法國亞麻纖維化學成分和纖維結構分析

孫冬陽 張亭亭 鄔淑芳 何力 陳益人

摘要：通過定量分析方法對法國亞麻纖維的化學成分進行分析，得出其化學組分分別為：脂蠟質1.06%、水溶物2.96%、果膠3.45%、半纖維素19%、纖維素66.6%、木質素4.22%、灰分0.68%；對比發現法國亞麻纖維的果膠、半纖維素和纖維素含量比國產亞麻纖維含量高；脂蠟質、水溶物和木質素含量比國產亞麻纖維含量低；灰分含量差異不大。用掃描電鏡（SEM）、X-射線衍射法（XRD）等分析方法測定法國亞麻纖維微觀形態結構和超分子結構，可知：法國亞麻纖維的內部分子結構緊密，纖維大分子在結晶區中排列較整齊，其取向度、結晶度比國產亞麻纖維稍高。通過對法國亞麻纖維成分和超分子結構形態的分析與研究為制定綠色環保的脫膠方案提供依據。

關鍵詞：亞麻纖維；成分分析；取向度；結晶度

中圖分類號：TS102.2文獻標志碼：A文章編號：1009-265X（2018）03-0018-07Analysis on Chemical Composition and Fiber Structure of France Flax Fiber

SUN Dongyang1， ZHANG Tingting1， WU Shufang1， HE Li2， CHEN Yiren1

（1.School of Textile Science and Engineering， Wuhan Textile University， Wuhan30200， China；

2.Hubei Province Fiber Inspection Bureau， Wuhan Hubei 430073， China）Abstract：Through quantitative analysis of chemical composition of the French flax， the components of flax were gained respectively： lipidwax 1.06%， water soluble substance 2.96%， pectin 3.45%， semicellulose 19%， cellulose 66.6%， lignin 4.22%， ash 0.68%. Compared with domestic flax fiber， it is found that pectin， semicellulose and cellulose content of France flax fiberare higher than those of domestic flax fiber， while lipidwax， water soluble substance and lignin content are lower than those of domestic flax fiber. Ash content is similar. The microstructure and super molecular structure form of the French flax fiber were determined by scanning electron microscopy （SEM）， and Xray diffraction （XRD） analysis methods. The results show that the internal molecular structure of the France flax fiber is very tight， the fibre macromolecules in the crystalline region are arranged neatly. Its original molecular orientation and crystallinity are a little higher than those of domestic flax fiber. This research provides basis for formulating green and environmentfriendly degumming scheme.

Key words：flax fiber； component analysis； degree of orientation； degree of crystallinity

通信作者：陳益人，Email：yiren.chen@wtu.edu.cn亞麻纖維天然古樸、色彩柔和，具有獨特的涼爽舒適性和綠色保健的特點，倍受消費者青睞，是國際市場上最受歡迎的紡織品之一。亞麻纖維傳統脫膠工藝是采用次氯酸鈉或亞氯酸鈉進行脫膠，該工藝不僅對設備要求較高，而且生產過程中污染環境，對人體有害[12]。為了解決上述問題，本文通過對法國亞麻纖維的主要化學成分：纖維素、半纖維素、木質素、果膠、脂肪蠟質和灰分等的定量分析以及用X射線衍射法（XRD）等分析方法測纖維超分子結構形態中的取向度和結晶度，為法國亞麻纖維改性脫膠工藝的探究提供依據。

1實驗

1.1實驗材料與實驗儀器

實驗材料：亞麻（產地法國），氫氧化鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），苯（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），無水乙醇（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），咔唑（分析純，上海妙研生物科技有限公司），硼砂（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），濃硫酸（分析純，廣東省光華化學廠有限公司），乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）（分析純，廣東省精細化學品工程技術開發中心），鹽酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），蒽酮（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），3，5二硝基水楊酸試劑（DNS）（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

實驗儀器：FA2004型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），HHS8型數顯恒溫水浴鍋（江蘇波場智能科技有限公司），DHG9146A型電熱恒溫干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司司），SHBIII型循環水式多用真空泵（上海康路儀器設備有限公司），UV2550型紫外可見分光光度計（Shimadzu Copporation），Phenom飛納型臺式掃描電鏡（Netherlands Phenomworld），D8 ADVANCE型X射線衍射儀（德國布魯克公司）。

1.2實驗方法與工藝流程

亞麻纖維化學成分主要為纖維素、半纖維素、木質素、果膠、脂蠟質和灰分，另有少量色素、含氮物質等水溶性物質。根據亞麻纖維化學成分定量分析的方法[3]對法國亞麻纖維的主要成分進行定量分析。

1.2.1法國亞麻纖維脂蠟質含量的測定

由于法國亞麻纖維中的脂質類化合物多為高級脂肪酸構成的甘油酯，蠟質類化合物多為高級飽和脂肪酸構成的酯[4]，它們共同特點是易溶于有機溶劑而難溶于水。

取3 g烘干稱重的法國亞麻纖維各3份與用苯和酒精以2∶1比例組成的80 ℃有機溶劑在索氏提取器中萃取5 h后烘干稱重，利用萃取前后質量分數變化求出法國亞麻纖維脂蠟質含量。

Wz=（Wz1-Wz2）/Wz1×100%（1）

式中：Wz—脂蠟質平均質量分數，%；Wz1—萃取前亞麻試樣質量，g；Wz2—萃取后亞麻試樣質量，g。

1.2.2法國亞麻纖維水溶物含量測定

將萃取過脂蠟質的法國亞麻纖維烘干稱重之后在去離子水中煮沸、烘干、稱重將數據代入式（2）即可得到法國亞麻纖維水溶物含量。

Ws=（Ws1-Ws2）/W0×100%（2）

式中：Ws—水溶物質量分數，%；Ws1—測試前法國亞麻試樣質量，g；Ws2為測試后法國亞麻試樣質量，g；W0為換算成原法國亞麻試樣質量，g。

1.2.3法國亞麻纖維果膠含量測定

法國亞麻纖維中的果膠易溶解于乙二胺四乙酸（EDTA）中，故利用法國亞麻纖維的這一特性可以將果膠在EDTA溶液中溶解出來后用咔唑硫酸比色法定量半乳糖醛酸含量，進而算出果膠含量。

在燒杯中取已測定過脂蠟質的烘干稱重的法國亞麻纖維1.5 g各3份，加入0.5%EDTA50 mL，置于100 ℃水浴鍋中1h。用去離子水清洗、過濾之后保留濾渣合并濾液并定容至500 mL。取1 mL濾液加入到置于冰水浴中的5 mL硼砂硫酸試劑中5 min使其均勻混合后沸水浴30 min，冰水冷卻加入0.2 mL咔唑乙醇溶液靜置3 h。用紫外可見分光光度計測定濾液的吸光度在530 nm波長下的吸光度A值，根據標準曲線擬合方程計算出半乳糖荃酸含量從而測定出法國亞麻纖維中的果膠含量。

Wg=Wr×1.37/W0×100%（3）

式中：Wg—果膠質量分數，%；Wr—半乳糖醛酸質量濃度，mg/mL；W0—換算成原法國亞麻試樣質量，g；1.37—系數。

1.2.4法國亞麻纖維半纖維素含量測定

法國亞麻纖維中的半纖維素易溶解于稀酸性的溶液中，利用法國亞麻纖維的這一特性將半纖維素溶解出之后用DNS比色法定量水解出的還原糖含量從而換算半纖維素的含量。

在燒杯中取脫過果膠的烘干稱重的亞麻纖維1.5 g各3份，加入2 mol/L的稀鹽酸50 mL，置于100 ℃水浴鍋中1 h。用去離子水清洗、過濾之后保留濾渣合并濾液并定容至1 000 mL。在試管中取1 mL濾液，加入0.5 mol/L的NaOH中和之后加入1.5 mLDNS溶液使其均勻混合后沸水浴5 min，冰水冷卻后加入5 mL去離子水靜置24 h，用紫外可見分光光度計測定濾液在540 nm波長下的吸光度A值，根據標準曲線擬合方程換算出還原糖含量進而測定半纖維素含量。

Wb=Wh×0.9/W0×100%（4）

式中：Wb—半纖維素質量分數，%；Wh—還原糖質量濃度，mg/mL；W0—換算成原法國亞麻試樣質量，g；0.9—系數。

1.2.5法國亞麻纖維纖維素含量測定

法國亞麻纖維中的纖維素性質十分穩定，故采用強酸水解法國亞麻纖維中的纖維素然后用蒽酮試劑比色法定量水解出的葡萄糖含量從而換算出纖維素的含量。

在燒杯中取測定過半纖維素的烘干稱重的亞麻纖維1.5 g各3份，加入75%的濃硫酸50 mL，置于冰水浴中靜置過夜。用去離子水清洗至10%的BaCl2溶液檢測不再產生沉淀，過濾之后保留濾渣合并濾液并定容至1 000 mL。取1 mL濾液加入到5 mL蒽酮試劑中，置于冰水浴中10 min使其均勻混合，然后沸水浴10 min，冰水冷卻加顯色后5 h內用紫外可見分光光度計測定濾液在620 nm波長下的吸光度A值，根據標準曲線擬合方程換算出濾液葡萄糖含量進而測定纖維素含量。

Wx=Wp×0.9/W0×100%（5）

式中：Wx—纖維素質量分數，%；Wp—葡萄糖質量濃度，μg/mL；W0—換算成原法國亞麻試樣質量，g；0.9—系數。

1.2.6法國亞麻纖維木質素含量測定

法國亞麻纖維中的木質素對無機酸十分穩定，故將法國亞麻纖維置于75%濃硫酸中完全水解其中的多糖類化合物剩下來的即為木質素。

將測完纖維素后的法國亞麻纖維過濾，得到的帶有木質素的濾紙，放在105 ℃的烘箱中烘干至恒重、稱量，代入式（6）即可計算出木質素的含量。

Wm=（Wm1-Wm2）/W0×100%（6）

式中：Wm—木質素質量分數，%；Wm1—帶有木質素的濾紙重，g；Wm2—濾紙重，g；W0—換算成原麻試樣重，g。

1.2.7法國亞麻纖維灰分含量測定

法國亞麻纖維中灰分成分大多為金屬和非金屬類氧化物或無機鹽類化合物，如CaO、K2O、MgO、SiO2、P2O5、Fe2O3及鈣鹽、鎂鹽、鉀鹽等[5]。試驗時分別稱取3份各約3 g烘干的法國亞麻試樣稱重后，在750～850 ℃下灼燒2 h冷卻后稱重，計算灰分的質量分數。

Mf=Wf/W0×100%（7）

式中：Mf—灰分質量分數，%；Wf—灰分質量，g；W0—換算成原法國亞麻試樣質量，g。

1.2.8法國亞麻纖維微觀形態結構分析

用掃描電鏡（SEM）觀察法國亞麻單纖維表面微觀形態，將法國亞麻纖維用導電膠固定在電鏡臺上；在真空鍍膜室中噴鍍金屬，將噴鍍金屬后的法國亞麻纖維樣品放進載物臺，在放大倍數3 000倍數和1 000倍數下對法國亞麻單纖維縱向和橫截面狀況進行分析。

1.2.9法國亞麻纖維超分子結構形態分析

利用X射線衍射法測試分析法國亞麻纖維的結晶度，通過分峰處理后，計算晶區衍射峰的強度占所有峰總強度的份數即為試樣的結晶度。采用Segal[6]法，其計算如式（8）。

CγI=I002-IamI002×100%（8）

式中：CγI—結晶度百分率，%；I002—晶格衍射角的極大強度，（°）；Iam—非結晶背景衍射的散射強度，（°）。

利用X射線衍射法還可以測定法國亞麻纖維的取向度[7]，假定微晶粒在纖維試樣中的分布可以用微晶粒中某些晶面族的分布來表示，而晶面族在不同方位取向的數量與該晶面相應的衍射線的強度分布成正比，測定出衍射線強度分布，則可以求出微晶粒長軸的取向分布和平均取向度[8]。取向度的計算如式（9）。

f=180-H180×100%（9）

式中：f—取向度，%；H—極大衍射峰的半高寬，（°）。

2結果與分析

2.1法國亞麻纖維脂蠟質及水溶物含量

法國亞麻纖維脂蠟質及水溶物含量測試結果見表1。

從表1中的計算可知法國亞麻纖維中脂蠟質的平均含量為1.06%，水溶物平均含量為2.96%。

2.2法國亞麻纖維果膠含量

將表5中測得的吸光值帶入標準曲線擬合方程換算出還原糖質量濃度，然后將所得濃度值帶入公式Wb=Wh×0.9/W0×100%中，經計算可知法國亞麻纖維中半纖維素的平均含量為19%。

2.4法國亞麻纖維纖維素含量

蒽酮試劑比色法定量水解出的葡萄糖標準曲線的繪制見表6，圖3。

2.5法國亞麻纖維木質素及灰分含量

法國亞麻纖維木質素及灰分測試結果見表8。

從表8中的計算可知法國亞麻纖維中木質素的平均含量為4.22%，灰分的平均含量為0.68%。

2.6法國亞麻纖維的微觀形態結構

用掃描電鏡（SEM）觀察法國亞麻單纖維表面形態，可以發現法國亞麻單纖維呈管狀形態，無天然扭曲，表面形態有節和縱向條紋。膠質體致密的附著于亞麻纖維的纖維素上覆蓋較厚，是脫膠工藝的重點去除目標。SEM掃描結果如圖4、圖5所示。

2.7法國亞麻纖維的超分子結構

利用X射線衍射法測定法國亞麻纖維的結晶度，得到圖6。圖像是由兩個明顯不同的相構成，由于晶區的電子密度大于非晶區，相應地產生晶區衍射峰和非晶區彌散峰。

目前國內外亞麻脫膠工藝一般采用化學脫膠，化學脫膠主要以堿液煮練為主，在煮練時需加次氯酸鈉或亞氯酸鈉來提高脫膠的效率，該工藝不僅對設備要求較高，而且生產過程中污染環境，對人體有害，同時脫膠效果一般且該脫膠工藝對纖維損傷較大。

由于法國亞麻纖維的果膠、半纖維素含量高于國產亞麻纖維，傳統的工藝路線會造成更高的能耗及更大的污染。因此，在制定法國亞麻纖維綠色環保的脫膠方案時宜采用溫和的脫膠方式，用果膠酶在酸性條件下對亞麻纖維預處理、堿氧一浴和超聲波輔助的方式對亞麻纖維進行脫膠處理，通過增加預處理及超聲波輔助的方式來降低堿氧脫膠助劑的濃度和脫膠溫度及脫膠時間，符合節能環保的要求。用果膠酶處理亞麻纖維，可使得原麻中的膠質在分子結構上發生較大的變化，膠質復合體的穩定性受到很大的破壞，大分子之間有較大的空隙，能提高大分子對堿的敏感性。再用堿氧一浴的方法，就可在較短的時間內除去生物脫膠后殘余的膠質而且所用堿液的濃度也較低。超聲波是由機械振動源在彈性介質中激發的一種機械振動波，用超聲波輔助處理亞麻纖維，可對纖維細胞壁產生位移、變形以及細纖維化等作用。使纖維細胞壁出現裂紋、發生位移和變形，初生壁和次生壁外層破裂脫除。對于含有較多果膠質的法國亞麻纖維，利用超聲波進行輔助脫膠處理可以達到很好的脫膠效果，同時由于超聲波輔助脫膠屬于純物理反應，不涉及化學污染，是一種理想的環保型的方案。

4結論

a）經測試法國亞麻纖維中各組分含量分別為：纖維素66.6%，半纖維素19%，木質素4.22%，果膠3.45%，脂蠟質1.06%，水溶物2.96%，灰分0.68%；其果膠、半纖維素和纖維素含量比國產亞麻纖維含量高；脂蠟質、水溶物和木質素含量比國產亞麻纖維含量低；灰分含量差異不大。

b）法國亞麻纖維的內部分子結構緊密，纖維大分子在結晶區中排列較整齊，其取向度為98.6、結晶度為70.69，比國產亞麻纖維稍高。

c）在制定法國亞麻纖維綠色環保的脫膠方案時宜采用溫和的脫膠方式，用果膠酶在酸性條件下對法國亞麻纖維預處理、堿氧一浴和超聲波輔助的方式對亞麻纖維進行脫膠處理，通過增加預處理及超聲波輔助的方式來降低堿氧脫膠助劑的濃度和脫膠溫度及脫膠時間，符合節能環保的要求。

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