

牛角瓜； 果實(shí)纖維； 吸濕性； 回潮率； 吸水率

牛角瓜是一種生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶地區(qū)的多年生灌木植物，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值，其果實(shí)纖維是一種生態(tài)環(huán)保的新型纖維素纖維。牛角瓜纖維細(xì)長(zhǎng)如棉，光澤如絲，輕盈保暖，抗菌防蛀，可作為床上用品的填充絮料、救生衣和救生艇的浮力材料、輕質(zhì)復(fù)合材料的增強(qiáng)基等[1-2]。對(duì)牛角瓜纖維的紡紗性能已有初步的研究，與棉混紡實(shí)驗(yàn)中牛角瓜纖維的混紡比已達(dá)到67%和75%[3-4]。

吸濕性能是紡織纖維最重要的特性之一。對(duì)牛角瓜種屬纖維吸濕性能的研究目前大多集中在對(duì)含水率和回潮率指標(biāo)的測(cè)試。高靜等[5]依據(jù)GB 5883—1986《苧麻回潮率、含水率試驗(yàn)方法》測(cè)試牛角瓜、木棉和棉纖維的回潮率和含水率，結(jié)果顯示牛角瓜纖維的回潮率大于棉和木棉；Sakthivel等[3]測(cè)試了白花牛角瓜纖維的回潮率和含水率,并與棉纖維比較；Louis等[4]也評(píng)價(jià)了2種馬利筋纖維(A.syriaca和C.gigantea)的吸濕性；Woeppel等[6]研究了2種馬利筋纖維的水分特性，測(cè)試了含水率、回潮率、吸水速度和吸水率等指標(biāo)，其中吸水速度和吸水率實(shí)驗(yàn)參照非織造布的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。

本文采集云南昆明地區(qū)的野生牛角瓜果實(shí)纖維，測(cè)試其含水率、回潮率、吸放濕曲線(xiàn)、吸放濕速率曲線(xiàn)和吸水率等指標(biāo)，并與棉纖維或木棉纖維做對(duì)比分析。本文目的在于明確云南馴化野生牛角瓜果實(shí)纖維的水分特性，以便更好地挖掘其作為紡織原料和吸水性材料的潛在價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：野生牛角瓜纖維(云南昆明)、長(zhǎng)絨棉(新疆吐魯番)。

實(shí)驗(yàn)儀器：YG747型八籃恒溫快速烘箱；YG601型透濕試驗(yàn)箱，溫度范圍為20～50 ℃，濕度范圍為20%～95%，箱內(nèi)氣流速度為0.3～0.5 mm/s；YG002型纖維細(xì)度儀；電子天平(0.000 1 g)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 吸濕實(shí)驗(yàn)

取1 g試樣，在50 ℃烘箱內(nèi)烘1 h，稱(chēng)取烘后質(zhì)量，將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，使試樣進(jìn)入吸濕過(guò)程，記錄試樣的質(zhì)量變化，前80 min每隔5 min稱(chēng)量1次，其后每隔10 min稱(chēng)量1次，直至試樣達(dá)到吸濕平衡。稱(chēng)取試樣干態(tài)質(zhì)量，計(jì)算吸濕過(guò)程中的回潮率，以吸濕時(shí)間為橫坐標(biāo)，回潮率為縱坐標(biāo)繪制吸濕曲線(xiàn)。

1.2.2 放濕實(shí)驗(yàn)

將1 g試樣密封于盛有蒸餾水的玻璃干燥器內(nèi)48 h，使試樣在100%相對(duì)濕度時(shí)達(dá)到吸濕平衡，再將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下放濕。以放濕時(shí)間為橫坐標(biāo)，回潮率為縱坐標(biāo)繪制放濕曲線(xiàn)。

1.2.3 吸濕與放濕等溫線(xiàn)測(cè)試

透濕儀的溫度設(shè)置為30 ℃，相對(duì)濕度分別設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，當(dāng)儀器內(nèi)的溫、濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放入烘干后的試樣，每個(gè)試樣在箱內(nèi)平衡2 h后取出稱(chēng)量，計(jì)算其回潮率。以相對(duì)濕度為橫坐標(biāo)，試樣回潮率為縱坐標(biāo)繪制吸濕等溫線(xiàn)。同理，使試樣在100%的相對(duì)濕度下達(dá)到吸濕平衡，再將試樣置于不同的濕度環(huán)境下進(jìn)行放濕平衡，計(jì)算試樣在不同濕度環(huán)境下的回潮率，繪制放濕等溫線(xiàn)。

1.2.4 吸水性實(shí)驗(yàn)

將待測(cè)纖維放在標(biāo)準(zhǔn)大氣中平衡48 h，稱(chēng)取1 g樣品放入盛有1 000 mL去離子水的量杯中，觀(guān)察纖維在水中的浸潤(rùn)情況；將纖維完全壓入水中，30 min后取出試樣，自然懸垂滴水30 min后稱(chēng)取試樣質(zhì)量，按式(1)計(jì)算纖維吸水率。

(1)

式中：Wa為纖維吸水率，%；Gew為試樣原始質(zhì)量，g；Gsw為吸水后的試樣質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 回潮率和含水率

本文測(cè)得牛角瓜纖維和新疆長(zhǎng)絨棉在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的回潮率分別為11.4%和7.7%。高靜等[5]測(cè)得牛角瓜、棉和木棉纖維的回潮率分別是11.9%、7.0%和9.3%。顯然，牛角瓜纖維的吸濕性明顯高于棉纖維，也高于同為大中腔、薄壁的木棉纖維。

高吸濕纖維吸附的水分為2類(lèi)：一類(lèi)是結(jié)合水，存在于纖維外表面、內(nèi)部空隙表面、晶區(qū)表面和無(wú)定形區(qū)，且與纖維素的羥基形成氫鍵結(jié)合；另一類(lèi)是游離水，即當(dāng)纖維吸濕達(dá)到飽和點(diǎn)后，水分子繼續(xù)進(jìn)入纖維的中腔和孔隙中，形成多層吸附水或毛細(xì)水。水對(duì)纖維材料的可及性取決于材料的幾何結(jié)構(gòu)和組成。牛角瓜纖維的結(jié)晶度大于棉，無(wú)定形區(qū)比例大，晶區(qū)顆粒小、比表面積大；牛角瓜纖維為薄壁大中腔結(jié)構(gòu)，中空度高達(dá)80%以上[7]，其半纖維素和果膠物質(zhì)含量也高于棉(見(jiàn)表1)，而半纖維素聚合度低(80～200)，親水基團(tuán)數(shù)量多，對(duì)水分子高度可及。上述因素都會(huì)使牛角瓜纖維比棉有更多的結(jié)合水和大毛細(xì)水，因而，牛角瓜纖維表現(xiàn)出比棉纖維明顯大的吸濕性。木棉與牛角瓜纖維的組成與結(jié)構(gòu)非常相似，但木棉纖維親水的果膠含量少很多，結(jié)晶顆粒較大(見(jiàn)表1、2)，這些因素可能導(dǎo)致木棉纖維吸濕能力小于牛角瓜纖維。衣著用纖維一般要求吸濕平衡回潮率在12%～14%之間。牛角瓜纖維符合人體對(duì)紡織纖維吸濕性的要求，且輕柔保暖、防霉防蛀、低過(guò)敏[8-9]，可以預(yù)測(cè)其織物具有良好的服用舒適性。

注：a為本文測(cè)試結(jié)果；牛角瓜纖維數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[2,5]；木棉纖維數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[10-12]；成熟細(xì)絨棉數(shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[13]，其中蠟質(zhì)成分為含脂肪的數(shù)值；結(jié)晶度測(cè)試采用X射線(xiàn)衍射法。

表2 牛角瓜、木棉和棉纖維的形態(tài)特征參數(shù)

注：牛角瓜纖維數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[2,7]；木棉纖維數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[10-12]；成熟細(xì)絨棉數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[13]。

2.2 吸放濕等溫線(xiàn)

圖1示出30 ℃時(shí)牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉的吸放濕等溫線(xiàn)。由圖可見(jiàn)2種纖維的吸放濕曲線(xiàn)都呈S型(IUPAC type II)，這與其他天然纖維的吸放濕行為一致[16-17]；且放濕曲線(xiàn)比吸濕曲線(xiàn)更接近于直線(xiàn)。從曲線(xiàn)形態(tài)看，牛角瓜纖維的吸濕機(jī)制與長(zhǎng)絨棉完全一致；2種纖維吸濕滯后的區(qū)域均集中于70%～90%高濕范圍，這與2種纖維均有較顯著的濕態(tài)膨脹特性有關(guān)。高濕環(huán)境下，吸附到纖維胞壁內(nèi)的結(jié)合水對(duì)纖維素基質(zhì)(由無(wú)定形木質(zhì)素、半纖維素和果膠構(gòu)成[15])產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致胞壁內(nèi)無(wú)定型區(qū)大分子間的距離拉大，纖維結(jié)構(gòu)變松[14]，毛細(xì)管變粗，使毛細(xì)管凝結(jié)水大量增多。這種變化是不可逆的，因而當(dāng)大氣濕度降低時(shí)，纖維能保持更多的水，產(chǎn)生更大的吸濕滯后性。

纖維吸濕滯后程度與吸濕后纖維結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)[14]，這可能是受纖維中木質(zhì)素含量的影響[15]。通常用吸放濕纖維含水量的差異表征，其計(jì)算公式為

(2)

式中：Hy為濕滯度，%；Md和Ms分別是纖維的放濕與吸濕平衡回潮率，%。該公式排除了吸濕量對(duì)纖維吸濕滯后度的影響。

圖2示出2種纖維濕滯度隨相對(duì)濕度變化的曲線(xiàn)。在30%～70%范圍內(nèi)，隨相對(duì)濕度增加，牛角瓜纖維濕滯程度明顯增加，說(shuō)明此階段吸濕增加引起的纖維胞壁結(jié)構(gòu)改變較??；在70%～90%相對(duì)濕度時(shí)，纖維濕滯程度呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在高濕環(huán)境下牛角瓜纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。而長(zhǎng)絨棉是在80%～90%相對(duì)濕度時(shí)濕滯度下降，反映出長(zhǎng)絨棉纖維結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。此外，在整個(gè)吸放濕過(guò)程中，牛角瓜纖維的濕滯度都大于長(zhǎng)絨棉，這可能與牛角瓜纖維木質(zhì)素含量高有關(guān)，木質(zhì)素網(wǎng)狀物吸濕后容易變形[15]，從而能容納更多的水。在100%的相對(duì)濕度下，牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉的平衡回潮率分別為18.87%和11.58%。棉纖維在高濕環(huán)境下的回潮率顯著低于牛角瓜纖維，也低于亞麻(19.4%)和大麻(25.0%)等纖維素纖維[13]。這是因?yàn)槊蘩w維無(wú)定形多糖成分少，也可能與棉纖維的原纖維間質(zhì)剛度大，能更好地抵御吸濕膨脹壓力帶來(lái)的纖維結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

2.3 吸放濕曲線(xiàn)

圖3、4分別示出牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的吸放濕曲線(xiàn)。由于2種纖維的吸濕機(jī)制一致，因此吸放濕曲線(xiàn)的形狀相似。牛角瓜纖維比長(zhǎng)絨棉達(dá)到吸濕和放濕平衡都需要更長(zhǎng)的時(shí)間，且吸放濕平衡時(shí)間的差異更大，這可以用纖維吸濕膨脹造成纖維胞壁結(jié)構(gòu)不可逆變化的差異性來(lái)解釋。此外，高吸濕纖維的吸濕積分熱大，在相同大氣條件下，吸濕后所需散熱時(shí)間長(zhǎng)，因此，達(dá)到放濕平衡也需更長(zhǎng)時(shí)間。

2.4 吸放濕擬合方程

纖維的吸放濕過(guò)程可用指數(shù)規(guī)律描述[16]。經(jīng)初步擬合實(shí)驗(yàn)的探索，本文選擇指數(shù)模型描述纖維的吸放濕行為，得到2種纖維吸濕回潮率對(duì)時(shí)間的回歸方程為

(3)

(4)

放濕回潮率對(duì)時(shí)間的回歸方程為

(5)

(6)

式中：Wsg和Wsc分別為牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉吸濕過(guò)程t時(shí)刻的回潮率，%；Wdg和Wdc為2種纖維放濕過(guò)程t時(shí)刻的回潮率，%；t為吸、放濕時(shí)間，min。

用F值檢驗(yàn)法對(duì)吸放濕回歸方程檢驗(yàn)，吸濕方程式(3)、(4)的F值分別為12 377和14 823，P值均為0(<0.05),R2均為0.993；放濕方程式(5)、(6)的F值分別為34 632和77 216，P值均為0(<0.05)，R2均為0.998。所以，2種纖維的吸放濕方程回歸都極為顯著，其吸放濕規(guī)律可以用指數(shù)模型描述。

2.5 吸放濕速率方程

吸濕或放濕速率被定義為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量的纖維材料瞬間吸收或放出水分的量。依據(jù)式(3)、(4)可得到牛角瓜纖維吸濕和放濕速率方程為

(7)

(8)

依據(jù)式(5)、(6)可得到長(zhǎng)絨棉的吸濕和放濕速率方程為

(9)

(10)

式中：Vsg、Vsc分別為牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉的吸濕速率，90/min；Vdg、Vdc分別為2種纖維的放濕速率，%/min。

根據(jù)式(7)～(10)繪制牛角瓜纖維與長(zhǎng)絨棉的吸放濕速率曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5、6。由圖可知，牛角瓜纖維的放濕速率始終大于吸濕速率；吸濕和放濕的初始速度都比較快，隨后吸濕速率迅速下降，而放濕速率下降緩慢。棉纖維的放濕速率始終小于牛角瓜纖維，其吸放濕速率都下降的很快，在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到放濕平衡。牛角瓜纖維吸濕量和吸放濕速率都高于棉纖維；可以預(yù)測(cè)，用牛角瓜纖維加工的服裝可以迅速而大量地吸收人體排出的汗液，并迅速地排除，從而加快身體散熱，降低皮膚溫度，減輕對(duì)環(huán)境的不舒適感，即牛角瓜織物將比棉織物有更好的穿著舒適性。

2.6 吸水性

表3示出2種纖維吸水性的測(cè)試結(jié)果。將未負(fù)載的2種纖維放入水中48 h，纖維仍懸浮于水面。這是因?yàn)槔w維表面或者說(shuō)初生胞壁上存在天然的蠟質(zhì)使得纖維拒水。牛角瓜纖維比棉纖維表面含有更多的蠟質(zhì)(見(jiàn)表1)，同木棉纖維一樣，細(xì)胞壁內(nèi)含約20%疏水的木質(zhì)素，可以預(yù)見(jiàn)牛角瓜纖維和木棉纖維的吸水速度都比棉小，能在水中懸浮更長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)而具有成為浮力材料的潛在價(jià)值。

表3 牛角瓜纖維和棉纖維的吸水性

本文測(cè)得牛角瓜纖維和長(zhǎng)絨棉的吸水率分別為133.62%和74.98%，按標(biāo)準(zhǔn)回潮率折算成干纖維吸水率后，1 g牛角瓜纖維可以吸附1.48 g的水，而1 g棉纖維只能吸附0.81 g的水，1 g木棉纖維可吸附1.03 g水(浸潤(rùn)3 h)[10]。

中空纖維對(duì)水的吸附主要發(fā)生在纖維中腔。用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察牛角瓜纖維的吸水過(guò)程發(fā)現(xiàn)，水遇到纖維就迅速進(jìn)入纖維中腔。因牛角瓜纖維胞壁內(nèi)含有疏水的木質(zhì)素，表面含有疏水的蠟質(zhì)，可阻止水通過(guò)胞壁進(jìn)入，可以認(rèn)為水是通過(guò)纖維開(kāi)口端進(jìn)入中腔。在纖維接觸到水的初始階段，可以觀(guān)察到纖維中腔有很多氣泡，部分纖維內(nèi)還有氣泡在快速流動(dòng)(見(jiàn)圖7(a))，說(shuō)明空氣正在從纖維中腔排出；吸水一段時(shí)間后，水能夠充滿(mǎn)整個(gè)中腔(見(jiàn)圖7(b))。棉纖維的中腔較小，因而吸水少。

牛角瓜纖維雖然與木棉有相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)，有接近的木質(zhì)素和蠟質(zhì)含量，但牛角瓜纖維比木棉纖維結(jié)晶度小得多(見(jiàn)表2)，無(wú)定型區(qū)大，胞壁的結(jié)構(gòu)更疏松，細(xì)胞壁厚度也比木棉薄，可以認(rèn)為牛角瓜比木棉纖維的吸水膨脹更大，有更大的中腔和孔隙滯留更多的水?？梢灶A(yù)測(cè)，用牛角瓜纖維做吸水材料其制品比木棉有更優(yōu)良的性能。

3 結(jié) 論

1)牛角瓜纖維的吸濕性與棉纖維顯著不同，其標(biāo)準(zhǔn)回潮率為11.4%，遠(yuǎn)大于棉纖維(7.7%)。牛角瓜纖維良好的吸濕性能較好地滿(mǎn)足人體對(duì)紡織穿著的要求。

2)牛角瓜纖維的吸放濕等溫線(xiàn)呈S型，符合高分子材料的吸放濕行為。但纖維結(jié)構(gòu)不如棉穩(wěn)定，水分子更易進(jìn)入纖維內(nèi)部。

3)牛角瓜纖維比棉達(dá)到吸放濕平衡需要更長(zhǎng)的時(shí)間，且吸放濕平衡時(shí)間的差異更大，反映出因吸濕膨脹引起的胞壁結(jié)構(gòu)變化更大。

4)牛角瓜纖維的吸濕回潮率隨時(shí)間的變化規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律，其吸濕放濕速率都比棉纖維快，且吸濕量大，其織物比棉織物有更好的服用舒適性。

5)牛角瓜纖維和棉纖維均表現(xiàn)出不易浸潤(rùn)的特性，投入水中48 h仍不下沉；牛角瓜纖維吸水率大于棉，有成為吸水材料的應(yīng)用價(jià)值。

FZXB

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Moisture absorption of wildCalotropisgiganteafiber in Yunnan

CUI Yumei1,2， CHENG Longdi1， XIAO Yuanshu2

(1.KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextilesandClothing,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

To investigate the moisture absorption property of the wildCalotropisgigantea(C.gigantea) fiber in Yunnan of China, the moisture regain ofC.giganteain standard atmosphere and water absorptive capacity were measured and compared with cotton fiber. The moisture adsorption/desorption curves and the moisture adsorption/desorption rate curves were analyzed. The experiment results indicate thatC.giganteafiber exhibits superior hygroscopicity compared to that of cotton, and under standard atmospheric conditions, the equilibrium moisture regain ofC.giganteais 11.4%. The hysteresis between the adsorption and desorption isotherms ofC.giganteafiber is higher than that of cotton in all relative humidity range. TheC.giganteafiber′s moisture adsorption-desorption behavior can also be described using an exponential model. Its moisture desorption rate and the difference of the moisture absorption and desorption equilibrium time are significantly higher than that of cotton fiber.The hygroscopic capacity and moisture absorption/desorption rate ofC.giganteafibers are high in comparison with cotton fibers. Thus,C.giganteafabric when wearing is more comfortable than cotton fabric. BothC.giganteafiber and cotton fiber exhibit poor infiltration property, but the adsorption capacity ofC.giganteafiber, being 133.62%, is significantly higher than that of cotton (74.98%). It concludes that fibers extracted fromC.giganteapod can be an ideal source as absorbent materials.

Calotropisgigantea; fruit fiber; hygroscopicity; moisture regain; absorption capacity

10.13475/j.fzxb.20150404706

2015-04-25

2015-03-01

崔玉梅(1962—)，女，副教授，博士生。主要研究方向?yàn)榧徔椥虏牧?紡織加工新技術(shù)。程隆棣，通信作者，E-mail: ldch@dhu.edu.cn。

TS 102.2

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