玉米苞葉及其纖維的基本結(jié)構(gòu)與性能

王曉婷， 程隆棣， 劉麗芳

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

玉米苞葉及其纖維的基本結(jié)構(gòu)與性能

王曉婷1,2， 程隆棣1,2， 劉麗芳1,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

為更好地開(kāi)發(fā)利用玉米苞葉資源，采用數(shù)字式織物厚度儀、電子織物強(qiáng)力儀、傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀對(duì)其進(jìn)行基本測(cè)試。通過(guò)測(cè)試與分析發(fā)現(xiàn)：玉米苞葉厚度及橫縱向抗拉強(qiáng)度隨苞葉層數(shù)由外至內(nèi)逐漸降低；玉米苞葉主要含有纖維素，半纖維素和木質(zhì)素；經(jīng)化學(xué)處理后的纖維，其纖維素含量達(dá)到43.79%，半纖維素和木質(zhì)素含量有所降低；玉米苞葉表面凹凸不平，有隨機(jī)分布的孔洞，單纖維橫截面形狀不規(guī)則且內(nèi)部有大中腔，縱向表面較為光滑平整；玉米苞葉結(jié)晶度約為38.90%，纖維結(jié)晶度為57.85%，二者均表現(xiàn)為纖維素Ⅰ的晶體結(jié)構(gòu)。

玉米苞葉； 玉米苞葉纖維； 結(jié)構(gòu)； 性能； 化學(xué)成分； 結(jié)晶度

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米是第一大糧食作物[1-2]，2014年總產(chǎn)量達(dá)2.156 7億t，隨之帶來(lái)大量的農(nóng)副產(chǎn)品。其中玉米秸稈已經(jīng)受到廣泛重視，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)及能源生產(chǎn)方面得到了應(yīng)用[3-5]。玉米苞葉得到了不同程度的開(kāi)發(fā)，甄彥君等[6-8]提出玉米苞葉對(duì)于由血管平滑肌細(xì)胞的過(guò)度增殖和凋亡引起的動(dòng)脈粥樣硬化斑有很好的預(yù)防和治療作用，為臨床試驗(yàn)提供了理論參考；詹萍等[9]利用超聲波技術(shù)從玉米苞葉中提取總黃酮，并分析得出總黃酮具有良好的抗氧化作用；陳舉林等[10]直接利用玉米苞葉進(jìn)行編織，變廢為寶，發(fā)展了地方經(jīng)濟(jì)。

雖然玉米苞葉擁有諸多用途，但是在紡織行業(yè)還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玉米苞葉縱橫向拉力和剪切力由外層向內(nèi)呈減小趨勢(shì)，且玉米苞葉的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其剪切強(qiáng)度[11-12]。經(jīng)過(guò)氧化氫預(yù)處理以及質(zhì)量濃度為16 g/L的NaOH溶液處理后可獲得玉米苞葉纖維，且該纖維具有中空結(jié)構(gòu)[13-14]。本文主要對(duì)玉米苞葉厚度、力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并將玉米苞葉與經(jīng)化學(xué)處理所得纖維進(jìn)行化學(xué)成分分析、表面和截面形態(tài)及結(jié)晶基本結(jié)構(gòu)等對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

玉米苞葉來(lái)源于山東德州農(nóng)場(chǎng)。試驗(yàn)所用設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備一覽表

2 測(cè)試方法

2.1 玉米苞葉纖維的制備

在室溫條件下稱(chēng)取5 g玉米苞葉，于質(zhì)量濃度為10 g/L的滲透劑溶液中浸泡72 h后洗凈；再經(jīng)80 ℃水浴浸潤(rùn)30 min后晾干，在室溫下浸泡于質(zhì)量濃度為3 g/L的硫酸溶液中2 h后水洗；參照文獻(xiàn)[15]，采用表2所示煮練工藝對(duì)玉米苞葉進(jìn)行化學(xué)處理。先經(jīng)煮練Ⅰ工藝條件煮練后水洗，再按照煮練Ⅱ工藝條件煮練后水洗烘干，即得玉米苞葉纖維。以上步驟所用浴比均為1∶50。

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 玉米苞葉厚度測(cè)試

參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》取10組玉米苞葉，采用YG141N數(shù)字式織物厚度儀，分別測(cè)試每個(gè)玉米苞葉的最外層至最內(nèi)層5層試樣的厚度，依次標(biāo)為1、2、3、4、5層。

表2 煮練工藝條件

2.2.2 玉米苞葉強(qiáng)度測(cè)試

參照GB/T 3923.1—2013《織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》取10組玉米苞葉，采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀，分別測(cè)試每組玉米苞葉1～5層試樣的縱橫向強(qiáng)力，根據(jù)公式計(jì)算玉米苞葉的強(qiáng)度。測(cè)縱向強(qiáng)力時(shí)，裁剪玉米苞葉尺寸為13 cm×2 cm，夾持距離為100 mm，拉伸速度為25 mm/min。測(cè)量橫向強(qiáng)力時(shí)，試樣裁剪尺寸為6 cm×2 cm，夾持距離為40 mm，拉伸速度為25 mm/min。

式中：σb為試樣強(qiáng)度，MPa；Fb為試樣的最大拉力，N；s為試樣面積，m2，s2=lw，l為試樣長(zhǎng)度，w為試樣寬度。

2.2.3 玉米苞葉化學(xué)成分測(cè)試

參照GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，對(duì)玉米苞葉及其纖維分別進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試。

2.2.4 玉米苞葉表面和截面形態(tài)測(cè)試

采用日本JEOL公司的JSM-5600LV掃描電子顯微鏡觀察玉米苞葉和單纖維的表面及截面形態(tài)，測(cè)試條件為：恒溫(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±3)%。觀察玉米苞葉試樣用液氮脆斷法處理的截面形態(tài)：將裁剪為5 mm×10 mm試樣浸入裝有液氮的器皿中，15 s后使用鑷子同時(shí)夾持試樣兩端，進(jìn)行側(cè)斷。

2.2.5 玉米苞葉紅外光譜測(cè)試

傅里葉變換紅外光譜儀是采用連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光源照射試樣，由于試樣中不同的官能團(tuán)和化學(xué)鍵會(huì)吸收某些特定波長(zhǎng)的光，所以在紅外光譜圖中能夠根據(jù)吸收峰所在波長(zhǎng)的位置獲得試樣的主要特征元素，判定試樣成分。采用美國(guó)Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試，根據(jù)衰減全反射法(ATR)制樣。

2.2.6 玉米苞葉結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用日本RIGAKU的D/MAX-2550PC型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，掃描角度為5°～60°，掃描速度為3.0(°)/min，Cu Ka射線(xiàn)經(jīng)過(guò)Ni片濾光形成X射線(xiàn)，X射線(xiàn)波長(zhǎng)為1.540 56×10-10m，管壓為40 kV，管電流為200 mA。結(jié)晶度CCr的計(jì)算公式為

式中：I002為結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；Iam為非結(jié)晶背影衍射的散射強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 玉米苞葉厚度

玉米苞葉厚度與層數(shù)的關(guān)系如表3所示。玉米苞葉的厚度最大不超過(guò)1 mm，且其厚度隨層數(shù)的增加出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，最外層的厚度可達(dá)0.967 5 mm，最內(nèi)層的厚度僅有0.606 5 mm，下降了37.31%。且從1～5層的相鄰內(nèi)外兩層相同位置上厚度的減少量也略有下降。

表3 玉米苞葉厚度

3.2 玉米苞葉強(qiáng)度

圖1示出玉米苞葉縱向及橫向的抗拉強(qiáng)度。玉米苞葉的縱向抗拉強(qiáng)度隨層數(shù)從外至內(nèi)逐漸減弱，平均抗拉強(qiáng)度為3.223 MPa，最大抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)在最外層，達(dá)4.860 MPa；而最內(nèi)層的抗拉強(qiáng)度較最外層強(qiáng)度的一半還小。玉米苞葉的橫向抗拉強(qiáng)度也隨其厚度的降低而逐漸降低，但下降趨勢(shì)不顯著。玉米苞葉的縱向抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其橫向抗拉強(qiáng)度，是橫向抗拉強(qiáng)度的6～10倍。

3.3 玉米苞葉及其纖維的化學(xué)成分

表4示出玉米苞葉及其纖維的化學(xué)成分。由表所示，玉米苞葉中纖維素含量較低，半纖維素和木質(zhì)素的含量很高，脂蠟質(zhì)、果膠、水溶物含量相對(duì)較少，三者含量總和不及試樣總量的10%。由于NaOH在一定條件下可與半纖維素發(fā)生反應(yīng)，使其變成易于清洗的物質(zhì)；硅酸鈉具有使脂肪和油類(lèi)乳化的作用；無(wú)水亞硫酸鈉具有分解木質(zhì)素的作用；焦磷酸鈉和多聚磷酸鈉具有軟化作用[16]，所以經(jīng)化學(xué)處理后，纖維素的含量顯著提高，達(dá)43.79%；半纖維素含量顯著降低，木質(zhì)素、水溶物、果膠等含量均有所降低；但脂蠟質(zhì)的含量卻有所增大，這是由于化學(xué)處理過(guò)程中脂蠟質(zhì)成分的減少量較小，而玉米苞葉整體失重率較大，使得脂蠟質(zhì)的相對(duì)含量提高。

%

3.4 玉米苞葉及其纖維表面和截面形態(tài)

圖3示出玉米苞葉及其纖維的形貌圖。由圖可見(jiàn)，未經(jīng)處理的玉米苞葉表面凹凸不平，有隨機(jī)分布的孔洞，可以明顯看出單纖維在玉米苞葉內(nèi)部排列緊密，且有中腔，放大后觀察，單纖維橫截面形狀不規(guī)則，且有不規(guī)則中腔。而經(jīng)處理的單纖維由于雜質(zhì)、膠質(zhì)的去除表現(xiàn)出光滑平整的外觀。

3.5 玉米苞葉結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

圖4示出玉米苞葉及其纖維經(jīng)D/MAX-2550PC型X射線(xiàn)衍射儀測(cè)試的分析圖譜。由于玉米苞葉纖維素中含有結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，2種試樣在圖中均出現(xiàn)2個(gè)主要衍射峰，玉米苞葉的衍射峰2θ為15.5°和21.8°處，單纖維的衍射峰2θ為16.0°和23.2°處，在2θ為15.5°及16.0°處的較強(qiáng)峰即為結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；在2θ為21.8°和23.2°處出現(xiàn)最強(qiáng)峰是由于非晶區(qū)的散射所致。2種試樣均表現(xiàn)為纖維素Ⅰ的晶體結(jié)構(gòu)[17]。計(jì)算得到，玉米苞葉結(jié)晶度為38.9%，玉米苞葉纖維結(jié)晶度為57.85%。這是因?yàn)榻?jīng)化學(xué)處理后玉米苞葉纖維的纖維素含量升高，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)所占比例增加。

4 結(jié) 論

1)玉米苞葉的厚度、橫縱向強(qiáng)度均隨其層數(shù)從外至內(nèi)逐漸減小。

2)玉米苞葉及其纖維均含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)，且玉米苞葉纖維經(jīng)化學(xué)處理后具有更高的纖維素含量和更低的半纖維素、木質(zhì)素含量。

3)玉米苞葉表面凹凸不平，有隨機(jī)分布的孔洞；單纖維截面形狀不規(guī)則，有較大中腔，縱向表面較為光滑。

4)玉米苞葉結(jié)晶度為38.9%，玉米苞葉纖維結(jié)晶度為57.85%，二者均表現(xiàn)為纖維素Ⅰ的晶體結(jié)構(gòu)。

FZXB

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Structure and performance of corn bracts and its fiber

WANG Xiaoting1,2, CHENG Longdi1,2, LIU Lifang1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

The structure and properties of corn bracts and their fibers were tested by digital fabric thickness meter, electronic fabrics strength tester, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray crystal diffraction (XRD) to develop their applications. The experimental results show that both the thickness and tensile strength in horizontal and longitudinal directions of corn bracts reduce gradually from outer layer to inner layer. Corn bract is mainly composed of cellulose, hemicellulose and lignin. After chemical treatment the content of cellulose increases to 43.79% and that of hemicellulose and lignin decreases. The microscope images show that the surface of corn bract is rough and randomly distributed with holes. The single fiber in corn bract has irregular cross-section and high hollowness. In addition, its longitudinal surface is smooth. X-ray diffraction analysis shows that both corn bract and its fiber have the crystal structure of celluloseⅠwith crystallinity of 38.9% and 57.85%, respectively.

corn bract; corn bract fiber; structure; performance; chemical composition; crystallinity

10.13475/j.fzxb.20150703306

2015-07-15

2015-12-24

王曉婷(1992—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)樘烊恢参锢w維素的提取及應(yīng)用。劉麗芳，通信作者，E-mail:lifangliu@dhu.edu.cn。

TS 102.2

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