竹纖維在1 100～950 cm－1區(qū)間的紅外吸收光譜分析

許 炯，劉 羽，韋巧云

（1. 浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023；2. 杭州綠興環(huán)保材料有限公司，浙江 杭州 310022）

竹纖維在1 100～950 cm－1區(qū)間的紅外吸收光譜分析

許 炯1，劉 羽2，韋巧云2

（1. 浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023；2. 杭州綠興環(huán)保材料有限公司，浙江 杭州 310022）

用紅外光譜分析不同竹種的竹纖維在1 110 ～ 950 cm－1區(qū)間的光譜吸收，研究不同竹種的竹纖維結(jié)構(gòu)的差異性，結(jié)果表明，不同竹種竹纖維的紅外特征吸收峰基本一致；經(jīng)NaOH溶液處理后，各竹種竹纖維在紅外吸收峰處均有加強，且隨NaOH濃度的增加，竹纖維在995 cm－1處的吸收峰有更多的增強。

竹種；竹纖維；紅外光譜

竹纖維作為一種新型的纖維材料，它具有優(yōu)良的著色性、反彈性、懸垂性、耐磨性和抗菌性，還具備較好的強力和拉伸性能，優(yōu)良的吸濕性和導電性，其中吸濕性和透氣性居各類纖維之首[1～2]。竹纖維長，可塑性好，平均長度一般在1.3 ～ 2.5 mm，而且竹纖維比較細，長寬比大，纖維結(jié)構(gòu)也與木材相接近，可以作為造紙的好原料[3～4]。此外竹纖維的物理機械性能和聚合度指標與粘膠纖維用漿要求相近，因此，竹纖維可作為粘膠纖維的原料用于紡絲，成為紡織服裝產(chǎn)品的原料。它不僅符合生態(tài)環(huán)保的要求，而且滿足了人們對健康、舒適、衛(wèi)生等多元化服飾的需求。用竹纖維與真絲、各類長絲等原料交織，可提高產(chǎn)品的附加值[5]。竹纖維原料來自自然生長的竹子，竹子生長快，纖維含量高，產(chǎn)品用后可生物降解，屬環(huán)保型綠色纖維，是一種具有廣闊應用前景的纖維材料[6～8]。

紅外吸收光譜屬于分子振動光譜，主要研究聚合物分子組成和結(jié)構(gòu)與紅外吸收譜圖的關系，同時它也可以提供纖維的組成和結(jié)構(gòu)信息。20世紀40年代起，紅外光譜法己經(jīng)用于紡織纖維的研究，1947年Rowen[9]等首次采用紅外吸收光譜研究了棉花纖維素。但到目前為止，以紅外光譜法作為竹纖維結(jié)構(gòu)的分析方法的研究還比較少，本文著重分析竹纖維的紅外光譜，表征竹纖維的結(jié)構(gòu)，并研究通過不同處理方法的竹纖維和不同竹種相同處理方法的竹纖維在1 110 ～ 950 cm－1區(qū)間的紅外光譜差異，從中探索不同竹種的竹纖維的結(jié)構(gòu)共性和個性差異，為竹纖維鑒別分析尋找理論依據(jù)，而這方面研究還未見相關文獻報道。

1 研究方法

1.1 竹纖維樣品的提取

采用取自浙江省林業(yè)科學研究院竹種園的毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens）、紫竹（Ph. nigra）、剛竹（Ph. viridis）、石竹（Dianthus barbatus var. asiaticus）、孝順竹（Bambusa multiplex）、慈竹（Neosinocalamus affinis）、鳳尾竹（Bambusa multiplex var. multiplex cv. fernleaf）為原料，以硫酸鹽法制漿，其中用堿量為18%，硫化度（硫化度 = W硫化鈉/ W（氫氧化鈉＋硫化鈉））為25%，液比為1：3.5。將制得的粗漿，用蒸餾水反復清洗，然后用15% NaOH溶液處理12 h后，在8% H2O2和2% NaOH的條件下處理12 h以漂白竹漿，再用蒸餾水清洗，于80℃烘箱中烘干，即得到竹纖維。其中所用的化學試劑NaOH、Na2S、30% H2O2均為分析純。

1.2 儀器

紅外光譜儀：美國NICOLET is10-FTIR，光譜檢測范圍：4 000 ～ 400 cm－1，分辨率：4 cm－1，掃描次數(shù)：32。

1.3 測試方法

將竹纖維樣品與KBr（光譜純）一起進行充分研磨（W纖維/WKBr= 1/50），壓制成片后進行紅外光譜測定，并對所得譜圖進行相應的處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹纖維的紅外光譜

圖1為毛竹纖維的紅外光譜。由紅外光譜可以看出，3 447 cm－1附近的吸收峰是-OH的伸縮振動吸收，是所有纖維素的特征譜帶；2 900 cm－1處的吸收峰歸屬為C-H的伸縮振動峰；1 637 cm－1處的吸收峰歸屬為C=O的伸縮振動峰；1 375 cm－1處的吸收峰為C-H的彎曲振動：1 335 cm－1處的吸收峰是O-H的面內(nèi)彎曲振動產(chǎn)生的；1 061 cm－1處的強吸收峰可歸屬為C-O的伸縮振動；993 cm－1附近的吸收峰是纖維中醚鍵的特征峰；895 cm－1為環(huán)狀C-O-C不對稱面外伸縮振動/CH2(CH2OH)非平面搖擺振動產(chǎn)生的特征峰；668 cm－1為 -OH面外變形振動[10～11]。

圖1 毛竹纖維的紅外光譜圖Figure 1 Infrared spectrum of Phyllostachys heterocyclacv.pubescensfiber

經(jīng)過紅外表征發(fā)現(xiàn)，所表征的各種竹纖維的紅外特征峰與圖1基本相同，所以特征峰的歸屬情況也相同。

2.2 標峰靈敏度與吸收峰強弱的關系

竹子纖維都是纖維素纖維，其化學結(jié)構(gòu)相同，紅外光譜的特征吸收峰完全一致，我們無法用肉眼看出不同竹種的纖維紅外光譜有什么區(qū)別，為了提高譜圖解析能力，從中尋找不同竹種竹纖維之間紅外光譜吸收峰強度的微小差別，本研究利用NICOLET is10-FTIR紅外光譜儀所帶數(shù)據(jù)處理軟件Nicolet omnic 8.0，可以設置一定的標峰靈敏度，將在此靈敏度條件下對達到一定峰強度的吸收峰進行自動標注，標出該峰的吸收峰峰值。標峰靈敏度越高（數(shù)值越大），標峰能力越強，較弱的吸收峰也將被標注，所以，可以根據(jù)標峰所需最小靈敏度值，判斷峰的強弱。標峰靈敏度越大，對應的峰越弱，反之亦然。

在室溫下，分別將不同竹種竹纖維用7%或15%的NaOH溶液處理24 h，洗滌至中性，干燥后再進行紅外光譜測定，分別設定標峰靈敏度為70和66，并將得到的紅外譜圖與未經(jīng)處理的竹纖維的紅外譜圖進行對比分析。

圖2和圖3分別為設置不同靈敏度條件下鳳尾竹纖維的紅外光譜圖，圖中峰值是由數(shù)據(jù)處理軟件自動標注的。標峰靈敏度變化后，有些在圖2中標注的峰在圖3中就無法標注出。

2.3 各種竹纖維樣品經(jīng)堿溶液處理后紅外光譜的變化

圖2 標峰靈敏度為70的條件下鳳尾竹纖維的紅外光譜圖Figure 2 Infrared spectrum ofBambusa multiplexvar. multiplexcv.f ernleaffiber under sensitivity of 70

圖3 標峰靈敏度為66的條件下鳳尾竹纖維的紅外光譜圖Figure 3 Infrared spectrum ofBambusa multiplexvar. multiplexcv.f ernleaffiber under sensitivity of 66

從圖2可以看出，在相同標峰靈敏度的條件下，用堿處理過的鳳尾竹纖維樣品的紅外譜圖中的995 cm－1附近的特征峰可以被標示出峰值，而未經(jīng)堿處理的纖維的紅外譜圖中的995 cm－1峰的峰值沒有被標出來，說明堿處理過程加強了995 cm－1特征峰的強度。

從圖3可以看出，在相同標峰靈敏度的條件下，只有用15 % NaOH溶液處理過的鳳尾竹纖維樣品的紅外譜圖中的995 cm－1峰可以被標示出峰值，而未經(jīng)堿處理和用7 % NaOH溶液處理過的纖維的紅外譜圖中的995 cm－1峰的峰值沒有被標出來。說明堿處理過程中，隨著堿濃度的加強，995 cm－1處峰的強度也相應的加強了。

表1為經(jīng)過不同濃度堿處理的鳳尾竹纖維的兩個特征峰（1 110 cm－1和995 cm－1）的最小標峰靈敏度。從表中可以看出，經(jīng)過堿處理，995 cm－1峰的最小標峰靈敏度減小，1 110 cm－1峰的最小標峰靈敏度增大，即鳳尾竹纖維的995 cm－1峰強度有所增強，1 110 cm－1峰強度減弱；同理，得到995 cm－1峰強度隨堿溶液濃度的增加而增強。

表1 經(jīng)過不同處理的鳳尾竹纖維的兩個特征峰的最小標峰靈敏度Table 1 Minimum sensitivity of two characteristic absorption peaks of different treated Bambusa multiplex var.multiplex cv. fernleaf fibers

2.4 各種竹纖維經(jīng)堿溶液處理后的紅外光譜變化

本研究選取了毛竹、紫竹、剛竹、石竹、孝順竹、慈竹，分別用7%、15%的NaOH溶液進行處理，比較其在1 110 cm－1和995 cm－1處紅外吸收峰的變化。

圖4 不同竹種竹纖維的紅外光譜圖Figure 4 Infrared spectrum of fibers of different bamboo species

表2 不同處理方法的各竹種竹纖維在995 cm－1和1 100 cm－1處的最小標峰靈敏度Table 2 Minimum sensitivity from 995/cm to 1 100/cm of different treated bamboo fibers of different species

運用相同的方法，研究了其它多種竹種的竹纖維經(jīng)不同處理后紅外譜圖的變化，如圖4、表2所示。最小標峰靈敏度越大，則相應的峰強度越小，再結(jié)合表1和表3中數(shù)據(jù)可知，各竹種竹纖維的995 cm－1特征峰強度的強弱情況如下：①未經(jīng)處理的各竹種的竹纖維的995 cm－1峰強度：紫竹 > 鳳尾竹 > 毛竹 > 石竹 > 剛竹 >慈竹 > 孝順竹；②經(jīng)7% NaOH 溶液處理各竹種的竹纖維的995 cm－1處峰強度：剛竹 > 毛竹 > 石竹 > 鳳尾竹 >紫竹 > 孝順竹 > 慈竹；③經(jīng)15% NaOH溶液處理各竹種的竹纖維的995 cm－1處峰強度：毛竹 > 剛竹 > 慈竹 >石竹—鳳尾竹 > 孝順竹 > 紫竹。

同樣，對其在1 110 cm－1處吸收峰的強弱進行排列。

對經(jīng)不同濃度NaOH溶液處理后同一種類竹纖維的紅外譜圖進行比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿處理后，譜圖中峰值位于995 cm－1附近的特征峰和峰值位于1 110 cm－1附近的特征峰發(fā)生了變化，其中，用7%的NaOH溶液處理過的竹纖維樣品與未經(jīng)處理的竹纖維樣品相比較，995 cm－1處峰的強度普遍都有所加強（其中紫竹纖維的995 cm－1處峰在用堿處理過后強度略有減弱）；用15%的NaOH溶液處理過的竹纖維樣品與用7%的NaOH溶液處理的竹纖維樣品比較，紅外譜圖中的995 cm－1處峰的強度也有一定程度的加強。即堿處理可以加強竹纖維紅外譜圖的995 cm－1處峰的強度，增加堿溶液（處理液）的濃度，995 cm－1處峰的強度也一定程度的增強。相反，由表3可知，經(jīng)堿處理后的大多數(shù)竹纖維的紅外譜圖中的1 110 cm－1處峰的強度逐漸減弱。

3 結(jié)論

通過對竹纖維的紅外光譜的研究，得到以下結(jié)論：

（1）不同竹種竹纖維的紅外特征吸收峰基本一致。其中，995 cm－1處吸收峰是纖維中醚鍵特征峰，不同的竹纖維在995 cm－1處的峰是有強弱區(qū)別的。

（2）經(jīng)NaOH溶液處理的各竹種的竹纖維在紅外吸收峰處均有加強，增強程度與NaOH溶液的濃度有關，15%NaOH比相對較低濃度NaOH處理，在995 cm－1處吸收峰有更多的增強。

（3）995 cm－1處紅外吸收峰的強弱變化與纖維中醚鍵所處晶格變化有一定關系，當995 cm－1處吸收峰增強時，可能是由于纖維的纖維素晶格受到一定改變引起的；1 110 cm－1處吸收峰的減弱，同樣也是由于纖維的纖維素晶格受到一定改變引起的。

（4）有研究報道[9]，纖維素Ⅰ在1 112 cm－1處有一較強的峰，而纖維素Ⅱ在此處近于消失。Higgins等[9]認為，這是由于六元環(huán)骨架上C-O伸縮振動的不同造成的。在纖維素Ⅱ中強度明顯減弱與氫鍵的變化有關。

（5）慈竹是這些所選竹纖維中，1 110 cm－1處吸收峰最強，995 cm－1處吸收峰最弱的竹種，這表示慈竹是纖維素結(jié)構(gòu)相對緊密、纖維質(zhì)量較好的竹種。

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Analysis on IR-spectra of Bamboo Fiber from 1100/cm to 950/cm

XU Jiong1，LIU Yu2，WEI Qiao-yun2（1. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 2. Hangzhou Luxing Environment-friendly Material Company Ltd, Hangzhou 310022, China）

Determination of IR-spectra of different bamboo fibers from 1 100/cm to 950/cm was carried out for analyzing difference of fibers of different bamboo species. The result showed that infrared characteristic absorption peaks of different bamboo fibers were similar, and enhanced when fibers treated by NaOH solution, especially at 995/cm.

bamboo species; fiber; IR

S718.43

1001-3776（2010）02-0001-05

2009-12-28；

2010-02-07

浙江省自然科學基金資助項目“竹纖維超微結(jié)構(gòu)特征及紡織應用特性研究”（Y306608）

許炯（1961－），男，浙江寧波人，研究員，碩士，從事材料化學和應用研究。