牛角瓜纤维及其功能纺织品的应用.pdf

第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology牛角瓜纤维及其功能纺织品的应用李威强1,2 张君泽1,2 罗天宇1,2 许建初3 李毓陵4 李刚1,21.苏州大学，江苏苏州，215123；2.苏州大学现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州，215123；3.中国科学院昆明植物研究所山地未来研究中心，云南昆明，650201；4.纺织面料技术教育部重点实验室（东华大学），上海，201620摘要：为了更好地开发牛角瓜纤维及其功能性纺织品，阐述了牛角瓜纤维的生物学特性、物理性能，分析了牛角瓜纤维的提取、预处理和染色等纺织加工技术，以及牛角瓜纤维、纱线及其面料在吸附材料、生物医用材料、电学传感等领域的应用潜力，总结并展望了牛角瓜纤维开发所遇到的问题与未来的发展前景。认为：牛角瓜纤维及其功能纺织品具有广阔的开发价值和发展前景。关键词：牛角瓜纤维；抗菌功能；环境处理；生物医用；智能传感中图分类号：TS102.2 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）08-0065-05Application of calotropis gigantea fiber and its functional textilesLI Weiqiang1,2 ZHANG Junze1,2 LUO Tianyu1,2 XU Jianchu3 LI Yuling4 LI Gang1,21.Soochow University，Suzhou，215123，China；2.Soochow University National Engineering Laboratory for Modern Silk，Suzhou，215123，China；3.Center of Mountain Ecosystem System，Kunming Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Kunming，650201，China；4.Key Laboratory of Textile Science&Technology，Ministry of Education（Donghua University），Shanghai，201620，ChinaAbstract In order to better develop calotropis gigantea fiber and its functional textiles，biological and physical properties of calotropis gigantea fiber were described.Extraction，pretreatment and dyeing of calotropis gigantea fiber were analyzed.The application potential of calotropis gigantea fiber，yarns and their fabrics in the fields of adsorbent material，biomedical material and electrical sensing were also analyzed.Challenges faced in the development of calotropis gigantea fiber and the prospects for in the future were summarized.It is considered that development of calotropis gigantea fiber and its functional textiles have broad value of development and prospect.Key Words calotropis gigantea fiber，antibacterial function，environmental treatment，biomedical，intelligent sensing近年来，随着环境的变化，耕地面积的受限，迫切需要开发新型天然纤维来缓解传统纤维的供给压力。牛角瓜纤维作为一种新型的天然纤维素纤维1，具有密度低、中空大、质量轻、抗菌性好、利用率高、对健康危害小、可生物降解再生等优点2 15，因此在纺织、医疗、吸附和传感等领域具有较高的应用价值。本研究对牛角瓜纤维的生物学特性、物理性能、初加工技术、染色技术和产品等方面的研究进行介绍和分析，为牛角瓜纤维及其功能性产品的开发与产业的推动提供参考。1 牛角瓜纤维的性能1.1牛角瓜纤维的生物学特性牛角瓜果实因其形状如牛角故名牛角瓜，也可称为水晶棉。牛角瓜植株不仅耐干旱与盐碱，且生长迅速3。牛角瓜的果实脱籽后取其种子的冠毛纤维，经加工处理得到牛角瓜纤维。纤维纵向表面光滑，截面有较大中空，如图 1所示。基金项目：国家重点研发计划（2021YFE0111100）；对发展中国家常规性科技援助项目（KY202201002）；中国纺织工业联合会“纺织之光”项目（J202002）；上海市科委项目（21015800600）；江苏省科技计划专项（BZ2022017）作者简介：李威强（1998），男，在读硕士研究生；李刚，通信作者，教授，收稿日期：2023-02-12】【65第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology牛角瓜纤维属于天然纤维素纤维，耐碱不耐酸，在常温下弱酸和弱碱对其影响都较小，且在常见的溶剂（如常温下 20%盐酸）中不溶解4。牛角瓜纤维的主要成分为纤维素（质量分数约为66%）、半纤维素（质量分数约为 21%）、木质素（质量分数约为 8%9%）、果胶（质量分数约为3%）、蜡质（质量分数约为 1.8%3%）、灰分（质量分数约为 1.7%）等物质5。1.2牛角瓜纤维的物理性能牛角瓜纤维纵向表面光滑，无纤维卷曲，呈现出丝般的光泽。牛角瓜纤维横截面多为圆形或椭圆形，且中空度高达 80%90%，细胞壁薄，具有优异的吸湿性能。牛角瓜纤维与木棉纤维和棉纤维各项物理性能对比如表 1所示67。牛角瓜纤维与木棉纤维的结构相似，其纤维断裂强度、断裂伸长率和吸湿性能高于木棉纤维。相比于棉纤维，牛角瓜纤维的中空结构，使其具有优异的吸湿性能，且纤维细度低。牛角瓜纤维的热稳定性与棉纤维类似，降解温度略低于棉纤维，取向度高于其他两种天然纤维8。牛角瓜纤维不仅手感柔软，蓬松度好，还具有优异抗菌性能。据检测，其对金黄色葡萄球菌的抑菌率超过 99%，对大肠杆菌也有一定的抑制作用9。但纺织加工过程对天然抗菌纤维的抗菌活性和力学性能有所减弱，因此提高抗菌耐久性、稳定性和安全性，对牛角瓜纤维及其功能性纺织品进行高效、环保的抗菌改性具有重要意义。2 牛角瓜纤维及其纺织加工2.1牛角瓜纤维的初加工技术2.1.1纤维的提取牛角瓜纤维之间抱合力差，纤维易断裂。目前，主要采用手工提取，但是提取的牛角瓜纤维洁净度差、成品率低、成本高且效率较低。李刚等10研发的一种牛角瓜纤维提取装置，将牛角瓜果实中的纤维、囊和籽进行分离，提高了纤维的提取效率和提取质量，并且降低了提取成本。2.1.2纤维的预处理工艺为了解决牛角瓜纤维表面光滑、抱合力小和易脆断问题，需要对纤维进行预处理。董华11使用弱碱碳酸钠对牛角瓜纤维进行预处理，增加了纤维表面粗糙度，提高了纤维强力和韧性。罗江玲12 采用乙醇对牛角瓜纤维进行处理后，纤维的断裂伸长率增加，亲水性提高。由于可纺性较差，目前主要通过使用养生助剂来提高牛角瓜纤维的可纺性。ZHAO Z等13使用增强助剂（PTAA）喷涂在牛角瓜纤维上，能够显著提高纤维的断裂强力。马湾湾14采用 8%甘油、92%水作为养生剂，提高纤维可纺性。罗江玲用质量分数为 30%的水性聚氨酯溶液对牛角瓜纤维进行处理，纤维的可纺性能得到显著的提升。2.2牛角瓜纤维的染色技术染料分子易于进入牛角瓜纤维之间或分子内部与纤维素上的羟基结合。可选择活性染料对牛角瓜纤维进行染色15。董华等16的研究表明，在活性艳红 X3B 染料浓度为 2%（omf），染色温度为 50，盐的质量浓度为 40 g/L，碱的质量浓度为 5 g/L 时，牛角瓜纤维上染率较高（64%）。龙丹等17研究的蒽醌型分散染料蓝 E4R 及红 E3B 在强还原条件下，对纤维保护性较好，色光变化表 1牛角瓜纤维与木棉纤维和棉纤维的各项物理性能对比纤维类型牛角瓜纤维木棉纤维棉纤维断裂强度/（cN dtex-1）4.731.292.604.90断裂伸长率/%3.403.069.00纤维长度/mm233383234线密度/dtex0.930.970.901.201.432.22回潮率/%11.909.337.00含水率/%10.808.696.71结晶度/%42.5435.7458.12取向度/%85.471.568.1降解温度/250270 （a）牛角瓜果实 （b）牛角瓜纤维（c）牛角瓜纤维纵向电镜图 （d）牛角瓜纤维横截面电镜图图 1牛角瓜果实及纤维电镜图】【66第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology小，便于控制。高静等18的研究结果表明，直接染料沙拉菲尼尔大红对牛角瓜纤维的上染率可达98%，而牛角瓜纤维对沙拉菲尼尔翠蓝的吸附以物理吸附为主，最高上染率仅接近 49%。CHEN Q 等5 450采用亮蓝 CNMG、红 H3BS 和黄 HS3R三种不同的染料对棉、木棉、牛角瓜织物染色，并比较其上染率和固色率。3 牛角瓜纱线及其纺织品3.1纺纱研究人员通过优化纺纱工艺来提高牛角瓜纤维的可纺性，并成功纺制出牛角瓜纱线。叶智玲19通过优化纺纱技术及工艺研究纯纺牛角瓜细号纱的性能。将纺纱方式从环锭纺转变为赛络纺，纱 线 断 裂 强 度 从 8.38 cN/tex 提 升 至9.77 cN/tex。武文正等20采用赛络纺、集聚纺和赛络集聚纺对牛角瓜纤维进行纺纱加工。结果表明：赛络纺明显改善了纱线条干，集聚纺有效减少了纱线毛羽，赛络集聚纺对纱线条干和毛羽有明显改善。LUO J等21把不同聚合度和不同浓度的聚乙烯醇溶液处理至牛角瓜纤维表面，纤维的弹性模量和断裂比强力得到了显著提升。研究发现采用混纺的方法，能够改善纤维强力和抱合力，提高牛角瓜纤维的可纺性。康玉萍2 18采用集聚纺纺制牛角瓜/棉混纺纱，混纺比为 70/30，制备的干态牛角瓜/棉混纺纱平均断裂强力约为 144.08 cN。罗艳等22通过纺制牛角瓜/棉/涤纶混纺纱，发现随着棉纤维和涤纶含量的增加，混纺纱强力增加，条干变好。3.2牛角瓜面料的加工方法3.2.1针织面料牛角瓜纤维中空度高，模量小，弹性优良等特性使其在针织面料开发方面具有较大的发展潜力。方国平等23将牛角瓜纤维和长绒棉混纺成纱线，采用针织技术加工成衣后，面料具有质量轻、手感柔软和保暖性好等优点。罗艳等24将不同混纺比的牛角瓜纤维混纺纱织成纬平针织物；随着牛角瓜纤维含量增加，针织物的保暖性增加。王静等25成功研发了牛角瓜纤维和咖啡碳纤维混纺浅灰针织纱，制成的面料具有保暖、抗菌、吸附、除臭等优异性能。3.2.2机织面料蒋晓26通过剑杆织机对牛角瓜/棉 20/80 混纺纱线进行织造，织造的牛角瓜混纺纱机织物断裂伸长率高，织物弹性和抗皱性较好，且织物手感以及蓬松度好。3.3不同功能的牛角瓜产品3.3.1吸附降解产品牛角瓜纤维有优异的疏水性和亲油性，是一种很有前途的吸附材料。NIU B 等 27采用氧化聚合反应制备了聚多巴胺牛角瓜纤维，5 次吸附解 吸 循 环 后，对 全 氟 辛 酸 的 吸 附 率 仍 然 大 于80%。ZHOU L 等28采用 MoS2粗化牛角瓜纤维以提高其吸油性。XIAO W 等29用牛角瓜纤维和聚乳酸，通过串联冷冻溶剂置换法，制备了一种可生物降解泡沫状的吸油材料，经过 10次吸附解吸循环后，对大豆油的吸附率仍达 81.3%，说明这种材料具有良好的可重复利用性。CAO E等30提出了一种在牛角瓜纤维表面沉积 Ni或 Cu纳米颗粒制备金属纳米颗粒粗化纤维的方法。得到的牛角瓜纤维对各种油类和有机溶剂均表现出良好的疏水性和吸油性能，并且可以通过挤压、蒸馏、萃 取、干 燥 等 处 理 方 式 来 实 现 重 复 使 用。DOS A R 等31通过 NaOH 以及水热对牛角瓜纤维处理，大大提升了纤维的吸油量。3.3.2生物医学产品牛角瓜植物中含有黄酮类、单宁类、强心苷类、萜类等化合物，已被用于各种疾病治疗和预防技 术，如 溃 疡、癌 症 和 麻 风 病 等3233。RAJU P等34合成了牛角瓜乳胶封装的沸石型咪唑纳米结构物质，能抑制微菌落的生长，杀死蚊、蠓幼虫，具有驱虫作用35。MOL R 等36把牛角瓜叶中的提取物作为还原剂和稳定剂来合成银纳米粒子，发现使用牛角瓜提取物还原的银纳米粒子对乳腺癌细胞具有细胞毒性，并对埃及伊蚊幼虫有较强的杀灭作用。WANG H 等37从牛角瓜中提取出一种强心苷类化合物弗如糖甙，结果表明此药物可减轻滑膜 炎 症，在 临 床 治 疗 上 有 更 好 的 应 用 前 景。NGUYEN M 等38从牛角瓜根部分离出一种卡丹内酯糖苷卡洛苷 G 物质，这种物质对人胰腺癌细胞和人宫颈癌细胞具有明显的细胞毒性。GOVINDASAMY G A 等39用牛角瓜提取物包覆二元ZnOCuO 纳 米 复 合 材 料，进 一 步 提 高 了 ZnOCuO 纳米复合材料的抗皮肤致病菌性能。通过】【67第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology丝素蛋白、壳聚糖和纳米银微球制备出抗菌微球，改性后的牛角瓜织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率高达（99.90.1）%，洗涤 20 次后仍有抗菌活性，为功能性牛角瓜纤维生物医用纺织品的开发提供了参考。3.3.3智能传感类产品ZHANG J 等40开发了具有优异导电性能和抗干扰性能的导电牛角瓜纱线，通过使用浸轧法制 备 了 石 墨 烯 包 覆 的 牛 角 瓜 纱 线，电 导 率 达6.9 S/m，为大规模生产低成本、高性能的导电纱线开辟了新途径。ALAMI A H 等41从牛角瓜中提取出天然植物色素作为敏化剂，碲掺杂石墨烯复合材料作为电极材料，制备染料敏化太阳能电池，测试表明与以铂为工作电极的参考电池相比，工作效率提高了约 28%。YANG Q 等42将牛角瓜纤维包覆在碳布基体上，通过电化学沉积与导电聚合物聚吡咯交织，使电极材料与电解液充分接触，扩大了电解液的接触面积，促进了电子在器件中的传输。4 结束语牛角瓜纤维作为一种天然纤维素纤维，由于其独特的结构和优异的性能，受到了越来越多研究人员的关注。但是牛角瓜适合在干热河谷环境中生存，随着地域和气候不同，果实大小和纤维长度存在差异。现阶段，对于牛角瓜纤维纺织市场来说，产业链尚未被打通，未形成集约化、规模化的牛角瓜纤维提取、纺纱、织造和服装等配套生产线。本文对最新的研究进行归纳总结，介绍了牛角瓜纤维的生物学特性、物理性能、初加工技术和染色技术等方面的研究进展。随着国内外相关研究的深入开展，牛角瓜纤维、纱线、织物及其功能化产品在吸附、生物医学和电学传感等方面有了更多更新的应用，并朝着绿色化、功能化、可持续化和高附加值化的方向发展。参考文献：1费魏鹤，胡惠民，李璇，等.牛角瓜纤维的结构与性能研究 J.中国纤检，2011（7）：80-83.2康玉萍.牛角瓜纤维/棉混纺纱性能研究 J.山东纺织科技，2018，59（4）.3代天娇，谷豪帅，徐慧岚，等.几种藕丝纤维与苎麻、棉纤维的结构及性能对比 J.上海纺织科技，2021，49（2）：6-9.4李颖.牛角瓜纤维相关性能指标的研究 D.上海：东华大学，2014.5CHEN Q，ZHAO T，WANG M，et al.Studies of the fibre structure and dyeing properties of gigantea，kapok and cotton fibresJ.Coloration Technology，2013，129（6）.6姚瑞先，于庆雪，赵学杰，等.大麻纤维制备黏胶短纤维用浆粕工艺研究 J.中华纸业，2021，42（20）：36-39.7于伟东.纺织材料学 .版.北京：中国纺织出版社，2019：100.8罗艳.牛角瓜纤维纺纱工艺研究与保暖用混纺产品开发 D.上海：东华大学，2016.9ZHAO Z，YAN J，WANG T，et al.Multi-functional calotropis gigantea fabric using self-assembly silk fibroin，chitosan and nano-silver microspheres with oxygen low-temperature plasma treatmentJ.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2022，215：112488-112488.10 李刚，李毓陵，陈鹏，等.一种连续式牛角瓜纤维提取装置：201921425017.6 P.2020-06-26.11 董华.牛角瓜纤维预处理及其染色工艺研究 D.上海：东华大学，2018.12 罗江玲.牛角瓜纤维表面成膜及其拉伸性能的研究D.上海：东华大学，2016.13 ZHAO Z，ZHENG Z，CHEN P，et al.Pre-treatment of calotropis gigantea fibers with functional plasticizing and toughening auxiliary agentsJ.Textile Research Journal，2019，89（19/20）：3997-4006.14 马湾湾.轻质纤维水晶棉纤维的纺纱及产品开发D.上海：东华大学，2014.15 FAN Z，CAI X，LI Q.A research on electrochemical salt-free dyeing with KN reactive dyes：process optimization studies J.The Journal of The Textile Institute，2017，108（4）：562-568.16 董华，张瑞云.牛角瓜纤维的活性染料染色工艺研究 J.上海纺织科技，2018，46（12）：22-24，50.17 龙丹，郑小静，余刚，等.牛角瓜纤维的靛蓝染色 J.印染，2014，40（21）：20-22，26.18 高静，赵涛.直接染料对牛角瓜纤维的染色性能 J.印染助剂，2012，29（6）：33-35，38.19 叶智玲.牛角瓜纤维纯纺高支纱的工艺优化探究D.武汉：武汉纺织大学，2019.20 武 文 正，张 玉 泽，万 贤 福，等.牛 角 瓜 纤 维 纯 纺36.4 tex 纱的开发 J.纺织器材，2018，45（4）：24-】【68第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology26，31.21 LUO J，TAO Z，GANG S，et al.The Influence of different film-forming agent on calotropis gigantean fibers performance J.Hans Journal of Chemical Engineering and Technology，2016，6（2）：7-16.22 罗艳，江慧，汪军.牛角瓜纤维混纺纱的开发 J.棉纺织技术，2016，44（4）：56-58.23 方国平，胡惠民.牛角瓜纤维及其在针织领域应用初探 J.针织工业，2014（5）：26-30.24 罗艳，吴炜，万贤福，等.牛角瓜纤维混纺针织物性能测试与分析 J.纺织器材，2016，43（4）：35-37.25 王静，史善静，郭亭，等.牛角瓜纤维/咖啡碳纤维混纺 针 织 纱 开 发J.上 海 纺 织 科 技，2019，47（9）：27-29.26 蒋晓.水晶棉纤维纺织加工与产品性能的相关性研究 D.上海：东华大学，2013.27 NIU B，YU M，SUN C，et al.A comparative study for removal of perfluorooctanoic acid using three kinds of n-polymer functionalized calotropis gigantea fiberJ.Journal of Natural Fibers，2022，19（6）：2119-2128.28 ZHOU L，FU C，XIAO W，et al.MoS2-roughened hollow-lumen plant fibers with enhanced oil absorption capacity J.Cellulose，2020，27（4）：2267-2278.29 XIAO 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