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竹纤维在纺织上的应用及发展

纺织业作为国民经济的传统支柱行业和重要民生产业,在国际上具备明显的竞争优势,在解决就业、发展经济、繁荣市场等众多方面发挥着极其重要的作用。目前,化学纤维占据纺织业纤维加工量的2/3,随着全球经济的高速发展以及全球人均纤维使用量的不断提升,预计未来5~10年全球纤维量将以年均3%的速度持续增长,且主要增量来源于化学纤维。与此同时,伴随而来的全球人口持续增长、化石能源枯竭等诸多问题也愈发严峻,可持续发展观念深入人心。因此,人们将视线逐渐集中在节能环保、性能优异、可持续发展的天然纤维的开发利用上。
21世纪随着科学技术的进步以及审美、消费观念的改变,人们对纺织品的要求也在不断提高:日常穿着领域,在满足基本着装及使用需求的前提下,人们开始关注吸湿透气、抗菌环保、蓄热保暖、保健养生等方面的性能[2];在卫生保健领域,则偏重织物的抗菌除臭以及愈合保健功能,特殊性能的纤维制品也可延伸应用在生物医学材料上[3];在安全防护领域,偏向于织物的阻燃抗静电、环保无毒、抗紫外线、成本低廉等特点[4]。此外,随着国内纺织业的转型发展,纺织产业结构已逐渐从劳动密集型向创新型转变,并在新型材料的开发上取得一定进展,新型纺织纤维(如竹纤维、罗布麻、大豆纤维、牛奶纤维、甲壳素纤维等)应运而生,发展势头迅猛。纤维科技的进步极大推进了新型纤维的开发,拓展了纺织纤维的应用领域,为下游产业的创新提供源源不断的动力,同时也更新了新时期人们追求低碳环保、舒适健康的绿色生活理念。
近年来,竹纤维作为一种绿色环保的天然植物纤维,应用领域不断拓宽且发展迅速[5],文中主要对竹纤维(包括竹原纤维和竹浆纤维)在服装、家纺以及产业上的应用进行了整理与介绍,并对竹纤维的未来发展趋势加以展望。
 
1 竹纤维概述
1.1 竹纤维分类
新型材料竹纤维是一种柔软细滑、抗菌保健、绿色环保的天然纤维素纤维[6],目前纺织领域应用的竹纤维主要可分为竹原纤维和竹浆纤维两大类。
1.1.1 竹原纤维 竹原纤维是采用物理、化学等方法制备而成的天然竹纤维[7],其主要制取过程如图1所示。①利用机械方式将原竹材进行加工,得到竹片;②将竹片在沸水中进行煮炼;③通过压碎装置将竹丝分解成细丝状;④待得到细小竹丝之后,将其放入压力锅中进行蒸煮,以便去除部分果胶、半纤维素、木质素;⑤利用生物酶进一步分解竹丝中的木质素、半纤维素、果胶,以获取纤维素纤维;⑥对得到的纤维素纤维进行清洗、漂白、上油、开松梳理,最终获得竹原纤维。
1.1.2 竹浆纤维 竹浆纤维是按照要求将竹片制成竹浆,做成浆粕后再利用湿法纺丝制备而成的纤维[8]。目前竹浆纤维已实现批量工业化生产,工艺较为完善。已实现竹浆纤维批量生产的企业包括吉林化纤有限责任公司、上海化纤浆粕总厂和四川成都天竹竹资源开发有限公司等。
 
1.2 竹纤维性能
竹子本身带有一种独特的成分,通常称之为“竹琨”,该成分的存在使竹纤维具备天然的防螨、防臭、除虫等功能,同时具有抑菌抗菌、吸湿透气等特点。此外竹材自身生长迅速,成材期短,可再生能力出众,可自然降解,节能环保。
1.2.1 竹原纤维 标准状态下竹原纤维断裂强度为4.72 cN/dtex,断裂伸长率为3.48%,干湿强力比为81.4%[8]。其纵向分布有横节,粗细不均,表面具有众多微细的凹槽;横向为不规则的腰圆形和椭圆形,内带中腔,横截面布满各式空隙,并且边缘带有裂纹,与苎麻纤维的截面十分相似。竹原纤维具有的裂纹、凹槽与空隙仿若毛细管,可起到瞬间吸收、蒸发水分的作用,回潮率约为11.8%,被誉为一种“会呼吸的纤维”。同棉纤维织物相比,竹原纤维织物的毛细度更高,传导液态水能力更出众,纤维的透湿和吸放湿性能更优,透气性比棉强3.5倍。
抗菌测试结果表明,竹原纤维所具备的天然抗菌性能超越人工添加的化学物质,抗菌、杀菌效果较好,其对酸臭的除臭率高达93%,氨气除臭率为70%左右[10],可有效地抑制大肠杆菌、白色念珠球菌、金黄葡萄球菌等,防紫外线性能良好[11]。竹原纤维横、纵向形态如图2所示[9]。
 
1.2.2 竹浆纤维 竹浆纤维横截面为不规则的锯齿形状,其表面有向芯层弯曲的趋势;纵向平直,表面带有沟槽。竹浆纤维的纤维密度和黏胶纤维较为接近,约为1.52 g/cm3,纤维初始模量较高,抗起球和抗皱性均良好。同竹原纤维相比,竹浆纤维伸长率更大,韧性和刚性更佳,制得的产品较为挺括。此外,竹浆纤维液具有较好的吸湿放湿性能,回潮率约为11.5%,手感舒适,抗菌性能良好。竹浆纤维具有的多孔隙网状结构,可在水中瞬时膨胀,水溶性的活性染料能迅速吸附于纤维上并随之扩散,使所制成织物的染色均匀且性能优越,固色率高且具有较好的光泽。竹浆纤维横、纵向形态如图3所示[12]。
 
2 竹纤维应用及发展
中国纺织行业有着极其悠久的发展历史,随着经济社会的发展与科学技术的进步,纺织行业逐步完善并形成了以服装用、家纺用及其他产业用纺织品为体系的现代纺织业,3种纺织品终端产品占比分别为47%,28%,25%[13]。其中,产业用纺织品均为专门设计,具备特定功能,并应用于医疗卫生、土木建筑、交通运输、航空航天、农牧渔业等诸多领域。
竹纤维可代替棉花及其他纤维进行纺纱,性能优异且发展空间巨大。竹原纤维目前处于起步阶段,其可纺性相对较差,需应用短纺系统或与其他种类的天然纤维进行混纺,进而运用于服装、家纺及产业用纺织品中;竹浆纤维可通过化学方法进行制备,依托纺织设备进行加工,生产工艺较为完善且纤维性能出众,应用范围更为广泛。
 
2.1 服装用
21世纪伴随着绿色环保、低碳节能时代的到来,消费者越来越崇尚亲近自然、回归自然,对纺织品休闲舒适、绿色安全方面的要求越来越高。竹纤维本身具有较好的吸水性、透气性、耐磨性、染色性,还有天然的除螨、防臭、抗菌抑菌、抵抗紫外线等性能。竹子自身含有丰富的钙、磷、锌、镁等矿物质以及利于人体健康的维生素B,其独特的抗菌除臭性能可抑制日常细菌及螨虫,且对人体皮肤起到一定的保健抗皱作用,也可有效去除氨气、消除酸臭,生物降解比较容易,是真正意义上的天然绿色环保型纤维。
竹纤维的这些特征使其在服装用领域有着越来越广泛的应用。竹原纤维可与不同种类的纱线(如涤纶、棉、黏胶、甲壳素、Coolmax等)进行混纺[11]。竹浆纤维可同真丝、棉、羊毛、亚麻、涤纶、腈纶等制备混纺纱线[14],并可进一步加入纳米珍珠粉等物质,协同制备抗菌养颜、天然亲肤、生态可降解的珍珠粉竹浆纤维,应用于高档功能型服装面料的开发中[15]。竹浆纤维制备而成的面料因悬垂性好、容易染色、绿色舒适,被广泛应用于服装中。纯竹纤维类的平纹、斜纹以及混纺面料,可应用于衬衫、牛仔裤、休闲装、孕婴服装以及针织内衣等。
 
2.2 家纺用
竹原纤维不使用化学试剂,加工制备过程对纤维中的抗菌成分破坏较小,因此天然竹子的抗菌性能够得到较大程度的保留,但是因其生产难度较大且成本较高,在家用纺织品领域的应用较少,目前绝大部分的竹纤维家纺产品由竹浆纤维制备而成。
竹浆纤维制品当前在家用纺织品中的应用十分广泛,包括床品套件、提花毯、家居服、毛巾等,所制得的竹纤维家纺制品性能优越。竹浆纤维经提花工艺织造制备而成的床品套件,织物触感凉而不冰、温馨细腻,透气性、吸水性、耐磨性、固色性良好;优质竹浆纤维面料制备而成的提花毯类,亲肤舒爽、柔软细腻,且透气性好,爽滑不易粘身,健康环保,厚实耐用;天然竹浆面料制备的亲肤面料,吸汗透气、清爽舒适,且具有一定的保健抗菌功能;竹浆纤维制备而成的竹纤维毛巾抗菌性能优越,亲肤舒适、绿色保健;以竹浆纤维为原料制成的精梳棉织物,透气性、吸水性、耐磨性、染色性较好,色牢度高不易褪色,细腻爽滑、健康卫生。
 
2.3 产业用
2.3.1 医疗卫生用 国内用竹纤维制备医用敷料的相关专利总数较多,其中抗菌医用敷料相关的专利30项,增强生物材料性能相关的5项,多功能止血绷带相关的3项,医用纺织品相关的60余项[16]。竹纤维因其卓越的抗菌性能、广阔的来源,在医疗领域应用越来越广泛。
1)医疗辅助产品。在医疗辅助产品中,可用竹浆纤维制备抗菌抑菌的各类病房护具,如毛巾、口罩、防护服、婴儿护具、腰背护具等。竹浆纤维所富含的铜离子对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均有抗菌作用,可将其应用于抗菌针织物。蔡京昊等[17]利用铜离子、壳聚糖及竹浆纤维的特性,对织物进行抗菌整理,以制备竹浆纤维糖尿病袜子,增强其抗菌功效及耐水性、缓释性,制得的产品对糖尿病足慢性溃疡以及伤口感染等疾病具有一定治疗效果。竹原纤维制得的抗菌材料对MRSA菌、黄色葡萄球菌等有良好的抗菌效果,可应用于医用敷料[12]。WANG Yaru等[18]制备而成的银、氧化银复合竹纤维膜,证实可直接消灭大肠杆菌。
2)其他医疗创新应用。竹纤维可与其他材料组合,开发出新型止血基材产品,如与棉质纤维、玻璃纤维及高岭土[19-21]等材料相结合。以竹原纤维作为基材,配备高岭土所得的止血敷料止血效果良好,且透气性佳,利于创面愈合,配合H型止血绷带使用,对于伤员头部、四肢及胸腹部等部位均有理想的止血效果[22]。玻璃纤维同竹原纤维结合[21]制备而成的适用于战争的止血绷带,可在几分钟内快速止血,不易感染且有助于愈合。
此外,竹纤维来源广阔、绿色无污染、可再生利用,符合医用生物复合材料应具备的可自然降解及对人体无害的性能[23],可作为医用复合材料的性能增强剂,在人体组织修复、神经导管、关节软骨修复支架、外科整形手术、缝合线及肌腱修复装置等方面有着广泛的应用前景。碱处理后的竹原纤维同聚羟基脂肟酸酯相结合,可增强医用材料的热稳定及力学性能,加快结晶速度,降低熔体流动速率,是良好的医用复合材料增强剂[24]。
 
2.3.2 交通工具用 在交通工具方面,竹原纤维增强复合材料因其质量轻、强度高、刚度强等性能特征,逐渐成为各大生产商的重点关注材料之一。以热塑性树脂聚丙烯作为基体、竹原纤维作为增强材料制备而得的复合材料,性能优异且环保无毒,兼具抗霉变、阻燃等性能[25],是制备汽车、轨道交通工具的重要基础性材料。许斌等[26]尝试利用竹维管束自身具备的强力学性能,采用科学可行的结构设计,制造出高强度、可降解的交通工具外壳部件,以替代传统的碳纤维和玻璃纤维,其固化过程使用胶粘剂,具有生物可降解性,实现了原料来源的可持续发展;制得的成品美观大方、尺寸稳定性良好、强度高质量轻。
汽车生产方面,目前国内外已开发众多种类的汽车用纤维增强复合材料,主要应用于顶蓬、内饰板、衣帽架、座椅背板、行李箱、阻尼材料等方面[27]。以汽车内竹原纤维制内饰板为例,事故发生时竹原纤维因其自身具备的独特韧性,不易被破坏,所得产品可使总质量降低20%,从而极大地降低车辆的油耗以及废气排放值,可完全替代先前的玻璃纤维复合材料,提高汽车内饰板的整体性能。图4为竹原纤维内饰板。竹纤维自身可再生利用、绿色无污染,符合可持续发展的要求,能减少对环境的破坏,并可在一定程度上对单一常规性材料的物理、化学及力学性能进行改善,从而解决以往材料所存在的不足和缺陷。此外,赵德金[28]尝试将竹材研磨成粉末状,进而利用机械物理混合法制备出竹粉/热塑性树脂复合粉末激光烧结材料,可应用于汽车用零件的加工制造中。
 
2.3.3 土木工程用 在21世纪绿色建筑理念下,以天然可再生、性能出众的建筑材料代替传统的能耗高、效率低的钢筋混凝土材料,是新时期土木工程领域的创新方向,也是当前面临的巨大挑战。竹原纤维可直接与聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等制备竹纤维增强材料[18,23],应用于土木工程实践中。
CHEN Xiaoya等[16]利用24%的马来酸盐接枝聚丙烯(MAPP)作为复合材料的相容剂,制备竹原纤维增强聚丙烯(PP)复合材料。结果表明:竹原纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能显着增加,与商业用木浆板相比,质量更轻、价格更低、防水性更好,且抗拉强度高出木浆板3倍以上。ZULKARNAIN N A[29]等对竹材增强聚酯复合材料进行了研究,发现运用碱化处理的方法或采用商业性保护涂层可进一步提高复合材料的室外性能,进而扩展天然材料/聚合物复合材料的应用领域。
此外,现代竹结构是一种新型的结构体系,一般采取现代胶合技术制成,以空心圆竹作为基材的复合材料,应用领域广泛,包括轻型竹结构房屋、装配式活动板房、大空间框架、桥梁等[30],且竹结构建筑在成本、环保、建造速度等方面优势显着。2008年世界首座可供车辆通行的竹结构桥梁在湖南耒阳投入使用,其承重大梁及竹梁间的横隔板均采用竹材,并以螺栓相连,桥梁整体则采用高性能纤维增强塑料与竹结构复合而成,整体防水。
 
3 结 语
作为一种真正意义上的天然绿色环保型纤维,竹纤维自身的优越性能契合当前消费者对于休闲、舒适、绿色、环保、安全等方面的更高需求,发展前景良好。 但目前竹纤维在开发利用上还存在一定的不足。竹原纤维因刚性大、纤维硬挺、抱合力差、可纺性差等缺陷,导致其生产难度较大,开发应用有限。未来需深入开展基础性理论研究,从基础研究的角度探索纤维结构,加强机理性研究,以寻求工艺生产的突破口,进而推进竹纤维在纺织领域中的进一步开发利用。

 
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