全 文 ：第 37 卷 第 7 期
2016 年 7 月
纺 织 学 报
Journal of Textile Ｒesearch
Vol． 37，No． 7
Jul．，2016
DOI:10. 13475 / j． fzxb． 20150404706
云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性
崔玉梅1，2，程隆棣1，肖远淑2
(1． 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620;
2． 新疆大学 纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830046)
摘 要 为了解云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性能，测试了这种纤维的标准回潮率、吸放湿曲线及吸水率，建
立了吸、放湿回归方程和吸、放湿速率回归方程，并与棉纤维比较。结果显示:牛角瓜纤维比棉纤维有更好的吸湿
性，其标准回潮率为 11. 4%。牛角瓜纤维的吸湿滞后性大于棉，其吸、放湿行为可以用指数模型描述，放湿速率显
著高于棉纤维，吸湿与放湿平衡时间的差异更大。牛角瓜纤维比棉纤维的吸湿量和吸、放湿速率明显高，将使其织
物有更好的穿着舒适性。牛角瓜纤维和棉纤维都表现出不易浸润的特性，但牛角瓜纤维的吸水率(133. 62%)明显
高于棉(74. 98%)，有作为吸水材料的潜在价值。
关键词 牛角瓜;果实纤维;吸湿性;回潮率;吸水率
中图分类号:TS 102. 2 文献标志码:A
Moisture absorption of wild Calotropis gigantea fiber in Yunnan
CUI Yumei1，2，CHENG Longdi1，XIAO Yuanshu2
(1． Key Lab of Textile Science ＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China;
2． College of Textiles and Clothing，Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang 830046，China)
Abstract To investigate the moisture absorption property of the wild Calotropis gigantea (C． gigantea)
fiber in Yunnan of China，the moisture regain of C． gigantea in standard atmosphere and water absorptive
capacity were measured and compared with cotton fiber． The moisture adsorption /desorption curves and
the moisture adsorption /desorption rate curves were analyzed． The experiment results indicate that C．
gigantea fiber exhibits superior hygroscopicity compared to that of cotton，and under standard atmospheric
conditions，the equilibrium moisture regain of C． gigantea is 11. 4% ． The hysteresis between the
adsorption and desorption isotherms of C． gigantea fiber is higher than that of cotton in all relative
humidity range． The C． gigantea fiber s moisture adsorption-desorption behavior can also be described
using an exponential model． Its moisture desorption rate and the difference of the moisture absorption and
desorption equilibrium time are significantly higher than that of cotton fiber． The hygroscopic capacity and
moisture absorption /desorption rate of C． gigantea fibers are high in comparison with cotton fibers． Thus，
C． gigantea fabric when wearing is more comfortable than cotton fabric． Both C． gigantea fiber and cotton
fiber exhibit poor infiltration property，but the adsorption capacity of C． gigantea fiber，being 133. 62%，
is significantly higher than that of cotton (74. 98%)． It concludes that fibers extracted from C． gigantea
pod can be an ideal source as absorbent materials．
Keywords Calotropis gigantea;fruit fiber;hygroscopicity;moisture regain;absorption capacity
收稿日期:2015 － 04 － 25 修回日期:2015 － 03 － 01
作者简介:崔玉梅(1962—)，女，副教授，博士生。主要研究方向为纺织新材料，纺织加工新技术。程隆棣，通信作者，E-mail:
ldch@ dhu． edu． cn。
牛角瓜是一种生长在热带、亚热带地区的多年
生灌木植物，具有很高的经济价值和药用价值，其果
实纤维是一种生态环保的新型纤维素纤维。牛角瓜
纤维细长如棉，光泽如丝，轻盈保暖，抗菌防蛀，可作
第 7 期 崔玉梅 等:云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性
为床上用品的填充絮料、救生衣和救生艇的浮力材
料、轻质复合材料的增强基等［1 － 2］。对牛角瓜纤维
的纺纱性能已有初步的研究，与棉混纺实验中牛角
瓜纤维的混纺比已达到 67%和 75%［3 － 4］。
吸湿性能是纺织纤维最重要的特性之一。对牛
角瓜种属纤维吸湿性能的研究目前大多集中在对含
水率和回潮率指标的测试。高 静 等［5］ 依 据
GB 5883—1986《苎麻回潮率、含水率试验方法》测
试牛角瓜、木棉和棉纤维的回潮率和含水率，结果显
示牛角瓜纤维的回潮率大于棉和木棉;Sakthivel
等［3］测试了白花牛角瓜纤维的回潮率和含水率，并
与棉纤维比较;Louis 等［4］也评价了 2 种马利筋纤
维(A． syriaca 和 C． gigantea)的吸湿性;Woeppel
等［6］研究了 2 种马利筋纤维的水分特性，测试了含
水率、回潮率、吸水速度和吸水率等指标，其中吸水
速度和吸水率实验参照非织造布的测试方法和
标准。
本文采集云南昆明地区的野生牛角瓜果实纤
维，测试其含水率、回潮率、吸放湿曲线、吸放湿速率
曲线和吸水率等指标，并与棉纤维或木棉纤维做对
比分析。本文目的在于明确云南驯化野生牛角瓜果
实纤维的水分特性，以便更好地挖掘其作为纺织原
料和吸水性材料的潜在价值。
1 实验部分
1. 1 实验材料与仪器
实验材料:野生牛角瓜纤维(云南昆明)、长绒
棉(新疆吐鲁番)。
实验仪器:YG747 型八篮恒温快速烘箱;
YG601型透湿试验箱，温度范围为 20 ～50 ℃，湿度范
围为 20% ～ 95%，箱内气流速度为 0. 3 ～ 0. 5 mm/s;
YG002型纤维细度仪;电子天平(0. 000 1 g)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 吸湿实验
取 1 g试样，在 50 ℃烘箱内烘 1 h，称取烘后质
量，将试样置于标准大气条件下，使试样进入吸湿过
程，记录试样的质量变化，前 80 min每隔 5 min称量
1 次，其后每隔 10 min称量 1 次，直至试样达到吸湿
平衡。称取试样干态质量，计算吸湿过程中的回潮
率，以吸湿时间为横坐标，回潮率为纵坐标绘制吸湿
曲线。
1. 2. 2 放湿实验
将 1 g试样密封于盛有蒸馏水的玻璃干燥器内
48 h，使试样在 100%相对湿度时达到吸湿平衡，再
将试样置于标准大气条件下放湿。以放湿时间为横
坐标，回潮率为纵坐标绘制放湿曲线。
1. 2. 3 吸湿与放湿等温线测试
透湿仪的温度设置为 30 ℃，相对湿度分别设置
为 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和 90%，
当仪器内的温、湿度达到设定值时，放入烘干后的试
样，每个试样在箱内平衡 2 h后取出称量，计算其回
潮率。以相对湿度为横坐标，试样回潮率为纵坐标
绘制吸湿等温线。同理，使试样在 100%的相对湿
度下达到吸湿平衡，再将试样置于不同的湿度环境
下进行放湿平衡，计算试样在不同湿度环境下的回
潮率，绘制放湿等温线。
1. 2. 4 吸水性实验
将待测纤维放在标准大气中平衡 48 h，称取 1 g
样品放入盛有1 000 mL去离子水的量杯中，观察纤
维在水中的浸润情况;将纤维完全压入水中，30 min
后取出试样，自然悬垂滴水 30 min 后称取试样质
量，按式(1)计算纤维吸水率。
Wa =
Gsw － Gew
Gew
× 100% (1)
式中:Wa 为纤维吸水率，%;Gew为试样原始质量，g;
Gsw为吸水后的试样质量，g。
2 结果与分析
2. 1 回潮率和含水率
本文测得牛角瓜纤维和新疆长绒棉在标准大气
条件下的回潮率分别为 11. 4%和 7. 7%。高静等［5］
测得牛角瓜、棉和木棉纤维的回潮率分别是
11. 9%、7. 0%和 9. 3%。显然，牛角瓜纤维的吸湿
性明显高于棉纤维，也高于同为大中腔、薄壁的木棉
纤维。
高吸湿纤维吸附的水分为 2 类:一类是结合水，
存在于纤维外表面、内部空隙表面、晶区表面和无定
形区，且与纤维素的羟基形成氢键结合;另一类是游
离水，即当纤维吸湿达到饱和点后，水分子继续进入
纤维的中腔和孔隙中，形成多层吸附水或毛细水。
水对纤维材料的可及性取决于材料的几何结构和组
成。牛角瓜纤维的结晶度大于棉，无定形区比例大，
晶区颗粒小、比表面积大;牛角瓜纤维为薄壁大中腔
结构，中空度高达 80%以上［7］，其半纤维素和果胶
物质含量也高于棉(见表 1)，而半纤维素聚合度低
(80 ～ 200) ，亲水基团数量多，对水分子高度可及。
·32·
纺织学报 第 37 卷
上述因素都会使牛角瓜纤维比棉有更多的结合水和
大毛细水，因而，牛角瓜纤维表现出比棉纤维明显大
的吸湿性。木棉与牛角瓜纤维的组成与结构非常相
似，但木棉纤维亲水的果胶含量少很多，结晶颗粒较
大(见表 1、2)，这些因素可能导致木棉纤维吸湿能
力小于牛角瓜纤维。衣着用纤维一般要求吸湿平衡
回潮率在 12% ～ 14%之间。牛角瓜纤维符合人体
对纺织纤维吸湿性的要求，且轻柔保暖、防霉防蛀、
低过敏［8 － 9］，可以预测其织物具有良好的服用舒
适性。
表 1 牛角瓜、木棉和棉纤维的化学组成及结晶结构
Tab． 1 Chemical composition and crystal structure of C． gigantea，cotton and kapok fibers
纤维类别
纤维素
(α-纤维素)/
%
半纤维素
(木聚糖)/
%
木质素 /
%
蜡质 /
%
果胶 /
%
灰分 /
%
结晶度 /
%
晶粒尺寸 /nm
101
晶面
002
晶面
牛角瓜纤维 49 ～ 64 20 ～ 24 18 ～ 23 2 ～ 3 3. 0 ～ 3. 8 1. 2 ～ 3. 8 29. 7a 2. 7a 3. 2a
木棉 35 ～ 50 22 ～ 45 15 ～ 22 2 ～ 3 0. 41 1. 4 ～ 3. 5 33 ～ 48 3. 66a 3. 96a
成熟细绒棉 93 ～ 95 2 ～ 6 0. 5 ～ 1 0. 3 ～ 1. 0 1. 0 ～ 1. 5 0. 8 ～ 1. 8 70. 3 3. 82a 4. 86a
注:a为本文测试结果;牛角瓜纤维数据来自文献［2，5］;木棉纤维数据来自文献［10 － 12］;成熟细绒棉数据来自参考文献［13］，其中蜡质
成分为含脂肪的数值;结晶度测试采用 X射线衍射法。
表 2 牛角瓜、木棉和棉纤维的形态特征参数
Tab． 2 Morphological parameters of C． gigantea，
kapok and cotton fibers
纤维类别
直径 /
μm
中空度 /
%
壁厚 /
μm
腔宽壁
厚比值
牛角瓜纤维 18 ～ 37 80 ～ 90 0. 6 ～ 1. 2 20 ～ 26
木棉 20 ～ 43 74 ～ 90 1. 0 ～ 3. 0 —
成熟细绒棉 18 ～ 25 40 2. 5 ～ 4. 0 2 ～ 3
注:牛角瓜纤维数据来自文献［2，7］;木棉纤维数据来自文
献［10 － 12］;成熟细绒棉数据来自文献［13］。
2. 2 吸放湿等温线
图 1 示出 30 ℃时牛角瓜纤维和长绒棉的吸放
湿等温线。由图可见 2 种纤维的吸放湿曲线都呈
S型(IUPAC type II)，这与其他天然纤维的吸放湿
行为一致［16 － 17］;且放湿曲线比吸湿曲线更接近于直
线。从曲线形态看，牛角瓜纤维的吸湿机制与长绒
棉完全一致;2 种纤维吸湿滞后的区域均集中于
70% ～ 90%高湿范围，这与 2 种纤维均有较显著的
湿态膨胀特性有关。高湿环境下，吸附到纤维胞壁
内的结合水对纤维素基质(由无定形木质素、半纤
维素和果胶构成［15］)产生膨胀压力，导致胞壁内无
定型区大分子间的距离拉大，纤维结构变松［14］，毛
细管变粗，使毛细管凝结水大量增多。这种变化是
不可逆的，因而当大气湿度降低时，纤维能保持更多
的水，产生更大的吸湿滞后性。
纤维吸湿滞后程度与吸湿后纤维结构的变化有
关［14］，这可能是受纤维中木质素含量的影响［15］。
通常用吸放湿纤维含水量的差异表征，其计算公
式为
图 1 牛角瓜纤维和长绒棉的吸放湿等温线
Fig． 1 Equilibrium moisture absorption and desorption
isotherms of C． gigantea and cotton fibers
Hy =
Md － Ms
Ms
× 100% (2)
式中:Hy为湿滞度，%;Md 和 Ms 分别是纤维的放湿
与吸湿平衡回潮率，%。该公式排除了吸湿量对纤
维吸湿滞后度的影响。
图 2 示出 2 种纤维湿滞度随相对湿度变化的曲
线。在 30% ～ 70%范围内，随相对湿度增加，牛角
瓜纤维湿滞程度明显增加，说明此阶段吸湿增加引
起的纤维胞壁结构改变较小;在 70% ～ 90%相对湿
度时，纤维湿滞程度呈明显下降趋势，说明在高湿环
境下牛角瓜纤维结构发生了很大的变化。而长绒棉
是在 80% ～90%相对湿度时湿滞度下降，反映出长
绒棉纤维结构更稳定。此外，在整个吸放湿过程中，
牛角瓜纤维的湿滞度都大于长绒棉，这可能与牛角
瓜纤维木质素含量高有关，木质素网状物吸湿后容
易变形［15］，从而能容纳更多的水。在 100%的相对
湿度下，牛角瓜纤维和长绒棉的平衡回潮率分别为
·42·
第 7 期 崔玉梅 等:云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性
18. 87%和 11. 58%。棉纤维在高湿环境下的回潮
率显著低于牛角瓜纤维，也低于亚麻(19. 4%)和大
麻(25. 0%)等纤维素纤维［13］。这是因为棉纤维无
定形多糖成分少，也可能与棉纤维的原纤维间质刚
度大，能更好地抵御吸湿膨胀压力带来的纤维结构
变化有关。
图 2 牛角瓜纤维湿滞度随相对湿度的变化
Fig． 2 Effects of relative humidity on hysteresis
between absorption and desorption isotherms for
C． gigantea and cotton fibers at 30 ℃
2. 3 吸放湿曲线
图 3、4 分别示出牛角瓜纤维和长绒棉在标准大
气条件下的吸放湿曲线。由于 2 种纤维的吸湿机制
一致，因此吸放湿曲线的形状相似。牛角瓜纤维比
长绒棉达到吸湿和放湿平衡都需要更长的时间，且
吸放湿平衡时间的差异更大，这可以用纤维吸湿膨
胀造成纤维胞壁结构不可逆变化的差异性来解释。
此外，高吸湿纤维的吸湿积分热大，在相同大气条件
下，吸湿后所需散热时间长，因此，达到放湿平衡也
需更长时间。
图 3 牛角瓜纤维和长绒棉的吸湿曲线
Fig． 3 Moisture absorption curves for C． gigantea
and cotton fibers
2. 4 吸放湿拟合方程
纤维的吸放湿过程可用指数规律描述［16］。经
初步拟合实验的探索，本文选择指数模型描述纤维
图 4 牛角瓜纤维和长绒棉的放湿曲线
Fig． 4 Water desorption curves for C． gigantea
and cotton fibers
的吸放湿行为，得到 2 种纤维吸湿回潮率对时间的
回归方程为
Wsg = 8． 10 － 7． 76e
－ t18． 46 (3)
Wsc = 5． 89 － 5． 71e
－ t12． 48 (4)
放湿回潮率对时间的回归方程为
Wdg = 8． 50 － 41． 59e
－ t79． 58 (5)
Wdc = 8． 23 － 11． 08e
－ t31． 62 (6)
式中:Wsg和 Wsc分别为牛角瓜纤维和长绒棉吸湿过
程 t时刻的回潮率，%;Wdg和 Wdc为 2 种纤维放湿过
程 t时刻的回潮率，%;t为吸、放湿时间，min。
用 F值检验法对吸放湿回归方程检验，吸湿方
程式(3)、(4)的 F值分别为12 377和14 823，P 值均
为 0(＜ 0. 05)，Ｒ2 均为 0. 993;放湿方程式(5)、(6)
的 F 值分别为 34 632和 77 216，P 值均为 0(＜
0. 05)，Ｒ2 均为 0. 998。所以，2 种纤维的吸放湿方
程回归都极为显著，其吸放湿规律可以用指数模型
描述。
2. 5 吸放湿速率方程
吸湿或放湿速率被定义为标准状态下单位质量
的纤维材料瞬间吸收或放出水分的量。依据
式(3)、(4)可得到牛角瓜纤维吸湿和放湿速率方
程为
Vsg = 0. 42e
－ t18． 46 (7)
Vdg = 0. 52e
－ t79． 58 (8)
依据式(5)、(6)可得到长绒棉的吸湿和放湿速
率方程为
Vsc = 0. 46e
－ t12． 48 (9)
Vdc = 0. 35e
－ t31． 62 (10)
式中:Vsg、Vsc分别为牛角瓜纤维和长绒棉的吸湿速
率，90 /min;Vdg、Vdc 分别为 2 种纤维的放湿速
·52·
纺织学报 第 37 卷
率，% /min。
根据式(7)～(10)绘制牛角瓜纤维与长绒棉的
吸放湿速率曲线，结果见图 5、6。由图可知，牛角瓜
纤维的放湿速率始终大于吸湿速率;吸湿和放湿的
初始速度都比较快，随后吸湿速率迅速下降，而放湿
速率下降缓慢。棉纤维的放湿速率始终小于牛角瓜
纤维，其吸放湿速率都下降的很快，在更短的时间内
达到放湿平衡。牛角瓜纤维吸湿量和吸放湿速率都
高于棉纤维;可以预测，用牛角瓜纤维加工的服装可
以迅速而大量地吸收人体排出的汗液，并迅速地排
除，从而加快身体散热，降低皮肤温度，减轻对环境
的不舒适感，即牛角瓜织物将比棉织物有更好的穿
着舒适性。
图 5 牛角瓜纤维与长绒棉的吸湿速率曲线
Fig． 5 Moisture absorption rate curve of C． gigantea
and cotton fibers
图 6 牛角瓜纤维与长绒棉的放湿速率回归曲线
Fig． 6 Moisture desorption rate curve of C． gigantea
and cotton fibers
2. 6 吸水性
表 3 示出 2 种纤维吸水性的测试结果。将未负
载的 2 种纤维放入水中 48 h，纤维仍悬浮于水面。
这是因为纤维表面或者说初生胞壁上存在天然的蜡
质使得纤维拒水。牛角瓜纤维比棉纤维表面含有更
多的蜡质(见表 1)，同木棉纤维一样，细胞壁内含约
20%疏水的木质素，可以预见牛角瓜纤维和木棉纤
维的吸水速度都比棉小，能在水中悬浮更长的时间，
应而具有成为浮力材料的潜在价值。
表 3 牛角瓜纤维和棉纤维的吸水性
Tab． 3 Water absorption on C． gigantea
and raw cotton
纤维类别 吸水率 /% 吸水速度(沉没时间)/h
牛角瓜纤维 133. 62 ＞ 48
长绒棉 74. 98 ＞ 48
本文测得牛角瓜纤维和长绒棉的吸水率分别为
133. 62%和 74. 98%，按标准回潮率折算成干纤维
吸水率后，1 g牛角瓜纤维可以吸附 1. 48 g 的水，而
1 g棉纤维只能吸附 0. 81 g的水，1 g 木棉纤维可吸
附 1. 03 g水(浸润 3 h)［10］。
图 7 牛角瓜纤维吸水后的纵向外观(× 10)
Fig． 7 Lengthwise appearance of C． gigantean fibers (× 10)．
(a)Few minutes after soaking in water;
(b)48 h after soaking in water
中空纤维对水的吸附主要发生在纤维中腔。用
光学显微镜观察牛角瓜纤维的吸水过程发现，水遇
到纤维就迅速进入纤维中腔。因牛角瓜纤维胞壁内
含有疏水的木质素，表面含有疏水的蜡质，可阻止水
通过胞壁进入，可以认为水是通过纤维开口端进入
中腔。在纤维接触到水的初始阶段，可以观察到纤
维中腔有很多气泡，部分纤维内还有气泡在快速流
动(见图 7(a)) ，说明空气正在从纤维中腔排出;吸
水一段时间后，水能够充满整个中腔(见图 7(b))。
棉纤维的中腔较小，因而吸水少。
·62·
第 7 期 崔玉梅 等:云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性
牛角瓜纤维虽然与木棉有相似的形态结构，有
接近的木质素和蜡质含量，但牛角瓜纤维比木棉纤
维结晶度小得多(见表 2)，无定型区大，胞壁的结构
更疏松，细胞壁厚度也比木棉薄，可以认为牛角瓜比
木棉纤维的吸水膨胀更大，有更大的中腔和孔隙滞
留更多的水。可以预测，用牛角瓜纤维做吸水材料
其制品比木棉有更优良的性能。
3 结 论
1)牛角瓜纤维的吸湿性与棉纤维显著不同，其
标准回潮率为 11. 4%，远大于棉纤维(7. 7%)。牛
角瓜纤维良好的吸湿性能较好地满足人体对纺织穿
着的要求。
2)牛角瓜纤维的吸放湿等温线呈 S 型，符合高
分子材料的吸放湿行为。但纤维结构不如棉稳定，
水分子更易进入纤维内部。
3)牛角瓜纤维比棉达到吸放湿平衡需要更长
的时间，且吸放湿平衡时间的差异更大，反映出因吸
湿膨胀引起的胞壁结构变化更大。
4)牛角瓜纤维的吸湿回潮率随时间的变化规
律呈现指数规律，其吸湿放湿速率都比棉纤维快，且
吸湿量大，其织物比棉织物有更好的服用舒适性。
5)牛角瓜纤维和棉纤维均表现出不易浸润的
特性，投入水中 48 h 仍不下沉;牛角瓜纤维吸水率
大于棉，有成为吸水材料的应用价值。 FZXB
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