桑皮纤维的研究现状及其应用

桑皮纤维的研究现状及其应用

冯建永

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

摘 要:分析研究了我国桑树的丰富资源和进行桑皮纤维开发的经济效应,论述了桑皮纤维的研究历史及现状,表述了桑皮纤维的形态结构、分子结构和优良的可纺性能,探讨了桑皮纤维的提取方法及工艺、产品开发及染色过程。

关键词:桑皮纤维;形态;结构;性能;开发;应用

桑皮纤维是一种取自桑树废枝的具有高附加值的纯天然绿色纤维,属韧皮纤维的一种。是由四川省丝绸进出口集团公司和四川大学联合组成的项目组完成的包括原材料的组织、调选、纤维的制取、纤维结构性能研究、纺纱工艺及其专用设备的研制与开发。这项具有我国自主知识产权的研究在我国乃至世界上属于首创,率先实现了桑皮纤维从桑皮的剥取、机械化生产到商品的全过程,标志着我国在新型天然纺织材料研发领域的一次新的突破。研究桑皮纤维的意义不仅增加了一种新的天然纺织材料,提高了纺织产品的多样性和附加值,而且是对桑树废弃枝条的废物利用,变废为宝,提高了资源的综合利用率[1]。

1 桑树资源及经济效益分析

1.1 我国的桑树资源

桑树是落叶性多年生木本植物,属于桑科,桑属。我国是世界蚕业的祥地,也是桑树植物资源的起源中心和分布中心。

目前,我国的桑树种植地区有:西北从内蒙古南部到新疆、青海、甘肃、陕西;南至广东、广西;东至台湾,西至四川、云南,尤其以长江中下游居多。桑田种植面积为5133@105

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。我国收集保存的桑树种质分属15个桑种3个变种,是世界上桑种最多的国家,其中栽培种有鲁桑、白桑、广东桑、瑞穗桑;野生桑种有长穗桑、长果桑、黑桑、华桑、细齿桑、蒙桑、

山桑、川桑、唐鬼桑、滇桑、鸡桑;变种有鬼桑(蒙桑的

变种)、大叶桑(白桑的变种)、垂枝桑(白桑的变种)[4]。

1

.2 桑皮经济效益分析

2000年我国蚕茧产量为40万t ,白厂丝产量近6万t,占世界总产量的85%,其中:桑蚕丝出口近4万t,占世界丝绸出口总量的60%,丝绸产品出口占世界出口量的75%,主导着国际市场形势。5133@105

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桑田一年至少春、夏、秋三个季节生产桑叶,一般地区可养春蚕、夏蚕、早秋蚕和晚秋蚕4批蚕,以6167@10-2hm 2桑田1000株,1株5~7根枝,每根枝0.35~0.5kg 计算,每亩在2t 左右,一年只以剪伐两次计算,6167@10-2hm 2桑田剪下来的桑枝就有4t 。南通茧丝绸行业总会和南通市蚕桑指导站的开发专家经多次试验认为:桑树皮占桑条的15%~20%,桑皮纤维占桑皮的10%~30%,这样每亩桑田的废桑枝条可产桑皮纤维近100kg 。过去伐下来的桑条除很少部分剥皮,用做中药,大部分都用来做柴烧,随着纺织科技的进步以及人们对桑皮纤维价值的认识,其经济价值很高[5]。据测算,桑皮纤维的生产成本大约为10100元/t,市场预测售价相当于优质棉,为12650元/t,利税率25%。副产品果胶销价2万元/t 、利税23%,有着较好的开发利用价值。农民可从每亩桑园中增加收入200多元,每亩桑园提高经济效益20%以上,种桑综合效益的提高有利于稳定蚕桑生产,促进茧丝绸产业稳步发展。

表1为2006年6月至7月,宜宾市翠屏区农牧局蚕业管理站组织全站工作人员,历时一个多月,对

该区的桑树资源利用情况进行了全面系统的调查结果[5]。表2为该区资源利用后的经济效应比较[6]。

表1宜宾翠屏区现有桑树资源及利用状况

乡镇桑树总量∕万株良桑∕万株四边桑∕万株

利用桑树总量利用良桑总量

数量∕万株比例∕%数量∕%比例∕%

万株桑养蚕量∕万株

牟坪141.0297.7111.4149.3357879.89.3高店74.632.943.9114.319.22370 5.1金坪 5.2 2.3 4.170.59.6143.5 2.7象鼻12.47.712.10.54226 1.1表2宜宾翠屏区桑树资源的经济效应分析

乡镇

2005年的养蚕情况全部利用后的情况增加数量

发种∕张产值∕万元发种∕张产值∕万元发种∕张产值∕万元

牟坪13154211376020310244516110

高店382.612151990107151607.49510

金坪1401434140716126711

象鼻13.501435*********.5711

合计1725.15515622017184494.91714从表1可以看出,该区的桑树资源利用率很低,经过资源整合利用后缩产生的经济效应如表2所示。从表1和表2的对比,开发桑皮纤维是对桑树资源的充分利用,具有较高的经济价值和社会效益。

2桑皮纤维的研究现状及化学结构、性质分析

2.1桑皮纤维的研究现状

1996年,杨草[7]在5河南科技6杂志上介绍了利用桑皮纤维生产人造棉的新工艺,其方法是将桑皮中的木质素、果胶及其它杂质去除,经过提取其中的有用纤维,再经碱煮等工艺生产人造棉。

2001年,羌晓阳、钱震[5]在5四川丝绸6上分析了桑皮纤维的可纺纱、织造、染整加工性能。随后开始了桑皮纤维性能结构研究的一个新的阶段。2002年,邱训国、严松俊[8]研究了桑皮纤维的开发及综合利用,并分别开发了桑棉混纺、桑麻混纺、桑蚕交织、桑麻纱与涤纶长丝交织等产品的开发。2006年,荆学谦、杨佩鹏、武海良[9]研究了桑皮纤维的脱胶工艺,探讨了桑皮纤维常用的脱胶方法及脱胶机理。2007年,马君志、杜丽霞[10]介绍了桑皮纤维的制备工艺,并且利用SEM、DSC等方法对桑皮纤维的形态结构和热性能进行了研究分析,同时探讨了桑皮混纺织物的开发设计。2008年,张璐[11]等人研究了非织造材料桑皮纤维的提取方法,探讨了在有氧、无氧、室内、室外等环境条件下提取桑皮纤维的方法比较。

而国外对于桑皮纤维的报道很少,Joy dip Kun-du、M oumita Dew an和Sarani Ghoshal.S. C. Kundu.[12]研究了桑皮纤维作为一种生物基体材料的物理、力学性能。H isato Katayama和Sum iharu Nagaoka研究了桑皮纤维细胞的超分子结构[13]。2.2桑皮纤维的化学结构分析

桑皮纤维的化学成分如表3[9]所示。

表3桑皮纤维与其它纤维化学成分(%)比较

纤维品种纤维素半纤维素木质素果胶水溶物蜡状物质灰分桑皮23.017.418.516.019.0 2.8

大麻55.0~60.016.0~17.07.0~8.07.0~8.09.0~10.0 1.6~1.8 1.0~3.0剑麻44.8614.3832.16 3.0210.214.4

黄麻64~6716~1911~15 1.1~1.30.3~0.70.6~1.7菠萝叶56.0~68.516.0~18.8 6.0~13.0 1.1~2.0 1.0~1.46 3.2~7.20.9~2.8由表3可知,桑皮纤维的纤维素含量低于剑麻、

大麻、黄麻、菠萝叶纤维;果胶含量远远大于其他几种植物纤维。果胶物质对纤维的吸附性能有较大影响,直接关系到桑皮纤维的染色性能。

2.2.1桑皮纤维的形态结构

图3所示为桑波纤维的SEM截面形态[14]。通过KYKY-2800扫描电子显微镜进行研究分析可以看出,桑皮纤维的两端秃钝,有些纤维的两端则开叉,纵向有竖纹,与麻纤维纵向侧面带有竖纹的结构较为相似,没有棉纤维的天然转曲现象。桑皮纤维

的横截面形状呈三角形、椭圆形和少量多角形,其中以椭圆形的居多。纤维中间无胞腔。

图3桑皮纤维的横截面形状(左图)和纵向形态特征(右图) 2.2.2桑皮纤维的分子结构

桑皮纤维的分子结晶结构包括晶体结构、晶胞参数、微晶尺寸、结晶程度和非晶态结构。华坚[15]等使用x-射线衍射仪研究了桑皮纤维的结晶度和微晶尺寸。纤维的结晶度大小直接关系到纤维的强