第三章 桑皮纖維的化學成分及結構分析

第一節 桑皮纖維的化學成分與結構

一、化學成分

由于桑皮纖維的化學成分定量分析目前無相關標準，因此實驗采用國家標準GB/T 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》進行測試，可確定桑皮中各成分的相對含量。分別測定桑皮原樣及經化學和微波—生物酶—化學輔助聯合法（AMBET）前處理后的桑皮纖維的纖維素、半纖維素和木質素等主要成分的含量，結果如圖3-1所示。

圖3-1 桑皮纖維的化學成分

由圖3-1可見，經處理后的桑皮纖維的纖維素含量均提高，經化學處理和經AMBET處理后的桑皮纖維的纖維素含量分別升至35.3%和41.4%，而半纖維素和木質素的含量顯著減少。表明兩種處理技術對桑皮纖維中的非纖維素物質（半纖維素、木質素、果膠及其他雜質）均具有良好的去除作用，且AMBET技術的去除效率要好于純化學處理。纖維中纖維素含量的提高對纖維的理化性能的提高，尤其是其紡紗性能，是十分有利的。

表3-1為桑皮纖維與幾種植物纖維原料化學成分的含量比較。由表3-1可知，桑皮纖維的纖維素含量低于劍麻、大麻、黃麻、苧麻纖維，但纖維素仍是桑皮纖維的主要成分；桑皮纖維果膠含量大于其他幾種植物纖維，果膠物質對纖維的吸附性能有較大影響，直接關系到桑皮纖維的可紡性能及染色性能。

表3-1 桑皮纖維與幾種植物纖維化學成分的含量比較（%）

二、形貌結構

用日本日立公司的S-4700型掃描電子顯微鏡觀察桑皮纖維表面的形貌，放大2000倍。采用Photoshop7.0軟件測定桑皮纖維的平均直徑。為了清楚的觀察前處理技術對桑皮纖維表面形貌的影響，采用掃描電鏡和光學顯微鏡對桑皮纖維表面進行觀察，結果如圖3-2所示。由圖3-2（b）、（c）可見，經化學處理和AMBET處理后桑皮均可被分離成單纖維，且處理后纖維的白度均高于桑皮原樣[圖3-2（a）]，且經AMBET處理后的桑皮纖維分散的更均勻，表明AMBET處理技術對桑皮中非纖維素物質的去除效果要好于純化學處理技術。由圖3-2（d）可見，桑皮原樣表面被半纖維素、木質素、果膠及其他雜質等非纖維素物質覆蓋，經化學處理后[圖3-2（e）]，纖維直徑變細，表面變得光滑，但仍有少量雜質覆蓋在纖維表面，而經AMBET技術處理后，桑皮纖維十分表面光滑、纖維直徑進一步降低，僅為（10.8±0.1）μm，且更為均勻。由圖3-2（g）、（h）可見，經AMBET處理后桑皮纖維縱向有豎紋，與麻纖維縱向側面帶有豎紋的結構較為相似，沒有棉纖維的天然轉曲現象，橫截面形狀呈橢圓形、三角形和少量不規則多角形。

按照文獻介紹的染色工藝對桑皮纖維進行染色，將桑皮纖維與棉以不同比例（60：40、55：45和50：50），按照文獻介紹轉杯紡紗工藝制備桑皮纖維/棉混紡紗線，將上述桑皮纖維/棉混紡紗在Y200S型電子織布小樣機上生產桑皮纖維/棉混紡機織（經緯紗均為桑皮纖維/棉混紡紗）面料。圖3-3所示為經染色后桑皮纖維的形貌及桑皮基紡織品的形貌結構。由圖3-3（a）可見，經天然染料梔子染色后，桑皮纖維表面較染色前更為平整、光滑，染色并沒有損傷纖維，纖維質量得到提高；圖3-3（b）所示為18.2tex桑皮纖維/棉（55/45）轉杯混紡紗，紗線條干均勻度好，毛羽較少。由圖3-3（c）所示的紗線橫截面可見，桑皮纖維與棉纖維均勻混合在一起；圖3-3（d）所示為桑皮纖維/棉（55/45）混紡機織緞紋面料。該桑皮纖維/棉混紡紗可在織機上成功生產面料，為桑皮基紡織品的產業化推廣奠定了基礎。

圖3-2 桑皮纖維的形貌結構（箭頭指向的是雜質）

圖3-3

圖3-3 桑皮纖維基紡織品的形貌

三、分子結構

用美國PerkinElmer公司Nicolet5700系列紅外光譜儀，將桑皮纖維剪成粉末再與KBr混合研磨后壓片，置于光路中測試，測定其紅外圖譜，測量范圍0～4000cm^-1桑皮原樣及經化學和AMBET前處理后的桑皮纖維的紅外光譜如圖3-4所示。

由圖3-4曲線1可見，桑皮原樣的主要特征吸收峰如下：3361cm^-1處的吸收峰，是O—H伸縮振動吸收所產生的，1058cm^-1處是C—O—C伸縮振動吸收峰，895cm^-1處是糖苷鍵中的C—O的特征吸收峰，這些都是纖維素Ⅰ的特征吸收峰。上述的特征吸收峰在圖3-4曲線2和曲線3中的同樣位置處可以觀察到，表明不管是化學處理還是AMBET處理都沒有破壞桑皮纖維中的纖維素Ⅰ的結構。由圖3-4曲線2和曲線3可見，半纖維素對應的特征吸收峰（1736cm^-1和1246cm^-1）以及木質素對應的特征吸收峰（1320cm^-1）相對于桑皮原樣中均呈現不同程度的減弱或消失，且在圖3-4曲線3中減弱的更厲害，表明兩中處理技術均可部分的除去桑皮纖維中的半纖維素和木質素等非纖維素物質，且AMBET技術去除效率更高。由圖3-4還可見，紅外光譜圖中—OH伸縮振動特征吸收峰的波數由桑皮原樣的3361cm^-1變為了化學處理的3359cm^-1和AMBET處理的3358cm^-1，處理后桑皮纖維羥基的特征吸收峰的波數向低波數偏移，表明經處理后桑皮纖維中的氫鍵結合作用要強于桑皮原樣。

圖3-4 桑皮纖維的紅外光譜圖

1—桑皮原樣 2—經化學處理后的桑皮纖維 3—經AMBET處理后的桑皮纖維

四、超分子結構

用美國PerkinElmer公司diamond 5700型熱分析儀測定桑皮纖維的熱分析圖譜，測試條件及掃描范圍為50～450℃，升溫速度10℃/min，氮氣保護，流量120mL/min。桑皮原樣及經化學和AMBET前處理后的桑皮纖維的TG、TGA和DSC曲線如圖3-5所示。

由圖3-5（a）、（b）可見，桑皮原樣初始熱分解溫度（T_d）為229℃，最大熱分解溫度（T_dm）為330℃，而經化學處理后的桑皮纖維（T_d=291℃，T_dm=356℃）和經AMBET處理后的桑皮纖維（T_d=308℃，T_dm=366℃）的初始熱分解溫度和最大熱分解溫度均高于桑皮原樣，熱穩定性提高。這是由于經前處理后，尤其是經AMBET處理后，桑皮纖維中的非纖維素大部分被除去，纖維的結晶度大大提高。由圖3-5（c）可見，經前處理后，桑皮纖維的熱分解焓由桑皮原樣的1.56J/g提升至化學處理的2.84J/g和AMBET處理的4.78J/g，經處理后桑皮纖維的熱分解焓顯著提高，表明經處理后，尤其是經AMBET技術處理后，桑皮纖維具有良好的熱穩定性。

圖3-5 桑皮纖維的熱分析

1—桑皮原樣 2—經化學處理的桑皮纖維 3—經AMBET處理的桑皮纖維

用日本理學2027型X射線衍射儀測定桑皮纖維的X射線圖譜，測試條件為管電壓40kV，管電流30mA，掃描速度2°/min，2θ掃描范圍為5°～45°。桑皮原樣及經化學和AMBET前處理后的桑皮纖維的X衍射光譜如圖3-6所示。

圖3-6 桑皮纖維的X衍射曲線

1—桑皮原樣 2—經化學處理后的桑皮纖維 3—經AMBET處理后的桑皮纖維

由圖3-6可見，桑皮原樣及經化學和AMBET處理的桑皮纖維的X衍射曲線中特征衍射峰的2θ角均對應于14.9°、16.3°、22.8°和34.5°附近，這是典型的纖維素Ⅰ的結構的特征衍射峰。同樣表明，前處理技術并沒有破壞桑皮中纖維素的結構。將X衍射譜圖用Peakfit軟件采用高斯—勞侖茲峰型進行擬合（R²>0.98），再根據結晶區的面積和整個擬合區域的面積的比值計算纖維的結晶度，桑皮原樣的結晶度為48.7%，經化學處理后其結晶度提高至65.8%，而經AMBET處理后進一步提升至74.3%，這主要和三種樣品中纖維素的含量以及三者中氫鍵結合強度有關，經AMBET處理后的桑皮纖維中纖維素含量最高，氫鍵結合最強。