彩棉纖維的成分和結構分析

摘要：用X射線衍射方法研究相同生長條件下的棕棉、綠棉、白棉的結晶度和取向度的差異，并對它們的蠟質及脂肪總量進行比較。結果表明：棕棉和綠棉的結晶度大于白棉，在天然彩棉中，綠棉的結晶度略高于棕棉；在纖維取向度方面，綠棉的取向度最高，而棕棉的晶粒取向度與白棉相似；綠棉的蠟質和脂肪含量最高，白棉的蠟質和脂肪含量最低。

關鍵詞：天然彩棉；結晶度；取向度；蠟質；脂肪

中圖分類號： S562.01文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0313-02

收稿日期：2014-06-24

基金項目：中央高校基本科研項目（編號：XDJK2013C099）。

作者簡介：李康（1987—），女，山西太原人，碩士，助理實驗員，主要從事棉纖維的性能研究。E-mail：547670457@qq.com。天然彩棉是一種含有天然色素的棉花，雖然有較長時間的種植歷史，但是由于其產量低、纖維長度短、強力低等原因，長期以來并沒有得到廣泛推廣，因而發展緩慢[1]。近年來，人們對環境、健康問題日漸重視，隨著現代基因工程技術廣泛應用于育種技術，天然彩色棉的綜合品質才得到明顯改善和提高。天然彩棉的優點在于用天然彩棉生產的紡織品只需采用生物酶處理技術，不需要經過漂白、染色、消毒等處理，因此加工出的紡織品可避免一般紡織品在印染著色后存在化學殘留物的不足[2]。由于天然彩棉是天然纖維素纖維，具有可降解性，其廢棄物可通過再生、堆埋、焚化等方法進行處理，因此不污染環境。由于天然彩色棉是采用生物工程改性技術得到的，在種植中可以不使用化學物質，節省了化肥、農藥等的投入，生產的產品不僅有利于健康與環保，而且降低了成本，節約了能源。

天然彩棉的特點是色澤自然持久、質地比普通棉更柔軟，用它制成的服裝穿著舒適，對人體無害，綠色環保，特別適宜開發嬰幼兒、貼近人體皮膚的紡織品[3]。天然彩棉的獨特性能與化學組成、微觀結構等密切相關，因而詳細地研究其結構對其利用和開發具有重要的指導意義。我國于1994年引進彩棉技術，經過幾年的發展，現在已經可以工業化應用的天然彩棉主要有綠色和棕色兩大類。本研究用X射線衍射法分析了同樣生長條件下的棕棉、綠棉的結晶度和取向度，并與白棉纖維進行比較，同時測定它們的蠟質及脂肪總量，并進行比較。

1材料與方法

1.1試驗材料

綠棉、棕棉、白棉均來自重慶市，其種植條件完全相同。

1.2X-衍射測試

纖維樣品的X射線衍射分析由D/max-2550PC型X射線衍射儀測定。將樣品安放于玻璃樣品架上，在穩定條件下分析。測試條件：Ni濾波，Cu靶Kα射線，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度2°/min，掃描范圍5～60°。

1.3蠟質和脂肪總量的測定

采用GB/T 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》對樣品進行成分定量分析，隨機取5 g左右的試樣，切斷后放入脂肪提取器內，試樣高度應低于溢流口10～15 mm。在燒瓶中加入150 mL苯-乙醇（體積比2 ∶1）溶液，在恒溫下進行提取，控制回流速度為4～6次/h，從提取液開始滴落起計時，提取3 h；取出試樣，在通風櫥內風干后放入已知質量的稱量瓶中，在105～110 ℃條件下烘至恒質量（先后2次質量差不超過后1次質量的0.02%）；取出并迅速放入干燥器中冷卻（30±5） min，精確稱質量，脂肪蠟質含量的計算見公式（1）：

W=m1-m2m1-m0×100%。（1）

式中：W為脂肪蠟質含量，%；m0為稱量瓶質量，g；m1為試樣與稱量瓶總質量，g；m2為提取后試樣與稱量瓶總質量，g。

2結果與分析

2.1X-衍射分析

3種顏色棉纖維的X-衍射曲線及其擬合結果見圖1。

3種顏色棉纖維的結晶度、取向度的測試結果見表1。由表1看出，棕棉和綠棉的結晶度大于白棉，這很可能與色素結構和色素含量有關，因為白棉纖維的超微結構中沒有染色較深的物質；在綠棉纖維中，纖維的次生壁內層存在大量染色深的條紋，這可能是色素沉積的結果，這些條紋呈有規則的層次排列，類似纖維的生長日輪；在棕棉纖維的中腔內，存在大量染色深的物質，主要沉積在中腔壁上，可能是棕棉纖維的色素物質[4]，這些區別于白棉纖維的色素結構導致棕棉和綠棉的結晶度大于白棉。然而在天然彩棉中，綠棉的結晶度略高于棕棉，可能是由于色素沉積在棉纖維細胞中的位置不同所造成的，色素物質在綠棉中存在于次生壁內層，規則的層次排列使綠棉的纖維素大分子排列更加有序，結晶度大于棕棉。在纖維取向度方面，綠棉的取向度最高，而棕棉的晶粒取向度與白棉相似，這是由于綠棉細胞次生壁的結構明顯有別于棕棉和白棉細胞，次生層的原纖與纖維軸的取向較高。

表13種顏色棉纖維結晶度、取向度測試數據

棉花種類結晶度（%）取向度（%）棕棉58.3866.7綠棉59.3970.1白棉53.8666.6

2.2蠟質和脂肪總量分析

由表2看出，綠棉的蠟質和脂肪含量最高，白棉的蠟質和脂肪含量最低。相關研究表明，綠棉的橫截面面積小于白棉，且胞腔大，腔壁存在更多的原生質殘渣、次生胞壁薄，次生胞壁中有同軸嗜餓層；棕棉的橫截面與白棉相似，纖維次生胞壁較綠棉略厚，胞腔大于白棉[5]，這些細胞的差異都是造成3種棉纖維蠟質和脂肪（簡稱脂蠟質）含量不同的原因。由于脂蠟質含量對纖維品質有重要影響，綠棉具有的高脂蠟質含量造成其可紡織加工實用性較差，經濟價值低。由此可以看出，篩選培育低脂蠟質含量的彩棉是彩棉品種選育的重要途徑。

表23種顏色棉纖維蠟質和脂肪總量的測試數據

棉花種類蠟質和脂肪總量（%）棕棉5.71綠棉6.82白棉5.23

3結論

用X射線衍射方法測試分析相同種植條件的天然棕棉、綠棉、白棉的結晶度和取向度，并定量分析測試蠟質及脂肪總量，得出如下結論：（1）棕棉和綠棉的結晶度大于白棉，很可能與色素結構和色素含量有關；在天然彩棉中，綠棉的結晶度略高于棕棉；（2）在纖維取向度方面，綠棉的取向度最高，而棕棉的晶粒取向度與白棉相似；（3）綠棉的蠟質和脂肪含量最高，棕棉略高于白棉，白棉的蠟質和脂肪含量最低。這些差異可能與綠棉纖維結構存在同軸嗜鋨層以及3種纖維在次生細胞壁、胞腔方面的差異有關。

參考文獻：

[1]海南. 天然彩棉的性能[J]. 紡織服裝科技，2006，27（5/6）：49.

[2]許蘭杰. 天然彩棉的色度分析[J]. 丹東紡專學報，2004，11（4）：66-67，47.

[3]蔣麗云，余進. 天然彩棉性能及其產品開發[J]. 南通大學學報：自然科學版，2006，5（1）：38-42.

[4]李悅有，王學德. 彩色棉纖維的超微結構觀察[J]. 浙江大學學報：農業與生命科學版，2002，28（4）：379-382.

[5]張鎂，吳紅霞，馬長華，等. 彩棉纖維的形態結構、超微結構和主要化學組成[J]. 印染，2002，28（6）：1-5，52.向速林，王逢武，聶發輝，等. 贛江下游水稻田地表徑流氮磷流失分析[J]. 江蘇農業科學，2015，43（1）：315-317.endprint