東北亞麻纖維變溫紅外光譜研究

張鑠，周二鵬，甄歡，陳麗云，劉曉宛，申澳，王琪，于宏偉

( 石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊050035)

亞麻纖維(flax fibre)是一種稀有天然纖維。亞麻纖維具有天然、古樸、色彩自然和高貴特點(diǎn)。此外亞麻纖維具有許多優(yōu)良的性能，例如：吸濕散熱，保健抑菌，防污抗靜電，并且阻燃效果極佳[1-3]。

亞麻纖維的廣泛應(yīng)用與其特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，而通常采用透射電鏡法研究其結(jié)構(gòu)[4-5]，傳統(tǒng)的紅外光譜法由于制樣繁瑣，相關(guān)研究卻少見報(bào)道。衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)技術(shù)可以方便地測(cè)量纖維樣品[6-10]，而不需要對(duì)于纖維樣品進(jìn)行任何處理。東北地區(qū)是我國亞麻的主要產(chǎn)地，我們以東北亞麻纖維(以下簡稱亞麻纖維)為研究對(duì)象，采用 ATR-FTIR 技術(shù)結(jié)合變溫附件，研究了亞麻纖維變溫紅外光譜(包括：變溫一維紅外光譜和變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜)來進(jìn)一步探索溫度變化對(duì)于亞麻纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響，為亞麻纖維的科學(xué)加工提供了有意義的科學(xué)借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

亞麻纖維(產(chǎn)于黑龍江省齊齊哈爾市；黑龍江省齊齊哈爾大學(xué)輕紡學(xué)院王維老師友情提供)。

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)。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞麻纖維紅外光譜研究

A 一維紅外光譜

B 二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

303K的溫度下，在4000cm-1～600cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了亞麻纖維的一維紅外光譜研究(圖1A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[4]：3311cm-1(νOH-1)和3290cm-1(νOH-2)頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維OH伸縮振動(dòng)模式(νOH)；2917cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2)；2849cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH2)；1733cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維C=O伸縮振動(dòng)模式(νC=O)；1637cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維中含有結(jié)晶水的紅外吸收模式(νH2O)；1377cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維CH變形振動(dòng)模式(δCH)；1318cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維OH面內(nèi)變形振動(dòng)模式(δOH)；1027cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O)。進(jìn)一步開展了亞麻纖維的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖1B)。其中，2917cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2)；2849cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH2)；1735cm-1頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維C=O伸縮振動(dòng)模式(νC=O)；1378cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維CH變形振動(dòng)模式(δCH)；1318cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于亞麻纖維OH面內(nèi)變形振動(dòng)模式(δOH)；1075cm-1(νC-O-1)、1047cm-1(νC-O-2)、1028cm-1(νC-O-3)和1009cm-1(νC-O-4)頻率處的紅外吸收峰則歸屬于亞麻纖維C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O)，研究發(fā)現(xiàn)，亞麻纖維中主要含有纖維素及少量的脂類和結(jié)晶水。

2.2 亞麻纖維變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在4000cm-1～600cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了亞麻纖維的變溫紅外光譜研究(圖2)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：亞麻纖維的紅外吸收頻率主要集中在3400cm-1～2800cm-1、1750cm-1～1600cm-1、1400cm-1～1300cm-1和1100cm-1～1000cm-1等四個(gè)區(qū)間，因此本文重點(diǎn)在這四個(gè)頻率區(qū)間開展亞麻纖維變溫紅外光譜的研究。

2.2.1 3400cm-1～2800cm-1頻率范圍內(nèi)亞麻纖維的變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在3400cm-1～2800cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了亞麻纖維的變溫一維紅外光譜的研究(圖3A)。研究發(fā)現(xiàn)：而隨著測(cè)試溫度的升高，亞麻纖維νOH，νasCH2和νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度進(jìn)一步增加。這主要是因?yàn)閬喡槔w維中含有大量的纖維素，纖維素中含有羥基，而羥基之間存在著較強(qiáng)的分子間氫鍵作用。隨著測(cè)定溫度的升高，會(huì)進(jìn)一步破壞羥基之間分子間氫鍵作用，因此νOH對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，進(jìn)一步開展了亞麻纖維的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜的研究(圖3B)，亞麻纖維νasCH2和νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，則進(jìn)一步證明上述解釋的正確性，而相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見下頁表1。

2.2.2 1750cm-1～1600cm-1頻率范圍內(nèi)亞麻纖維變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在1750cm-1～1600cm-1頻率范圍內(nèi)展開了亞麻纖維的變溫一維紅外光譜的研究工作(圖4A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維νC=O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率基本不變，而νH2O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率降低，而隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維νC=O和νH2O對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度增加。這是因?yàn)閬喡槔w維中含有少量的脂類及結(jié)晶水，測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維中脂類結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，而亞麻纖維中結(jié)晶水的存在方式則有一定的改變。進(jìn)一步研究了亞麻纖維的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜(圖4B)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維νC=O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率基本不變，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度略有增加，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見下頁表1。

2.2.3 1400cm-1～1300cm-1頻率范圍內(nèi)亞麻纖維變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在1400cm-1～1300cm-1頻率范圍內(nèi)展開了亞麻纖維的變溫一維紅外光譜研究(圖5A)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維的δCH對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率沒有變化，δOH對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象。亞麻纖維δCH和δOH對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度增加。進(jìn)一步研究了亞麻纖維的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖5B)，隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維δCH的對(duì)于紅外吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，而δOH對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見表1。

2.2.4 1100cm-1～1000cm-1頻率范圍內(nèi)亞麻纖維變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在1100cm-1～1000cm-1頻率范圍內(nèi)，展開了亞麻纖維的變溫一維紅外光譜研究(圖6A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維νC-O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象，而對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度進(jìn)一步降低。進(jìn)一步研究了亞麻纖維的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖6B)，其分辨能力有了顯著的提高，亞麻纖維νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和νC-O-4)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率均出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度也有很大的變化，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見表1。

表1 亞麻變溫紅外光譜數(shù)據(jù)(303K～393K)

注：Δν=ν393K-ν303K

↑代表隨著測(cè)定溫度的增加，亞麻纖維中有機(jī)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度增加。

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

→代表隨著測(cè)定溫度的增加，亞麻纖維中有機(jī)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度基本保持不變。

-代表沒有觀察到明顯的紅外吸收峰。

由表1數(shù)據(jù)可知：在4000cm-1～600cm-1頻率范圍內(nèi)，隨著測(cè)定溫度的升高，亞麻纖維νOH、νasCH2、νsCH2對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象；νH2O、δOH和νC-O對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而νC=O和δCH對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率基本保持不變。這是因?yàn)閬喡槔w維中主要含有纖維素及少量脂類物質(zhì)和結(jié)晶水，隨著測(cè)定溫度的升高，會(huì)進(jìn)一步破壞亞麻纖維的微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

在4000cm-1～600cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了亞麻纖維的紅外光譜研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：亞麻纖維主要包括：νOH、νasCH2、νsCH2、νC=O、νH2O、δCH、δOH和νC-O等八種紅外吸收模式。采用變溫紅外光譜技術(shù)進(jìn)一步開展了亞麻纖維的熱穩(wěn)定研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在303K～393K的測(cè)定溫度范圍內(nèi)，亞麻纖維的熱穩(wěn)定較差，并進(jìn)一步研究了其熱變機(jī)理。本文拓展了變溫ATR-FTIR技術(shù)在亞麻纖維熱穩(wěn)定性的研究范圍，為亞麻纖維科學(xué)加工與應(yīng)用研究提供了重要理論支持。