绿色环保型香蕉纤维研究进展

孙亚虎 张美玲 C. T. Bagiritima 郑广伟

1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院(中国) 2. 天津邦维锦润纺织有限公司(中国)

香蕉树生长快，果实甜美，在中国等130多个国家广泛种植[1]。香蕉被采摘后，大量香蕉树的茎秆等被当作废物丢弃或燃烧，不仅浪费资源，而且还造成了严重的环境污染。为解决这一问题，近年来，人们以香蕉茎秆为原料，研究科学高效、适于大规模产业化的香蕉纤维脱胶和纺纱工艺。香蕉纤维的性能与麻纤维相似，其原料丰富，价格低廉。2019年，全球香蕉产量达到11 666.38万t，其中，中国香蕉产量1 165.57万t，仅中国一年便可产生上千万吨与香蕉果实等量的香蕉茎秆，可以用作提取香蕉纤维的原料。由香蕉纤维制成的纱线，可用于制作服装或产业用纺织品。目前该领域已取得一定的研究成果，真正实现了变废为宝。

1 香蕉纤维的组成、结构及性能

1.1 香蕉纤维的组成

香蕉纤维分为香蕉茎纤维和香蕉叶纤维。香蕉叶纤维的强力较香蕉茎纤维差，且香蕉叶纤维的单纤维长度较小，因此不适合纺纱和织造。目前，关于香蕉叶纤维的研究较少。本文所述的香蕉纤维指香蕉茎纤维。香蕉茎纤维为韧皮纤维，属于新型天然纤维素纤维，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，还包含少量的灰分和水溶物等。

香蕉纤维与亚麻、黄麻[2]11、苎麻和汉麻纤维[3]的主要组成成分如表1所示。因香蕉产地、生长期和茎秆部位的不同，其化学组成成分也存在一定的差异。从表1可以看出，香蕉纤维中的纤维素含量与苎麻和亚麻纤维接近，但香蕉纤维的纤维素含量波动范围比苎麻、亚麻纤维大。相对于苎麻、亚麻纤维而言，香蕉纤维半纤维素和木质素的含量较多。这表明与其他麻类纤维相比，香蕉纤维较为粗硬，弹性较差，不利于纺纱。因此，需要通过脱胶改善纤维性能，提高香蕉纤维的可纺性。香蕉纤维的脱胶是一项重要且复杂的工艺。获得性能良好的香蕉纤维是开发和利用这种纤维的重要保障和前提。

表1 香蕉纤维与部分麻类纤维的组成成分

1.2 香蕉纤维的结构与性能

香蕉纤维的横截面多为腰圆形，粗细差异很大。部分香蕉纤维的横截面类似于棉纤维，呈腰圆形且包含中腔。多数香蕉纤维与麻纤维类似，其中腔到细胞壁之间存在明显的裂痕。少部分香蕉纤维的横截面呈腰圆形且无中腔。香蕉纤维纵向平直，且具有明显的横节，部分呈现天然的转曲状态，有的横节上还有鳞片样的凸起。其形态结构与麻纤维相似，又呈部分棉、毛纤维的特征。图1是香蕉纤维在不同放大倍数的光学显微镜和扫描电子显微镜下的横、纵向截面图。

图1 香蕉纤维横截面的光学显微镜照片和纵截面的扫描电镜照片[4]

表2是香蕉纤维与麻纤维微观结构的比较。纤维微观结构采用X光衍射法及偏振光显微镜的贝克线法测试。

表2 香蕉纤维与麻纤维的微观结构比较[2]11

香蕉纤维呈乳白色或棕黄色，密度为1.3～1.4 g/cm3，比玻璃纤维的密度(2.50～2.56 g/cm3)小。香蕉纤维结晶度为44.25%，亚麻纤维结晶度为66.24%，较低的结晶度使得香蕉纤维具有较好的吸湿性和染色性。分别用活性蓝KN-B、活性黄3RS、活性红2BD这3种染料对香蕉与亚麻纤维进行染色，结果发现，香蕉纤维的上染率与固色率均略高于亚麻纤维[5]。香蕉纤维的回潮率较高，为 5.13%～20.23%。纤维容易降解，这影响其力学性能。但经碱处理后，纤维的回潮率降低，力学性能提高。表3是香蕉纤维与亚麻、黄麻纤维力学性能的对比。

表3 香蕉纤维与亚麻、黄麻力学性能对比

香蕉纤维与麻纤维的组成和结构相似，物理力学性能也类似于麻纤维。香蕉纤维具有普通麻类纤维的优点，强度大、伸长小、初始模量大、吸湿放湿能力强，但其纤维粗硬，弹性较差。

2 香蕉纤维的制取工艺

香蕉纤维的制取主要包括两个部分：一是香蕉纤维的提取，二是香蕉纤维的脱胶。通过提取可去除香蕉茎秆中含有的大量水分和杂质，但分离出的香蕉纤维单纤维长度比较短，仅为2.0～3.8 mm，其单细胞宽度也较小，为11～34 μm。这种纤维主要用于手工编织以制作室内装饰品，如窗帘、坐垫等。由于香蕉纤维的单纤维太短，不能直接用于纺纱。因此，香蕉纤维的脱胶宜采用与亚麻、黄麻相近的半脱胶方式，脱胶时需保留部分胶质，使纤维黏连，从而具有一定的长度，以便用于纺纱[6]。

2.1 香蕉纤维的提取方法

香蕉纤维提取的主要方法有机械方法和化学方法两种。香蕉纤维最早是通过手工剥取完成的。将香蕉茎杆撕成片状，在刮板装置上反复刮取(图2)，从而得到能够用于装饰品制作的粗纤维。

1——刮杂装置; 2——滚扎装置; 3——传送装置。图3 机械法提取香蕉纤维示意图

图2 人工提取香蕉纤维

人工提取香蕉纤维方法劳动强度大、生产效率低，所得纤维含杂率高，不适于产业化加工需要。目前，人们开始尝试改装剥麻机，以通过机械方式提取香蕉纤维(图3)，使提取效率大幅提高。

张喜瑞等[7]对香蕉纤维的提取设备进行研制和试验，成功研制出可移动的全喂入香蕉茎秆纤维提取机。该机器每小时能够提取约206.6 kg香蕉纤维，提取100.0 kg香蕉茎秆纤维的能耗为 22.3 kW·h，满足生产需求。李双等[8]借鉴手动刮胡刀设计原理，设计出双层渐近式刀片结构，优化了移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机的工作性能，使纤维提取率从14.50%提升至约16.03%，纤维含杂率从14.21%降至约9.85%，并且在多片茎秆片叠加时，机器的加工性能更加稳定。

2.2 香蕉纤维的脱胶方法

香蕉纤维的脱胶可借鉴麻类工艺纤维的脱胶工艺，主要有化学脱胶、生物脱胶以及机械脱胶等。机械脱胶符合现代环保发展理念，但成本较高。生物脱胶是利用生物酶或微生物来分解胶质，该方法脱胶时间长，脱胶率低，生物酶或微生物选择性强，成本较高。化学脱胶已大规模应用于工业中，其脱胶效率高，获得的纤维性能良好，但需要改善这种方法的环境友好性。图4是化学脱胶前后香蕉纤维的纵向扫描电子显微镜图。

图4 香蕉纤维纵向扫描电子显微镜图

2.2.1 化学脱胶

2.2.2 机械脱胶

香蕉纤维的机械脱胶方法也有较多相关研究。王春等[13]采用超声波处理的方法对香蕉纤维进行脱胶处理，在超声波清洗机中对香蕉纤维进行30 min预处理(处理温度为50 ℃，功率为200 W)后，胶质去除率高于36%。处理后分别加入氢氧化钠、硅酸钠、亚硫酸钠和三聚磷酸钠溶液至烧杯中，在100 ℃条件下继续煮炼2.5 h。经测试，所得香蕉纤维的木质素含量为3.32%(质量分数)，半纤维素含量为25.81%(质量分数)。文献[14]介绍了一种利用汽爆技术对香蕉纤维进行脱胶的方法。此法是采用含半纤维素酶、果胶酶和木质素酶的复合酶对香蕉纤维进行酶脱胶处理，然后将纤维放入汽爆罐中，设定压力参数后，瞬间释放、水洗并脱水。采用这种脱胶方式，所得香蕉纤维的残胶率可由15.57%降至3.03%，白度由40%增至63%，断裂强度由8.0 cN/tex提升至14.6 cN/tex。

2.2.3 生物脱胶

生物脱胶法目前大多用在试验研究当中。Vellaichamy等[15]对香蕉纤维进行酶处理脱胶，采用了3种方法并进行对比试验。测试了纤维的负荷、伸长、断裂强度和弹性模量等，结果发现，经酶处理后的纤维，断裂伸长率为2.86%，且纤维直径显著减小，均匀度较好。Vardhini等[16]采用漆酶和木聚糖酶处理香蕉纤维。结果表明，两者都能去除木质素，但作用机理不同。漆酶直接作用于木质素，而木聚糖酶则有助于纤维素与木质素间木聚糖的水解，从而去除纤维中的木质素。由于木聚糖酶是间接去除木质素的，因此与漆酶处理相比，木质素的去除量较少，但半纤维素去除率达61%，远高于漆酶。研究还发现，当酶浓度过高时，纤维断裂强度会大幅下降，原因可能是酶浓度过高会导致纤维降解。Shroff等[17]用半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶分别处理香蕉纤维，得到最佳酶浓度和处理时间后，用3种酶进行综合处理，然后测试分析纤维的质量损失、强度损失、白度指数和柔软度，得到酶的最佳组合：3种酶用量相对纤维质量的百分数(o.w.f)分别为半纤维素酶5%、果胶酶2%、纤维素酶5%。生物脱胶法以酶处理为主，这种方式较为环保，但是脱胶强度小，效率较低，因此工业生产上较少采用此方法进行脱胶处理。

2.2.4 联合脱胶

联合脱胶是将两种脱胶方法结合起来，以达到更好的脱胶效果。熊月林等[18]采用生物酶-化学联合脱胶的方法对香蕉纤维脱胶工艺进行了研究，并确定了最佳处理工艺。测试发现，所得香蕉纤维的残胶率降至5.42%，木质素残余率仅为1.58%，纤维强力为88.63 cN，断裂伸长率为3.11%，纤维线密度可低至3.13 tex，基本可满足纺纱的要求。刘文娟[19]对香蕉纤维分别进行了化学和生物酶脱胶，确定最优工艺后，在该工艺条件下进行了化学-生物酶脱胶、生物酶-化学脱胶的联合脱胶，然后测试纤维的残胶率、断裂强度、断裂伸长率和白度指标。结果发现，生物酶-化学脱胶后的纤维残胶率较低，为10.32%，而化学-生物酶脱胶后的纤维残胶率则为12.46%；生物酶-化学脱胶后纤维的白度高达63.42%，高于化学-生物酶脱胶的54.28%；两种脱胶工艺处理后，所得纤维的断裂强度和断裂伸长率相差不大，生物酶-化学脱胶法对纤维的损伤相对较小。综上所述，生物酶-化学联合脱胶的方法可产生较好的脱胶效果。

3 香蕉纤维的应用

随着环保意识的增强，人们对天然纤维产品的开发愈加重视。天然纤维具有成本低、资源丰富、可再生、可生物降解性等诸多优良特性。香蕉的种植主要是为了获得美味的果实，而与香蕉果实近乎等量的香蕉韧皮、香蕉叶等副产品，并未被合理应用。如果能变废为宝，既可以提高香蕉作物的经济附加值，又可以解决香蕉种植的环境污染问题。香蕉纤维作为天然纤维的一种，其优良的品质也得到人们的认可，目前其在家纺和服用纺织品、造纸、非织造布、复合材料(图5)等领域都得以应用。

图5 香蕉纤维相关产品

3.1 家纺与服用纺织品

印度作为全球香蕉产品第一生产国，对香蕉纤维的开发和应用也走在世界的前列。使用香蕉纤维束作为纬纱，棉纱作为经纱,开发制作夹克、短上衣等的服装面料，制成的服装在推出后受到纺织服装行业专家的一致好评[20]。日本日清纺织公司与名古屋市立大学合作，成功开发出香蕉纤维/棉(30/70)混纺纱[21]，并将其织制成牛仔服及网球服等产品进行销售[22]。蔡永东[23]将香蕉纤维、黏胶及天丝纤维按照质量比为30/30/40混纺成纱，并采用此混纺纱织制家用床品面料，经检验，面料的各项物理性能指标均达到优等品标准，属于高档家纺面料。文献[24]介绍了一种香蕉纤维麻床垫的制备方法，使用这种方法制作的床垫，其防虫抑菌效率高达90%，相比现有常规的床垫，防虫抑菌效率提高了85%，且成品价格仅为目前利用纯麻纤维制作的床垫的70%。中国热带农业科学院海口实验站于2014年发布了一项研究成果——香蕉精干麻与香蕉纤维/苎麻混纺织物，这种织物具有防静电、抑菌等特点，可用于家纺用品如窗帘等的生产[25]。

3.2 造纸

纸浆的质量以其纤维形态和纯净程度作为评价标准。纤维素含量越高，纸浆品质越好。分析香蕉纤维的组成成分可知，香蕉纤维的纤维素含量略低于其他麻类，但其生产成本较低[26]。综合考虑成本、资源等因素，香蕉纤维是造纸的上好原料。在印度，香蕉纤维除用于家居用纺织品和装饰品外，还用于制作纸张。用香蕉纤维造纸时采用机械纸浆法，无需使用化学药品，具有环保特性，在国际上享有很好的市场[27]。日本名古屋市立大学的教授已采用香蕉废弃物制造出了一种强度较高的纸。

3.3 非织造布

Sengupta等[28]采用针刺法生产出3种非织造布，分别是100%香蕉纤维、香蕉/黄麻混纺和香蕉/聚丙烯混纺非织造布。对所有3种非织造布进行断裂伸长率、初始模量、隔热、隔声、透气性等性能测试，得出香蕉/黄麻、香蕉/聚丙烯混纺非织造布可用作过滤织物或绝缘织物。香蕉纤维具有吸声效果，因此，香蕉/聚丙烯非织造布可以用作隔声材料[29]。

3.4 复合材料

复合材料是由两种或多种成分组成的材料，其中一种成分作为基质材料，另一种成分作为增强材料。在以环氧树脂、聚酯、聚乙烯、聚氯乙烯等为基质的复合材料中，研究者已探究了将不同类型天然纤维用作复合材料的增强材料。由于天然纤维具有成本低，密度小，环境友好和可生物降解性，其可用于替代复合材料中的石油基和不可再生合成纤维。

香蕉纤维增强聚丙烯材料已被汽车公司用于豪华汽车的制造，如用作梅赛德斯汽车地板的保护板。使用热重和差示扫描量热法进行分析，可知化学处理后香蕉纤维增强聚丙烯复合材料的热稳定性有所提高，硬度和拉伸性能显著增加[30]。庞锦英等[31]使用香蕉纤维与聚乳酸复合，使材料的力学和燃烧性能均得以改善。香蕉纤维的添加弥补了聚乳酸脆性大、成本高、阻燃性差等缺点。Kalita等[32]利用水凝胶系统，通过用抗微生物药物(氯氨酚和克霉唑)和生长因子(神经和上皮生长因子)浸渍由香蕉纤维制作的缝合线，获得具有抗微生物性能的缝合线。这种缝合线制作方法简单，经测试具有较好的生物相容性，可作为一种新型的先进生物缝合材料。毛敏敏等[33]以丙烯酸为单体，过硫酸钾为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，通过溶液聚合制备香蕉杆纤维吸水树脂，拓展了以石油资源为基础合成的吸水树脂的应用范围。

4 结论

作为绿色环保的天然纤维，香蕉纤维的开发利用能够带来经济与生态方面的双重价值。将香蕉茎秆开发为香蕉纤维，对于香蕉产地而言，销售香蕉茎秆可增加种植者的收入；建立香蕉纤维加工企业，能够提升当地就业率；同时可避免因香蕉茎秆焚烧或丢弃造成的污染，保护生态环境。此外，香蕉纤维的开发可为传统纺织企业提供新的低成本天然纤维原料，降低企业生产成本。香蕉纤维的产业化将具有显著的经济效益和生态效益，符合“资源节约型社会”和“绿色发展理念”。然而，香蕉纤维虽崭露头角，但在生产应用上仍存在一定的局限性，如纤维粗硬，难以进行纯纺，只能以较低的比例与棉或其他纤维混纺。此外，需通过对香蕉纤维脱胶工艺的进一步研究，提高纤维质量，满足不同的市场要求。