摘要：阐述了棉纤维的改性技术及在后整理等方面的研究现状．着重论述了绿色技术在棉纤维改性加工及其产品开发中的应用及前景．并分析了棉纤维绿色改性
技术的发展趋势。
关键词：棉纤维；纤维改性；绿色技术；产品开发
从20世纪50年代起．随着合成纤维的出现．仿真丝，仿毛，仿麻等性能优异的纤维相继崭露头角．其后是Lyocell等绿色环保纤维的问世．给棉纤维带来了冲击。但是棉纤维作为一种具有良好吸湿性．透气性．保暖性及柔软手感的天然纤维素纤维经受住了考验．在纺织材料领域继续扮演着重要角色。进入21世纪, 合成技术，仿真技术等一系列高新技术的完善，生物工程, 基因工程等新兴学科的兴起，使得新品种，高性能，多功能的纺织纤维材料层出不穷，这在客观上对棉纤维提出了新的要求。为了充分开发棉纤维潜在的功能，对棉纤维进行各种改性研究，提高棉纤维的附加值和性能已成为人们研究的一大方向。但是，传统的棉纤维改性技术存在着许多弊端，如树脂整理后会使棉织物上残留和释放出甲醛；偶氮染料染色的棉纤维上会含有致癌的芳香胺；在棉纤维浆科中存在具有相当生物毒性的五氯苯酚，残留在纺织品中会危害人体健康。因此近年来，许多国家正在不断地探索棉纤维的绿色改性技术，开发研究绿色棉纤维产品，并已取得了一系列新的进展。
1 化学处理方法
传统的化学试剂包括酸、碱溶液处理，虽可改变棉纤维的形态和微结构，达到改善纤维性能的目的，但这些化学药剂也会对人体产生一些不良影响，并对环境污染严重。而绿色技术在处理中选用的是绿色环保整理剂和染料。这些材料一般可自然降解，无毒性，有利于环保。
1．1 壳聚糖整理
壳聚糖又称脱乙酰甲壳质，可溶性甲壳质，是甲壳素脱去乙酰基后的产物。壳聚糖在自然界资源丰富。主要来源于废弃的虾．蟹壳类。壳聚糖具有许多特殊的性能，如良好的生物降解性，生物相容性，无毒，无污染等。壳聚糖能溶解在醋酸、苯甲酸等稀酸水溶液中，分子上的伯氨基被质子化．形成带正电荷的氨基离子一NH4+。而棉纤维浸在水介质中时，由于介电常数比水低而获得负电荷，因此壳聚糖由于静电吸引对棉纤维具有强烈的亲和力。在壳聚糖溶液处理棉纤维的浸轧过程中．壳聚糖能均匀地分布在纤维表面和空隙内．其中少数相对分子质量小的壳聚糖分子能进一步渗透到纤维内部的无定形区。在焙烘过程中，壳聚糖可借助与纤维素分子上活性基团形成的盐式键，范德华力及氢键的作用而吸附于棉纤维的表面和内部微隙中，并在纤维上形成一层弹性薄膜。
壳聚糖常用于棉织物的防皱免烫和抗菌整理，一般同时用柠檬酸作为壳聚糖的溶剂和对棉的交联剂。不仅在柠檬酸和棉纤维素之间发生酯化反应．而且柠檬酸和壳聚糖的羟基之间也会发生酯化反应．可获得较高的折皱回复角．并且整理后的织物白度，强力，耐洗涤性能好，还提高了直接染料等阴离子染料的上染率．染色均匀。同时，经壳聚糖处理的棉具有良好的抗菌性能．在适当的壳聚糖浓度下，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌的抗菌率接近100％。且经过多次水洗后．抗菌率仍保持在80％以上。x D Liu等采用一种新的改性方法，制备了一种壳聚糖涂覆的新型棉纤维(CCCF)。即先用高碘酸钾氧化棉纤维素，然后再与壳聚糖之间形成席夫碱而使壳聚糖结合在棉纤维表面．并用这种新型纤维承载和控制释放中药紫草宁,获得了较好的效果。
1．2 天然丝素蛋白整理
天然蚕丝是一种珍贵的纺织纤维，享有“纤维皇后”的美称。蚕丝蛋白质与人体皮肤、头发的角朊结构有很多相似之处，故蚕丝也有“第二皮肤”之称。祝莹等研究了丝素蛋白质在棉纤维上的涂覆成膜机理、涂覆牢度及主要性能。丝素涂覆后的棉纤维对人体有很好的生物适应性和保健性，达到了棉纤维表面真丝化的效果，并且丝素涂覆棉织物的缩水率明显下降、活性染料的上染百分率也显著提高。由于丝素蛋白的优良特性，为今后开发棉纤维仿真丝绸技术和新型绿色功能棉纤维开辟了新的途径。
1．3 无甲醛整理
目前，无甲醛整理剂中研究最多的是多元羧酸类整理剂。美国的shippee首次提出了用多元羧酸与纤维素羟基发生酯化反应，使分子之间形成酯键交联，从而使无甲醛整理剂达到防皱效果。随着对酯化反应历程的深入了解,人们对多元羧酸用于棉织物的耐久免烫整理日益关注,目前国内主要采用柠檬酸进行免烫整理。另外，将酰胺类化合物与羰基类化合物进行多元缩聚反应，合成出无甲醛整理剂，在催化剂作用下,它可以和棉纤维素高分子链上的羟基发生共价交联，组成网状结构，达到免烫整理效果。为了进一步减少整理废液对环境的污染，刘涛等对多羧酸整理废液的循环使用进行了研究，获得了较好的效果。可见，环保型无甲醛整理剂将继续在绿色纺织品生产中扮演重要角色。
1．4 绿色染料及浆料的应用
传统的染料中会含有重金属或其它有毒物质，在染色过程中会附着在织物上，对人体健康造成危害。而天然染料主要来源于植物的根、茎、叶、果，或天然彩色矿石。天然染料一般无毒．可生物降解，对人体和生态均不会造成危害。我国天然染料的应用远远早于其它国家，主要利用植物的液汁进行传统工艺染色。近年来．日本用绿茶染色开发的棉制品具有抗菌、除臭、不引起过敏等优点，在日本市场倍受欢迎。中国纺织科学研究院也已制得了天然黄(TR-H))和天然绿(TR—G)，可用于棉和丝绸染色。
天然浆料一般来源于某些植物的种子、块茎，或动物的骨、皮、筋腱等结缔组织，主要包括淀粉、植物胶和动物胶。天然浆料是天然高分子化合物．易生物降解，对环境危害性很小，在一定条件下可替代部分污染性大的合成浆料而用于棉纤维的上浆。因此，从大自然中提取各种原材料制备染料或浆料,是今后绿色技术研究探索的一个新方向。
2 生物技术
生物技术作为跨世纪的高新技术，它和染整科学技术的交叉融合将是21世纪染整科技发展的新主流，将推动纺织工业进入一个绿色清洁生产的崭新时代，并改变由于使用大量化学而严重污染环境的局面。
2．1 生物酶制剂处理
生物酶是生物细胞产生的一种生物催化剂，它具有极强的催化效率和高度的专一性。在棉纤维产品的染整湿加工过程中，利用酶技术，可节约能源与水，减少或杜绝废气、废水的排放，降低对棉织物的损伤．实现绿色清洁生产。可用于棉纤维的生物酶主要包括纤维素酶、果胶酶与脂肪酶等。
利用纤维素酶水解棉织物的毛羽和微纤，达到“生物抛光”的效果。可代替传统的烧毛和碱丝光处理，还可对棉针织物进行超柔软整理，使棉纤维滑爽柔软并富有光泽，且这种柔软性是永久的。用纤维素酶处理牛仔装来代替传统的“石洗”和“化洗”是酶在纺织上应用最为成功的工艺之一。大多数研究结果表明，采用纤维素酶整理棉织物，在改善其柔软性、悬垂性、亲水性、透气性、染料亲和性以及生物抛光、石磨水洗等方面效果显著。
2．2 基因工程技术
2．2．1 天然彩色棉纤维
作为生态纺织品的天然彩色棉具有广阔的发展前景，天然彩色棉已深入到人们的生活中。1972年，美国科学家运用转基因技术成功培育出彩色棉种。利用此技术，美国南部地区研究中心经过品种改良加工生产的彩色棉服装在欧洲、日本和美国市场大为走俏。1994年我国首次从美国引进彩色棉技术．现已成功地培育出棕、绿、红、黄、紫、灰、橙等色泽的彩棉品种．其品质优良。
天然彩色棉纤维真正实现了从纤维生长到纺织成衣全过程的”零污染”，其色泽自然，色度丰满，而且不褪色，适于制作与皮肤直接接触的各种内衣、婴幼儿用品、妇女卫生材料等。目前．彩色棉纤维的研究和开发在世界主要产棉国家中已受到高度重视，美国、法国、中国、埃及、印度等20多个国家都在积极开展彩色棉的遗传育种工作，其研究涉及转基因技术、绿色加工技术等当今科学的前沿。
2．2．2 天然“抗皱棉花”
美国农业生活技术公司采用生物转基因技术，已经培育出带有外源基因的“抗皱棉花”。这种基因来自能够产生PHB(聚羟基丁酸酯)聚合物的细菌，将这种基因导入棉花的细胞，生长出来的新棉花除仍保留原有的吸水、柔软等性能外，其保暖性、强度及抗皱性均高于普通棉纤维。用“抗皱棉花”制成的纯棉衬衫可免烫，从而避免了含有大量甲醛的抗皱剂对人体的危害。
2．2．3人工棉纤维
人工棉纤维，又叫试管棉纤维或超级棉纤维，是指将棉株任意部分的单细胞放入特定培养基中进行培养而形成的与天然棉纤维相似的纤维。1984年Trolinder在不同营养类型的培养基中培育棉花细胞时，发现在悬浮培养基中生长的单细胞分化为形似纤维的细胞。这一结果立即轰动了世界，随后不少人对人工棉纤维由实验室生产向商业生产的可行性进行了深入研究。目前，美国已能用棉株的根、茎、叶、果实等组织的单细胞诱导出棉纤维，英国已登记了利用单细胞生产棉纤维的专利。
人工棉纤维的研究具有重要的意义。人工棉纤维的生产可在实验室无污染进行，不受病虫的危害．其发育具有良好的同步性和无菌性，可根据人的意愿进行生产，可制造优质的医用纱布、绷带等。同时，人工棉纤维在科学理论上，能为研究细胞的分化发育提供理论依据。目前，人工棉纤维的诱导还很困难，纤维长度较短，在今后的研究中，应确定有利于人工棉纤维分化和发育的最佳培养基和培养环境，以实现从实验室培养棉纤维向商品生产的规模>转换。
3 物理方法
近来采用物理方法对纤维进行改性已受到广泛的注意，特别是改变纤维的表面结构和性能，以达到改善纤维表面的粘合性能与染色性能。由于物理方法不用或很少用化学药品，可以减少污染，属于绿色清洁技术，有利于生态环境保护。
3．1 方法
处理法可对棉纤维进行绿色加工以提高纤维素对各种化学反应的可及度。方法主要包括研磨和切碎两种。研磨法又分球磨、锤磨等。纤维素是一种高结晶性聚合物，在研磨过程中能有效地吸收能而引起其形态和微细结构的改变，使结晶度下降，可及度提高。其中球磨是最有效的预处理技术，球磨法可使纤维素结构松散，使微纤中及微纤问的氢键断裂，从而使棉纤维的水解速率和葡萄糖的最大产率都得到提高。美国的研究者用Wiley切断机对棉纤维进行切断处理，研究了棉纤维的平均聚合度、结晶度及可及度的变化，指出切碎作用对纤维素的结晶度影响不大．但由于剪切力作用使纤维素产生新的表面，从而提高纤维素的可及度。
3．2 高能电子辐射处理辐射法有紫外光辐射和高能粒子辐射两种，用于纤维素处理的主要是高能电子辐射法。采用高能射线如电子射线、r-射线对纤维素原料进行预处理，可得到所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性，减少溶解用或反应用化学药品造成的环境污染。通过电离辐射的作用，一方面使纤维素降解，聚合度下降，相对分子质量的分布特性改变，使其相对分子质量分布比普通纤维素更集中；另一方面使纤维素的结构松散，并影响到纤维素的晶体结构，从而使纤维素的活性增加，可及度提高。
利用辐射接枝的方法可对棉纤维素的抗皱、耐磨、吸水及染色等性能进行改进，常用的接枝单体有苯乙烯、丙烯酸等。宫宁端等用Co60 r-射线为辐射源，研究了棉纤维素辐射降解的机理。发现预辐射处理可抑制酯化工艺中发生的氧化过程．缩短安定处理时间，提高硝酸纤维的安定性；辐射后棉纤维素分子量降低，有利于控制粘度，可满足制造各种品号的硝酸纤维对粘度的要求，有利于提高硝酸纤维质量及含氮量。因此，与其它处理方法相比，辐射处理具有减少生产成本、缩短工艺流程、不污染环境等优点。
3．3 低温等离子体技术
近年来，等离子体技术在纺织加工中的应用日益引人注目，利用等离子体中含有的大量电子、离子、激发态的原子、分子等活性粒子来轰击材料表面时．会将能量传递给表层分子，使材料发生热蚀、交联、降解和氧化，并使材料表面发生大量的自由基或引进一些极性基团而使材料表面性能获得优化。等离子体处理是一种干态加工，不需水和化学品，不会污染环境。低温等离子体处理可用于各种纤维、纱线、织物的表面改性，对纤维基体的内部影响小，不损伤纤维原有性能。棉纤维用低温等离子体处理后可改善其粘合性、接枝聚合性及染色性能。原棉纤维在经低温氧等离子体处理时，等离子体中大量基态氧和激发态氧原子等活性粒子将能量传递给棉纤维表面初生胞壁中的分子，使棉纤维表面的伴生物蜡脂、果胶在高能粒子轰击下脱离表面，引起失重．并在棉纤维表面留下许多深浅不同的凹坑，引起棉纤维的表面刻蚀。同时，大量氧活性粒子能使棉纤维表面氧化、接枝，从而使棉纤维吸水性增强。
3．4 蒸汽闪爆技术
蒸汽闪爆技术是由美国学者Mason于1927年首先提出来的．最初是用于植物纤维的高效分离。随着研究的不断深入，现在蒸汽闪爆技术已应用于棉等纯纤维素纤维的改性处理。高压热蒸汽闪爆技术能使已渗入棉纤维素内部的热水蒸汽分子以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来，可使棉纤维素内部的缠结、缠绕及紧密堆砌区得到有效的疏松、梳理，同时使纤维素分子内、分子间氢键断裂，破坏纤维材料的内外层结构．赋予材料所希望的性能。利用蒸汽闪爆后的棉纤维素制备硝酸纤维，在混酸浓度一定的情况下，其含氮量提高，其硝化的均匀性也明显增加。同时采用闪爆法预处理后的棉纤维原材料合成CMC，其碱化时间可大大缩短，所得CMC的质量在一定范围内随蒸汽闪爆压力的增加而提高。
4 纳米技术
纳米技术作为近年来新崛起的一门高新技术，在纺织工业中有着广阔的应用前景。纳米材料是一种全新的超微固体材料，其粒径一般小于100 am，具有特殊的表面效应、体积效应．对棉纤维进行纳米材料表面处理，能赋予其新的特异功能。使用氧化铝、二氧化钛、氧化锌、陶瓷粉末等纳米材料，采取浸轧法、植入法和涂层法可对棉纤维进行抗紫外线、抗茵除臭、抗静电、抗电磁波辐射、远红外反射等功能整理，是目前开发功能性、高附加值棉纺织品的一个重要方向。由于纳米材料的特殊性能，将在未来的纺织业中创造巨大的经济和社会效益。
5 结语
棉纤维是自然界中最丰富的可再生资源，其应用涉及到化工、国防、医药、环保、石油等领域，因此也是国民经济建设和国防中不可缺少的重要原材料。棉纤维及其衍生物结构复杂．其研究的内容十分丰富，开发新的多功能、高性能棉纤维产品是21世纪纤维工业的发展方向之一。近年来由于石油资源不断减少和环境污染问题的日益严重，生产生态纺织品已经成为当代纺织工业的主题。利用绿色技术来生产具有清洁保健和可回收利用的棉纤维及棉织品正是顺应了这一潮流。新材料研究技术的发展，使得绿色技术的研究内容与其它各学科技术交叉融合，仿生技术、微电子技术、计算机技术的飞跃发展，解决了快速控制和信息处理等方面的难题，为绿色技术向智能化、高效化发展提供了有利的条件，也为棉纤维绿色改性及棉织品的绿色加工整理开拓了更广阔的空间。因此，树立绿色环保意识，引导绿色消费，实施绿色经营，广泛采用绿色技术，不断开发性能优异、功能多样化、生态环保的绿色棉纤维产品是我国纤维研究及产业界的发展方向!