泉州产木棉果与纤维形态特征及其吸油性能

杨竹丽，李清林，关福旺，江大伟，王府梅，邱夷平，张初阳

(1.泉州师范学院 纺织与服装学院，福建 泉州 362000；2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

木棉是高大落叶乔木，主要产地为东南亚地区、非洲、中国华南和西南各省[1],其具有高抗旱性、速生性和高存活率，能够很好地适应恶劣环境，非常适合修复海南已退化的热带森林生态系统[2]。海南大量种植木棉树，因此木棉纤维有广泛的来源。目前应用的木棉纤维品种主要有木棉属的木棉种、长果木棉种和吉贝属的吉贝种[3]。

木棉为天然纤维素纤维，纵向为圆柱形，表面光滑，截面为原型或椭圆形[4]。木棉纤维两端封闭，中腔内充有空气，中空率高达80%～90%[5]，其细胞壁非常薄，壁厚仅为1～2 μm[6]，这种薄壁大中空的结构，使其多用作为吸油、保暖、浮力材料或填充材料[7]。木棉纤维还具有抗菌、驱螨、防霉等优点，可用于床上用品、卫生盥洗类纺织品[8-9]。木棉纤维价廉易得、可回收、可降解，在海洋石油泄漏、生活污水处理等方面具有巨大的应用潜力。

文献[10-11]研究确定木棉纤维的主要组成物质为纤维素约64.0%，木质素约13.0%，水分8.6%，水溶性物质4.7%～9.7%，木聚糖2.3%～2.5%，灰分1.4%～3.5%，蜡质0.8%。肖红[12]深入研究攀枝花木棉的微细结构和基本性状，测得木棉纤维单纤维密度为0.30 g/cm3、结晶度为35.9%，胞壁结构比棉纤维疏松，因此油液更容易进入到木棉纤维的内部。刘美霞等[13]对木棉纤维进行碱处理，Hu等[14]采用超声波处理木棉纤维，在去除木质素和半纤维素后，均得到螺旋带状的纤维素。Dong等[15]对木棉纤维表面进行超疏水化处理，破坏其表面蜡质，并接枝甲基三氯硅烷，赋予纤维超疏水特性。Wang等[16]在木棉纤维表面接枝甲基丙烯酸丁酯，大大提高了吸油倍率。刘杰等[17]发现吸油后的木棉纤维表面出现折痕，纤维之间相互黏连。Yang等[18]发现木棉纤维细胞壁存在大小不一的微孔，为油分子进入中腔提供路径。徐艳芳等[19]采用木棉粉末料在自然状态下吸油，吸油量约是木棉原纤维的50%。范金玥等[20]以木棉纤维为原料，采用酸水解处理方法，成功制备了纳米I型纤维素。

我国市场上应用的木棉大部分为印尼木棉，国产木棉没有得到有效利用，既浪费资源，又给人们生活带来困扰。在福建地区木棉树已大量存在，以泉州地区的木棉树为例，木棉每年2～4月陆续开花，5月果实成熟，蒴果开裂，木棉絮随风飘落，不仅影响环境整洁，木棉纤维易进入人体鼻腔还会引起咳嗽、流涕，甚至引发哮喘等病症；纤维飘落至皮肤上还容易引起皮肤痛痒、眼结膜发炎等过敏性反应[21]。因此，希望通过对泉州本地产木棉纤维的性能进行探究，推动国产木棉在市场中的应用，有效利用木棉果实，使木棉变废为宝是本研究重点。

1 木棉果结构分析

木棉果实为卵圆形，蒴果开裂显现出果实内椭圆形的种子，棉絮呈灰白色，由果皮内壁细胞蔓延成纤维[22]，即木棉纤维。将采集到的泉州本地木棉(以下简称“泉州木棉”)果实与印尼爪哇岛产的吉贝木棉(以下简称“印尼木棉”)果实进行对比。

1.1 果实外观

印尼木棉果和泉州木棉果的外观形态类似，但又略有不同。成熟的印尼木棉果长度为20～30 cm，为细长圆柱状，如图1(a)所示，其外壳坚硬，呈现棕黄色，外皮光滑，但是有凹凸的纹路[23]。泉州木棉果如图1(b)所示，果实近似枣核形，中间鼓，两端稍尖，颜色呈现茶黑色，表面凹凸不平，有细细的绒毛。与印尼吉贝木棉果相比，泉州木棉果整体较小，长度为11～14 cm。随机选取2个印尼木棉果和5个泉州木棉果，测量长度如表1所示。

图1 木棉果外观Fig.1 Appearances of kapok fruit

表1 木棉果基本信息Table 1 The specification of kapok fruit

1.2 果实内部形态结构

木棉花为5片花瓣，蒴果成熟后也分裂为5瓣。沿着蒴果分裂的方向打开木棉果，果实内部结构如图2所示。由图2可知，果皮的内部结构略有不同，印尼木棉果皮内侧为一个个椭圆形的小凹坑，而泉州木棉果皮内侧很平整，仅有一根沿着果实长度方向的分割线。这样的果皮内侧结构与纤维的排列方式(见图3)是一致的。由图3可知：印尼木棉果内，纤维沿横向呈簇状排列；泉州木棉果内，纤维沿纵向呈列状排列。

泉州木棉果内部结构如图4所示。由图4可知，泉州木棉和印尼木棉的果实内部结构差别不大。果实中部被薄层的木质壁(见图4(a))分为结构相同的5室，5个薄层的木质壁呈五角星状排列。木棉纤维中散布着黑色的圆球形木棉籽(见图4(c))，种子和纤维几乎没有黏连。初步测量发现，泉州木棉果每一室木棉纤维之间的距离大约为3 cm，木质壁平均长度为10～11 cm，比果实外壳稍短。

图2 蒴果皮内侧结构Fig.2 Inner structure of capsule skin

图3 纤维排列方式Fig.3 The arrangement of kapok fibers

图4 泉州木棉果内部结构Fig.4 The inner structure of Quanzhou kapok fruit

2 纤维形态特征分析

2.1 材料

本地木棉，在泉州本地采集的木棉果实及木棉纤维；印尼木棉，印尼吉贝木棉，由江西玮誉家纺有限公司提供。

2.2 测试指标与试验方法

2.2.1 纤维长度

参考标准GB 1103—2007《棉花 细绒棉》，将木棉纤维试样通过手扯法逐根测量纤维长度，尽量保证木棉纤维扯开时不被扯断，用直尺测量，并保留一位小数。

2.2.2 纤维细度

木棉纤维为圆形截面，直径可以准确反映木棉纤维的厚度和非均匀性，因此选择直径表征纤维细度。参考标准GB/T 10685—2007，将纤维切成片段后放在BM 2000型生物显微镜的载物台上放大500倍投影，将楔形尺校准后测量纤维直径。

2.2.3 表面蜡质含量

采用索氏萃取法，用油脂浸抽器萃取木棉纤维表面的蜡质。将烧瓶烘干后，注入有机溶剂，称取一定质量的木棉纤维放入烧瓶，溶解木棉纤维表面蜡质，烘干称得烧瓶质量为m3，根据式(1)计算得到木棉纤维蜡质的质量分数Q。

(1)

式中：m1为烘干的空烧瓶质量，g；m2为烘干木棉纤维样品质量，g。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 纤维长度

采用逐根测量法，分别测量100根泉州木棉与印尼木棉得到纤维长度分布，如图5所示。由图5可知：印尼木棉的长度为8.0～34.0 mm，68%集中分布于21.0～34.0 mm；泉州木棉的长度为10.0 ～30.0 mm，65%集中分布于14.5～27.5 mm。印尼木棉纤维平均长度为23.5 mm，变异系数为30.70%；泉州木棉纤维平均长度为20.2 mm，变异系数为28.86%。由此可知：印尼木棉平均纤维长度略大于泉州木棉，且长纤维分布较广；印尼木棉纤维长度分布离散度更高，泉州木棉纤维长度分布更集中。

图5 木棉长度统计Fig.5 The length statistics of kapok fiber

2.3.2 纤维细度

木棉纤维细度一般为15～45 μm[24]，呈现出尾端稍细、中段较粗、梢端较细的形态。不同地区不同品种的木棉纤维细度略有差别。采用显微投影法测试了200组木棉纤维细度，如图6所示。由图6可知，印尼木棉纤维细度为5～40 μm，94.5%集中分布于10～30 μm，平均细度为22.08 μm。泉州木棉纤维细度为5～40 μm，92%集中分布于15～35 μm，平均细度为24.26 μm。由此可知，两种木棉纤维细度接近，泉州木棉纤维平均细度更高。

图6 木棉细度统计Fig.6 The fineness statistics of kapok fiber

2.3.3 纤维形态

在BM 2000型生物显微镜的不同放大倍数下观察木棉纤维的纵向形态，如图7(a)～(d)所示。由图7(a)～(d)可知，泉州木棉纤维和印尼木棉纤维纵向皆为圆柱形，管壁非常薄，在显微镜下可以看到纤维呈透明管状(图中黑色为液体进入中腔所致)，外表光滑，光泽好，可以观察到明显的薄壁中空结构。

图7 木棉纤维的纵向和横截面形态Fig.7 Longitudinal and cross-section morphology of kapok fiber

利用Helios 5UC型扫描电镜观察木棉纤维纵向和横截面形态，如图7(e)～(h)所示。由图7(e)～(h)可知，泉州木棉纤维和印尼木棉纤维纵向为光滑圆柱形，截面为圆形，同样为薄壁大中空的结构，同时薄壁上分布有无规则的裂隙和孔径，孔径贯穿整个细胞壁，为气体和油液分子进出中腔提供路径。泉州木棉纤维基本无转曲，而大部分印尼木棉纤维有转曲，且纤维截面被压扁。这应该是在采集和加工时，印尼木棉纤维被压折所致，泉州木棉为手工采集，不存在这样的现象。

2.3.4 表面蜡质含量

木棉纤维表面蜡质的存在使其具有天然的亲油疏水性能。两种木棉纤维表面蜡质质量分数如表2所示。表2中数据表明，泉州木棉表面蜡质的质量分数略高于印尼木棉，并且波动较小，含量较稳定。

表2 木棉纤维蜡质质量分数Table 2 Epidermis wax mass fraction of kapok fiber %

3 吸油性能分析

3.1 材料

采用第2.1节中的泉州木棉纤维、印尼木棉纤维进行试验；油液为植物油(大豆油)、机油。采用NDJ-8 S型旋转黏度计和4号转子测得油液黏度如表3所示。由表3可知，两种油的黏度百分数均在10%～100%的测量标准范围，表明黏度测量准确性。

表3 油液黏度Table 3 Oil viscosity

3.2 测试指标与试验方法

利用吸油倍率和保油率两个指标对两种木棉纤维的吸油性能进行评价。因为散纤维质量较轻，直接放进油液里会分散开，不利于试验后续的收集和质量称取，因此采用无纺布袋包裹纤维进行测试。每次试验所用的无纺布袋质量相等，故忽略无纺布袋对吸油试验产生的影响。

3.2.1 吸油倍率

吸油倍率为木棉纤维吸收油液的质量与木棉纤维质量的比值。取100 mL的纯油液放入500 mL烧杯中，称取2 g木棉纤维放入无纺布袋中放入烧杯浸泡吸油15 min后取出，置于漏网上静置20 min后称量。吸油倍率(q)按式(2)计算。

(2)

式中：m4为木棉纤维质量，g；m5为吸油15 min又静置20 min后的木棉纤维质量，g。

3.2.2 保油率

保油率为木棉纤维吸饱油液后在室温下放置24 h后，剩余油液质量与油液饱和质量之比。测量方法与吸油倍率的测试方法一致，将试样在室温下静置24 h后称量。保油率(b)按式(3)计算。

(3)

式中：m6为吸油后静置24 h后的木棉纤维质量，g。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 吸油倍率

为了明确两种木棉纤维的吸油性能，选择原棉纤维、竹原纤维、聚乳酸纤维等3种纤维作为对比样。分别取2 g不同纤维置于100 mL大豆油和100 mL机油中吸油15 min，再静置20 min,然后根据式(2)计算得到吸油倍率的平均值，如图8所示。由图8可以看出，不论是纯机油还是纯大豆油，木棉纤维的吸油倍率普遍高于其他3种纤维，其中原棉纤维的吸油倍率次之，竹原纤维的吸油倍率最低。

图8 不同纤维集合体的吸油倍率Fig.8 Oil sorption capacity of different fibers assembly

竹原纤维表面有许多较细的凹槽，纵向有粗细分布不匀的横节，虽然其也呈现高度中空，但吸水能力更强。聚乳酸纤维内部蓬松，分子端基为羟基和羧基[25]，亲水性更佳，因此竹原纤维和聚乳酸纤维的吸油性能略差。虽然文献[26]利用热处理使竹原纤维表面产生亲油性物质，提高亲油能力，文献[27]采用静电纺丝等技术制备超疏水亲油的聚乳酸纤维，但是两者的吸油倍率仍然不及木棉纤维。原棉虽同为棉纤维，吸油性能优于竹原纤维和聚乳酸纤维，但低于木棉纤维。木棉纤维表面有一层烷烃类和脂肪酸类蜡质，使其具有亲油疏水的性能。木棉纤维集合体吸附油液主要通过两种途径:一是纤维中腔吸油，木棉纤维细胞壁上存在着大小不一的巨孔、中孔和微孔，油分子由此路径进入纤维中腔，油液得以储存[18]；二是纤维间隙吸油，纤维集合体中纤维与纤维间隙存在芯吸效应，能吸收并储存部分油液。因此，木棉纤维集合体具有优良的油液吸附性能，对纯大豆油的平均吸油倍率高达41.05。

由图8可知：2 g泉州木棉纤维在100 mL纯大豆油里的平均吸油倍率为41.05，高于印尼木棉(34.00)；2 g泉州木棉在100 mL纯机油里的平均吸油倍率为37.85，高于印尼木棉(32.43)。由第2.3节可知，泉州木棉纤维与印尼木棉纤维在长度、细度等方面相差不大，但泉州木棉纤维表面蜡质质量分数高于印尼木棉，因此纤维疏水亲油性更强，对油分子具有更强的吸附能力。

对比两种木棉纤维和3种其他纤维对大豆油和机油两种不同油液的吸油倍率，结果发现5种纤维对大豆油的吸油倍率均高于机油。由于机油的黏度远大于大豆油，而油液黏度较大时，随着黏度升高，上油率下降[28]。因此纤维吸附机油的能力低于大豆油，吸附机油的速度也低于大豆油。

3.3.2 保油率

2 g不同品种的5种纤维在100 mL大豆油和100 mL机油中吸油15 min静置24 h后根据式(3)获得保油率结果,如图9所示。由图9所知，木棉纤维的保油率优于其他纤维，其中，泉州木棉纤维在纯大豆油中的平均保油率为97.48%，在纯机油中的保油率为97.97%，部分试验值高达99.74%，保油率最佳。木棉纤维的中腔结构为储存和保持油液提供了绝佳场所，泉州木棉对油液的保持能力也高于印尼木棉。

此外，机油的黏度远高于大豆油，不容易从纤维中分离。因此，在同样的试验条件下，5种纤维对纯机油的保油率都高于纯大豆油。

图9 不同纤维的保油率Fig.9 Oil retention rate of different fibers

3.3.3 循环使用性能

为了验证木棉纤维的重复吸油性能，将印尼木棉纤维和泉州木棉纤维在大豆油和机油中分别重复使用2～7次，测试其吸油倍率和重复使用7次的保油率。木棉纤维重复使用的吸油倍率如图10所示。

图10 木棉纤维集合体重复使用的吸油倍率Fig.10 Oil sorption capacity of recycling kapok fiber assembly

从图10中可以看出:随着重复使用次数的增加，两种木棉纤维的吸油倍率都呈下降趋势，且数据波动增大；重复使用2次和3次时，纤维吸油能力急剧下降；随着使用次数持续增加，纤维吸油能力下降趋势减缓，基本保持稳定；但重复使用7次使用时，纤维吸油能力又开始下降。因此，木棉纤维吸油材料的重复使用次数最好不要超过6次。泉州木棉纤维重复使用7次时：对大豆油的平均吸油倍率为22.83，平均保油率为85.1%；对机油的平均吸油倍率为19.53，平均保油率为89.3%。印尼木棉纤维重复使用7次时：对大豆油的平均吸油倍率为18.17，平均保油率为88.3%；对机油的平均吸油倍率为17.54，平均保油率为87.8%。两者与聚丙烯纤维的吸油能力类似。此外，泉州木棉纤维的重复吸油能力略优于印尼木棉纤维。

4 结 语

为充分利用国产木棉的优良特性，将泉州木棉在果实、纤维形态特征和吸油性能等方面与印尼木棉进行对比，得出以下结论：

(1)泉州木棉果和印尼木棉果的外观形态和内部结构比较接近，但泉州木棉果呈茶黑色，表面有细微绒毛，果实形状为枣核形，果实长度和周长普遍较小。泉州木棉果实内部由木质壁均匀分为五室，纤维紧贴木质壁生长，沿着果实方向呈列状排列。

(2)泉州木棉纤维长度为10.0～30.0 mm，集中分布于14.5～27.5 mm，平均长度为20.2 mm，略小于印尼木棉，但长度分布更均匀。纤维细度与印尼木棉接近，分布于5～40 μm，集中分布于15 ～35 μm。纤维纵向呈圆柱形，表面有光泽，纤维壁很薄，截面为圆形，可以观察到明显的中空形态。泉州木棉纤维的蜡质的质量分数约为1.660%，高于印尼木棉纤维。

(3)泉州木棉纤维在纯大豆油里的平均吸油倍率为41.05，平均保油率为97.48%；在纯机油里的平均吸油倍率为37.85，平均保油率为97.97%。泉州木棉纤维的吸油性能高于印尼木棉纤维。

(4)木棉纤维的重复吸油性能较好，为了保证吸油质量，重复使用次数以6次为宜。