构树纤维微观结构特点及应用前景

郭光振 张同华（福建省纤维检验局）

[编辑:Cyx]  [发布时间:2015-08-26]  [锦桥纺织网]

　　摘要：采用生物显微镜对构树纤维在200~1000倍下进行了表面简单形貌观察，采集了有价值的研究图像;同时在扫描电子显微镜下对该纤维的微观表面及横截面进行了高倍分辨率的观察和图像分析;利用红外光谱仪测定了构树纤维大分子的结晶度，取向度等常用性能指标.在与常见的几种天然纤维的相关性质进行比较后，数据结果表明：构树纤维表面光滑，部分纤维还有不明显的转曲，且具有类似苎麻的横纹，其大分子结晶度与取向度等性能接近但略差于常见天然纤维，该种新型纤维在产业用造纸及新型纺纱材料等领域具有极大的应用前景。
　　关键词：构树纤维；表面形貌；结晶度；取向度；产业应用
　　1引言
　　1.1构树简介
　　构树Broussonetiapapyrifera(L.)Vent为桑科构属直立落叶乔木，如图1所示.广泛分布于华东、华南、西南及河北、山西、陕西、甘肃、湖北、湖南等地.桑科构属植物全世界共有4种，中国境内有3种，其中2种可作药用.构树的果实、树叶、枝条、茎皮部乳汁和根皮均可人药^[1]。
 

　　
　　1.2构树纤维利用现状
　　构树纤维目前主要用于造纸行业，在纺织方面的研究与应用很少.由构树纤维制得的纸称为白棉纸，自古都是上等的纸品.制成的纸张纤维长，其质量特点是具有极高的韧性、极好的吸水吸湿性、透气性、富有弹性，所产的纱纸具有纸质坚韧洁白、细韧柔软、拉力强韧的特点，环保、耐用、防腐防蛀、久存不陈，保存年代久，成为历代名人书写重要的契约家谱或佛教道教经文用纸及现在各类包装用纸。
　　1.3此论文研究的根据及解决的问题
　　本实验中所采用的构树韧皮即采自在引言中所述的大规模高档纱纸生产传统地区(中国•广西自治区•河池市大化县)，这使得该实验在一开始就保证了实验材料来源的科学性与代表性。实验刚开始阶段，采用的构树纤维采自野外某山坡上，品种凌乱，未经过人工选育，且不能代表市场产业应用方向，故制得的纤维粗糙且均匀度相当差。现今采用的纤维完全实现了实验前的设想，而且该品种在产业应用上也极具代表性，在众多构树品种中，属于十分优良的品种。
　　构树的研究发展仍旧将在上文中所述的四个方面进一步的深化，如进一步探索人工培育与种植的方法，加快构树的生长时间，增长构树的纤维长度，提高其纤维率等等。本文力图在前人研究的基础上，测量分析目前构树纤维尚未研究的方面，如结晶度、取向度，并探索拓展该纤维的应用领域，如生态工程、纺纱工艺、非织造材料、营养医药品开发等等。
　　2构树纤维微观结构性能的研究
　　2.1实验原料及试验器材
　　经过特殊处理的构树纤维材料，扫描电子显微镜（SEM）及其相关附属设备；傅立叶变换红外光谱仪及其相关附属设备；生物显微镜(配备摄影装置机)、照相机、放大机，哈氏切片器，截玻片、盖玻片，单面刀片，蛋白甘油、火棉胶、填充纤维(深色构树纤维)，苎麻纤维、蚕丝纤维、棉纤维。
　　2.2构树纤维实验前处理
　　构树纤维经脱胶去水干燥后，进行横截面切断处理，再将经过处理的构树纤维用导电胶带把样品黏结在样品底座上，放到扫描电镜中观察，以防止假象的存在，在放试样前应先将试样用丙酮或酒精等进行清洗。
　　2.3构树纤维表面形貌观测与分析
　　2.3.1试样制备
　　由于制得的构树纤维属于块状的非导电样品，故要先进行镀膜处理。
　　2.3.2实验过程
　　将构树单纤维置于生物显微镜下观察，得到以下图像，如图2、图3与图4。
 

　　接下来，为了得到分辨率更加高的图像，采取了扫描电子显微镜观察。图5~8分别是构树纤维的表面形貌、头端图像、截面图像、横断面图像。

　　
　　2.4红外光谱法测定纤维结晶度及取向度
　　2.4.1试样准备
　　由于是线材试样，将脱胶且干燥后的构树纤维平行密集地排列在试样板上，然后使纤维轴与衍射仪轴呈直角将试样插在试样架上。制样方法采用的是溴化钾压片法，必须在红外灯下充分干燥后才能压片，否则会在约1640cm^-1~3300cm^-1时出现水的吸收。
　　2.4.2实验过程
　　通常意义上的结晶度测量常采用密度梯度法，公式为：X=（p－pa）/（pc－pa）
　　其中X为结晶度，p为纤维的整体密度；pa为非晶区的密度；pc为结晶区的密度.取向度是指纤维大分子链节与纤维轴的平行程度，为一平均值，经典的表达式为Hermans取向因子（函数）：f=1/2（3cos2θ－1）=1－3/2sin2θ式中，θ为分子链节轴与纤维轴夹角。红外光谱属于分子振动光谱，主要用于研究分子的结构与红外吸收光谱图的关系，利用红外光谱法测定纤维的结晶度是一种常用的方法^[2].
　　实际测得的构树纤维素衍射强度曲线如图9。

　　从此光谱图中可以很明显看出：A区3500cm^-1~3300cm^-1，B区1700cm^-1~1300cm^-1，C区700cm^-1~550cm^-1为强谱带区.在A区中主要是一些醇类，酚类高聚物;在B区中主要是聚酰胺类，聚脲类等高聚物;在C区中主要是取代苯，不饱和双键。通过进一步与标准光谱样图进行比较，可以总结出构树韧皮中部的纤维各化学键吸收光谱图，情况如下表1所示。
　　　

　　2.4.2.1测算构树纤维的结晶度实验过程
　　构树纤维的结晶度χ可由下式得到：
　　X=A₁₇₀₀/A₂₉₄₀×K₂₉₄₀         (1)
　　式中A₁₇₀₀和A₂₉₄₀分别为该样品的1700和2940cm^-1谱带的吸光度，k₂₉₄₀是比例常数.对于吸光度的计算，有下式：
　　A=log₁₀1/T=log₁₀I₀/I=Kb    (2)
　　式中A为吸光度；I₀和I分别表示入射光和透射光的强度；T=I/I₀，称为透射比；b为样品厚度，单位为cm；K为吸收系数，单位为了cm-1，此式为兰伯特（Lambert）定律.构树纤维密度r为1.86g/cm³，的平均细度为0.208tex经计算构树纤维的结晶度为17~20%，在天然纤维中构树的结晶度偏高。
　　2.4.2.2测算构树纤维的取向度实验过程
　　本实验中需要用的公式如下：
　　     (3)

　　依然采用兰伯特（Lambert）定律如下，可计算得各吸光度值：
　　经计算f_IR为65%左右，可见构树纤维的晶区取向度偏小，这是未经拉伸定形的正常表现，一般天然纤维经过拉伸，牵伸后取向度都会有明显提高。
　　3结果与讨论
　　生物显微镜下观察，可以发现构树纤维纵向呈中间略粗两端尖细的封闭的管状(见图2)，表面有少量的凹槽和细小竹节(见图3)，少量纤维还有不明显的转曲.截面呈椭圆形，较兰麻扁平，胞壁厚度比较均匀，沿径向有少许辐射纹(见图4).从构树纤维的外观形态上可看出，该纤维的光泽较好，品质优良，纵向外观有利于纤维的相互抱合，具有比较好的可纺性.构树纤维壁上有明显的横节纹，胞腔明显，纤维有的腔大、有的腔小，纤维两端尖细，常呈分枝状，有时端头为一小圆球.且其长径比大于500，而且非织造材料的纤维长径比理论定义为大于300，因此，构树纤维的长径比适合做非织造材料。
　　结合上文中测得的构树纤维的红外光谱衍射强度图，构树纤维、苎麻、棉、蚕丝四种天然纤维的吸收光谱图对比如图10所示。

　　
　　通过分析构树纤维的红外光谱图，并与纤维素的光谱图进行比较，统计其与苎麻，棉，蚕丝的吸收光谱图的数据，如表2所示，可以明显的发现，构树纤维的主要成份仍是纤维素.这就验证并确定了构树纤维与其他天然纤维在化学组成上的一致性。但同时也应该注意，所谓的结晶区并不一定是由真正的结晶结构引起的。其中很多谱带可能是和高分子链本身的结构特征有关，由于这些结构存在而使高聚物可能结晶[3].构树纤维与苎麻的光谱吸收极其相似，从光谱的定性分析可以看出，它与苎麻，棉纤维的化学组成与结构上具有一定的相似.而蚕丝因属于蛋白质纤维，因而光谱图差异较明显.构树纤维从定性组成上拥有和苎麻类似的天然成分，也就具备了相关利用前景的前提条件。
　　构树纤维晶区天然取向度偏小，显然其原纤本身与纤维轴的取向也偏小，从而整体上影响了大分子链与主轴的取向结构.天然纤维中的苎麻，蚕丝有着很高的取向度，不仅大分子相对原纤轴有极高的取向度，而且原纤本身与纤维轴也有很高的取向。
　　从实验结果上看，未经拉伸取向的纤维，其取向度较低，因此其强力不是很高，但这并不影响其产业化应用。

　　
　　构树纤维作为非织造材料利用，具备以下几个特点[9，10]：繁殖容易，成材快，产量高；价钱便宜，运输方便；.材质既不十分坚硬也不非常疏松，节间距较长；木素含量较低，蒸煮，漂白比较容易；纤维素含量不低于50%；平均纤维长度大于5mm，杂质含量较低，它与竹纤维一样适合于作非织造材料。
　　本论文采用多种先进的近代纤维测试技术对构树纤维进行了微观细致的研究，重点探讨了该纤维在表面形貌、结晶度、取向度等方面的特点与性能，最后主要得出以下结论：
　　1)构树纤维纵向呈中间略粗两端尖细的封闭的管状，表面有少量的凹槽和细小竹节纹少量纤维还有不明显的转曲.截面呈扁椭圆形，较兰麻扁平、胞壁厚度比较均匀，沿径向有少许辐射纹。
　　2)从构树纤维的外观形态上可看出，该纤维的光泽较好，纵向外观有利于纤维的相互抢合，无论从细度还是长度来看，均特别适合开发作为新型天然非织造纤维材料，而目前市上此项研究为空白，有待于产业开发。
　　3)构树纤维与苎麻的光谱吸收极其相似，从光谱的定性分析可以看出，它与苎麻，棉纤维的化学组成与结构上类似.结晶度虽然不是很高，但可在后续加工中通过常规工艺流程来提高.构树纤维从定性组成上拥有和苎麻相同的天然成分，也就具备了相关产业利用的前提条件。
　　4)构树纤维晶区天然取向度偏小，显然是由于原纤本身与纤维轴的取向偏小的缘故，整体上大分子链与主轴的取向结构也偏小。对于此类纤维材料，主要可通过后续单轴取向工艺来提高其取向度。