引用本文
陈航, 梅长彤, 骆文, 徐墨苏, 任义, 尹文萱. 杨/柳絮与其他天然纤维的微观结构比较研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(3): 929-932.
CHEN Hang, MEI Chang-tong, LUO Wen, XU Mo-su, REN Yi, YIN Wen-xuan. Comparative Study on Microstructure of Flocculant/Catkin with Natural Fiber[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(3): 929-932.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)03-0929-04  
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杨/柳絮与其他天然纤维的微观结构比较研究
陈航1, 梅长彤1, 骆文2, 徐墨苏3, 任义4, 尹文萱4,*
1. 南京林业大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210037
2. 江苏省交通技师学院, 江苏 镇江 212006
3. Faculty of Science, Melbourne University, Melbourne, Victoria, Australia
4. 中国矿业大学化工学院, 江苏 徐州 221116
*通讯联系人 e-mail: ywx6499@cumt.edu.cn

作者简介: 陈航, 女, 1990年生, 南京林业大学材料科学与工程学院博士研究生 e-mail: hchen54@utk.edu

收稿日期: 2017-05-25
基金: 国家自然科学基金项目(21573282), 江苏省优势学科建设项目(南京林业大学/林业工程), 中央高校科研业务费专项资金项目(2015XKZD09)资助
摘要

以春季漫天飘飞的杨絮/柳絮为研究对象, 将其与棉花/蚕丝天然纤维的微观结构进行比较研究, 分别用体视显微镜、 扫描电镜观测其形貌; 用溴化钾压片法及全反射(ATR)测定FTIR光谱。 分析研究其形貌及微观结构, 实验结果表明: 杨絮/柳絮与棉花/蚕丝天然纤维形貌有显著差异—棉花纤维较粗、 且具有优良的拉伸性能, 而杨絮、 柳絮纤维则较短, 拉伸性能比较差; FTIR光谱比较分析, 发现棉花与杨絮、 柳絮的主要化学结构都是纤维素, 但是棉花纤维中氢键结合的羟基(—OH)伸缩振动吸收峰吸收强度明显大于杨絮, 这也是导致棉花纤维长、 纤维拉伸性能优于杨絮、 柳絮的因素之一; 蚕丝纤维与棉花、 杨絮柳絮这些植物纤维不同, 它的主要结构为酰胺结构。 它们微观结构的差异决定了这些纤维不同的性能和用途。

关键词: 杨/柳絮; 天然纤维; 微观结构; FTIR
中图分类号:O646 文献标志码:A
Comparative Study on Microstructure of Flocculant/Catkin with Natural Fiber
CHEN Hang1, MEI Chang-tong1, LUO Wen2, XU Mo-su3, REN Yi4, YIN Wen-xuan4,*
1. College of Art and Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China
2. Jiangsu Jiaotong College, Zhenjiang 212006, China
3. Faculty of Science, Melbourne University, Melbourne, Victoria, Australia
4. School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;
Abstract

The morphology and microstructure of catkins or flower cluster of poplar/willow were studied comparing with cotton/natural silk by the means of stered microscope, scanning electron microscope(SEM) and total reflection (ATR) spectra (FTIR), respectively. The experimental results showed that the morphology of cotton/silk fiber was thicker and had excellent tensile performance, while poplar catkin fiber was shorter with,less tensile properties. The FTIR analysis showed that the main chemical compositions of cotton and poplar catkins were cellulose and the stretching vibration absorption peak of hydroxyl(—OH) groups in hydrogen bond network of cotton fiber was significantly stronger than poplar catkin fiber.This may explain why the tensile properties of cotton fiber length, fiber flocculant is superior to the catkins of poplar and willow.Silk fiber is different from plant fiber,such as,cotton,poplar catkin) whose main structure is amide structure. Their microstructure difference determines the different properties and applications.

Keyword: Flocculant/catkin; Natural fiber; Microscopic structure; FTIR
引言

随着人们生活水平的提升, 城市绿化建设越来越受到重视。 杨树、 柳树有着生长速度快、 树形美观、 环境适应性强等特点, 被广泛地运用在环境绿化中。 但每到春季3— 5月份, 雌性杨树、 柳树产生的飞絮对人体和环境造成了植源性污染[1]。 过敏体质的人接触后容易引发上呼吸道或皮肤过敏性反应, 并且这些飞絮容易引发火灾, 各地分别对其进行治理[2, 3]。 但是, 杨柳飞絮作为天然的纤维资源是有使用价值的[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], 黄雯等[4]利用杨絮特有的管状结构将其进行高温碳化制备出碳纳米管, 并将所得碳纳米管作为基底, 进一步制备出具有三维结构的碳微纳米管/碳纳米管复合材料, 此复合材料具有良好的双电层电容性能。 Zhang等[5]将碳化杨絮与硫复合形成碳微管, 应用作锂/硫电池正极材料。 尹传青等[6]利用杨絮纤维制作出效果良好的吸油毡。 棉花作为植物类纤维, 已得到广泛的应用。 Wu等[7]利用棉花制备纳米微晶纤维素。 Mauro Pollini等[8]将棉花与高吸水性树脂水凝胶混合获得具有高吸水性和耐洗性的棉/水凝胶纱线。

本工作选取杨絮、 柳絮与棉花、 蚕丝进行对比分析, 通过体视显微镜、 扫描电镜(SEM)从显微及微观形貌、 FTIR(透射及ATR)从微观结构上对杨絮、 柳絮进行了解、 认识, 对进一步开发杨柳絮天然纤维的应用有参考意义。

1 实验部分
1.1 试剂及仪器

实验用杨絮/柳絮取自校园内, 市售新疆精梳棉花, 蚕丝取自天然蚕茧。

Leica 2000 体视显微镜; FTIR光谱仪: AVATR360型(美国Thermerfish, Nicolet), ATR全反射附件; 扫描电镜: COXEM EM-30(欧波同公司)。

1.2 方法

将棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝4个样品依次编号为a, b, c和d。

1.2.1 形貌分析

针对4个天然纤维样品, 分别用体视显微镜观察其显微形貌、 用扫描电镜观察微观形貌, 进行比较分析。

1.2.2 FTIR分析

将试样分别用KBr压片法及ATR全反射附件检测杨絮、 柳絮、 棉花、 蚕丝等的FTIR光谱, 并进行比较研究。

2 结果与讨论
2.1 显微形貌比较分析

图1(a, b, c, d)分别是在体式显微镜下观测到的棉花、 杨絮、 柳絮及蚕丝的形貌。 从图中发现: 与棉花相比, 杨絮纤维直径小, 纤维长度短, 软, 纤维内部为中空结构。 杨絮纤维头端处为封闭的状态; 棉絮纤维直径比杨絮、 柳絮大, 纤维长度长, 较其他试样相比, 棉絮纤维较硬, 纤维表面有凹凸, 纤维呈转曲状。 纤维内部为中空结构; 丝纤维表面光滑, 纤维长度长, 纤维与杨絮、 柳絮相比较硬, 略有弹性。

图1 在体式显微镜下观测到的棉花、杨絮、 柳絮及蚕丝的形貌
(a): 棉花; (b): 杨絮; (c): 柳絮; (d): 蚕丝Fig.1 Micro-morphology of cotton, flocculant, catkin and silk fiber
(a): Cotton; (b): Flocculant; (c): Catkin; (d): Silk

2.2 扫描电镜比较分析

图2为杨柳絮、 棉花及蚕丝纤维的电镜图片。 SEM显示, 杨柳絮的微观形貌与棉纤维及蚕丝纤维差异显著: 棉花纤维的侧面光滑, 截面呈现管状结构; 杨絮侧面呈现多个颗粒, 伴有破壁, 管式结构, 管壁较薄, 纤维呈现多处皱褶; 柳絮纤维较棉纤维、 杨絮纤维细, 侧面较杨絮光滑, 截面未呈现显著的管状结构; 蚕丝纤维侧面显示为毛磷片状垒叠形态(似动物毛发), 截面的管状形态不明显。

图2 杨柳絮、 棉花及蚕丝纤维的电镜图片
(a): 棉花; (b): 杨絮; (c): 柳絮; (d): 蚕丝Fig.2 The SEM of of cotton, flocculant, catkin and silk fiber
(a): Cotton; (b): Flocculant; (c): Catkin; (d): Silk

2.3 FTIR光谱比较分析[14, 15]

2.3.1 KBr压片法透射光谱

图3是KBr压片法测得的棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝的FTIR红外光谱图。 比较可以发现, 与氢键结合的羟基(— OH)伸缩振动吸收峰在棉花纤维中位于3 450及3 383 cm-1、 在杨絮中位于3 422 cm-1、 柳絮中位于3 419及3 342 cm-1; 吸收峰的强度差异: 在杨絮中位于3 377及3 351 cm-1、 柳絮中位于3 354 cm-1为较弱吸收峰; 在棉花纤维的FTIR光谱图中位于3 723 cm-1为中强度吸收峰。 蚕丝纤维的FTIR光谱图中位于3 382 cm-1是N— H伸缩振动吸收峰, 体现蚕丝纤维中蛋白纤维的酰胺基团。

图3 棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝的FTIR红外光谱图
a: 棉花; b: 杨絮; c: 柳絮; d: 蚕丝Fig.3 FTIR spectra of cotton, poplar catkins, willow catkins and silk
a: Cotton; b: Poplar catkins; c: Willow catkins; d: Silk

C— H伸缩振动的吸收峰在棉花纤维的FTIR光谱图中位于2 926 cm-1、 杨絮中位于2 928 cm-1、 柳絮中位于2 906 cm-1、 蚕丝中位于2 931 cm-1。 C=O羰基伸缩振动的吸收峰在杨絮的FTIR光谱图中位于1 738 cm-1、 柳絮中位于1 737 cm-1、 杨絮中位于1 736 cm-1, 没有太大差异; 在杨絮谱图中位于2 928及2 853 cm-1的吸收峰强度较弱, 在棉花纤维中则峰强度不明显, 这是由于棉花纤维与杨絮、 柳絮纤维相比较, C=O官能团数量较少。 而在蚕丝的FTIR谱图中位于1 660 cm-1有强烈的吸收峰, 这是由酰胺Ⅰ 带的C=O羰基伸缩振动引起的。 C=C 伸缩振动在波数为1 633, 1 597, 1 600, 1 634和1 601 cm-1的吸收峰几乎相同, 而波数为1 520 cm-1是由N— H弯曲振动引起的酰胺Ⅱ 的特征吸收峰, 吸收峰强度高。 C— H弯曲振动的吸收峰在棉花(1 431 cm-1)强度较弱, 且为单峰, 而在杨絮(1 425和1 455 cm-1)、 柳絮(1 425 cm-1)中C— H弯曲振动的吸收峰为双峰, 且强度相似。 蚕丝谱图中, 波数为1 445和1 406 cm-1出现较强的伯酰胺的特征吸收峰, 这是由蚕丝纤维中伯酰胺的C-N伸缩振动引起的。 蚕丝在波数为1 233 cm-1处出现了较强的一个尖峰, 是表征酰胺Ⅲ 的特征吸收峰, 由N— H弯曲振动和C— N伸缩振动共同引起的; 而在其他四个试样谱图中, 在波数为1 374 cm-1均有纤维素中CH变形振动引起的吸收峰, 强度相似。 纤维素中C— O伸缩振动引起的吸收峰在杨絮中位于1 057 cm-1、 柳絮中位于1 055 cm-1、 杨絮中吸峰强, 但峰型相似, 而在棉花中位于1 054 cm-1吸峰较弱; 在蚕丝谱图中, 1 067 cm-1则是C— N伸缩振动的吸收峰。

2.3.2 ATR全反射光谱

棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝ATR谱图如图4所示, 从图4发现: 棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝相比较, 羟基(— OH)伸缩振动的吸收峰, 棉花、 杨絮、 柳絮中分别位于3 347, 3 343和3 325 cm-1; 蚕丝中分裂为3 288和3 265 cm-1两个峰。 C— H伸缩振动峰, 棉花纤维中, 为2 909 cm-1弱峰, 在杨絮、 五柳柳絮、 蚕丝中, 分别为2 915/2 855, 2 919/2 852和2 916/2 860 cm-1峰, 强度显著增强。 C=O羰基伸缩振动峰, 在杨絮、 柳絮谱图中分别均位于1 730 cm-1, 但在棉花、蚕丝纤维中却表现不明显, 由于蚕丝纤维主要成分为酰胺, 造成C=O羰基伸缩振动峰在波数为1 626 cm-1处特征明显。 蚕丝纤维中, 酰胺Ⅱ 中N— H 弯曲振动特征峰在1 529 cm-1处强度高。 C— O伸缩振动的对称和不对称峰, 在杨絮谱图中位于1 241和1 162 cm-1、 柳絮中位于1 241和1 160 cm-1, 且峰型相似; 在棉花纤维中仅出现位于1 161 cm-1一个特征峰。 蚕丝纤维位于1 242 cm-1处, 则是酰胺Ⅲ 特征峰; 在蚕丝纤维中, 位于1 065 cm-1是C— N伸缩振动峰。

图4 棉花、 杨絮、 柳絮、 蚕丝ATR谱图
a: 棉花; b: 杨絮; c: 柳絮; d: 蚕丝Fig.4 ATR FTIR spectra of cotton, poplar catkins, willow catkios and silk
a: Cotton; b: Poplar catkins; c: Willow catkins; d: Silk

对透射谱图、 ATR全反射谱图进行比较分析, 棉花、 杨絮、 柳絮化学成分相似, 都以纤维素为主要成分, 杨絮和棉花的化学组成更为相似, 主要差异在与氢键结合的羟基(— OH)伸缩振动峰和C— O伸缩振动峰的强度。 而蚕丝纤维为蛋白纤维, 主要组成结构为酰胺结构。

3 结论

经过微观形貌及FTIR谱图 结构比较分析, 虽然棉花与杨絮、 柳絮和蚕丝都是天然纤维, 但是它们的微观形貌有显著差异: 棉花纤维较粗、 且具有优良的拉伸性能, 而杨絮、 柳絮纤维则较短, 拉伸性能比较差。 经过FTIR谱图分析, 发现棉花与杨絮、 柳絮的主要化学结构都是纤维素, 但是棉花纤维中氢键结合的羟基(— OH)伸缩振动峰强度明显大于杨絮, 这也是导致棉花纤维长、 纤维拉伸性能优于杨絮、 柳絮的因素之一; 蚕丝纤维与棉花、 杨絮柳絮这些植物纤维不同, 它的主要结构为酰胺结构。 它们微观结构的差异决定了这些纤维不同的性能和用途。 以上研究结果对进一步利用杨柳絮这一春天带来困扰的天然纤维, 有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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