構樹纖維微觀結構特點及應用前景

郭光振 張同華（福建省纖維檢驗局）

[編輯:Cyx]  [發布時間:2015-08-26]  [錦橋紡織網]

　　摘要：采用生物顯微鏡對構樹纖維在200~1000倍下進行了表面簡單形貌觀察，采集了有價值的研究圖像;同時在掃描電子顯微鏡下對該纖維的微觀表面及橫截面進行了高倍分辨率的觀察和圖像分析;利用紅外光譜儀測定了構樹纖維大分子的結晶度，取向度等常用性能指標.在與常見的幾種天然纖維的相關性質進行比較后，數據結果表明：構樹纖維表面光滑，部分纖維還有不明顯的轉曲，且具有類似苧麻的橫紋，其大分子結晶度與取向度等性能接近但略差于常見天然纖維，該種新型纖維在產業用造紙及新型紡紗材料等領域具有極大的應用前景。
　　關鍵詞：構樹纖維；表面形貌；結晶度；取向度；產業應用
　　1引言
　　1.1構樹簡介
　　構樹Broussonetiapapyrifera(L.)Vent為桑科構屬直立落葉喬木，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.?？茦媽僦参锶澜绻灿?種，中國境內有3種，其中2種可作藥用.構樹的果實、樹葉、枝條、莖皮部乳汁和根皮均可人藥^[1]。
 

　　
　　1.2構樹纖維利用現狀
　　構樹纖維目前主要用于造紙行業，在紡織方面的研究與應用很少.由構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，其質量特點是具有極高的韌性、極好的吸水吸濕性、透氣性、富有彈性，所產的紗紙具有紙質堅韌潔白、細韌柔軟、拉力強韌的特點，環保、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文用紙及現在各類包裝用紙。
　　1.3此論文研究的根據及解決的問題
　　本實驗中所采用的構樹韌皮即采自在引言中所述的大規模高檔紗紙生產傳統地區(中國•廣西自治區•河池市大化縣)，這使得該實驗在一開始就保證了實驗材料來源的科學性與代表性。實驗剛開始階段，采用的構樹纖維采自野外某山坡上，品種凌亂，未經過人工選育，且不能代表市場產業應用方向，故制得的纖維粗糙且均勻度相當差?，F今采用的纖維完全實現了實驗前的設想，而且該品種在產業應用上也極具代表性，在眾多構樹品種中，屬于十分優良的品種。
　　構樹的研究發展仍舊將在上文中所述的四個方面進一步的深化，如進一步探索人工培育與種植的方法，加快構樹的生長時間，增長構樹的纖維長度，提高其纖維率等等。本文力圖在前人研究的基礎上，測量分析目前構樹纖維尚未研究的方面，如結晶度、取向度，并探索拓展該纖維的應用領域，如生態工程、紡紗工藝、非織造材料、營養醫藥品開發等等。
　　2構樹纖維微觀結構性能的研究
　　2.1實驗原料及試驗器材
　　經過特殊處理的構樹纖維材料，掃描電子顯微鏡（SEM）及其相關附屬設備；傅立葉變換紅外光譜儀及其相關附屬設備；生物顯微鏡(配備攝影裝置機)、照相機、放大機，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(深色構樹纖維)，苧麻纖維、蠶絲纖維、棉纖維。
　　2.2構樹纖維實驗前處理
　　構樹纖維經脫膠去水干燥后，進行橫截面切斷處理，再將經過處理的構樹纖維用導電膠帶把樣品黏結在樣品底座上，放到掃描電鏡中觀察，以防止假象的存在，在放試樣前應先將試樣用丙酮或酒精等進行清洗。
　　2.3構樹纖維表面形貌觀測與分析
　　2.3.1試樣制備
　　由于制得的構樹纖維屬于塊狀的非導電樣品，故要先進行鍍膜處理。
　　2.3.2實驗過程
　　將構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紅外光譜法測定纖維結晶度及取向度
　　2.4.1試樣準備
　　由于是線材試樣，將脫膠且干燥后的構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，否則會在約1640cm^-1~3300cm^-1時出現水的吸收。
　　2.4.2實驗過程
　　通常意義上的結晶度測量常采用密度梯度法，公式為：X=（p－pa）/（pc－pa）
　　其中X為結晶度，p為纖維的整體密度；pa為非晶區的密度；pc為結晶區的密度.取向度是指纖維大分子鏈節與纖維軸的平行程度，為一平均值，經典的表達式為Hermans取向因子（函數）：f=1/2（3cos2θ－1）=1－3/2sin2θ式中，θ為分子鏈節軸與纖維軸夾角。紅外光譜屬于分子振動光譜，主要用于研究分子的結構與紅外吸收光譜圖的關系，利用紅外光譜法測定纖維的結晶度是一種常用的方法^[2].
　　實際測得的構樹纖維素衍射強度曲線如圖9。

　　從此光譜圖中可以很明顯看出：A區3500cm^-1~3300cm^-1，B區1700cm^-1~1300cm^-1，C區700cm^-1~550cm^-1為強譜帶區.在A區中主要是一些醇類，酚類高聚物;在B區中主要是聚酰胺類，聚脲類等高聚物;在C區中主要是取代苯，不飽和雙鍵。通過進一步與標準光譜樣圖進行比較，可以總結出構樹韌皮中部的纖維各化學鍵吸收光譜圖，情況如下表1所示。
　　　

　　2.4.2.1測算構樹纖維的結晶度實驗過程
　　構樹纖維的結晶度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.對于吸光度的計算，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，單位為了cm-1，此式為蘭伯特（Lambert）定律.構樹纖維密度r為1.86g/cm³，的平均細度為0.208tex經計算構樹纖維的結晶度為17~20%，在天然纖維中構樹的結晶度偏高。
　　2.4.2.2測算構樹纖維的取向度實驗過程
　　本實驗中需要用的公式如下：
　　     (3)

　　依然采用蘭伯特（Lambert）定律如下，可計算得各吸光度值：
　　經計算f_IR為65%左右，可見構樹纖維的晶區取向度偏小，這是未經拉伸定形的正常表現，一般天然纖維經過拉伸，牽伸后取向度都會有明顯提高。
　　3結果與討論
　　生物顯微鏡下觀察，可以發現構樹纖維縱向呈中間略粗兩端尖細的封閉的管狀(見圖2)，表面有少量的凹槽和細小竹節(見圖3)，少量纖維還有不明顯的轉曲.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).從構樹纖維的外觀形態上可看出，該纖維的光澤較好，品質優良，縱向外觀有利于纖維的相互抱合，具有比較好的可紡性.構樹纖維壁上有明顯的橫節紋，胞腔明顯，纖維有的腔大、有的腔小，纖維兩端尖細，常呈分枝狀，有時端頭為一小圓球.且其長徑比大于500，而且非織造材料的纖維長徑比理論定義為大于300，因此，構樹纖維的長徑比適合做非織造材料。
　　結合上文中測得的構樹纖維的紅外光譜衍射強度圖，構樹纖維、苧麻、棉、蠶絲四種天然纖維的吸收光譜圖對比如圖10所示。

　　
　　通過分析構樹纖維的紅外光譜圖，并與纖維素的光譜圖進行比較，統計其與苧麻，棉，蠶絲的吸收光譜圖的數據，如表2所示，可以明顯的發現，構樹纖維的主要成份仍是纖維素.這就驗證并確定了構樹纖維與其他天然纖維在化學組成上的一致性。但同時也應該注意，所謂的結晶區并不一定是由真正的結晶結構引起的。其中很多譜帶可能是和高分子鏈本身的結構特征有關，由于這些結構存在而使高聚物可能結晶[3].構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，棉纖維的化學組成與結構上具有一定的相似.而蠶絲因屬于蛋白質纖維，因而光譜圖差異較明顯.構樹纖維從定性組成上擁有和苧麻類似的天然成分，也就具備了相關利用前景的前提條件。
　　構樹纖維晶區天然取向度偏小，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構.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。
　　從實驗結果上看，未經拉伸取向的纖維，其取向度較低，因此其強力不是很高，但這并不影響其產業化應用。

　　
　　構樹纖維作為非織造材料利用，具備以下幾個特點[9，10]：繁殖容易，成材快，產量高；價錢便宜，運輸方便；.材質既不十分堅硬也不非常疏松，節間距較長；木素含量較低，蒸煮，漂白比較容易；纖維素含量不低于50%；平均纖維長度大于5mm，雜質含量較低，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的近代纖維測試技術對構樹纖維進行了微觀細致的研究，重點探討了該纖維在表面形貌、結晶度、取向度等方面的特點與性能，最后主要得出以下結論：
　　1)構樹纖維縱向呈中間略粗兩端尖細的封閉的管狀，表面有少量的凹槽和細小竹節紋少量纖維還有不明顯的轉曲.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)從構樹纖維的外觀形態上可看出，該纖維的光澤較好，縱向外觀有利于纖維的相互搶合，無論從細度還是長度來看，均特別適合開發作為新型天然非織造纖維材料，而目前市上此項研究為空白，有待于產業開發。
　　3)構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，棉纖維的化學組成與結構上類似.結晶度雖然不是很高，但可在后續加工中通過常規工藝流程來提高.構樹纖維從定性組成上擁有和苧麻相同的天然成分，也就具備了相關產業利用的前提條件。
　　4)構樹纖維晶區天然取向度偏小，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構也偏小。對于此類纖維材料，主要可通過后續單軸取向工藝來提高其取向度。