（纺织工程专业论文）陕南地区桑皮纤维的结构与性能研究.pdf

摘要 我国是蚕丝出口大国，桑树资源丰富，种类繁多。陕南地区气候湿润，土质良好， 适宜于湖桑等品种的种植。为了保持桑树的养分，满足养蚕的需要，每年都要定期对 桑树进行“冬整夏伐”。砍伐下来的枝条主要用途是作为造纸原料，剩余的就当作木 柴烧掉，造成了资源的浪费。桑树枝条中分布着束状韧皮纤维，对桑皮进行化学成分 分析，发现桑皮中除含有纤维素外，还含有木质素、果胶、半纤维素等非纤维素物质， 与麻类纤维化学成分相类似，所以借鉴了麻类纤维的脱胶方法对桑皮进行脱胶制取出 桑皮纤维。桑皮纤维的开发与利用符合当今世界纺织原料回归自然的潮流，节约利用 了资源，具有一定现实意义。本文对桑皮纤维的结构与性能进行了研究，并尝试对桑 皮纤维的可染性进行了探索。 形态结构和超分子微细结构是研究纤维的基础。本课题利用光学显微镜观察了桑 皮纤维的外观形态，发现桑皮纤维纵向表面光滑、两端秃钝；应用光学显微镜观察桑 皮纤维的横截面，发现其横截面呈不规则椭圆形，内有中腔；应用电子显微镜观察桑 皮纤维的纵向微观结构，发现桑皮纤维表面有折叠形裂隙存在；对桑皮纤维进行红外 光谱分析，可知桑皮纤维的主要吸收谱带都是纤维素纤维典型的特征谱带；对桑皮纤 维进行x 射线衍射的结果表明，桑皮纤维的结构晶型为典型的纤维素i 结构( 即天然 纤维素结构) ，结晶度为6 2 9 ，与苎麻、亚麻纤维接近，取向度为4 3 7 。低于苎麻和 亚麻纤维。 通过对桑皮纤维的外观指标细度、长度及强伸性能断裂强度、伸长率、 初始模量的测试，发现桑皮纤维单纤维的长度、细度与大麻纤维较接近，需要以工艺 纤维的形式进行纺织加工：初始模量低于麻类纤维，强度与黄麻、大麻纤维接近，低 于亚麻纤维；断裂伸长率高于亚麻、大麻纤维，延伸性较好。为了更好地了解桑皮纤 维的物理机械性能，对其吸湿性能、热学性能、电学性能、密度进行了测试与分析： 桑皮纤维的吸湿性能低于麻类纤维；桑皮纤维的热分解温度为3 3 1 ，高于亚麻纤维， 表明桑皮纤维的热稳定性好于亚麻纤维：桑皮纤维的密度与亚麻接近，轻于苎麻、大 麻纤维；质量比电阻与麻类纤维接近。 根据桑皮纤维的结构和特性，本课题研究了活性染料对桑皮纤维的可染性，发现 x 型活性染料对桑皮纤维的上染速率要高于k 型活性染料对桑皮纤维的上染率，桑皮 纤维的染色性能与其化学成分、超分子结构、微观结构及物理性能有着必然的联系。 本课题对桑皮纤维染色的各项指标与棉纤维、苎麻纤维进行了比较分析，以期为实际 染色生产提供理论依据，从而达到最佳染色效果。 论文最后利用灰色聚类分析方法将桑皮纤维与其他几种天然纤维素纤维进行了 比较分析。通过综合分析，我们了解到，桑皮纤维作为一种新型天然纤维素纤维原料， 虽然存在着一定的不足，但仍是一种具有应用前景的新型纤维材料。 本课题对桑皮纤维的研究目的是希望通过基础研究得到有关这种新纤维的性能 参数，根据其特点，指导制取工艺的优化，为桑皮纤维在纺织、非织造及其他领域的 应用提供技术上的参考，为产品开发提供理论支持。 关键词：桑皮纤维：韧皮结构；力学性能：微观结构；红外光谱；x - 射线衍射；上染 鏖 r e s e a r c ho fs t r u c t u r ea n d p r o p e r t y o fm u l b e r r yf i b e ri ns o u t ho fs h a a n x i c h i n ah a st h em o s te x p o r tq u a n t u mo fs i l k i n t h e ，w o r l d ，a n dh a sm a n yk i n d so f m u l b e r r y b e t t e rc l i m a t ea n dw e ts o i li ns o u t ho fs h a a n x ii sv e r yf e a s i b l ef o rp l a n t i n gm a n y k i n d so fm u l b e r r y e v e r yy e a rag r e a td e a lo fm u l b e r r yb r a n c h e sa r ec u tf o rm u l b e r r y g r o w i n g t h ec u tb r a n c h e sa r em o s tu s e da sp a p e rm a t e r i a l s ，a n ds e v e r a lu s e da sf r e w o o d ， i ti st h ew a s t eo fr e s o u r c e s h e a f l i k eb a s tf i b e r sa r ed i s t r i b u t e di nt h em u l b e r r yb r a n c h e s ， c h e m i c a lc o m p o n e n ta n a l y s e so fm u l b e r r ya r ed o n e ，i ts h o w st h a tb e s i d e sc e l l u l o s e ， m u l b e r r yh a sn o n - c e l l u l o s es u c ha sl i g n i n ，p e c t i n ，h a l fc e l l u l o s ea n ds oo n f o rt h e c h e m i c a lc o m p o n e n ti ss i m i l a rt ob a s tf i b e r , m u l b e r r yf i b e ri sg o tf r o mm u l b e r r yb y d e g u m m i n g ，m e t h o d so fb a s tf i b e r d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm u l b e r r yf i b e ri s a c c o r d i n gt ot h et r e n do fn a t u r e ，i tc a ns a v ea n da p p l yr e s o u r c e s t r u c t u r ea n dp m p e r t yo f m u l b e r r yf i b e ra r er e s e a r c h e d ，t r i a ld i s c u s s i o no f d y e a b i l i t yo f m u l b e r r yf i b e ri sd o n e m o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dh y p e r m o l e c u l a rm i e r o f m e n e s ss t r u c t u r ei st h eb a s ef o r f i b e rr e s e a r c h t h i s s u b j e c t r e s e a r c h e s a p p e a r a n c e o fm u l b e r r yf i b e r b yo p t i c a l m i c r o s c o p e m u l b e r r yf i b e rh a sb a l de n d s ，s m o o t hs u r f a c e ，t h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p e ，i t s h o w st h a tt h ef i b e rh a sr a n d o me l l i p s ec r o s ss e c t i o n ，m e d i u mh o l l o wa n dp l a i tc r a c ki n c e l lc a v i t y m u l b e r r yf i b e rm a i na d s o r p t i o nb a n d sa r et o p i cs p e c i a l i t yb a n do fc e l l u l o s e f i b e rt h r o u g hi n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s e s s t r u c t u r a lc r ) r s t a i f i n ef o r mo fm u l b e r r yf i b e ri s t y p i c a lc e l l u l o s e is t r u c t u r e ( n a t u r a lc e l l u l o s es t r u c t u r e ) 。i t sc r y s t a l l i n i t yi s6 2 9 ，s i m i l a r t or a m i e ，f l a xf i b e r , i t so r i e n t a t i o nd e g r e ei s4 3 7 ，l o w e rt h a nt h a to fr a m i ef i b e ra n df l a x f i b e r t h r o u g ht e s t i n ga p p e a r a n c ei n d e x e s ( f i n e n e s s 1 e n g t h ) a n ds t r e n g t h & e l o n g a t i o n ( b r e a k i n gs t r e n g t h ，e l o n g a t i o nr a t e ，i n i t i a lm o d u l u s ) o f m u l b e r r yf i b e r , l e n g t h ，f i n e n e s so fi t i ss i m i l a rt ot h a to fh e m pf i b e r , t e x t i l ew o r k i n gs l l o u l db ed o n eb yp r o c e s s i n gf i b e r i n i t i a l m o d u l u so f m u l b e r r yf i b e ri sl o w e rt h a nt h a to f b a s tf i b e r , i t ss t r e n g t hi ss i m i l a rt oj u t ea n d h e m pf i b e r , a n dl o w e rt h a nf l a xf i b e r i t sb r e a k i n ge l o n g a t i o ni sh i g h e rt h a nt h a to ff l a x f i b e ra n dh e m pf i b e r t oa n a l y z e dp h s i c o m e e h a n i c a lp r o p e r t y , m o i s t u r e a d s o r p t i o n ， t h e r m a lp r o p e r t y , e l e c t r i c i t yp r o p e r t y , d e n s i t yo fm u l b e r r yf i b e ra r et e s t e d m o i s t u r e a d s o r p t i o no f m u l b e r r yf i b e ri sl o w e rt h a nt h a to f b a s tf i b e r , t h et h e r m o l y s i st e m p e r a t u r eo f m u l b e r r yf i b e ri s3 3 1 ，h i g h e rt h a nf l a xf i b e r i ts h o w st h a tt h e r m a lp r o p e r t yo f m u l b e r r y f i b e ri sb e t t e rt h a nf l a xf i b e r ，d e n s i t yo fi ti ss i m i l a rt of l a x ，s m a l l e rt h a nr a m i e ，h e m p i t s m o s ss p e c i f i cr e s i s t a n c ei ss i m i l a rt ob a s tf i b e r a c c o r d i n gt o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fm u l b e r r yf i b e r , d y e a b i l i t yo fr e a c t i v ed y e si n m u l b e r r yf i b e ri sr e s e a r c h e d ，t h et e s ts h o w st h a td y e i n gr a t eo f xr e a c t i v ed y e si nm u l b e r r y f i b e ri sh i 曲e rt h a nt h a to fkr e a c t i v ed y e s d y e i n gp r o p e r t yo fm u l b e r r yf i b e ri sc o n n e c t e d w i t hc h e m i c a lc o m p o n e n t ，h y p e r m o l e c u l a rs t r u c t u r e ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp h y s i c a lp r o p e r t y e a c hi n d e xo fd y e i n gm u l b e r r yf i b e ri sc o m p a r e dw i t hc o t t o nf i b e ra n dr a m i ef i b e r , i t p r o v i d e sp r i n c i p l ef o rp r a c t i c et og e tt h eb e s td y e i n g e f f e c t f i n a l l y , m u l b e r r yf i b e r i s c o m p a r e dw i t hs e v e r a l n a t u r a lc e l l u l o s ef i b e rb yg r a y p o l y m e ra n a l y s e sm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tm u l b e r r yf i b e ri s an e wt y p en a t u r a l c e l l u l o s ef i b e rm a t e r i a l ，i th a si tf a u l t ，b u ti t sak i n do fn e wf i b e rm a t e r i a lo fb e t t e r a p p t i c a t i o np r o s p e c t t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti st or e s e a r c hp r o p e r t yp a r a m e t e r so ft h en e wf i b e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l i t y , p r o c e s s i n go fp r e p a r a t i o nc a nb eo p t i m i z e d i tp r o v i d e s t e c h n o l o g yp r e f e r e n c ef o rm u l b e r r yf i b e ri nt e x t i l e ，n o n w o v e na n do t h e ra r e a s ，a l s o p r o v i d e sp r i n c i p l eo f p r o d u c td e v e l o p m e n t j i n gx u e q i a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw uh a i l i a n g p r o f e s s o ra d v a n c e de n g i n e e ry a n l e i k e yw o r d sm u l b e r r yf i b e r , b a s tf i b e rs t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , m i c r o - s t r u c t u r e ， i n f r a r e ds p e c t r u m ，x - r a yd i f f r a c t i o n ，d y e i n gr a t e 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 问学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论 文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院 有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日 期： 列亏谚 加沏卢 3 一o 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n n 以标 注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 括本人己申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：刿力1 亏 日期：矿7 一。 6 绪论 1 1 引言 绪论 随着生产力的发展和人类物质文化生活水平的不断提高，人们对自身生活质量的 要求也不断提高，这突出反映在人们生活的各个方面，其中包括人们的服饰衣着、家 用装饰等。纺织品不仅是重要的生活必需品，也是重要的工业用品和装饰用品，纺织 品的开发和利用是衡量国家经济发展和人民生活水平的重要指标之一。在纺织行业 中，纺织原材料的发展又是整个纺织业发展的基础。各种纤维原料具有不同的性质和 特点。为了将各种不同类别、不同性能的纺织纤维，制成适于各种用途的优质成品； 为了用有限的原料，加工生产成更多更好的纺织品：为了开辟新的适于纺织工业使用 的原料来源，生产各种纺织品以满足社会需求，必须对纺织材料进行全面的研究“1 。 因此，纺织材料的研究是一项长久性的研究课题。 经过人类不懈的探索和研究，纺织材料的性能和种类得到了改善和增加。现在， 各种新型和功能性纺织材料的开发和应用，使纺织材料在整个工业发展中的作用日益 提高。但是这些新型的功能性纺织材料大多是取自煤、石油和天然气等资源的化学纤 维，它们的开发受到了资源的限制。目前，在纺织纤维生产量和消费量仍在持续增加 的同时，纺织材料的开发与环境的可持续发展发生了矛盾。 飞速发展的化学纤维工业是以石油和天然气为基础的。随着世界各国工业的发 展，对合成纤维的需求量越来越大，各产业部门对石油资源的需求和消耗与日俱增。 据有关资料报道”，世界石油产量的耗用期只剩几十年的时间；由石油产品、合成 材料和纤维造成的庞大而难降解的“白色污染”对环境的污染已给人类的生存环境带 来了危机，研究和开发非石油产品的任务迫在眉睫。在这样的情况下，纺织工业要发 展就必须寻求新的原材料，争取合理利用资源，变废为宝，变闲为宝。在人1 f i n 处寻 找新的纺织纤维原料的过程中，桑皮纤维进入了纺织业内人士的视线中。天然纤维与 众多的生物材料一样，是一个正待发掘的丰富宝藏，从自然科学、材料科学的角度来 看，包括天然纤维在内的生物材料不论是它的微观结构还是其形成过程，都给人们以 深刻的启发，材料学和纤维学研究者能够从天然材料的研究中获得相当广泛、深入且 具有价值的知识和信息。 每种新型材料的推出都有促使其生产并推出市场的历史原因和需求原因，桑皮纤 维也不例外。因此在我们对桑皮纤维进行正式研究之前，要先了解一下纺织纤维的发 展历史和现状。 绪论 1 2 纺织纤维的发展历程 从历史记载来看，在十八世纪初，人们以丝、麻为衣着的主要来源。百年后， 棉花逐渐得到应用。由于棉花适宜于集中种植，产量高，服用性能好，再加上棉纺织 加工技术的发展，使棉纺织工业得到快速发展，从此使棉花生产登上了世界纺织纤维 的主导地位。直至2 0 世纪5 0 年代，棉花及棉纺织工业一直处在世界纺织工业的中心 地位。蚕丝、羊毛虽然历史也很悠久，但是由于养殖条件和地域环境上的种种限制， 产量一直处于微弱地位，只能当作种珍贵纺织原料而存在，以棉花作为世界纺织工 业主要原料长达二百年之久。 很长时间以来，人们一直在思考如何以人工制造的纤维来取代棉花作为纺织原料 使用这个问题，以摆脱自然界的摆布。十九世纪，以粘胶纤维为主体的纤维素纤维和 以“锦纶、涤纶、腈纶”为“三大支柱”的合成纤维开始进入工业化大生产“1 。化学 纤维的诞生和发展是世界纺织工业史上的一次伟大革命，它改变了纺织工业的整个面 貌。化学纤维从2 0 世纪2 0 年代开始慢慢发展起来，几十年的时间里，就发展到了目 前与天然纤维接近平分秋色的地位，甚至有超过天然纤维的趋势。 在化学纤维研制开发刚刚起步时期，其中9 0 以上是粘胶纤维，合成纤维不足 1 0 。自十九世纪6 0 年代起，随着世界石油化工技术的迅速发展，为合成纤维工业提 供了廉价的原料。合成纤维产品问世后，以大规模工业生产、成本低、利润高的优势， 以及所加工而成的各类服用和产业用纺织品具有美观耐用的特点，使其应用范围日益 扩大，占领了粘胶纤维产品在市场上占有的一部分席位。 在世界纤维生产量大幅度增长的同时，也正是世界人口飞速增长的时期。人口爆 炸的压力越来越加重农业的负担，这使得天然纤维日渐短缺。而粘胶纤维由于生产工 艺流程长，生产过程容易形成对环境的污染，使其发展在一定程度上受到了限制。因 而，在2 0 世纪后几十年里，纤维量的增加主要表现在合成纤维的增加上，天然纤维 与粘胶的增长很微小。据专业人士估计，在本世纪初世界纤维生产量和需求量仍呈日 益增长的趋势，主要是化学纤维的增加，并且差别化纤维所占比重要上升。 随着科学技术的快速发展和物质生活的极大丰富，伴随而来的是现代人们快节奏 的生活方式和不断增加的工作压力，人们在追求物质享受的同时，越来越关注自身的 健康和生存环境，开始渴望回归自然。对服装的要求不再只是遮身防寒等基本的生活 要求，而更加注重舒适和休闲，天然纤维的特性则正好满足了人们的这种潜在需求。 从近几年纯棉、麻、丝、毛制品的大行其道到国际组织及国家大力倡导绿色生态纺织 品更是充分体现了这一发展趋势，也体现了人们对天然纤维制品巨大的市场需求。虽 然合成纤维现在仍是世界纤维增长的主流，但原料取自于煤、石油等资源的这些纤维 的发展将因这些资源的日益匮乏而受到限制。因此，天然纤维再次被人类重视起来”1 。 2 绪论 1 3 新型环保纤维的开发 多年以来，纺织纤维多以合成纤维为主，需要消耗大量石油资源，但石油资源是 不可再生资源，而且合成纤维在生产加工过程中会产生污染，使用后不能降解，对环 境保护产生不良影响”1 。而羊毛、蚕丝、棉、麻等天然纤维因产量和占用土地有限， 产量也较低，为此，人们加快了开发应用新型环保纤维的步伐，以节约石油资源、保护 环境，并且满足人们追新求异、回归自然的需求。再者，国内外纺织品服装市场竞争 激烈，国内许多服装企业都在开发绿色纺织品方面下功夫。目前在市场上畅销的衬衫 产品均是采用有一定技术含量、对生态环境比较有利的纤维制成，而高档次衬衫也都 是采用特细号棉纱、超细号纤维素纤维精工细作而成，可见开发及应用新型纤维是提 高纺织企业竞争力的必由之路。人们在新型环保纤维的开发方面取得了以下成果”1 ： 一是利用生物技术开发天然彩色纤维。采用杂交、基因转移等现代生物工程技术， 培育出天然彩色棉花，另外还有利用生物技术开发彩色羊毛、彩色兔毛、天然彩色蚕 茧等。 二是利用新纤维原料及生产工艺获得绿色纤维。主要包括新型环保型人造纤维素 纤维，如t e n c e l 纤维、由山毛榉木浆粕制成的m o d a l 纤维、利用竹浆纤维经水解、碱 法及多段漂白等高科技工艺处理加工而成的再生竹纤维，另外还有新型纤维素纤维 v i l o f t 等；运用生物工程技术开发的人造蛋白质纤维，如牛奶纤维、大豆蛋白纤维； 以海洋生物蟹、虾壳体为原料，经过现代高科技加工工艺提取而成的甲壳素纤维；以 玉米淀粉制得的乳酸为原料制取的聚乳酸纤维p l a 等。 三是拓宽可利用纤维资源，开发天然纤维素纤维。天然纤维易于降解，对环境保 护具有积极意义，利用天然可再生资源研制开发纺织用纤维响应了当今倡导的可持续 发展战略，对于节约资源具有深远影响。1 。天然纤维有以下诸多品种：( 1 ) 罗布麻州。 罗布麻是一种韧皮纤维，纤维细长而有光泽，呈非常松散的纤维束，个别纤维单独存 在，纤维洁白，质地优良。具有吸湿、透气、透湿性好、强力高等特点，纤维细长， 耐湿抗腐，产品具有一定的医疗保健作用。( 2 ) 洋麻。洋麻纤维含有较多空隙，具有量 轻、吸水性高、光泽好的特征。( 3 ) 木棉纤维“。热带木棉树的木棉纤维具有中空结 构，不仅有较好的形状稳定性，还有优异的吸湿放湿性。( 4 ) 大麻纤维”1 。大麻纤维 是由大麻韧皮经脱胶加工而制成的纤维素纤维。大麻纤维分子的聚合度较小，纤维中 腔较大，纤维表面很粗糙，纵向有许多裂隙和孔洞，因此具有良好的吸湿透气性能和防 紫外线辐射功能。大麻纤维还对多种细菌和霉菌具有明显的杀灭、抑制作用。( 5 ) 菠 萝叶纤维“3 。这是一种从菠萝叶片中提取的纤维，以束纤维的形式存在于叶片中， 属于高强度、高模量、低伸长型纤维，柔软性能较好，外观洁白，手感与亚麻比较相 近。 ( 6 ) 原生竹纤维“5 ”1 。原生竹纤维是以竹子为原料，经过去青、脱胶而制成的 绪论 纤维，原生竹纤维己广泛应用于工业、建筑、环境保护领域，取代了木材和玻璃纤维 的使用。( 7 ) 香蕉茎秆纤维“。香蕉收获后其茎秆可以提取纤维用于纺织、造纸等。 香蕉茎秆纤维呈中空管状，质量轻，光泽好。人们利用香蕉茎秆纤维质量轻、有特殊 光泽、吸水性高的特征开发出了窗帘、毛巾等产品。 与此同时，还有越来越多的天然植物纤维为人们所开发利用，如胡麻纤维“、荨 麻纤维“、苘麻纤维1 、剑麻纤维”“、黄麻纤维1 、龙舌兰麻、棕叶纤维”“、龙须 草纤维”、乌拉草纤维嘶1 、椰壳纤维”1 、月桃纤维、棉秆皮纤维。1 等。虽然有些纤维 还不能进行工业化大规模的生产用于纺织加工，但是通过这些研究足以看出人们对开 发新型天然纤维的重视。生活水平的提高和环保意识的增强，使人们更加追求穿着的 舒适性，天然纤维穿着舒适尽人皆知，只有不断开发天然纤维素纤维的新品种才能满 足人们对舒适性的需要。 1 4 桑皮纤维的开发与应用现状 我国拥有广阔的桑林面积，种类众多，分布广泛。在每年采摘桑叶之余，为了保持 桑树的养分和肥培管理的需要，每年都要进行“冬整夏伐”，对枝条进行修剪，产生 大量的桑树枝条汹1 。对桑树的韧皮加以综合开发利用，不仅使废弃资源发挥出新的价 值，符合国家倡导的可持续发展政策，而且拓宽了农民增加经济收入的渠道1 ，既带 来了较好的经济效益，同时也具有较好的社会效益。 从桑树枝条的韧皮中提取纤维进行开发利用到目前为止尚属于一个比较新的课 题3 ”。尚未发现国外有利用桑树韧皮制取桑皮纤维的报道。分析原因是国外具有传 统种桑养蚕的国家不多，在工业化发达的西方国家更是少有这种养蚕的产业及种桑的 副业，因而这方面资源的开发尚未引起人们的关注。 蚕丝业是我国的传统产业，数千年来，我们的祖先不断发展着栽桑、养蚕、缫丝、 织绸的技术，使我国的丝绸产业一直在国际上处于遥遥领先的地位。2 0 0 0 年我国的 蚕茧产量为4 0 万t ，白厂丝产量近6 万t ，占世界总产量的8 5 ，桑蚕丝出口4 x1 0 t ， 占世界丝绸出口量的7 5 ，主导着国际市场形势1 。年产4 x1 0 5 t 蚕茧需要消耗8 0 0 万亩桑田，8 0 0 万亩桑田一年至少春、夏、秋三季都产桑叶。每季收获桑叶后，为了 保持桑树的养分，都要对桑树进行剪枝，也就是“冬整”和“夏伐”。如果能对修剪 下来的大量的桑树枝条采取适当工艺，从中提取桑皮纤维，将有利于合理利用和开发 我国的蚕桑资源。 蚕桑产业是陕西省的传统产业，区域优势十分明显，特别在陕南农业经济中占有 重要地位。陕南山区的汉江、月河流域更具蚕桑生产优势，陕西省计划把安康市建设 成西北地区最大的优质蚕茧生产基地，主要布局在安康市的汉滨、紫阳、石泉、汉阴、 4 绪论 岚皋、旬阳、平利和白河等八个县区3 。安康市北依秦岭，南靠巴山，属北亚热带湿 润、半湿润气候带，具有四季分明、温暖湿润、无霜期长的特点，土壤类型主要是黄 褐土，有机质、氮、磷、钾含量中等，日照、土壤、降雨、气温等自然条件完全具备 生产优良桑树和优质蚕茧的需要。目前，在优化桑树品种结构方面，以湖桑系列桑品 种为主建立基地，在水肥条件较好的地方推广种植丰产型新品种，以促进蚕桑综合利 用工作的开展。”。陕南地区丰富的桑蚕资源为其加工优质的丝绸产品提供了保障，也 为研究桑树韧皮的综合利用与开发提供了原料。 据专家估算，按一亩桑田1 0 0 0 株桑树，一株桑树剪伐5 7 根枝条，每根枝条 0 3 5k g 0 5k g 计算，每亩桑田剪伐枝条2 t 左右，一年以“冬整”、“夏伐”剪伐两次 计算，一亩桑田剪下的桑树枝条就达到4t 左右。有试验证明，桑树韧皮占桑树枝条 的1 5 2 0 ，桑皮纤维占桑树韧皮的1 0 3 0 ，如此估算下来，每亩桑田的废弃枝 条可以加工生产桑皮纤维近l o o k g 1 。由此看来，桑皮纤维的开发利用具有相当大的 发展空间。 桑皮纤维的开发利用与天然纤维中的麻类纤维有着相似的特点，都是对植物韧皮 的开发利用，都是通过采取一定的脱胶工艺从中制取出纤维( 如麻类的菠萝叶纤维) ， 因此说桑皮纤维的开发与麻类纤维的制取较为接近，桑皮纤维的开发为纺织纤维家族 又增添了一种新型的天然纤维o “。 国内对桑树韧皮的利用始于2 0 世纪9 0 年代，随着研究的逐步深入，从最初的制 取滤纸、人造棉逐步向综合利用过渡，并逐渐发展到制取新型纤维、开发纺织产品， 并向产业化方向发展，因此有必要对其性能作进一步深入研究，为桑皮纤维在纺织上 的应用提供基础性的参考。 1 9 9 0 年胡容岫利用桑皮纤维制取滤纸并申请了专利。 在制取人造棉方面，杨草制取桑皮人造棉的方法是”1 ：将桑皮中的木质素、果胶 和其他物质除去，提取其中的纤维进行梳理而成。生产流程为：桑皮选料浸 料碱煮皂化浸酸一漂白脱氯软化梳弹成品。人造棉 与本课题研究的桑皮纤维有着根本性的区别，本课题研究的是经过脱胶工艺制取出来 的纤维，而不是人造棉。对于桑皮纤维的制取及其性能的研究在国内尚处于起步阶段。 在桑树韧皮综合利用方面，2 0 0 2 年邱训国等人报道了对桑树韧皮进行综合利用 的情况，并根据南通市栽桑养蚕的规模预测了开发桑树韧皮的潜在经济效益1 。指出， 桑皮纤维中含有护肤、养发、降血压等具有保健作用的营养成分，可开发新型保健用 品，并提出了桑皮纤维与棉、麻、丝等原料进行混纺、交织成新型纺织产品的可能。 在制取桑皮纤维方面，1 9 9 5 年殷立德等人制取出了桑皮纤维并申请了国家专利 ( 名称：桑皮纤维及其制备方法和应用研究，专利申请号：9 5 1 1 4 8 9 8 ，审定公告号 1 9 9 5 1 1 2 9 ) ，在专利中简要介绍了纤维的制取工艺及其基本性能1 。桑皮纤维的平均 绪论 长度为3 1 5 m m ，长度f y 为3 3 9 5 ，断裂强度为5 3 0 c n d t e x ，加工方法为：去除表皮一 一化学煮练机械制取漂沈酸洗增柔干燥梳理。产品性能类 似于棉纤维，成本仅为棉纤维的二分之一。该专利说明桑皮纤维具有一定利用价值， 但仅限于提供了桑皮纤维的制取工艺，距离研究桑皮纤维的性能有较大差距。 2 0 0 1 年，羌晓阳等人进行了桑皮纤维的可纺性、可织性、可染性的研究。”，加 工工艺为：桑树枝条经剥皮机处理成桑皮，桑皮经过酶处理、水洗、烘干，就得到桑 皮纤维，用酶处理方法得到的桑皮纤维的基本物理性能指标如下： 平均长度m 2 1 3 2 长度g v 1 9 3 1 细度d t e x 3 2 5 4 0 0 断裂强度c n d t e x 3 5 5 1 强力f v 2 3 3 4 断裂伸长率 4 1 2 标准状态下回潮率 9 1 0 由上可知，该课题仅得到桑皮纤维的长度、细度、强度、伸长率等基本指标，而 未对其形态特征、力学性能及热学性能等进行研究。 2 0 0 3 年，四川大学华坚对桑皮纤维的结构性能进行了研究“。发现桑皮纤维的 截面为三角形和椭圆形，结晶度为3 0 5 0 ，热分解温度为3 1 09 c ，并对桑皮及桑皮 纤维的结晶度进行了对比，认为脱胶后桑皮纤维的结晶度相对于脱胶前有所增大。该 课题未涉及桑皮纤维的力学性能、取向度、染色性能等方面的研究。 2 0 0 5 年东华大学张之亮等人对桑皮纤维的制取与基本性能进行了研究“”。采用 化学脱胶法制取纤维，对二煮法的工艺进行了三因子二次通用旋转组合设计，得出了 最优工艺：n a o h 浓度为1 4 5 9 0 9 9 l ，碱煮时间为9 6 0 3 6 0 m i n ，磷酸三钠用量为 5 5 0 9 5 。对化学脱胶法制取出的桑皮纤维的基本性能进行了测试，主要测试了桑皮 纤维的长度、细度、伸长率、回潮率、强度等基本物理指标。对桑皮纤维的微观结构 进行了初步研究，但对桑皮纤维的力学性能、染色性能未做研究，并且未涉及桑皮纤 维超分子结构对其力学性能、染色性能的影响。 长期以来，农户种植的桑树夏、冬季修枝后，树皮和树枝一般都焚烧掉，不仅污 染环境，也易引起火灾，如果能研制出制取加工桑皮纤维的技术，利用桑枝加工出桑 皮纤维纱，桑皮就有望“变废为宝”了。由中国纱线网报道的消息得知，2 0 0 5 年四 川省丝绸进出口公司打算在四川省建立2 0 万亩蚕桑基地，采取与农户合作的方式寻 找开发桑皮纤维的商机“”，但其运作效果未见有正式的报道。说明桑皮纤维的开发与 利用是目前纺织界关注的热点，但截止目前为止，尚未有大批量综合开发利用桑皮纤 维的成熟的经验。 6 1 绪论 国内及国外对桑皮纤维的研究现状表明，对桑皮纤维的丌发与利用是可行的，这 也是当前开发新型纤维的一个热点问题。目前该项研究尚处于起步阶段，要想加快对 桑皮纤维的开发与利用，就必须在前人对桑皮纤维性能初步研究的基础上，对其结构 与性能作进一步深入的研究，从而为桑皮纤维在纺织及非织造行业中的应用提供理论 参考。 1 5 本课题研究目的和内容 我国是世界上桑树种植面积和品种最多的国家，桑树资源丰富。桑树是一种易于 栽种和成活的树木，因此，充分利用我国合适的桑树资源生产桑皮纤维对林业和纺织 业都具有重大的经济价值。因纤维素纤维原料品种、生长地域、生长期、制取工艺、 所含杂质的不同，天然纤维素纤维的结构和性能存在着较大的差别，这对天然纤维素 纤维的纺纱、织造和染整加工等均会带来较大影响，所以对天然纤维素的结构和性能 进行研究具有重大的意义。 本课题的研究对象是栽桑养蚕的副产品桑树韧皮。我国的桑树栽培有悠久的 历史，自从人类开始养蚕以来，培植桑树的主要目的就一直是为了获取桑叶进行养蚕， 而对桑树的副产品桑树枝条的利用却极少，一般都是作为干柴烧掉。作为多年生 的木本植物，桑树具有生长快、枝条产量高、对土壤适应性强、好种植、易管理、经 济效益高等优点。由于桑树韧皮中纤维含量高、质量好，在造纸行业中是比较常用的 造纸原料，归为韧皮纤维原料类。本文的研究旨在对桑树韧皮进一步加以利用，对桑 树韧皮进行脱胶从而制取出桑皮纤维来，通过对脱胶后的桑皮纤维的各种基本性能及 其微观结构进行测试研究，以期对桑皮纤维有一个比较全面的认识和了解，从而尽快 使其达到作为纺织用或非织造用原料的目的。对桑皮纤维的开发利用不仅可以丰富麻 类原料的资源种类，增强我国麻类产品在国际市场上的竞争力，同时还可以满足人们 对新型纺织材料和天然纤维的需求心理。 桑皮纤维作为一种新型天然纤维素纤维，其性能符合现代生产和生活的需要，但 在实际生活中，这类纺织品所见所用还较少，对它的结构和性能也没有太多的了解， 关于采用生物一化学联合脱胶法制取出的桑皮纤维的结构与性能方面的研究，迄今尚 未见报道。针对目前桑皮纤维在应用上的这些不足，结合近年来已知的关于桑皮纤维 方面的知识，我们拟运用现代测试技术和方法对桑树韧皮、桑皮工艺纤维的基本性能 和单纤维的结构与性能进行较为系统的深入研究。 ( 1 ) 对桑皮纤维形态结构和超分子结构进行分析研究。本课题利用扫描电镜、 红外光谱、x 射线衍射等现代测试技术和方法，对桑皮纤维的形态结构和内部分子的 组成结构进行详细测试分析，对该纤维的纵向、横截面进行深入研究，测定结晶度和 绪论 取向度等影响纤维性能的主要因素。 ( 2 ) 对桑皮纤维的物理机械性质、吸湿性能、热学性能、电学性能等进行研究。 纤维的拉伸性质和吸湿性是影响纺纱的主要因素，对桑皮纤维的断裂强度、断裂伸长、 初始模量等进行具体的研究。 ( 3 ) 对桑皮纤维的可染性进行探索。染色是纺织生产中的一个重要环节，针对 桑皮纤维的结构特征和分子组成，选用活性染料对其可染性进行分析，测试桑皮纤维 在各种不同的活性染料中的上染性，同时，与棉纤维、苎麻纤维的染色性能进行对比， 为以后混纺织物的开发、生产提供一定参考。 ( 4 ) 利用灰色聚类分析理论对桑皮纤维的性能进行综合分析，以了解桑皮纤维 与麻类纤维性能的差异，判断其是否具有一定的可纺性。 本文旨在加深对桑皮纤维各项性能的基础研究，为拓展这一新型天然纤维素纤维 的应用提供系统的理论参考。 2 桑皮纤维的制取 2 桑皮纤维的制取 桑树发源于我国，栽桑在我国具有数千年的历史。作为蚕丝出口大国，我国有着 品种众多、种植面积广阔的桑树资源。 随着科技的发展，人们对桑树等自然资源的利用也在不断深入。在以栽桑养蚕为 主要目的的同时，人们对桑树资源的综合利用不断取得新的进展。桑树皮从作为人造 棉的原料，到作为造纸的材料，以及从中提取果胶加工成保健品，现在又开始尝试利 用桑皮脱胶后制取桑皮纤维，可以说对桑树资源逐步实现了综合利用与开发。对废弃 资源进行重新利用，顺应了可持续发展的政策，对于自然资源日益匮乏的今天有着重 要的意义。 2 1 桑树种类、生长周期、枝条构造 2 1 1 桑树种类 桑树是落叶性多年生木本植物，以乔木居多，在植物学分类上属于荨麻目桑科桑 属，桑种按自然分布区形成，品种之间很易杂交，可形成很多过渡类型。主要栽培和 野生的桑种有鲁桑、白桑、广东桑、蒙桑、鬼桑、山桑、黑桑、鸡桑、华桑、滇桑、 长果桑、瑞穗桑、长穗桑、川桑、唐鬼桑等十五种。栽桑主要是为了养蚕，但也有其 他用途。按用途分类，桑树可分为叶用桑、条用桑、果用桑、材用桑等四类m 1 。 随着桑树栽培与育种技术的提高，又培育出许多优质的新桑种，这些新品种的命 名有了更大的灵活性，不再按以往的大类来分，而是根据地方特色来直接命名，如本 课题的试验原料为陕西省安康市种植的湖桑品种。 2 1 2 生长周期 由于栽培桑树的主要目的是为了给蚕提供桑叶，所以一般不会让桑树长得太高， 以利于采摘桑叶。为了不浪费桑树的养分，防止桑树长得太高大，需要定期对桑树进行 修剪枝条，一般安排在每年的冬天进行“冬整”和夏天进行“夏伐”，从而保证桑叶具 有养分并确保长出的桑叶不会太老。用于制取桑皮纤维的桑树枝条是从桑树上定期修 剪下来的多余的枝条，这与麻类的栽培目的是为了得到韧皮纤维( 例如苎麻、亚麻、 罗布麻等) 或叶纤维( 如菠萝叶纤维、蕉麻、剑麻等) 有很大不同，桑皮原料受到养 蚕季节的限制，主要是不能影响桑树对养蚕主业的供给。 9 2 桑皮纤维的制取 “冬整”和“夏伐”为人们利用桑树枝条进行深加工以及造纸等行业提供了充足 的原材料。目前人们利用桑枝制作纸浆作为造纸的原料，从修剪下来的枝条中提取果 胶等物质加工保健品，利用桑树枝条提制取人造棉，本课题从桑树中制取桑皮纤维， 研究其结构与性能，以期实现对桑树枝条的进一步综合利用与开发。 桑树的寿命受采伐桑叶和株阃竞争等因素的影响一般在1 0 年以下，从种植到长 成树型需要5 年多时间。桑树的生命生长周期分幼龄、成林、衰老三个阶段，每年又 随气候变化有生长和休眠两个年生长周期“。掌握了桑树的生长周期，有助于使我们 分期分批收集试验原料，避免在桑树生长旺盛期取材，既保证不影响桑树产叶养蚕的 主业，又有充足的试验用原材料。 2 1 3 枝条构造 桑树枝条的成熟区自外向内由表皮层、皮层、韧皮部、形成层、木质部和髓部组 成删。 ( 1 ) 表皮层。表皮层位于最外层，表皮细胞的外壁覆盖着角质