魏 晨， 郭榮輝

(四川大學輕工科學與工程學院，四川成都610065)

黃麻纖維是屬于一種韌皮纖維，其可紡性較差。 因此，在加工利用的時候往往需要先通過梳理改性得到工藝纖維[1]。 黃麻的生長主要集中在亞熱帶到熱帶區(qū)域，在自然界中來源廣泛、原料豐富。黃麻纖維是價格低廉的纖維素纖維之一，早在我國古代就以黃麻作為麻袋的主要原理，為粗加工產(chǎn)品。 作為環(huán)境之友的黃麻纖維，隨著現(xiàn)代紡織技術(shù)的應用，對黃麻纖維進行各種改性處理，能夠制得不同功能的黃麻纖維[1]。 它與其他麻類物質(zhì)一樣，等同屬于韌皮纖維素纖維，被稱為“黃金纖維”[2]，具有熱濕舒適、染色性好、抑菌、力學性能好、廉價、可生物降解等優(yōu)異特性，其資源也十分豐富，種植和產(chǎn)量僅次于棉花。

1 黃麻纖維的分類和基本組成

黃麻的品種按照形態(tài)，一種稱為圓果種，另一種稱為長果種。 圓果種相比于長果種而言纖維的半徑更大，但是價格較低；長果種的可紡性能更好，制得織物更高檔[3]。

亞麻的加工改性纖維細度通常在2.2tex ～3.3tex，而黃麻工藝纖維細度一般在2.0tex ～3.5tex范圍內(nèi)[1]。 長果種的工藝纖維直徑要高于圓果種，這是因為圓果種細胞密度要高于長果種，并且纖維的細胞面積、孔腔面積等都小于長果種。 黃麻纖維以其莖部作為主要的支撐結(jié)構(gòu)，纖維素纖維環(huán)形圍繞莖部，有規(guī)則平行排列，存在著纖維層，以柔膜組織間隔開各個纖維層[4]。 麻莖部位會導致工藝纖維直徑有變化，纖維細胞成熟度與初生韌皮纖維的比例是決定麻莖部的工藝纖維直徑大小的兩個重要影響因素。 通常來說，工藝纖維的麻莖中部細度支數(shù)高，其基部是相對最低的。

黃麻纖維主要是由纖維素組成，存在著半纖維素、木質(zhì)素等雜質(zhì)，其具體成分含量見表1。 由表1可以看出，占主要成分的是以單纖維狀存在的纖維素，占58%～63%。 膠質(zhì)，也就是細胞間質(zhì)，指的是纖維間存在的物質(zhì)，這種物質(zhì)把黃麻纖維細胞之間相互粘結(jié)起來。 果膠是膠質(zhì)的主要成分，此外還有木質(zhì)素與半纖維素[5]。 其中，木質(zhì)素的存在會導致纖維的脆性較大，不適合用于服用紡織品。

表1 黃麻纖維組成的成分表

2 黃麻纖維的性能

2.1 黃麻纖維的外觀特性

由于黃麻纖維的單纖維較短，黃麻單纖維長度很短，一般為1mm～2.5mm，無法單獨紡紗[2]，且黃麻纖維手感粗硬，纖維剛性較強[1]。 因此，只能采用黃麻纖維工藝紡絲，黃麻纖維往往被稱為黃麻工藝纖維。 從纖維結(jié)構(gòu)上看，黃麻纖維是由許多單個纖維素細胞組成的，纖維素細胞呈纖維狀，纖維素細胞以平行方式排列，通過纖維中的果膠等雜質(zhì)黏結(jié)一起。 半纖維素與木質(zhì)素組合形成纖維基體，每個纖維素纖維都由更細的纖維素原纖平行交疊地嵌入基體中[3，5]。 因此，黃麻纖維的基本單元是纖維素原纖[2]。

從黃麻纖維莖部橫截面的電鏡圖上可以看到，每個纖維素單纖維含5 到30 個纖維細胞不登，每個基本纖維素細胞含有中腔，并且半纖維素和木質(zhì)素形成的基體中含有復雜的原纖結(jié)構(gòu)，這些都導致了基體的強力提高。 因為黃麻纖維中木質(zhì)素成分相對高，柔性相對差，黃麻纖維織物會更為硬挺，甚至產(chǎn)生刺癢感覺。 黃麻纖維縱截面呈竹子節(jié)狀，沒有天然卷曲，纖維細胞的厚度是統(tǒng)一的，整體無轉(zhuǎn)曲，纖維兩端細度較低。 因此，黃麻纖維會呈現(xiàn)出光澤感，其橫截面如圖1，大多呈無規(guī)則多邊形，纖維中含有較多無規(guī)則形狀的空腔，這些空腔的大小不一[4]，斷面有明顯的傾斜龜裂條痕。

圖1 黃麻纖維橫截面[4]

2.2 力學性能

黃麻纖維具有優(yōu)異的力學性能[4]。 經(jīng)過處理后的黃麻工藝纖維的比強度甚至接近E-玻璃纖維[6]。 黃麻纖維的抗沖擊性能也由于普通的天然纖維[7]，黃麻工藝纖維平均斷裂強度為2.8cN/dtex，斷裂伸長率為2.2% ～3.6%，胞壁密度為1.22g/cm3，通常長度為80.0mm ～150.0mm，細度為17dtex～36dtex 的黃麻工藝纖維用來制作麻繩、麻袋；長度為17mm ～25mm，細度為5.4dtex ～8.6dtex 的黃麻纖維用來制作麻布的工藝纖維[8]。

2.3 吸音性能

黃麻纖維具有較好的吸音性能。 由于黃麻纖維的單纖維細胞具有中腔結(jié)構(gòu)，且整體纖維也具有多尺度結(jié)構(gòu)。 因此，其吸音系數(shù)在天然纖維中是較高的。 Yang 和Li[9]對黃麻纖維織物及其環(huán)氧樹脂基復合材料的吸聲性能進行了探究討論，發(fā)現(xiàn)黃麻纖維相較于常見的一些高性能纖維，如玻璃纖維、碳纖維，甚至具有相對更好的吸聲性能[10]。 因此，黃麻纖維可廣泛地應用于吸音材料領(lǐng)域。

2.4 吸濕排汗性能

黃麻纖維的吸濕率高，透氣率較好，具有良好的吸濕排汗功能。 因為黃麻纖維屬于天然纖維，且其纖維素組分中含有大量含氧基團[1]，這些含氧基團的親水性很高。 此外，因為不規(guī)則的多尺度結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)，有助于毛細管效應，吸放濕的速度很快，具有導濕快干的特點。 人們往往會覺得麻織物的穿著舒適性好，其實這就是因為麻纖維導濕快干，幫助人體調(diào)節(jié)與外界環(huán)境的溫度濕度交換關(guān)系，緩解溫度濕度梯度，使人體濕熱平衡。 如果采用長果種的黃麻，經(jīng)過工藝處理，能夠提高紗線支數(shù)，讓黃麻纖維的手感柔軟，不再產(chǎn)生刺癢感。 因此，黃麻纖維可以廣泛應用于服飾領(lǐng)域[11]。

2.5 抗菌性能

天然黃麻纖維具有突出的抗菌性能。 黃麻纖維的多尺度結(jié)構(gòu)以及中腔結(jié)構(gòu)中能夠儲存大量的氧氣，這使得厭氧細菌無法在黃麻纖維內(nèi)部生存[8]。 同時，纖維組分中含有一種叫做麻鑿醇的物質(zhì)，該物質(zhì)具有抗菌性，幫助黃麻纖維抗菌抑菌能力的提高。 有實驗利用接觸法，對黃麻纖維的抗菌能力進行了檢測，其實驗結(jié)果如表2。 通過實驗數(shù)據(jù)分析，可以看出對大多數(shù)常見細菌，黃麻纖維的抗菌能力較好，存活率不超過40%[2]。

表2 黃麻纖維對各種纖維的存活率[2]

黃麻纖維屬于天然纖維，其吸濕排汗能力好。因此，特別適合作為人體衛(wèi)生保健服裝的原材料。因為黃麻纖維可以防止細菌交叉感染，在醫(yī)療方面也有著廣泛的運用前景[12]。

2.6 抗紫外線性能

黃麻纖維具有突出的抗紫外線能力。 其橫截面是異形的，這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)能夠很好的反射消散光波和聲波，其抗紫外線能力是十分突出的[2，12]。與常見的化纖抗紫外織物相比，黃麻纖維織物屬于天然纖維，既綠色環(huán)保、價格低廉，其優(yōu)良的吸濕透氣性能也對人體是有好處的，對人體健康無害，適用于暴露于室外時穿著或使用的紡織品，如夏天服飾、旅行服、窗簾布、帳篷布等。

2.7 生物降解性

黃麻纖維屬于可生物降解纖維。 黃麻纖維在自然界光熱和微生物作用下能自行降解，腐爛后沉淀[2]，最終產(chǎn)物是二氧化碳和水。 二氧化碳和水在自然界中大量存在，是對環(huán)境無污染的，這符合綠色環(huán)保的生態(tài)理念。 因此，現(xiàn)有很多研究以黃麻纖維為增強材料，以可生物降解材料為基體，制備完全可生物降解復合材料[13]，這可以極大的降低可生物降解材料的成本。 此外，可直接用黃麻纖維制成黃麻纖維素膜[14]，這種纖維素膜也是完全可降解的。

3 黃麻纖維的改性及復合

由于木質(zhì)素等不溶性物質(zhì)在黃麻纖維中含量較高，黃麻直接紡絲，得到黃麻纖維的可紡性差、手感粗糙、彈性較低。 這些問題是目前限制黃麻纖維開發(fā)的最主要問題。 因此，用于紡織的黃麻一定要先進行工藝處理[15-17]。

3.1 黃麻纖維的改性

3.1.1 黃麻纖維的精細化改性

黃麻的精細化處理方法有很多，例如有堿改性、脫膠、聚合，還有些直接進行黃麻的基因改性等[1]。

堿改性處理是簡單實用的方法，通過浸堿、皂化、漂白等工藝后，得到精細化黃麻纖維。 堿改性法是目前采用較多的方法，在黃麻纖維的復合材料中運用廣泛。 例如，有研究對黃麻纖維在室溫堿處理和熱處理的方法下進行物理改性，并將黃麻纖維與酚醛樹脂(PF)模壓成復合材料(JF/PF)，改性處理后的纖維均起到明顯的增強和韌化作用[18]。

細胞間質(zhì)是將單纖維黏著一起的化學成分，但是膠質(zhì)包含很多難溶成分，如果膠、木質(zhì)素等，使得黃麻纖維的手感是粗而硬的，這極大的影響了黃麻纖維的可紡性。 此外，黃麻單纖維細胞是很短的，僅有幾毫米的長度，難以紡絲，需要依靠果膠等物質(zhì)形成纖維束后再紡絲。 因此，黃麻纖維的脫膠不完全，只能采用部分脫膠[19]。 脫膠的主要方法為生物脫膠和化學脫膠。 生物脫膠利用微生物去分解黃麻纖維中的膠質(zhì)部分，且微生物對環(huán)境的影響也較小，屬于天然環(huán)保的一種改性方式。 化學脫膠的方法與苧麻的脫膠方式相似，主要需要對原麻浸泡在酸性溶液中，堿煮漂白后還需要再次在酸性溶液中洗滌，以此達到精細化。

聚合改質(zhì)是通過一些手段，使部分木質(zhì)素和半纖維素溶解去除，生成空隙，用水溶性聚合物處理填補，取得改質(zhì)效果。 經(jīng)改性過程后，一是黃麻纖維卷曲度會提升；二是黃麻纖維中的結(jié)晶度和聚合度都有下降，細胞間質(zhì)也大多脫除，雖然整體強力下降了，但是斷裂伸長率得到了提升；三是降低了木質(zhì)素的比重，使其形成的織物手感更加柔軟。 這種方式提高纖維的可紡性，為生產(chǎn)精品紡織品提供條件。

3.1.2 黃麻纖維的柔軟化改性

韓菊等[20]采用環(huán)氧交聯(lián)劑對黃麻纖維進行改性處理，結(jié)果表明，環(huán)氧交聯(lián)劑的加入，能夠代替膠質(zhì)對纖維起到集束的作用，使得黃麻纖維的柔軟度等得到了提升。

此外，還有研究利用生物酶和化學柔軟劑對其進行柔軟化處理。 化學柔軟劑能夠?qū)S麻纖維進行除雜處理，而生物酶對比起之前的交聯(lián)劑而言具有專一性，更加的溫和，可以降低其在柔軟化后的強度損失[21]。

3.1.3 黃麻纖維的羊毛化改性

黃麻纖維與天然羊毛具有相似的力學特征，為了使其與羊毛的外觀性能類似，黃麻纖維的柔軟必須得到提升。 因此，可以在堿性溶液的條件作用下，對其進行羊毛化處理，使其具有類似于羊毛的卷曲形態(tài)，使得其彈性、可紡性和柔軟性得到改善[2]。

3.1.4 黃麻纖維的表面改性

黃麻纖維密度小、相對高的強度和模量，并且成本廉價，適合作樹脂的復合材料的增強基體。 由于黃麻纖維含有大量親水基團，并且呈不規(guī)則多尺度結(jié)構(gòu)，有強的極性和親水性；但是樹脂的表面具有拒水基團，使表面呈現(xiàn)拒水，兩者間的復合相容能力相對弱，導致材料的各方面性能受到影響[22]。為了增強樹脂與纖維間的粘合性，往往會對需要進行復合整理的黃麻纖維進行表面處理，如等離子處理等，從而提高復合材料的強度。

3.2 黃麻纖維復合材料

3.2.1 增強材料

黃麻纖維的比強度接近E-玻璃纖維。 在20世紀90 年代，有研究將黃麻纖維與環(huán)氧樹脂短纖維通過復合制成增強材料，其拉伸強度、抗彎曲能力以及力學性能在當時優(yōu)于大部分增強材料[23-24]。

利用天然纖維，如黃麻纖維等作為其他高性能纖維的復合材料的研究較多。 例如，黃麻織物與不飽和聚酯樹脂制備得到復合材料的強力遠遠優(yōu)于樹脂本身，這是高性能天然纖維復合材料研發(fā)的一大技術(shù)基礎(chǔ)，相對于其他高性能纖維而言更為綠色環(huán)保[25-26]；用氫氧化鈉和苯丙乳液處理黃麻纖維，得到黃麻工藝纖維與聚丙烯之類增強毛毯類材料[27]；物理改性處理后的黃麻工藝纖維與酚醛樹脂直接壓制得到增強材料[28-29]；將沒食子酸月桂酯接枝改性在纖維表面，使纖維的表面呈疏水性，然后再與聚乳酸樹脂復合得到增強材料[30]，使其具有較高的強力。 近日，科學家們在曼徹斯特大學，首次將石墨烯與黃麻纖維復合制備石墨烯增強材料[31]。 李瑞等[26]以二維編織結(jié)構(gòu)的黃麻纖維為增強結(jié)構(gòu)，聚酯為基體樹脂，通過模壓工藝制備黃麻纖維/聚酯增強體，得到的材料機械性能十分優(yōu)異。

以上這些研究進展都為制造性能與環(huán)保兩不誤的綠色天然纖維復合材料做出了一大突破，將這種增強復合材料應用于各個行業(yè)，如交通領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域以及船體領(lǐng)域都能夠極大的降低增強材料的成本。

3.2.2 吸附材料

目前常見的吸附劑主要是活性炭、硅膠等。 黃麻纖維因為具有中腔結(jié)構(gòu)，且其資源相對而言更加豐富、價格優(yōu)勢大、可完全生物降解，是十分理想的綠色環(huán)保吸附劑代替品，在吸附材料領(lǐng)域有廣泛的運用[32-33]。 黃麻纖維對廢水中Cr6＋等有毒物質(zhì)的吸附能力已得到證實[34]。 此外，Huang 等[35]研究出黃麻纖維生物吸附劑連續(xù)去除苯胺和重金屬離子，進行了活性吸附質(zhì)改性吸附劑的實用設(shè)計，不僅僅在污水處理方面提供了一種新型材料，在吸音材料也有一定的研究進展。 這點在吸音性能中已做介紹。

3.2.3 阻燃材料

資源豐富的黃麻纖維，與其他當前正在應用的阻燃材料相比，成本更為便宜，也更加環(huán)保安全。將黃麻纖維進行常規(guī)的阻燃處理后，能夠與其他纖維材料混合制成一些非織造布，滿足于汽車內(nèi)飾。這種非織造布的力學性能優(yōu)異，且具有很好的透氣性能，對環(huán)境壓力小，符合汽車行業(yè)的發(fā)展需求[9-10]。 有研究使用阻燃劑DAG-50 與DAG-80，對黃麻纖維進行阻燃處理，得到的復合材料具有良好的阻燃性，并且制作成本低，是良好的阻燃材料替代品[36]。

4 黃麻纖維的應用

黃麻纖維的產(chǎn)品逐漸步入大眾視野，已然不是一開始局限在麻袋產(chǎn)品。 現(xiàn)在，在服用、家紡、包裝、工業(yè)用等領(lǐng)域中的黃麻紡織品也在不斷地被開發(fā)，而經(jīng)過改性的黃麻纖維也可以用于制備各種復合材料，可應用于各個高端技術(shù)領(lǐng)域。

4.1 服用領(lǐng)域

黃麻纖維通常不單一的出現(xiàn)在紡織品中，往往需要與其他紗線進行復合后織造。 復合方式主要有兩種：一是直接以黃麻纖維為緯紗，其他天然纖維為經(jīng)紗；另一種是將黃麻纖維在紡紗過程中與化學纖維進行復合加捻[1]。 與化學纖維復合得到的紗線用于服裝行業(yè)較多，其原因是黃麻復合紗在保證親膚性的同時還能夠降低紗線成本，且其手感完全可以代替中高檔的亞麻等產(chǎn)品。

黃麻纖維經(jīng)過精細化和柔軟化處理后，能夠紡出支數(shù)較高的紗線，這種紗線織造出的織物手感細膩、舒適，能夠直接用于服裝領(lǐng)域。 目前在國內(nèi)外的市場上，高檔黃麻面料十分常見[10]。

4.2 家紡領(lǐng)域

黃麻紗線原本是暖黃色調(diào)的，給人以親近自然、樸素簡單的感覺，適合用于溫暖風格的裝飾用品。 此外，黃麻纖維具有抑菌殺菌、防蟲螨等性能，可以避免細菌的滋生[2]。

可用黃麻纖維的編織物進行設(shè)計創(chuàng)新。 有設(shè)計師利用黃麻纖維，編織成各種形狀不一的燈罩，這種燈罩不僅透光性能很好，而且外觀具有黃麻纖維特有的挺括性，給家庭的裝修錦上添花。 此外，目前還有黃麻與合成纖維的混紡織物用來織造輕質(zhì)的窗簾。 如果將黃麻纖維與其他化學纖維(天絲、丙綸等)通過混合紡絲，制成混紡粗紗，可以生產(chǎn)各類毛織物，特別是毛毯。 這種混紡紗制成的毛毯相比于純羊毛毛毯，耐磨的性能更加優(yōu)異，還具有一定的隔熱性能。 這種混紡紗毛毯的成本遠低于純羊毛毯[37]。

4.3 包裝領(lǐng)域

由于黃麻纖維不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特點，其與別的天然纖維相比，光線投射在黃麻工藝纖維上更加亮麗，再經(jīng)過紡絲后整理，往往讓人感覺到古樸、簡單的美學風格，符合當代人追求的回歸自然的感覺，可以用于DIY 制作的牛皮紙袋的替換天然材料。黃麻纖維優(yōu)異的抗菌、抑菌性能，使其可以作為食品的外包裝材料[38]。 另外，因為黃麻纖維的防水性能與力學性能較為優(yōu)異，且大部分電子產(chǎn)品對空氣濕度的敏感度很高，受濕度影響而被破壞。 因此，黃麻纖維也可以作為電子產(chǎn)品的外包裝材料。黃麻纖維用于包裝材料，可以讓人感受到返璞歸真的純樸氣息[2]，符合當下“與自然和諧相處”的社會趨勢。

4.4 工業(yè)領(lǐng)域

目前黃麻纖維在工業(yè)領(lǐng)域中主要以增強復合材料和土工布等形式存在。

黃麻復合材料具有價格低廉、高機械性能、耐化學腐蝕等優(yōu)點。 黃麻纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應用目前可總結(jié)為三大類：增強材料、吸附材料和阻燃材料。 例如，黃麻纖維與熱塑性樹脂(聚丙烯)合成的一種復合材料——“麻塑粒子”，其力學性能優(yōu)于單一聚丙烯材料，而且黃麻纖維是生物可降解的，可代替容易被腐蝕的天然木材，保護環(huán)境，廣泛應用于汽車領(lǐng)域、建筑構(gòu)件等。 將黃麻纖維下腳料織成獨特網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的管狀物，生產(chǎn)出的土工布可改善土壤微環(huán)境，具有優(yōu)異的水土保持效果。 黃麻纖維的復合增強材料還可以用于加固水庫、公路等建筑的邊坡，以及環(huán)境保護(水土流失、沙漠化問題)、環(huán)境裝飾等方面[39]。

5 結(jié)束語

黃麻纖維作為可再生的天然纖維，具有天然纖維優(yōu)良的吸濕導熱性和生態(tài)環(huán)保性，比常見的天然纖維具有更高的強力、抗菌性與抗紫外線能力，是理想的環(huán)保材料。 對黃麻纖維進行改性后，其應用范圍更為廣泛，黃麻纖維的價格相較于同等性能的纖維更為低廉。 因此，黃麻纖維可作為一些高性能纖維的替代纖維與其他高性能纖維進行復合，應用于服用、家紡、包裝以及工業(yè)領(lǐng)域。 黃麻纖維的增強材料、吸附材料以及阻燃材料是目前的研究熱點，如何將黃麻纖維高性能復合材料的科研成果運用于實際的生產(chǎn)過程中，仍然是一個迫切需要去解決的問題。