王美紅，王曙東

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇省生態(tài)紡織工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 鹽城 224005)

柳皮纖維的結(jié)構(gòu)與性能

王美紅1,2，王曙東1,2

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇省生態(tài)紡織工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 鹽城 224005)

為研究柳皮纖維的結(jié)構(gòu)和性能，采用堿脫膠處理制備了柳皮纖維，并通過(guò)掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射、熱分析、力學(xué)性能等測(cè)試手段對(duì)其進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：堿處理法制取的柳皮纖維平均線密度在2.1 dtex左右；柳皮纖維的主要成分為纖維素，但纖維素含量比苧麻纖維低，堿處理后纖維晶粒尺寸增大、結(jié)晶度提高，纖維的強(qiáng)度和剛度均增大，纖維制取工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化；柳皮纖維熱分解溫度達(dá)360 ℃，熱穩(wěn)定性好；柳皮纖維適宜紡紗。

柳皮纖維；生物質(zhì)纖維；形貌結(jié)構(gòu)；微觀結(jié)構(gòu)；物理性能

生物質(zhì)纖維是指從動(dòng)物、植物、微生物等生物質(zhì)中提取的纖維，大力開發(fā)生物質(zhì)纖維是應(yīng)對(duì)石化資源枯竭和生態(tài)環(huán)境惡化的有效手段。柳樹為雙子葉植物綱，楊柳目，楊柳科柳屬植物，全球有3屬450種，主產(chǎn)北溫帶，我國(guó)有3屬320余種[1]。在我國(guó)廢棄柳皮多作為燃料焚燒，少數(shù)編織成籮筐籃等盛裝器具，附加值極低，造成了生物質(zhì)資源的極大浪費(fèi)；柳樹一般栽種在池邊、湖岸、山坡、路旁，幾乎不占用耕地；植物纖維具有良好的吸濕、透氣、穿著舒適和生物降解性。有效利用柳皮制成纖維，將有很大意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柳樹不同部位的化學(xué)成分進(jìn)行了深入的研究，但用柳皮制取纖維以及對(duì)柳皮纖維的結(jié)構(gòu)和性能的研究還少見報(bào)道。本文通過(guò)堿處理技術(shù)成功制取了柳皮纖維，采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射等測(cè)試手段對(duì)柳皮纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測(cè)試和表征，以期為用柳皮制取生物質(zhì)纖維提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

柳皮，市購(gòu)。硫酸、氫氧化鈉、SP-2滲透劑等用于處理纖維的各種化學(xué)試劑，上?；瘜W(xué)試劑有限公司。

1.2 柳皮纖維提取

將剝?nèi)〉牧し旁陉帥鐾L(fēng)處風(fēng)干1周，使柳皮膠質(zhì)干化，然后進(jìn)行機(jī)械捶打，使部分膠質(zhì)與纖維分離，并去除一些雜質(zhì)。將機(jī)械處理后的柳皮放入硫酸溶液中(硫酸質(zhì)量濃度1.5 g/L，溫度50 ℃，浴比1∶15，處理時(shí)間2 h)進(jìn)行預(yù)處理，以去除部分果膠和雜質(zhì)。將經(jīng)硫酸預(yù)處理后的柳皮纖維置于堿液中煮練。一煮浴比1∶15，氫氧化鈉質(zhì)量濃度15 g/L，溫度100 ℃，常壓，SP-2滲透劑2 ml/L，處理時(shí)間3 h。二煮浴比1∶30，氫氧化鈉質(zhì)量濃度20 g/L，溫度90 ℃，常壓，時(shí)間2 h。將煮練后的纖維置于去離子水中清洗，清除殘留在纖維上的堿液、膠質(zhì)以及其他雜質(zhì)。再用棍子從頭至尾敲打纖維，每打1遍翻動(dòng)1次，如此反復(fù)5～6次，并用清水泡洗，以去除殘膠和雜質(zhì)，充分分離纖維。

1.3 化學(xué)成分測(cè)定

按照FZ-T 30001—1992《苧麻主要化學(xué)成分系統(tǒng)定量分析方法》測(cè)定脫膠處理前后柳皮纖維的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要成分的相對(duì)含量。采用Nicolet 5700型紅外光譜儀分析脫膠處理前后柳皮纖維的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，掃描范圍4 000 cm-1。

1.4 形貌結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用光學(xué)顯微鏡(A1130259)和日本S-4700型掃描電子顯微鏡觀察柳皮纖維的橫截面及縱向形態(tài)。

1.5 熱性能測(cè)試

采用美國(guó)PE公司Diamond型熱分析儀測(cè)定脫膠處理前后柳皮纖維的熱失重和DSC曲線，表征柳皮纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。掃描范圍0～600 ℃，升溫速度10 ℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)，流量120 mL/min。

1.6 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)試

用日本2027型X射線衍射儀測(cè)定柳皮纖維的X射線圖譜，測(cè)試條件為：二管電壓40 kV，管電流30 mA，掃描速度2(°)/min，掃描范圍5°～60°。

1.7 力學(xué)性能測(cè)試

利用萊州市電子儀器有限公司的LLY-06E型電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)定柳皮纖維的拉伸性能。測(cè)試前，樣品放在恒溫恒濕室(溫度20 ℃，濕度70%)平衡24 h。實(shí)驗(yàn)條件為：夾持長(zhǎng)度15 mm，拉伸速度15 mm/min，測(cè)試10根纖維的強(qiáng)力和伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分分析

測(cè)定處理前后柳皮纖維的化學(xué)成分，并與目前常用的苧麻纖維進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1所示。由圖可見，經(jīng)處理后柳皮纖維的纖維素含量顯著提升，半纖維素和木質(zhì)素含量均有不同程度下降。而纖維素含量的提升，有利于纖維的后續(xù)成紗性能。由圖1還可見，處理后柳皮纖維中纖維素的含量仍低于苧麻纖維[2]，表明在后續(xù)的研究中有待于優(yōu)化處理方法，以進(jìn)一步提升柳皮纖維中纖維素的含量。

脫膠處理前后柳皮纖維的紅外光譜如圖2所示。

2.2 柳皮纖維的形貌結(jié)構(gòu)

圖3示出柳皮纖維的光學(xué)顯微鏡照片。由圖3(a)可見，柳皮纖維表面有較多的縱向豎紋，無(wú)天然轉(zhuǎn)曲；由圖3(b)可見，柳皮纖維的截面呈扁橢圓形不規(guī)則形狀，且有中腔。

為進(jìn)一步分析經(jīng)脫膠處理后柳皮纖維表面形貌的變化，采用掃描電鏡觀察了柳皮纖維的表面和橫截面形貌。由圖4(a)、(b)可見，脫膠前柳皮纖維表面粗糙，被果膠、半纖維素、木質(zhì)素和其他雜質(zhì)覆蓋。由圖4(d)可見，經(jīng)脫膠處理的柳皮纖維其表面較光滑，纖維直徑變小，呈單纖維狀，有縱向條紋。由圖4(f)可見，脫膠后的柳皮纖維橫截面呈不規(guī)則橢圓狀，且?guī)в兄星?，這與光學(xué)顯微鏡分析的結(jié)果是一致的。

2.3 柳皮纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與熱性能分析

脫膠前后柳皮纖維的X射線衍射光譜如圖5所示。由圖可見，脫膠前后柳皮纖維的X射線衍射光譜曲線形狀基本相同，它們的特征衍射峰的2θ均對(duì)應(yīng)于14.9°、16.4°、22.6°、24.4°、30.1°以及38.1°附近，這是典型的纖維素I的結(jié)構(gòu)特征衍射峰，表明脫膠前后纖維素的晶體類型沒有變化，脫膠處理沒有破壞纖維素的結(jié)構(gòu)[6]。由圖還可見，柳皮纖維的14.9°和22.6°處的衍射峰較脫膠處理前尖銳程度顯著增大，采用Segal法計(jì)算天然纖維素的相對(duì)結(jié)晶度[7]方法，計(jì)算得柳皮纖維的結(jié)晶度為51.0%，經(jīng)脫膠處理后的柳皮纖維其結(jié)晶度為69.5%，表明經(jīng)脫膠處理后，柳皮纖維的結(jié)晶度增加，這是由于脫膠處理去除了非結(jié)晶相的半纖維素和無(wú)定形區(qū)與纖維素分子結(jié)合著的部分木質(zhì)素小分子，從而提高了纖維素的結(jié)晶度[8]。采用Scherreer公式[9]計(jì)算可知，脫膠前后002晶面晶粒由1.3 nm成長(zhǎng)為3.3 nm，柳皮纖維晶粒尺寸的提升也預(yù)示著柳皮纖維的強(qiáng)度較高、剛性較大。

脫膠前后柳皮纖維的熱分析結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)熱失重曲線可見，脫膠處理后柳皮纖維的熱分解溫度明顯高于脫膠前后的柳皮纖維；由圖6(b)差熱分析圖譜可見，脫膠處理后柳皮纖維在360 ℃(熱分解溫度)附近的熱分解焓值要顯著高于脫膠處理前，這是由于經(jīng)脫膠處理后，柳皮纖維中大部分的非纖維素成分已被去除，纖維結(jié)晶度顯著提高的原因，這與上述X衍射分析的結(jié)果一致；同時(shí)，較高的熱分解溫度表明柳皮纖維具有較好的熱穩(wěn)定性[10]。

2.4 柳皮纖維的物理力學(xué)性能

為進(jìn)一步探索柳皮纖維的成紗可紡性，測(cè)定了柳皮纖維的物理力學(xué)性能，結(jié)果如表1和圖7所示。由表1可見，經(jīng)脫膠處理后柳皮纖維的線密度明顯下降，僅為(2.1±0.5) dtex，這是由于經(jīng)脫膠處理后包在柳皮纖維外部的大部分非纖維素成分被去除的緣故。由表1和圖7可見，柳皮纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于脫膠處理前，這是由于經(jīng)脫膠處理后纖維中纖維素的相對(duì)含量顯著提高，導(dǎo)致纖維的結(jié)晶度顯著提高，柳皮纖維的斷裂伸長(zhǎng)率較脫膠前有一定程度的下降，這是由于脫膠處理前柳皮中含有的果膠等物質(zhì)具有較強(qiáng)的柔韌性。柳皮纖維的回潮率較脫膠處理前也有一定程度的下降，同樣是由于果膠等物質(zhì)被去除的緣故。對(duì)照棉纖維的各項(xiàng)可紡性[11]可發(fā)現(xiàn)，柳皮纖維的強(qiáng)力、初始模量等均顯著高于棉纖維，纖維線密度及回潮率等與棉纖維相仿，表明柳皮纖維具有較好的可紡性。

表1 柳皮纖維的物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of willow fibers

3 結(jié) 論

本文通過(guò)堿脫膠處理成功制備了柳皮纖維，其主要成分為纖維素，纖維素相對(duì)含量為44.8%。經(jīng)脫膠處理后，柳皮纖維表面光滑，有較多的縱向豎紋，無(wú)天然轉(zhuǎn)曲，柳皮纖維的截面呈扁橢圓形不規(guī)則形狀，且有中腔。紅外光譜和X射線衍射表明，脫膠處理后的柳皮纖維具有明顯的纖維素I晶型結(jié)構(gòu)，脫膠處理去除了大部分非纖維素成分，提高了纖維的結(jié)晶度，柳皮纖維的熱穩(wěn)定性較脫膠處理前顯著提高。柳皮纖維的線密度為(2.1±0.5) dtex，纖維強(qiáng)力和模量較脫膠處理前顯著提高，柳皮纖維的線密度及回潮率與棉纖維相仿，柳皮纖維具有較好的可紡性。

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Structure and physical properties of willow fibers

WANG Meihong1,2,WANG Shudong1,2

(1.YanchengInstituteofIndustryTechnology，Yancheng,Jiangsu224005，China; 2.JiangsuR&DCenteroftheEcologicalTextileEngineering&Technology，Yancheng，Jiangsu224005，China)

In order to study the structure and properties of willow fibers,willow barks were degummed by sodium hydroxide boiling,and the obtained fibers were characterized by scanning electron microscopy,infrared spectroscopy,X-ray diffraction,thermal analysis,etc.The results show that fineness of the alkali treatment willow fibers is around 2.1 dtex,and the main composition of the willow fibers is cellulose.However,the content of cellulose is lower than that of ramie fibers.The grain size,the crystallinity,the strength and stiffness of the fibers are increased after alkali treatment.The production process of the fibers needs to be optimized further.The fibers are good in thermal stability,and the thermal decomposition temperature can reach 360 ℃.It is shown that the willow fibers are suitable for spinning.

willow fiber; biomass fiber; morphology; microstructure; physical property

10.13475/j.fzxb.20141104606

2014-11-17

2015-07-25

王美紅(1968—)，男，副教授。主要從事生物質(zhì)纖維的制備及其產(chǎn)業(yè)化研究。E-mail:cyp1967@126.com。

TS 102.512

A