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竹纤维的性能改性及其应用

食品科学与工程专题课程论文

题目

竹纤维的性能、改性及其应用

姓名

费鹏

学号

2011309110056

专业

粮食、油脂和植物蛋白工程

评分

指导教师

杨宏

职称

教授

中国·武汉

二○一一年十二月

竹维的性能、改性及其应用

摘要：

竹子是结构材料和纤维材料的理想原料。

用竹纤维代替木纤维可用于制造木塑复合材料。

此外，由于竹纤维是目前惟一的凉爽型纤维且具有绿色、环保等优良特性，现已是纺织行业纤维制衣研究与利用的热点。

为此，综述了竹纤维的结构与性能、竹纤维的制备、改性及其应用，指出了目前竹纤维研究中存在的问题，并对其应用前景进行了展望。

关键词：

竹资源；竹纤维；纺织材料；木塑复合材料；改性

Abstract:

Bambooisgoodsourceofconstructionandfibermaterials.BamboofiberhasbeenusedasmaterialofWPC（WoodPlasticComposite）.Ithasbeenappliedasmaterialoftextileindustrybecauseitbelongstocoolnesstypefiberandcanbedegradedinenvironment.Theresearchonthecharacter，preparation，modification，applicationofbamboofiber，aswellasthemajorproblemandperspectiveofbamboofiberwerereviewedinthepaper.

Keywords:

Bambooresource;Bamboofiber;Textilematerial;WoodPlasticComposite；Modification

我国竹资源丰富。

据统计，全球约有400多个品种，而我国有250余种。

目前，我国竹林面积达500万hm2，蓄积约1.3亿t，产量约800万t，是世界第一竹资源大国，约占世界竹资源的三分之一。

竹子生长快、更新快、分布广、产量高，与木材相比，具有强度高、韧性好、硬度大的特点，是结构材料和纤维材料的理想原料。

[1]竹材栽种成活率高，2～3年后即可成林砍伐，不会对生态环境造成大的影响。

对竹资源进行合理开发，利用竹材生产竹纤维，既可缓解植物纤维原料与日俱增的供需矛盾，有利于木材资源的综合保护，也为我国竹资源的综合利用寻找了一条较佳的理想途径。

[2]近20年来，竹材的工业化利用得到了大幅发展，竹业已成为我国林业发展的一个新经济增长点，特别是竹纤维作为服装领域新兴的纺织材料[3]。

1.竹纤维的特点

1.1天然的抗菌性能

竹子在生长过程中，无虫无蛀无腐蚀，在大自然中有很好的自我保护性，具有天然的抗菌性和抑菌性，同时能抵抗外界病虫害。

竹纤维这种抑制细菌滋长的性能优于经过后整理获得的抗菌性，且抑菌性不会对人体皮肤造成任何过敏性反应，具有很好的保健性能。

国外曾对竹干沥馏液（简称竹沥）作过大量实验，证实其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有广泛的抗微生物功能,具有很强的抑菌作用。

[4]

1.2吸湿放湿性能优异

竹纤维表面光滑，内部多为网状结构，截面呈天然中空，大部分接近圆形，有的为梅花形排列，边沿具有不规则的锯齿形.纵向表面具有光滑均一的特性，呈多条较浅的沟槽，有利于导湿和吸放湿，具有良好的渗透性能，其吸湿透气性能优良，被专家誉为“会呼吸的纤维”。

竹纤维在标准状态下的回潮率高达12%，与普通粘胶纤维13%～15%的回潮率相近。

但是,在空气温度36℃、相对湿度100%的条件下,竹纤维的回潮率可高达到45%,且吸湿速率特别快,回潮率从8.75%增加到45%仅需6h。

竹纤维具有卓著的吸湿性能,更适合作夏装、运动服和内衣。

1.3抗紫外和防臭功能

竹纤维有良好的抗紫外功能。

竹纤维中含的叶绿素铜是优良的紫外吸收剂，其抗紫外效果是棉的20倍，特别是对UVC波段的吸收效果更加明显。

同时，叶绿素铜亦具有良好的除臭作用，对酸臭和氨气的除臭效果比棉布要好得多。

1.4染色性能好

竹纤维结晶度较低，非晶区大，其结晶度大约为40左右，而棉纤维的结晶度约为70左右。

较低的结晶度非常有利于纤维的染色，纤维湿态下膨胀率高，使得染料在纤维内部扩散所需的孔道体积增大，提高了染料在纤维内的扩散系数，在规定的时间内有利于染料的上染。

同时，由于竹纤维与棉纤维均为纤维素纤维，所以凡是能染棉纤维的染料都适用于竹纤维。

[5]

2.竹纤维的应用

2.1竹纤维纺织品

竹纤维的加工按照一般的天然纤维素人造丝的制法进行加工。

先将天然竹上的纤维运用化学方法制成竹浆粕后，再用碱和二硫化碳进行处理，然后将其溶解在氢氧化钠溶液中，经过纺丝、凝固等加工工艺后即可获得竹纤维人造丝产品。

粘胶纺丝法首先用硫酸盐蒸煮、多段漂白工艺制备竹纤维浆粕,然后用碱和二硫化碳处理竹浆粕,使其溶解在氢氧化物溶液中制成粘胶溶液,用湿喷湿纺工艺纺丝制成竹纤维。

其工艺流程如下:

制浆工艺流程:

风干竹片→水预水解→蒸煮→疏解→筛选→氯化→碱处理→第1次漂白→第二次漂白→酸处理→除砂→抄浆→烘干→竹浆粕成品。

纺丝工艺流程:

竹浆粕→切粕→制胶→头道过滤→二道过滤→脱泡→计量→纺丝→塑化→切断→水洗→脱硫→水洗→上油→干燥→成品。

[6]

竹纤维由吉藁化纤厂研制成功，经多次工艺检验证明,该纤维细度、白度与普通精漂粘胶接近,强力较好，且稳定均一，韧性、耐磨性较高,可纺性能优良。

利用竹浆纤维生产的纱线是该绿色原料的延伸，同属绿色产品,市场前景非常看好,且有发展前途。

用该原料制成的纱线生产的针织、机织面料和服装，具有明显不同于棉、木型纤维素纤维的独特风格，强力高，耐磨性、吸湿性、悬垂性俱佳,手感柔软，穿着凉爽舒适，染色性能优良，光泽亮丽，且有较好的天然抗菌效果，特别是竹纤维与其他种类的纤维进行特定比例的混纺，既能体现其他纤维的性能又能充分发挥竹纤维的特性，给针织、机织面料带来新的特色。

①竹纤维纱线

竹纤维纱是继天丝纱后又一新型绿色环保产品，其手感柔软、光泽好,吸湿性极佳,又具有天然的抗菌性能,是织造贴身内衣、T恤、袜子、家纺用品的优选纱线。

现已开发出100%纤维纱线，竹棉混纺纱，竹绢混纺纱，竹与MODAL纤维、腈纶纤维、涤纶纤维混纺纱等品种。

[7]

②竹纤维面料

竹纤维面料系100%竹浆纤维制成,该面料吸湿性好,透气性好,手感柔软,织物悬垂性好，上色容易，染色色彩亮丽，是继木浆纤维TENCEL之后的又一种前景广阔的新型环保面料。

尤其独特的是竹纤维具有天然抗菌功能，因而用于制作内衣、贴身T恤衫、袜子等更加合适。

同时竹纤维与棉、腈纶等原料混纺制成的面料也具有很好的效果。

③竹纤维无纺布

竹纤维无纺布由100%竹浆纤维制成,性能上与粘胶纤维非常接近,但是竹纤维具有天然杀菌、抑菌的效果，因而在卫生材料如卫生巾、口罩、护垫、食品包装袋等方面具有无比广阔的应用前景。

④竹纤维卫生材料

有竹纤维纱布、手术衣、护士服等一系列产品可以选择。

由于竹纤维产品天然的抗菌功能，不需添加任何人工合成的抗菌剂，且不会引起皮肤的过敏现象,

⑤竹纤维毛巾、浴巾、脚垫、凉席等

竹纤维制成的毛巾及浴衣手感柔软舒适,同时有一种特殊的光泽,染色鲜明亮丽,吸水性好,脚垫及凉席不易滋生细菌。

⑥竹纤维床上用品

由于竹纤维面料吸湿及放湿性能很好，手感柔软舒适，再加上特有的抗菌性能，用于制作床上用品非常合适。

对于天然竹纤维的制取主要有两个难点:

一是竹子单纤维太短,无法纺纱;二是纤维中的木质素含量很高,难以除去。

常规的化学脱胶方法工艺流程长,周期长,能耗大,且设备腐蚀较严重,对环境污染极为严重,加工出的纤维质量不够稳定。

而生物脱胶法也有相当大的难度,由于竹材自身结构紧密,密度很大,而且细胞组织中又有大量空气存在,浸渍液很难浸透,势必延长脱胶时间,加之竹子本身具有多种抑菌物质,菌种的选择也有较大困难,因此有待于进一步的研究和探索。

[8]

在织造过程中,由于竹纤维易吸湿、湿伸长大、塑性变形大,因而极易脆断,成衣制造中100%的竹纤维还没有很好地解决缩水性问题,手感与悬垂性也有待改善。

目前对竹纤维的物理、化学性能还未能完全了解,采用的脱胶工艺是借鉴苎麻脱胶工艺,木质素的去除是最难解决的问题。

尽管竹纤维具有绿色、环保性能,但是由于采用粘胶生产工艺,粘胶竹纤维也存在制造过程中的环境污染问题,因此,还应考虑污水处理和废弃物回收问题。

总之，采用竹纤维纯纺混纺纱线织造的各种针织、机织面料具有很好的服用性能，产品风格独特，给各个面料生产厂家以强烈的吸引力。

竹纤维是一种由我国自主研发的新型纤维，以天然的竹子为原料，来源广泛，用它制作的面料具有与粘胶纤维相近的特性，并开发出了独特的抗菌功能，随着该产品的不断推广，愈来愈多的人意识到这种纤维的优良性能，尤其在日本、华南市场上得到许多人的青睐，并不断有客户的需求，因此，竹纤维市场将会呈现出非常好的发展前景。

2.2木塑复合材料

木塑复合材料是使用木粉或植物纤维超高份额填充热塑性塑料树脂或热塑性塑料再生料，添加部分相关改性剂，经挤压成型为板材、型材、管材而成。

此类产品可替代相应木制品，人们由此可节约大量的森林资源，并处理掉大量的废旧塑料及木材加工中产生的废弃木粉，故可大大有利于保护并改善生态环境，是符合21世纪发展方向的环保型化工新材料。

[9]

木塑复合材料是将植物纤维和塑料有机结合，兼顾了植物纤维和塑料的双重特性。

木塑复合材料的主要特点可归结为:

①耐用、寿命长,有类似木质外观,比塑料硬度高;

②比木材稳定性好，不会产生裂缝、翘曲，无木材节疤、斜纹，具有优良的物理性能；

③具有热塑性塑料的加工性，容易成型，可用一般的塑料加工工艺进行成型加工，设备投资少,便于推广应用；

④有类似于木材的二次加工性，可锯、可刨、粘接、用钉子或螺栓连接固定；

⑤可加入各种着色剂或覆膜，能制得色彩绚丽的各种制品；

⑥不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸湿变形;

⑦能重复使用或回收再利用,也可生物降解，环境友好。

由于木纤维中含有大量的极性羟基、酚羟基、氢键等极性官能团，与非极性的树脂的相容性差，同时纤维素聚集态结构的复杂性以及具有的高结晶度，使得纤维素对试剂的可及度低，溶解困难，反应性能及化学反应的均一性差，从而影响木塑复合材料的综合性能。

人们采用了许多物理、化学以及生物的方法来对纤维素进行预处理，对其进行改性，以提高纤维素界面相容性及其对化学试剂和酶试剂的可及度和反应性。

[10]

⑴纤维素酯化

纤维素酯化反应是指在酸催化作用下，纤维素分子链中的羟基与酸、酸酐、酰卤等发生酯化反应。

纤维素无机酸酯是指纤维素分子链中的羟基与无机酸，如硝酸、硫酸、磷酸等，进行酯化反应的生成物。

其中以纤维素硝酸酯（也称硝化纤维）应用最广，它是由纤维素经不同配比的浓硝酸和硫酸的混合酸硝化制得。

纤维素硝酸酯应用于制造火药、爆胶、电影胶片和硝基清漆等。

纤维素有机酸酯是指纤维素分子链中的羟基与有机酸、酸酐或酰卤反应的生成物，主要有纤维素的甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯、乙酸丁酸酯、高级脂肪酸酯、芳香酸酯和二元酸酯等[11]。

Antova等[12]以对甲苯磺酸作为催化剂，用微波加热，在甲醇中合成纤维素酯，但是取代度太低（DS<1）。

Joly等[13]与Memmi等也进行了相关研究，微波辐射下纤维素在LiCl/二甲基乙酰胺和脂肪酰氯下酯化，催化剂为N,N-二甲基-4-氨基吡啶，此法既增加了取代度，又缩短了合成时间。

⑵纤维素醚化

纤维素醚是以天然纤维素为基本原料、经过碱化、醚化反应的生成物，目前已开发的纤维素醚类包括单一醚类和混合醚类。

⑶纤维素接枝共聚物

用纤维素的羟基作为接枝点，将聚合物连接到纤维素骨架上，称为纤维素的接枝反应。

依据接枝聚合物的结构、性质、相对分子质量的不同，可赋予纤维素多种性能和用途。

改性后的纤维素可用于复合材料、生物降解塑料、离子交换树脂、吸水树脂、絮凝剂以及螯合纤维等方面。

目前常用的纤维素接枝改性的方法主要包括自由基聚合、离子型聚合、开环聚合、原子转移自由基聚合等。

⑷定点选择性取代

在纤维素的葡萄糖基环第2、第3、第6个碳原子上的羟基目前可以实施个别取代，从而合成了结构、性能非常特殊的纤维素化合物。

定点选择性取代技术首先利用纤维素葡萄糖基环的第2、第3、第6个碳原子上羟基反应活性的不同，用特殊的化学试剂作为保护官能团先与葡萄糖基环上的羟基反应，然后用含酯基、醚基以及其它化学基团与葡萄糖基环上剩余的羟基反应，最后通过水解等化学方法去掉保护官能团，从而得到只在第2、第3、第6个碳原子上某个或者某两个羟基被取代的有特殊性能的纤维素衍生物。

定点选择性取代技术可能会导致纤维素分子量的减少，即纤维素的降解。

如果首先用异氰酸苯酯或者甲硅烷基与葡萄糖基环上的羟基反应，则会减少纤维素分子的降解。

[14]

2.2.1高吸水材料

高吸水材料是20世纪70年代率先由美国农业部北方研究中心开发成功的新型功能高分子产品，其吸水量通常是其自身质量的几十倍到数千倍。

根据原料的不同，可分为合成树脂系、淀粉系和纤维素系高吸水材料。

高吸水材料被广泛应用于卫生、医药、建材、农林业、电气电子、涂料等领域。

基于高吸水材料特有的保水能力，自20世纪80年代开始，日本、法国、美国等国家对其在农林业中的应用等进行了大量的研究，并进行了大面积推广应用。

国内在农林业上的应用研究开始于20世纪80年代中期，近两年随着西部开发战略的实施，水资源的有效利用和生态环境建设成为西部开发的重中之重，高吸水材料作为一种优秀的农林业用节水材料，理所当然受到广泛关注。

当前，高吸水材料的主流产品是丙烯酸类聚合物,其突出的吸水保水能力使它在农林业中也得到了一定的应用。

但有报道土壤微生物难以降解丙烯酸类高吸水聚合物，如果大面积推广应用,对生态环境的长远影响还需要进行认真评估。

而基于天然高分子的淀粉系和纤维素系高吸水材料在生物降解方面具有显而易见的优势,因此国内外对于这两种多糖基吸水材料的研究一直非常重视。

尤其是纤维素类，基于纤维素特有的纤维形态，可以制备粉末状、纤维状及薄膜等各种形态的高吸水材料。

[15]

纤维素是含有多羟基的高分子多糖，由于羟基的亲水性，天然纤维素本身就具有一定的吸水吸湿能力，只是其高度结晶结构使大部分羟基处于氢键缔合状态,限制了这种吸水能力。

因此制备纤维素系高吸水材料时，首先要尽量破坏这种结晶结构、提高其反应可及度,然后通过醚化、接枝、交联等化学反应方法在纤维素大分子上接上羧基、羟基等高亲水性基团，并通过适度交联以保证吸水后的凝胶强度。

2.2.2生物质降解薄膜

以纤维素作为基材制得的塑料薄膜，可被自然界中微生物分解，具有良好生物可降解性。

3.总结

竹纤维取自成本低廉的自然物质，减少了纺织品和塑料对于石油的依赖，有利于资源的合理利用，维持生态平衡。

并集天然纤维和人工纤维的优点与一身，可与其他纤维混纺、交织，是舒适、健康、安全、环保的材料。

但同时，在竹纤维的开发利用方面尚有许多问题有待于解决。

如竹纤维制备中木质素的清除问题；单纤维长度短的问题；生产中污水的处理问题；生物法脱胶工艺的研究和应用尚处于起步阶段等。

此外，竹纤维强力低、缩水率大，竹纤维的鉴别和检测手段滞后等也是需要解决的主要课题。

[16]

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