棉纖維變溫紅外光譜研究

劉子瑋，李 園，劉 閃，門文欣，李獻(xiàn)朋，宗再興，趙婷婷，于宏偉

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

棉纖維變溫紅外光譜研究

劉子瑋，李 園，劉 閃，門文欣，李獻(xiàn)朋，宗再興，趙婷婷，于宏偉

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

采用變溫傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術(shù)(ATR-FTIR)，分別研究了棉纖維的紅外光譜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在 2950 cm-1～ 2830 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1和 1100 cm-1～ 1000 cm-1等四個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，棉纖維同時(shí)存在著 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2)、CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH2)、OH 變形振動(dòng)模式(δOH)和 C-O 伸縮振動(dòng)模式(νC-O)等四種紅外吸收模式。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維νasCH2和νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率增加，而棉纖維δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率減少。本項(xiàng)研究開拓了變溫 ATR-FTIR 技術(shù)在棉纖維結(jié)構(gòu)分析方面的研究范圍。

棉纖維 紅外光譜 結(jié)構(gòu)

棉纖維廣泛應(yīng)用紡織行業(yè)領(lǐng)域中[1-2]。棉纖維通常采用透射電鏡法研究其結(jié)構(gòu)[3-6]，而傳統(tǒng)的紅外光譜法由于制樣繁瑣，相關(guān)研究少見報(bào)道。衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)則不需要對(duì)于樣品進(jìn)行任何處理。因此本研究采用 ATR-FTIR術(shù)結(jié)合變溫附件，研究了棉纖維變溫紅外光譜(包括一維、二階及四階導(dǎo)數(shù)光譜)，進(jìn)一步探索研究溫度變化對(duì)于棉纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

棉纖維(石抗 126 號(hào))，石家莊學(xué)院藥物制劑2013級(jí)本科陳月彎同學(xué)友情提供)。

1.2 儀器

紅外光譜儀(Spectrum 100)； ATR-FTIR 變溫附件(Golden Gate)；ATR-FTIR 變溫控件(WEST 6100+)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[7]。

2 結(jié)果與討論

a 棉纖維一維光譜

c 棉纖維四階導(dǎo)數(shù)光譜

在 4000 cm-1～ 600 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了棉纖維的紅外光譜研究。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[7-9]，棉纖維的特征紅外吸收頻率主要集中在 1100 cm-1～ 1000 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1和 2950 cm-1～ 2830 cm-1等四個(gè)頻率區(qū)間，因此本文重點(diǎn)在這四個(gè)頻率區(qū)間開展棉纖維變溫紅外光譜的研究。

2.1 棉纖維紅外光譜研究

2.1.1 2950 cm-1～ 2830 cm-1頻率范圍內(nèi)棉纖維紅外光譜研究

a 棉纖維 νCH2 一維光譜

b 棉纖維 νCH2 二階導(dǎo)數(shù)光譜

c 棉纖維 νCH2 四階導(dǎo)數(shù)光譜

在 2950 cm-1～ 2830 cm-1頻率范圍內(nèi)首先展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 2a)，由于其分辨能力不高，并不能得到有效的光譜信息。而棉纖維的二階導(dǎo)數(shù)光譜的分辨能力則有了明顯的提高(圖 2b)，其中 2918 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2)，而 2850 cm-1(293 K)頻率處的紅外吸收峰則歸屬于棉纖維 CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH2)，而隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維 νasCH2和 νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率增加，此外棉纖維 νasCH2和 νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度進(jìn)一步降低。進(jìn)一步開展了棉纖維的四階導(dǎo)數(shù)光譜研究(圖 2c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.2 1450 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內(nèi)棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 δOH-1 一維光譜

b 棉纖維 δOH-1 二階導(dǎo)數(shù)光譜

c 棉纖維 δOH-1 四階導(dǎo)數(shù)光譜

在 1450 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內(nèi)展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 3a)。其中 1427 cm-1(293 K)頻率處的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 -OH 變形振動(dòng)模式(δOH-1)，但其受到棉纖維 CH變形振動(dòng)模式(δCH)和 CH2變形振動(dòng)模式(δCH2)協(xié)同作用的影響，并不能得到高質(zhì)量的紅外光譜信息。而進(jìn)一步研究了棉纖維的二階導(dǎo)數(shù)光譜(圖 3b)，其分辨能力有所提高，隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維δOH-1的紅外吸收頻率略有降低，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度降低。進(jìn)一步研究了棉纖維δOH-1的四階導(dǎo)數(shù)光譜(圖 3c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.3 1350 cm-1～ 1300 cm-1頻率范圍內(nèi)棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 δOH-2 一維光譜

b 棉纖維 δOH-2 二階導(dǎo)數(shù)光譜

c 棉纖維 δOH-2 四階導(dǎo)數(shù)光譜

在 1350 cm-1～ 1300 cm-1頻率范圍內(nèi)展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 4a)，由于其于分辨能力較低，并不能得到有用的紅外光譜信息。而進(jìn)一步研究了棉纖維的二階導(dǎo)數(shù)光譜(圖 5b)，其中 1336 cm-1頻率(293 K)附近的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 -OH 變形振動(dòng)模式(δOH-2)，但同樣受到棉纖維δCH和δCH2協(xié)同作用的影響，隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維δOH-2紅外吸收頻率降低為1334cm-1頻率(393 K)，而對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度略有下降。進(jìn)一步研究了棉纖維的四階導(dǎo)數(shù)光譜(圖 4c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.4 1100 cm-1～ 1000 cm-1頻率范圍內(nèi)棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 νC-O 一維光譜

b 棉纖維 νC-O 二階導(dǎo)數(shù)光譜

c 棉纖維 νC-O 四階導(dǎo)數(shù)光譜

在 1110 cm-1～ 1000 cm-1頻率范圍內(nèi)，展開了棉纖維的一維光譜(圖5a)的研究工作，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的紅外吸收峰；而進(jìn)一步研究了棉纖維的二階導(dǎo)數(shù)光譜(圖5b)，其分辨能力有顯著的提高，其中在 1031 cm-1(293 K)和 1056 cm-1(293 K)頻率附近的發(fā)現(xiàn)的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 C-O 伸縮振動(dòng)模式(νC-O)，而隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維 νC-O的紅外吸收頻率和吸收強(qiáng)度降低。而進(jìn)一步研究棉纖維的四階導(dǎo)數(shù)光譜(圖5c)，其分辨能力則進(jìn)一步提高，其中在 1077 cm-1(293 K)、1059 cm-1(293 K)、1050 cm-1(293 K)和 1033 cm-1(293 K)頻率附近發(fā)現(xiàn)棉纖維 νC-O，而隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維 νC-O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率和紅外吸收強(qiáng)度則進(jìn)一步降低。

2.2 棉纖維變溫四階導(dǎo)數(shù)光譜研究

由于棉纖維的四階導(dǎo)數(shù)光譜的分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的一維及二階導(dǎo)數(shù)光譜，因此在 2950 cm-1～ 2830 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1和 1100 cm-1～ 1000 cm-1等四個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，重點(diǎn)開展了棉纖維變溫四階導(dǎo)數(shù)光譜研究，來進(jìn)一步探索研究溫度變化對(duì)于棉纖維分子微觀結(jié)構(gòu)的影響，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見表1：

表1 棉纖維四階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)

注：↓ 代表隨著測(cè)定溫度的增加，棉纖維有機(jī)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度降低。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維的主要特征紅外吸收官能團(tuán)δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率略有減少。這主要是因?yàn)殡S著測(cè)定溫度的升高，棉纖維中的 α-纖維素中 1 位和 2 位上的 OH- 之間的氫鍵作用進(jìn)一步增強(qiáng)，因此δOH-1，δOH-2和 νC-O相應(yīng)的紅外吸收頻率略有降低(下頁圖 6)；而棉纖維 νasCH2和 νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率卻略有增加，這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，棉纖維分子中 3 位 OH- 的誘導(dǎo)效應(yīng)增加，而相應(yīng)的 νasCH2和 νsCH2紅外吸收頻率略有增加。

圖6 棉纖維分子結(jié)構(gòu)

室溫下，棉纖維的橫截面呈腰圓形，縱向呈扁平扭轉(zhuǎn)帶狀，且沿纖維長度方向不斷改變扭曲的方向[10-11]，而隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維的微觀物理結(jié)構(gòu)有所改變，因此相應(yīng)的 νasCH2、νsCH2、δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率有所改變。

3 結(jié)論

在 1100 cm-1～ 1000 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1和 2950 cm-1～ 2830 cm-1等四個(gè)頻率區(qū)間：棉纖維同時(shí)存在著：νasCH2、νsCH2、δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)等四種紅外吸收模式。進(jìn)一步采用變溫紅外光譜技術(shù)研究溫度變化對(duì)于棉纖維結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，棉纖維δOH-1、δOH-2、νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率略有減少，而棉纖維 νasCH2和 νsCH2的紅外吸收頻率卻略有增加。本項(xiàng)研究則進(jìn)一步證明在 293 K ～ 393 K的溫度范圍內(nèi)，棉纖維微觀物理結(jié)構(gòu)是有所改變。

[1] 李鐸，楊建忠，郭昌盛. 棉纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2016(2): 174-177.

[2] 李遠(yuǎn)惠，杜非非. 棉/錦織物染整工藝研究[J]. 成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004(3): 5-6.

[3] 張麗，蔡玉蘭，王善元，等. 微波處理對(duì)棉纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響[J]. 纖維素科學(xué)與技術(shù)，2009，17(1): 52-56.

[4] Wartelle L H, Bradow J M, Hinojosa O, et al. Quantitative cotton fiber maturity measurements by X-rayfluorescence spectroscopy and advanced fiber information system[J]. J Agric Food Chem, 1995, 43(5): 1219-1223.

[5] 梁予，陳戰(zhàn)國，傅海威，等. 棉纖維表面結(jié)構(gòu)的電鏡分析[J]. 西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，15(3): 56-58.

[6] Muto A, Bhaskar T, Tsuneishi S, et al. Activated carbon monoliths from phenol resin and carbonized cotton fiber for methane storage[J].Energy Fuels, 2005, 19(1): 251-257.

[7] 韓衛(wèi)榮，劉樹彬，周中高，等. 變溫傅里葉紅外光譜技術(shù)研究硬脂酸結(jié)構(gòu)及相變機(jī)理[J]. 理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè))，2014，50(1): 11-14.

[8] 王宗明，何欣翔，孫殿卿. 實(shí)用紅外光譜學(xué)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1990: 290-293.

[9] 沈德言. 紅外光譜法在高分子研究中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1982: 77-87.

[10] 吳淑煥，潘偉，李翔，等. 纖維定性鑒別與定量分析[M]. 北京：中國紡織出版社，2011: 1-5.

[11] 高潔，湯烈貴. 纖維素科學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999: 1-15.

2017-05-18

石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃課題(171501232A)。

于宏偉(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：紡織材料紅外光譜的研究。

TS101.92+1.S2，O434.3

A

1008-5580(2017)04-0052-05