纺织导报-棉纤维绿色改性研究进展及其产品开发.pdf
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1、林 F i b e r T e c h n o lo a 丫 纤 维技 术 棉纤维绿色改性研究进展及其产品开发 摘要:阐述了 棉纤维的改性技术及在后整理等方面的 研究 现状, 着重论述了 绿色 技术在棉纤维改性加工及其产品开发中的应用及前景, 并分析了 棉纤维绿色改性 技术的发展趋势。 关键词: 棉纤维;纤维改性;绿色 技术; 产品开发 中图分类号: T S 1 0 2 .2 1 1文献标识码: A 文章编号:1 0 0 3 一3 0 2 5 ( 2 0 0 5 ) 0 1 一0 0 0 6 一0 5 苏州大学材料工程学院陈宇岳许云辉王华锋 从2 0 世纪5 0 年代起 随着合成纤维的出现,
2、仿真丝、 仿毛、仿麻等性能优异的纤维相继崭露头角,其后是 L y o c e l l 等绿色环保纤维的问世. 给棉纤维带来了冲击。 但 是棉纤维作为一种具有良好吸湿性、 透气性、 保暖性及柔 软手感的天然纤维素纤维经受住了考验 在纺织材料领域 继续扮演着重要角色。 进入2 1 世纪 合成技术、 仿真技术 等一系列高新技术的完善生物工程、 基因工程等新兴学 科的兴起 使得新品种、 高性能、多功能的纺织纤维材料 层出不穷 这在客观上对棉纤维提出了新的要求。为了充 分开发棉纤维潜在的功能对棉纤维进行各种改性研究、 提高棉纤维的附加值和性能已成为人们研究的一大方向。 但是 传统的棉纤维改性技术存在着许
3、多弊端, 如树脂整 理后会使棉织物上残留和释放出甲醛; 偶氮染料染色的棉 纤维上会含有致癌的芳香胺; 在棉纤维浆料中存在具有相 当生物毒性的五氯苯酚.残留在纺织品中会危害人体健 康川。 因此近年来 许多国家正在不断地探索棉纤维的绿 色改性技术, 开发研究绿色棉纤维产品 并已取得了一系 列新的进展。 1 化学处理方法 传统的化学试剂包括酸、 碱溶液处理了 虽可改变棉纤 维的形态和微结构, 达到改善纤维性能的目的 但这些化 学药剂也会对人体产生一些不良影响 并对环境污染严重。 而绿色技术在处理中选用的是绿色环保整理剂和染料, 这 些材料一般可自然降解,无毒性,有利于环保。 1 . 1 壳聚糖整理
4、作者简介:陈宇击,男,1 9 6 2 年生, 教授 苏州,2 1 5 0 2 1 2 0 0 5 No. 1 壳聚糖又称脱乙酞甲壳质、 可溶性甲壳质. 是甲壳素 脱去乙酞基后的产物。 壳聚糖在自然界资源丰富, 主要来 源于废弃的虾、蟹壳类。壳聚糖具有许多特殊的性能 如 良好的生物降解性、生物相容性、无毒、无污染等。壳聚 糖能溶解在醋酸、 苯甲 酸等稀酸水溶液中 分子上的伯氨 基被质子化 形成带正电荷的氨基离子一N H , + , 而棉纤 维浸在水介质中时.由于介电常数比水低而获得负电荷, 因此壳聚糖由于静电吸引对棉纤维具有强烈的亲和力。 在 壳聚糖溶液处理棉纤维的浸轧过程中. 壳聚糖能均匀地分
5、 布在纤维表面和空隙内 其中少数相对分子质量小的壳聚 糖分子能进一步渗透到纤维内部的无定形区。 在焙烘过程 中 壳聚糖可借助与纤维素分子上活性基团形成的盐式键、 范德华力及氢键的作用而吸附于棉纤维的表面和内部微隙 中并在纤维上形成一层弹性薄膜。 壳聚糖常用于棉织物的防皱免烫和抗菌整理2 一 a 一 般同时用柠檬酸作为壳聚糖的溶剂和对棉的交联剂. 不仅 在柠檬酸和棉纤维素之间发生醋化反应. 而且柠檬酸和壳 聚糖的轻基之间也会发生醋化反应 可获得较高的折皱回 复角 并且整理后的织物白度、 强力、 耐洗涤性能好, 还 提高了直接染料等阴离子染料的上染率 染色均匀。 同时 经壳聚糖处理的棉具有良好的抗
6、菌性能 在适当的壳聚糖 浓度下, 对大肠杆菌、 金黄色葡萄球菌及白色念珠菌的抗 菌率接近1 0 0 % 且经过多次水洗后抗菌率仍保持在 8 0 %以上。XDL i u 等 5 采用一种新的改性方法, 制备 了一种壳聚糖涂覆的新型棉纤维 ( C C C F )即先用高碘酸 钾氧化棉纤维素, 然后再与壳聚糖之间形成席夫碱而使壳 聚糖结合在棉纤维表面 并用这种新型纤维承载和控制释 霸纺 织 导 报C h in 。 T e x t ile L e a d e r . 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to
7、 remove the watermark 纤维技术F i b e r T e c h n o lo c l y 放中药紫草宁获得了较好的效果。 1 . 2 天然丝素蛋白整理 天然蚕丝是一种珍贵的纺织纤维, 享有“ 纤维皇后 的 美称。 蚕丝蛋白质与人体皮肤、 头发的角阮结构有很多相 似之处故蚕丝也有 一 第二皮肤“之称 6 1 。祝莹等 7 - 8 1 研究了丝素蛋白质在棉纤维上的涂覆成膜机理、 涂覆牢度 及主要性能。 丝素涂覆后的棉纤维对人体有很好的生物适 应性和保健性 达到了棉纤维表面真丝化的效果 并且丝 素涂覆棉织物的缩水率明显下降、 活性染料的上染百分率 也显著提高。由于丝素蛋白的优
8、良特性. 为今后开发棉纤 维仿真丝绸技术和新型绿色功能棉纤维开辟了新的途径。 1 . 3 无甲醛整理 目前. 无甲醛整理剂中研究最多的是多元梭酸类整理 剂。美国的S h i p p e e 首次提出了用多元梭酸与纤维素轻基 发生醋化反应, 使分子之间形成醋键交联 从而使无甲醛 整理剂达到防皱效果 9 1 。随着对醋化反应历程的深入了 解, 人们对多元梭酸用于棉织物的耐久免烫整理日益关注 目前国内主要采用柠檬酸进行免烫整理。另外 将酸胺类 化合物与拨基类化合物进行多元缩聚反应 合成出无甲醛 整理剂, 在催化剂作用下它可以和棉纤维素高分子链上 的轻基发生共价交联, 组成网状结构, 达到免烫整理效果
9、。 为了进一步减少整理废液对环境的污染 刘涛等 1 0 对多 梭酸整理废液的循环使用进行了研究 获得了较好的效果。 可见, 环保型无甲醛整理剂将继续在绿色纺织品生产中扮 演重要角色。 1 . 4 绿色染料及浆料的应用 传统的染料中会含有重金属或其它有毒物质 在染色 过程中会附着在织物上 对人体健康造成危害。 而天然染 料主要来源于植物的根、 茎、 叶、 果. 或天然彩色矿石。 天 然染料一般无毒 可生物降解. 对人体和生态均不会造成 危害。 我国天然染料的应用远远早于其它国家 主要利用 植物的液汁进行传统工艺染色。 近年来,日本用绿茶染色 开发的棉制品具有抗菌、除臭、 不引起过敏等优点, 在日
10、 本市场倍受欢迎! 川。 中国纺织科学研究院也已制得了天然 黄 ( T R一 H)和天然绿 ( T R一 G) 可用于棉和丝绸染色。 天然浆料一般来源于某些植物的种子、 块茎 或动物 的骨、皮、筋键等结缔组织, 主要包括淀粉、 植物胶和动 物胶。天然浆料是天然高分子化合物易生物降解对环 境危害性很小, 在一定条件下可替代部分污染性大的合成 浆料而用于棉纤维的上浆。因此, 从大自然中提取各种原 材料制备染料或浆料, 是今后绿色技术研究探索的一个新 方向。 2 生物技术 生物技术作为跨世纪的高新技术. 它和染整科学技术 的交叉融合将是2 1 世纪染整科技发展的新主流, 将推动纺 织工业进入一个绿色
11、清洁生产的崭新时代, 并改变由于使 用大量化学助剂而严重污染环境的局面。 2 . 1 生物酶制剂处理 生物酶是生物细胞产生的一种生物催化剂 它具有极 强的催化效率和高度的专一性。 在棉纤维产品的染整湿加 工过程中 利用酶技术可节约能源与水, 减少或杜绝废 气、 废水的排放 降低对棉织物的损伤, 实现绿色清洁生 产 ! 1 2 一 4 1 。 可用于棉纤维的生物酶主要包括纤维素酶、 果 胶酶与脂肪酶等。 利用纤维素酶水解棉织物的毛羽和微纤, 达到 “ 生物 抛光 的效果可代替传统的烧毛和碱丝光处理还可对 棉针织物进行超柔软整理 使棉纤维滑爽柔软并富有光泽 且这种柔软性是永久的。 用纤维素酶处理牛
12、仔装来代替传 统的 一 石洗”和 一 化洗 是酶在纺织上应用最为成功的工 艺之一。 大多数研究结果表明, 采用纤维素酶整理棉织物 在改善其柔软性、 悬垂性、 亲水性、 透气性、 染料亲和性 以及生物抛光、石磨水洗等方面效果显著。 2 . 2 基因工程技术 2 . 2 . 1天然彩色棉纤维 作为生态纺织品的天然彩色棉具有广阔的发展前景. 天然彩色棉已深入到人们的生活中。 1 9 7 2 年 美国科学家 运用转基因技术成功培育出彩色棉种 利用此技术, 美国 南部地区研究中心经过品种改良加工生产的彩色棉服装在 欧洲、日本和美国市场大为走俏。 1 9 9 4 年我国首次从美国 引进彩色棉技术 现已成功
13、地培育出棕、 绿、 红、 黄、 紫、 灰、橙等色泽的彩棉品种,其品质优良 1 5 1 天然彩色棉纤维真正实现了从纤维生长到纺织成衣全 过程的 “ 零污染” 其色泽自然, 色度丰满 而且不褪色 适于制作与皮肤直接接触的各种内衣、 婴幼儿用品、 妇女 卫生材料等。目前, 彩色棉纤维的研究和开发在世界主要 产棉国家中已受到高度重视, 美国、 法国、 中国、 埃及、 印 度等2 0 多个国家都在积极开展彩色棉的遗传育种工作. 其 研究涉及转基因技术、绿色加工技术等当今科学的前沿。 2 .2 .2 天然 “ 抗皱棉花“ 美国农业生活技术公司采用生物转基因技术 已经培 纺织 导报 C h in a T e
14、 x t ile L e a d e r 2 0 0 5 N o . 1了 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 呻磁濡漏编翩翩姗丫 纤 维技 术 育出带有外源基因的 抗皱棉花” 。 这种基因来自能够产生 P H B 聚轻基丁酸醋) 聚合物的细菌将这种基因导入棉 花的细胞, 生长出来的新棉花除仍保留原有的吸水、 柔软 等性能外 其保暖性、 强度及抗皱性均高于普通棉纤维。 用 “ 抗皱棉花 制成的纯棉衬衫可免烫, 从而避免了含有大量 甲醛的抗皱剂对人体的危
15、害 ! “ 一 7 2 . 2 .3人工棉纤维 人工棉纤维又叫试管棉纤维或超级棉纤维, 是指将 棉株任意部分的单细胞放入特定培养基中进行培养而形成 的 与天然 棉 纤维 相似的 纤 维。 1 9 8 4 年T r o l i n d e r 18 1 在 不同 营养类型的培养基中培育棉花细胞时, 发现在悬浮培养基 中生长的单细胞分化为形似纤维的细胞。 这一结果立即轰 动了世界, 随后不少人对人工棉纤维由实验室生产向商业 生产的可行性进行了深入研究。目 前, 美国已能用棉株的 根、茎、叶、果实等组织的单细胞诱导出棉纤维 英国已 登记了利用单细胞生产棉纤维的专利。 人工棉纤维的研究具有重要的意义。
16、 人工棉纤维的生 产可在实验室无污染进行 不受病虫的危害 其发育具有 良好的同步性和无菌性, 可根据人的意愿进行生产, 可制 造优质的医用纱布、 绷带等 19 。 同时, 人工棉纤维在科学 理论上, 能为研究细胞的分化发育提供理论依据。 目 前, 人 工棉纤维的诱导还很困难 纤维长度较短, 在今后的研究 中 应确定有利于人工棉纤维分化和发育的最佳培养基和 培养环境, 以实现从实验室培养棉纤维向商品生产的规模 转换。 3 物理方法 近来采用物理方法对纤维进行改性已受到广泛的注 意 特别是改变纤维的表面结构和性能以达到改善纤维 表面的粘合性能与染色性能。 由于物理方法不用或很少用 化学药品, 可以
17、减少污染, 属于绿色清洁技术, 有利于生 态环境保护。 3 . 1 机械方法 机械处理法可对棉纤维进行绿色加工以提高纤维素对 各种化学反应的可及度 2 0 一 川。机械方法主要包括研磨和 切碎两种。 研磨法又分球磨、 锤磨等。 纤维素是一种高结 晶性聚合物, 在研磨过程中能有效地吸收机械能而引起其 形态和微细结构的改变使结晶度下降, 可及度提高。其 中球磨是最有效的预处理技术 球磨法可使纤维素结构松 散, 使微纤中及微纤间的氢键断裂 从而使棉纤维的水解 速率和葡萄糖的最大产率都得到提高。美国的研究者用 Wi l e y 切断机对棉纤维进行切断处理 研究了棉纤维的 平 均聚合度、 结晶度及可及度
18、的变化 指出切碎作用对纤维 素的结晶度影响不大, 但由于机械剪切力作用使纤维素产 生新的表面, 从而提高纤维素的可及度。 3 . 2 高能电 子辐射处理 辐射法有紫外光辐射和高能粒子辐射两种, 用于纤维 素处理的主要是高能电子辐射法。 采用高能射线如电子射 线、 丫 一 射线对纤维素原料进行预处理, 可得到所期望的纤 维素聚合度和增加纤维素的活性, 减少溶解用或反应用化 学药品造成的环境污染。 通过电离辐射的作用, 一方面使 纤维素降解, 聚合度下降 相对分子质量的分布特性改变 使其相对分子质量分布比普通纤维素更集中; 另一方面使 纤维素的结构松散, 并影响到纤维素的晶体结构. 从而使 纤 维
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- 纺织 导报 棉纤维 绿色 改性 研究进展 及其 产品 开发
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