漢麻和劍麻的纖維結構及熱穩定性研究

常 明 武玉潔 趙翠然 程 瑤 于宏偉

（1.石家莊學院，河北石家莊，050035；2.河北一品制藥股份有限公司，河北石家莊，052165）

漢麻纖維不僅具備了棉織物柔軟舒適的優點，還有天然抑菌、防紫外線輻射、吸濕快干的特點［1-4］，因此在醫療衛生領域中具有重要的應用前景。漢麻纖維的優異性能與其特殊結構有關。傳統的紅外光譜廣泛應用在植物纖維結構研究［5-6］，但由于傳統的紅外光譜分辨能力不高，而三級紅外光譜是一類較為新型的紅外光譜技術，其譜圖分辨能力要優于傳統的紅外光譜［7-8］。東北地區是我國漢麻的主要產地，故而以東北漢麻纖維為主要研究對象，以劍麻纖維作為對比，采用三級紅外技術進一步探索溫度變化對漢麻纖維和劍麻纖維微觀結構及熱穩定性的影響，為漢麻纖維和劍麻纖維的科學加工提供有意義的科學借鑒。

1 試驗

1.1 材料

漢麻纖維和劍麻纖維（未經過化學處理），齊齊哈爾大學輕工與紡織學院提供。

1.2 儀器

紅外光譜儀（Spectrum 100型）；ATR-FTIR變溫附件（Golden Gate型）；ATR-FTIR變溫控件（WEST 6100+型）。每次試驗以空氣為背景，對信號進行8次掃描累加；測溫范圍303 K～393 K，變溫步長10 K。漢麻纖維和劍麻纖維一維及變溫紅外光譜數據采用Spectrum v 6.3.5軟件處理；漢麻纖維和劍麻纖維二維紅外光譜數據采用TD Versin 4.2軟件處理。

2 結果與討論

2.1 漢麻纖維一維及二階導數紅外光譜研究

在303 K～393 K的溫度范圍內，開展漢麻纖維主要官能團的一維及二階導數紅外光譜研究。相關光譜數據見表1。

根據表1數據可知，漢麻纖維的二階導數紅外光譜的譜圖分辨能力要優于相應的一維紅外光譜。隨著測定溫度的升高，漢麻纖維νasCH2、νsCH2、νC=O和 δCH2對應的吸收頻率出現了明顯的藍移現象，而漢麻纖維 νC—O-1、νC—O-2、νC—O-3和 νC—O-4對應的吸收頻率出現了明顯的紅移現象。

表1 漢麻纖維光譜數據（303 K～393 K）

2.2 劍麻纖維一維及二階導數紅外光譜研究

在303 K～393 K的溫度范圍內，開展劍麻纖維主要官能團一維及二階導數紅外光譜研究。相關光譜數據見表2。

根據表2數據可知，劍麻纖維的變溫二階導數紅外光譜的譜圖分辨能力要優于相應的變溫一維紅外光譜。隨著測定溫度的升高，劍麻纖維νasCH2、νsCH2、νC=O、δCH2、νC—O-1和 νC—O-3對應的吸收頻率出現了明顯的藍移現象，劍麻纖維νC—O-2和νC—O-4對應的吸收頻率出現了明顯的紅移現象。

表2 劍麻纖維光譜數據（303 K～393 K）

通過表1和表2發現，隨著測定溫度的升高，漢麻纖維和劍麻纖維的官能團對應的頻率及強度均有明顯改變。其中漢麻纖維半纖維素和纖維素對應的吸收頻率（νC=O和 νC—O）變化值要顯著大于劍麻纖維的半纖維素和纖維素對應的吸收頻率。

漢麻纖維和劍麻纖維中主要含有纖維素、半纖維素、木質素及果膠。其中，纖維素是一種高分子碳水化合物，是組成植物細胞壁的主要成分，纖維素不溶于水及中性溶劑。半纖維素不是均一聚糖，而是一群復合聚糖的總稱。植物細胞壁中的纖維素和木質素是由半纖維素混合物緊密地相互貫穿在一起。半纖維素在化學性質、功能和結構方面與纖維素有著很多的相似性，半纖維素不溶于水，但能溶于堿液。木質素也是植物細胞壁的主要成分之一，基本存在于細胞的細胞膜及細胞壁的內部。麻類植物的木質素主要存在于麻莖的木質部組織及韌皮組織中。果膠是一種含有水解乳糖醛酸基的復雜碳水化合物，呈黏質狀態。文獻［9］報道，漢麻纖維則含有更多的半纖維素，劍麻纖維中含有較多的纖維素。與纖維素相比，半纖維素的熱穩定性較低［10-11］。

由于漢麻纖維及劍麻纖維νC—O對應的吸收強度最大，因此分別以此為研究對象，開展相關二維紅外光譜研究，進一步考查溫度變化對于漢麻及劍麻纖維C—O鍵的影響。

2.3 漢麻纖維和劍麻纖維νC—O的二維紅外光譜研究

2.3.1 漢麻纖維

在1 100 cm-1～1 000 cm-1頻率范圍內，開展漢麻纖維νC—O同步二維紅外光譜的研究。結果見圖1。

圖1 漢麻纖維νC—O同步二維紅外光譜

根據圖 1可知，在（1 012 cm-1，1 012 cm-1）、（1 035 cm-1，1 035 cm-1）、（1 045 cm-1，1 045 cm-1）、（1 065 cm-1，1 065 cm-1）和（1 090 cm-1，1 090 cm-1）頻率附近發現 5 個相對強度較大的自動峰。這進一步證明，漢麻纖維在該 頻 率（1 012 cm-1、1 035 cm-1、1 045 cm-1、1 065 cm-1和 1 090 cm-1）處對應的官能團對于溫度變化比較敏感。此外在（1 012 cm-1，1 045 cm-1） 、（1 012 cm-1，1 065 cm-1） 、（1012cm-1，1090cm-1） 、（1035cm-1，1 060 cm-1） 、（1 035 cm-1，1 080 cm-1） 、（1045cm-1，1070cm-1） 、（1045cm-1，1 090 cm-1） 、（1 060 cm-1，1 080 cm-1）和（1 070 cm-1，1 090 cm-1）頻率處發現 9個相對強度較大的交叉峰。則進一步證明漢麻纖維在該頻率處對應的官能團之間存在著較強的分子內或分子間的相互作用。

在1 100 cm-1～1 000 cm-1頻率范圍內，進一步開展漢麻纖維νC—O異步二維紅外光譜的研究。結果見圖2。

圖2 漢麻纖維νC—O異步二維紅外光譜

根據圖 2可知，在（1 010 cm-1，1 035 cm-1）、（1010cm-1，1060cm-1） 、（1035cm-1，1 045 cm-1） 、（1 035 cm-1，1 070 cm-1） 、（1035cm-1，1090cm-1） 、（1045cm-1，1 060 cm-1） 、（1 045 cm-1，1 070 cm-1） 、（1 060 cm-1，1 070 cm-1） 和 （1 060 cm-1，1 090 cm-1）頻率附近發現了9個相對強度較大的交叉峰。漢麻纖維νC—O的二維紅外光譜數據證明，其對應的紅外吸收頻率包括1 010 cm-1（νC—O-1）、1 035 cm-1（νC—O-2）、1 045 cm-1（νC—O-3）、1 060 cm-1（νC—O-4） 、1 070 cm-1（νC—O-5） 和1 090 cm-1（νC—O-6）。根據 NODA 規則［12-13］，隨著測定溫度的升高，漢麻纖維中νC—O吸收峰變化快慢 的 順 序 為 ：1 010 cm-1（νC—O-1）＞1 090 cm-1（νC—O-6）＞1 045 cm-1（νC—O-3）＞1 070 cm-1（νC—O-5）＞1 035 cm-（1νC—O-2）＞1 060 cm-（1νC—O-4）。

2.3.2 劍麻纖維

在1 100 cm-1～1 000 cm-1頻率范圍內，開展劍麻纖維νC—O同步二維紅外光譜研究，結果見圖3。

圖3 劍麻纖維νC—O同步二維紅外光譜

根據圖3可知，在（1 012 cm-1，1 012 cm-1）和（1 042 cm-1，1 042 cm-1）頻率附近發現兩個相對強度較小的自動峰。此外在（1 012 cm-1，1 042 cm-1）頻率發現一個相對強度較小的交叉峰。

在1 100 cm-1～1 000 cm-1頻率范圍內，進一步開展劍麻纖維νC—O異步二維紅外光譜的研究，結果見圖4。

圖4 劍麻纖維νC—O異步二維紅外光譜

根據圖 4可知，在（1 005 cm-1，1 010 cm-1）、（1 005 cm-1，1 045 cm-1）、（ 1 005 cm-1，1 085 cm-1）、（ 1 005 cm-1，1 095 cm-1）、（1 010 cm-1，1 035 cm-1）、（ 1 010 cm-1，1 060 cm-1）、（1 035 cm-1，1 045 cm-1）、（1 035 cm-1，1 085 cm-1）、（1 035 cm-1，1 095 cm-1）、（1 045 cm-1，1 060 cm-1）、（1 060 cm-1，1 085 cm-1）和（1 060 cm-1，1 095 cm-1）頻率附近發現了12個相對強度較大的交叉峰。劍麻纖維νC—O的二維紅外光譜數據證明，其對應的紅外吸收頻率包括1 005 cm-1（νC—O-1）、1 010 cm-1（νC—O-2）、1 035 cm-1（νC—O-3）、1 045 cm-1（νC—O-4）、1 060 cm-1（νC—O-5）、1 085 cm-1（νC—O-6）和1 095 cm-1（νC—O-7）。根據NODA規則，隨著測定溫度的升高，劍麻纖維中νC-O吸收峰變化快慢的順序為：1 010 cm-1（νC—O-2）＞1 005 cm-1（νC—O-1）＞1 085 cm-1（νC—O-6）＞1 045 cm-1（νC—O-4）＞1 095 cm-1（νC—O-7）＞1 035 cm-1（νC—O-3）＞1 060 cm-1（νC—O-5）。

通過圖1和圖3可知，漢麻纖維νC—O對應自動峰的相對強度要明顯強于劍麻纖維，則進一步證明漢麻纖維νC—O對應的官能團對于溫度變化更為敏感。試驗發現：漢麻纖維和劍麻纖維對應的官能團吸收峰（C—O鍵）對于熱的敏感程度順序存在著較大的差異性。盡管漢麻纖維和劍麻纖維的化學組成基本相同，但相應的纖維素和木質素的結合有所差異。劍麻纖維中的纖維素羥基與木質素之間的氫鍵結合較弱，但漢麻纖維中微量酚類物質的存在會增加相應的纖維素羥基與木質素之間的氫鍵結合。

3 結論

漢麻纖維和劍麻纖維主要包括 νasCH2、νsCH2、νC=O、δCH2和 νC—O等5種紅外吸收模式。在303 K～393 K的測定溫度范圍內，相較于劍麻纖維，漢麻纖維的C—O鍵和C=O鍵對應的紅外吸收強度和頻率都有顯著變化，通過進一步研究溫度變化對漢麻纖維和劍麻纖維C—O鍵的影響，發現漢麻纖維νC—O對應的官能團對于溫度變化更為敏感。