構(gòu)樹纖維微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用前景

郭光振 張同華（福建省纖維檢驗(yàn)局）

[編輯:Cyx]  [發(fā)布時(shí)間:2015-08-26]  [錦橋紡織網(wǎng)]

　　摘要：采用生物顯微鏡對(duì)構(gòu)樹纖維在200~1000倍下進(jìn)行了表面簡(jiǎn)單形貌觀察，采集了有價(jià)值的研究圖像;同時(shí)在掃描電子顯微鏡下對(duì)該纖維的微觀表面及橫截面進(jìn)行了高倍分辨率的觀察和圖像分析;利用紅外光譜儀測(cè)定了構(gòu)樹纖維大分子的結(jié)晶度，取向度等常用性能指標(biāo).在與常見的幾種天然纖維的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行比較后，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：構(gòu)樹纖維表面光滑，部分纖維還有不明顯的轉(zhuǎn)曲，且具有類似苧麻的橫紋，其大分子結(jié)晶度與取向度等性能接近但略差于常見天然纖維，該種新型纖維在產(chǎn)業(yè)用造紙及新型紡紗材料等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞：構(gòu)樹纖維；表面形貌；結(jié)晶度；取向度；產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
　　1引言
　　1.1構(gòu)樹簡(jiǎn)介
　　構(gòu)樹Broussonetiapapyrifera(L.)Vent為桑科構(gòu)屬直立落葉喬木，如圖1所示.廣泛分布于華東、華南、西南及河北、山西、陜西、甘肅、湖北、湖南等地.?？茦?gòu)屬植物全世界共有4種，中國(guó)境內(nèi)有3種，其中2種可作藥用.構(gòu)樹的果實(shí)、樹葉、枝條、莖皮部乳汁和根皮均可人藥^[1]。
 

　　
　　1.2構(gòu)樹纖維利用現(xiàn)狀
　　構(gòu)樹纖維目前主要用于造紙行業(yè)，在紡織方面的研究與應(yīng)用很少.由構(gòu)樹纖維制得的紙稱為白棉紙，自古都是上等的紙品.制成的紙張纖維長(zhǎng)，其質(zhì)量特點(diǎn)是具有極高的韌性、極好的吸水吸濕性、透氣性、富有彈性，所產(chǎn)的紗紙具有紙質(zhì)堅(jiān)韌潔白、細(xì)韌柔軟、拉力強(qiáng)韌的特點(diǎn)，環(huán)保、耐用、防腐防蛀、久存不陳，保存年代久，成為歷代名人書寫重要的契約家譜或佛教道教經(jīng)文用紙及現(xiàn)在各類包裝用紙。
　　1.3此論文研究的根據(jù)及解決的問題
　　本實(shí)驗(yàn)中所采用的構(gòu)樹韌皮即采自在引言中所述的大規(guī)模高檔紗紙生產(chǎn)傳統(tǒng)地區(qū)(中國(guó)•廣西自治區(qū)•河池市大化縣)，這使得該實(shí)驗(yàn)在一開始就保證了實(shí)驗(yàn)材料來源的科學(xué)性與代表性。實(shí)驗(yàn)剛開始階段，采用的構(gòu)樹纖維采自野外某山坡上，品種凌亂，未經(jīng)過人工選育，且不能代表市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向，故制得的纖維粗糙且均勻度相當(dāng)差?，F(xiàn)今采用的纖維完全實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)前的設(shè)想，而且該品種在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上也極具代表性，在眾多構(gòu)樹品種中，屬于十分優(yōu)良的品種。
　　構(gòu)樹的研究發(fā)展仍舊將在上文中所述的四個(gè)方面進(jìn)一步的深化，如進(jìn)一步探索人工培育與種植的方法，加快構(gòu)樹的生長(zhǎng)時(shí)間，增長(zhǎng)構(gòu)樹的纖維長(zhǎng)度，提高其纖維率等等。本文力圖在前人研究的基礎(chǔ)上，測(cè)量分析目前構(gòu)樹纖維尚未研究的方面，如結(jié)晶度、取向度，并探索拓展該纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，如生態(tài)工程、紡紗工藝、非織造材料、營(yíng)養(yǎng)醫(yī)藥品開發(fā)等等。
　　2構(gòu)樹纖維微觀結(jié)構(gòu)性能的研究
　　2.1實(shí)驗(yàn)原料及試驗(yàn)器材
　　經(jīng)過特殊處理的構(gòu)樹纖維材料，掃描電子顯微鏡（SEM）及其相關(guān)附屬設(shè)備；傅立葉變換紅外光譜儀及其相關(guān)附屬設(shè)備；生物顯微鏡(配備攝影裝置機(jī))、照相機(jī)、放大機(jī)，哈氏切片器，截玻片、蓋玻片，單面刀片，蛋白甘油、火棉膠、填充纖維(深色構(gòu)樹纖維)，苧麻纖維、蠶絲纖維、棉纖維。
　　2.2構(gòu)樹纖維實(shí)驗(yàn)前處理
　　構(gòu)樹纖維經(jīng)脫膠去水干燥后，進(jìn)行橫截面切斷處理，再將經(jīng)過處理的構(gòu)樹纖維用導(dǎo)電膠帶把樣品黏結(jié)在樣品底座上，放到掃描電鏡中觀察，以防止假象的存在，在放試樣前應(yīng)先將試樣用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗。
　　2.3構(gòu)樹纖維表面形貌觀測(cè)與分析
　　2.3.1試樣制備
　　由于制得的構(gòu)樹纖維屬于塊狀的非導(dǎo)電樣品，故要先進(jìn)行鍍膜處理。
　　2.3.2實(shí)驗(yàn)過程
　　將構(gòu)樹單纖維置于生物顯微鏡下觀察，得到以下圖像，如圖2、圖3與圖4。
 

　　接下來，為了得到分辨率更加高的圖像，采取了掃描電子顯微鏡觀察。圖5~8分別是構(gòu)樹纖維的表面形貌、頭端圖像、截面圖像、橫斷面圖像。

　　
　　2.4紅外光譜法測(cè)定纖維結(jié)晶度及取向度
　　2.4.1試樣準(zhǔn)備
　　由于是線材試樣，將脫膠且干燥后的構(gòu)樹纖維平行密集地排列在試樣板上，然后使纖維軸與衍射儀軸呈直角將試樣插在試樣架上。制樣方法采用的是溴化鉀壓片法，必須在紅外燈下充分干燥后才能壓片，否則會(huì)在約1640cm^-1~3300cm^-1時(shí)出現(xiàn)水的吸收。
　　2.4.2實(shí)驗(yàn)過程
　　通常意義上的結(jié)晶度測(cè)量常采用密度梯度法，公式為：X=（p－pa）/（pc－pa）
　　其中X為結(jié)晶度，p為纖維的整體密度；pa為非晶區(qū)的密度；pc為結(jié)晶區(qū)的密度.取向度是指纖維大分子鏈節(jié)與纖維軸的平行程度，為一平均值，經(jīng)典的表達(dá)式為Hermans取向因子（函數(shù)）：f=1/2（3cos2θ－1）=1－3/2sin2θ式中，θ為分子鏈節(jié)軸與纖維軸夾角。紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜，主要用于研究分子的結(jié)構(gòu)與紅外吸收光譜圖的關(guān)系，利用紅外光譜法測(cè)定纖維的結(jié)晶度是一種常用的方法^[2].
　　實(shí)際測(cè)得的構(gòu)樹纖維素衍射強(qiáng)度曲線如圖9。

　　從此光譜圖中可以很明顯看出：A區(qū)3500cm^-1~3300cm^-1，B區(qū)1700cm^-1~1300cm^-1，C區(qū)700cm^-1~550cm^-1為強(qiáng)譜帶區(qū).在A區(qū)中主要是一些醇類，酚類高聚物;在B區(qū)中主要是聚酰胺類，聚脲類等高聚物;在C區(qū)中主要是取代苯，不飽和雙鍵。通過進(jìn)一步與標(biāo)準(zhǔn)光譜樣圖進(jìn)行比較，可以總結(jié)出構(gòu)樹韌皮中部的纖維各化學(xué)鍵吸收光譜圖，情況如下表1所示。
　　　

　　2.4.2.1測(cè)算構(gòu)樹纖維的結(jié)晶度實(shí)驗(yàn)過程
　　構(gòu)樹纖維的結(jié)晶度χ可由下式得到：
　　X=A₁₇₀₀/A₂₉₄₀×K₂₉₄₀         (1)
　　式中A₁₇₀₀和A₂₉₄₀分別為該樣品的1700和2940cm^-1譜帶的吸光度，k₂₉₄₀是比例常數(shù).對(duì)于吸光度的計(jì)算，有下式：
　　A=log₁₀1/T=log₁₀I₀/I=Kb    (2)
　　式中A為吸光度；I₀和I分別表示入射光和透射光的強(qiáng)度；T=I/I₀，稱為透射比；b為樣品厚度，單位為cm；K為吸收系數(shù)，單位為了cm-1，此式為蘭伯特（Lambert）定律.構(gòu)樹纖維密度r為1.86g/cm³，的平均細(xì)度為0.208tex經(jīng)計(jì)算構(gòu)樹纖維的結(jié)晶度為17~20%，在天然纖維中構(gòu)樹的結(jié)晶度偏高。
　　2.4.2.2測(cè)算構(gòu)樹纖維的取向度實(shí)驗(yàn)過程
　　本實(shí)驗(yàn)中需要用的公式如下：
　　     (3)

　　依然采用蘭伯特（Lambert）定律如下，可計(jì)算得各吸光度值：
　　經(jīng)計(jì)算f_IR為65%左右，可見構(gòu)樹纖維的晶區(qū)取向度偏小，這是未經(jīng)拉伸定形的正常表現(xiàn)，一般天然纖維經(jīng)過拉伸，牽伸后取向度都會(huì)有明顯提高。
　　3結(jié)果與討論
　　生物顯微鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)樹纖維縱向呈中間略粗兩端尖細(xì)的封閉的管狀(見圖2)，表面有少量的凹槽和細(xì)小竹節(jié)(見圖3)，少量纖維還有不明顯的轉(zhuǎn)曲.截面呈橢圓形，較蘭麻扁平，胞壁厚度比較均勻，沿徑向有少許輻射紋(見圖4).從構(gòu)樹纖維的外觀形態(tài)上可看出，該纖維的光澤較好，品質(zhì)優(yōu)良，縱向外觀有利于纖維的相互抱合，具有比較好的可紡性.構(gòu)樹纖維壁上有明顯的橫節(jié)紋，胞腔明顯，纖維有的腔大、有的腔小，纖維兩端尖細(xì)，常呈分枝狀，有時(shí)端頭為一小圓球.且其長(zhǎng)徑比大于500，而且非織造材料的纖維長(zhǎng)徑比理論定義為大于300，因此，構(gòu)樹纖維的長(zhǎng)徑比適合做非織造材料。
　　結(jié)合上文中測(cè)得的構(gòu)樹纖維的紅外光譜衍射強(qiáng)度圖，構(gòu)樹纖維、苧麻、棉、蠶絲四種天然纖維的吸收光譜圖對(duì)比如圖10所示。

　　
　　通過分析構(gòu)樹纖維的紅外光譜圖，并與纖維素的光譜圖進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)其與苧麻，棉，蠶絲的吸收光譜圖的數(shù)據(jù)，如表2所示，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，構(gòu)樹纖維的主要成份仍是纖維素.這就驗(yàn)證并確定了構(gòu)樹纖維與其他天然纖維在化學(xué)組成上的一致性。但同時(shí)也應(yīng)該注意，所謂的結(jié)晶區(qū)并不一定是由真正的結(jié)晶結(jié)構(gòu)引起的。其中很多譜帶可能是和高分子鏈本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，由于這些結(jié)構(gòu)存在而使高聚物可能結(jié)晶[3].構(gòu)樹纖維與苧麻的光譜吸收極其相似，從光譜的定性分析可以看出，它與苧麻，棉纖維的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)上具有一定的相似.而蠶絲因?qū)儆诘鞍踪|(zhì)纖維，因而光譜圖差異較明顯.構(gòu)樹纖維從定性組成上擁有和苧麻類似的天然成分，也就具備了相關(guān)利用前景的前提條件。
　　構(gòu)樹纖維晶區(qū)天然取向度偏小，顯然其原纖本身與纖維軸的取向也偏小，從而整體上影響了大分子鏈與主軸的取向結(jié)構(gòu).天然纖維中的苧麻，蠶絲有著很高的取向度，不僅大分子相對(duì)原纖軸有極高的取向度，而且原纖本身與纖維軸也有很高的取向。
　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，未經(jīng)拉伸取向的纖維，其取向度較低，因此其強(qiáng)力不是很高，但這并不影響其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　
　　構(gòu)樹纖維作為非織造材料利用，具備以下幾個(gè)特點(diǎn)[9，10]：繁殖容易，成材快，產(chǎn)量高；價(jià)錢便宜，運(yùn)輸方便；.材質(zhì)既不十分堅(jiān)硬也不非常疏松，節(jié)間距較長(zhǎng)；木素含量較低，蒸煮，漂白比較容易；纖維素含量不低于50%；平均纖維長(zhǎng)度大于5mm，雜質(zhì)含量較低，它與竹纖維一樣適合于作非織造材料。
　　本論文采用多種先進(jìn)的近代纖維測(cè)試技術(shù)對(duì)構(gòu)樹纖維進(jìn)行了微觀細(xì)致的研究，重點(diǎn)探討了該纖維在表面形貌、結(jié)晶度、取向度等方面的特點(diǎn)與性能，最后主要得出以下結(jié)論：
　　1)構(gòu)樹纖維縱向呈中間略粗兩端尖細(xì)的封閉的管狀，表面有少量的凹槽和細(xì)小竹節(jié)紋少量纖維還有不明顯的轉(zhuǎn)曲.截面呈扁橢圓形，較蘭麻扁平、胞壁厚度比較均勻，沿徑向有少許輻射紋。
　　2)從構(gòu)樹纖維的外觀形態(tài)上可看出，該纖維的光澤較好，縱向外觀有利于纖維的相互搶合，無論從細(xì)度還是長(zhǎng)度來看，均特別適合開發(fā)作為新型天然非織造纖維材料，而目前市上此項(xiàng)研究為空白，有待于產(chǎn)業(yè)開發(fā)。
　　3)構(gòu)樹纖維與苧麻的光譜吸收極其相似，從光譜的定性分析可以看出，它與苧麻，棉纖維的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)上類似.結(jié)晶度雖然不是很高，但可在后續(xù)加工中通過常規(guī)工藝流程來提高.構(gòu)樹纖維從定性組成上擁有和苧麻相同的天然成分，也就具備了相關(guān)產(chǎn)業(yè)利用的前提條件。
　　4)構(gòu)樹纖維晶區(qū)天然取向度偏小，顯然是由于原纖本身與纖維軸的取向偏小的緣故，整體上大分子鏈與主軸的取向結(jié)構(gòu)也偏小。對(duì)于此類纖維材料，主要可通過后續(xù)單軸取向工藝來提高其取向度。