全 文 ：80 中国纤检 2011年 4月（上）
纤维·广角
Fiber and its Wide Watch
牛角瓜（见图1）是近年来发现的有利用潜力的能源
植物之一，主要分布在我国广东、广西、海南、四川、云
南等地，以及印度、印度尼西亚、老挝、马来西亚、尼泊
尔、巴基斯坦、斯里兰卡、泰国、越南、非洲等干旱、半
干旱及盐碱地区。牛角瓜属(Calotropis R.Br.)，隶属于萝摩
科牛角瓜属植物，该属约有6种，广泛分布于亚洲和非洲
的热带亚热带地区。我国盛产其中的两种，一种为牛角瓜
(Calotropis gigantea L.)，又名断肠草、五狗卧花，分布于海
南、广东、四川和云南，另一种为白花牛角瓜( Calotropis
procera L.) ，在广东、广西、云南有零星分布[1−3]。

图1 牛角瓜照片
牛角瓜在民间具有广泛的药用价值，其根、茎、叶、
果及各部位的白色汁液均可药用，具有抗菌、消炎、驱
虫、化痰、解毒等作用，用于哮喘、咳嗽、麻风病、溃
疡、痔疮、肿瘤等疾病的治疗[4-7]。牛角瓜汁液含有多种化
学成分，可用来开发液体燃料和有用化学品[8-9]。以甲苯提
取白花牛角瓜，不同提取方法提取物得率为8%～18%，用
红外光谱和核磁谱等检测提取物含有烷烃，但未报道其含
量[10-11]。对印度东北部产的白花牛角瓜研究表明，整株植
物中油脂的含量为4.7%左右，热值与原煤接近[12]。
牛角瓜纤维(akund)[13]是从牛角瓜的种子上生长出来
的，属天然植物纤维，其成分基本上由纤维素组成，与现
在大量种植和使用的原料纤维——棉同属天然植物种子纤
维，与逐步应用于家纺填充原料的木棉纤维同属，是一种
亟待开发和利用的天然纤维。初步研究表明，牛角瓜纤维
有足够的潜力用于纺织面料或作为纤维增强复合材料的替
代原料[14-15]。但是目前国内外对于牛角瓜纤维结构与性能
的报道较少。
本文从牛角瓜纤维的外观形态、结晶结构、机械性能
和热稳定性能等方面进行了研究，并与普通棉纤维进行了
比较。
1 试验部分
1.1 材料
来源于我国云南地区的天然野生植物。
1.2 测试及表征方法
1.2.1 红外吸收光谱测试(FT-IR)
Nicolet 380 傅里叶红外(FT-IR)光谱仪，美国Thermo
牛角瓜纤维的结构与性能研究
Study on the Structure and Property of Akund Fiber
文/费魏鹤 胡惠民 李璇 李卫东
摘要：
采用SEM、FT-IR、XRD和TG分析研究了牛角瓜纤维的形态、微观结构、结晶结构和热稳定
性能，测定了其机械性能、含水率、回潮率，分析了其溶解性能，并与棉纤维进行了比较。
关键词：牛角瓜纤维；微观结构；热稳定性能；机械性能
812011年 4月（上） 中国纤检
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Electron公司。
1.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
JSM-5600 LV扫描电子显微镜，日本。加速电压
20 kV。
1.2.3 X-射线衍射测试(XRD)
P/MAX-B型X-射线测试仪，日本理光公司。
1.2.4 热重分析(TG)
测试仪器NETZSCH TG 209 F1。测试温度从25℃到
700℃，升温速率为10℃/min，氮气流量为20mL/min。
1.2.5 纤维力学性能测试
FAFEGRAPH-M型短纤维强力拉伸仪，德国Textechna
公司。测定条件：样长20mm，拉伸速度10mm/min。
2 结果与讨论
2.1 化学组成分析
牛角瓜纤维主要成分全纤维素69%，α-纤维素49%，
木质素23%，灰分3.8%[15] 。牛角瓜纤维与棉纤维红外谱图
见图2。棉纤维的红外吸收光谱，显示的是典型的纤维素
的特征峰，没有出现非纤维素的吸收峰，这是因为棉纤维
具有很高的纤维素的含量，通常在97%以上。牛角瓜纤维
的特征峰与棉纤维相比有明显的差异，这些差异主要是由
非纤维素成分导致的。
在3300cm-1附近为O—H的伸缩振动，1030cm-1左右
为六元环醚键的伸缩振动。2845cm-1～2920cm-1的区域为
C—H伸缩振动区，在这一区域两种纤维均在2916cm-1和
2847cm-1处显示了一个双重峰，Andreeva等人把该处的吸
收峰归结为非纤维素多糖的C—H不对称伸缩和对称伸缩
振动[16]。棉纤维几乎不含有木质素，而牛角瓜纤维有较高
的木质素含量，因此牛角瓜纤维的红外光谱中1508cm-1处
归结为木质素的芳环骨架振动有较强的振动吸收[17]，而在
1650 cm-1～1900 cm-1之间为来自木素和半纤维素的醛基、
酮基、羧基、酯基等基团的振动吸收峰。
图2 牛角瓜纤维与棉纤维的红外吸收光谱
2.2 纤维形貌
众所周知，棉纤维为细长不规则转曲的带状，牛角瓜
纤维纵向外观显然与棉纤维有明显不同(如图3所示)，其呈
现的是光滑的圆柱形，几乎没有什么转曲。

图3 牛角瓜纤维的纵向形态
两种棉纤维的横截面也有显著差异(如图4所
示)，最为明显的是牛角瓜纤维的壁很薄，平均仅有
0.6µm~1.2µm，而直径达20µm~28µm，中空的程度达
80%，纤维宽壁厚的比值达20(如表1所示)。因而牛角瓜纤
维作为保暖絮料具有优势，相比而言，棉纤维是相当丰满
的，胞壁厚而胞腔小，胞宽壁厚的比值只有2.1。

(a)牛角瓜纤维横截面 (b)棉纤维横截面
图4 牛角瓜纤维(a)和棉纤维(b)的横截面
从图5牛角瓜纤维梢端和末端的比较可知，梢端较
细、顶端封闭、末端开口。

(a) 牛角瓜纤维的梢端 ( b)牛角瓜纤维末端
图5 牛角瓜纤维的梢端（a）与末端图（b）
图6为末端（a）与中部截面（b）比较，末端壁厚较
薄，内外壁结合较好，而中部截面可以明显看出内外壁及
中间存在空隙。

（a）牛角瓜纤维末端 （b）牛角瓜纤维中部截面
图6 牛角瓜纤维末端（a）与中部截面（b）比较
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牛 角 瓜 纤 维 长 度 2 0 m m ~ 4 0 . 5 m m ， 平 均 长 度
34.175mm，标准偏差为4.2493。直径约20µm~28µm，壁厚
0.6µm~1.2µm。纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲；
梢端较细，顶端封闭，中段较粗，末端开口。纤维截面为
圆形或椭圆形的大中空管壁，中空度高达80%～90%。
表1 牛角瓜纤维和棉纤维的形态特征参数
2.3 X-衍射分析
牛角瓜纤维的广角X射线衍射曲线见图7，其结晶度
为34.07%，明显小于棉纤维的结晶度。很显然木质素、
半纤维素和蜡质等无定形成分导致了牛角瓜纤维结晶度
的降低。
图7 牛角瓜纤维的X射线衍射图
2.4 热性能分析
牛角瓜纤维的TG曲线分别如图8所示，40 ℃~100 ℃
的失重对应的是水分的挥发。牛角瓜纤维在250℃左右开
始降解，而棉纤维在270℃左右开始降解[17]。因为较多的
结晶结构有利于改善纤维素的热稳定性[18]，同时在半纤维
素、纤维素和木质素等三种植物材料的主要成分中，半纤
维素的热分解温度最低，而木质素的热稳定性能最好[19]。
显然，牛角瓜纤维中较低的结晶度和半纤维素含量较高是
其热稳定性较低的主要原因。
图8 牛角瓜纤维的热失重曲线
2.5 吸湿性和机械性能
由表2、表3可以看出，牛角瓜纤维比棉纤维的回潮率
和含水率略高，牛角瓜纤维比棉纤维线密度小、断裂伸长
低，但是断裂强度基本相同。
表2 牛角瓜纤维和棉纤维的吸湿性(二级标准大气条件)
表3 牛角瓜纤维和棉纤维的机械性能
2.6 耐酸耐碱性及化学溶解性
牛角瓜纤维具有较好的化学性能，耐酸性好，常温下
稀酸对其没有影响。将木棉纤维置于不同的溶剂中，在不
同的溶解条件下观察其化学溶解情况，结果见表4。
表4 牛角瓜纤维的耐酸耐碱性及化学溶解性
3 结论
（1）牛角瓜纤维具有较高含量的木质素和半纤维素。
（2）牛角瓜纤维壁很薄，平均仅有0.6µm~1.2µm，
而直径达20µm~28µm，长约34mm，纤维截面为圆形或椭
圆形的大中空管壁，中空的程度达80%，纤维宽壁厚的比
值达20。纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲；梢端
较细，顶端封闭，中段较粗，末端开口。
纤维 直径或宽度/µm 长度/mm
腔宽壁
厚比值
牛角瓜纤维 20~28 34.175 26
棉纤维（成熟细绒棉） 18~25 23~33 2~3
项目 牛角瓜纤维 棉纤维
回潮率/% 13.49 8~13
标准偏差 0.4262 -
含水率/% 11.88 10（标准）
标准偏差 0.3312 -
项目 牛角瓜纤维 棉纤维
线密度/ dtex 0.93~0.97 1.43~2.22
断裂强度/( cN/dtex) 干态：3.42 干态：2.6~4.9
断裂伸长/% 2.6 3~7
试剂
时间
5min 15min 30min
75%硫酸(40℃） P S S
59.5%硫酸（40℃） P P P
甲酸-氯化锌(40℃) I P P
甲酸-氯化锌(75℃) P P P
80%甲酸（常温） I I I
20%盐酸（常温） I I I
1mol/L次氯酸钠（常温） I I I
DMF（95℃） I I I
65%硫氰酸钾（75℃） I I I
冰乙酸(20℃) I I I
冰乙酸(沸) I P P
2.5%氢氧化钠(沸） I P P
5%氢氧化钠(沸） I P P
注：符号表示S-溶解，P-部分溶解，I-不溶解
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（3）牛角瓜纤维结晶度为34.07%，明显小于棉纤维
的结晶度。木质素、半纤维素和蜡质等无定形成分导致了
牛角瓜纤维结晶度的降低。
（4）牛角瓜纤维热分解温度低于棉纤维，在250℃左
右开始降解，而棉纤维在270℃左右开始降解。
（5）牛角瓜纤维回潮率13.5%、含水率11.8%，比棉
纤维的略高。线密度0.93dtex~0.97dtex、断裂伸长2.6%，
比棉纤维低。断裂强度3.42cN/dtex，与棉纤维基本相同。
（6）牛角瓜纤维具有较好的化学性能，耐酸性好，
常温下稀酸对其没有影响。
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（作者单位：费魏鹤、李璇、李卫东，上海市纤维检
验所；胡惠民，上海魔树生物科技有限公司）