柳皮纖維的結構與性能

王美紅，王曙東

(1.鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇省生態紡織工程技術研究開發中心，江蘇 鹽城 224005)

柳皮纖維的結構與性能

王美紅1,2，王曙東1,2

(1.鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇省生態紡織工程技術研究開發中心，江蘇 鹽城 224005)

為研究柳皮纖維的結構和性能，采用堿脫膠處理制備了柳皮纖維，并通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射、熱分析、力學性能等測試手段對其進行了表征。結果表明：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、結晶度提高，纖維的強度和剛度均增大，纖維制取工藝需要進一步優化；柳皮纖維熱分解溫度達360 ℃，熱穩定性好；柳皮纖維適宜紡紗。

柳皮纖維；生物質纖維；形貌結構；微觀結構；物理性能

生物質纖維是指從動物、植物、微生物等生物質中提取的纖維，大力開發生物質纖維是應對石化資源枯竭和生態環境惡化的有效手段。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，主產北溫帶，我國有3屬320余種[1]。在我國廢棄柳皮多作為燃料焚燒，少數編織成籮筐籃等盛裝器具，附加值極低，造成了生物質資源的極大浪費；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，國內外學者對柳樹不同部位的化學成分進行了深入的研究，但用柳皮制取纖維以及對柳皮纖維的結構和性能的研究還少見報道。本文通過堿處理技術成功制取了柳皮纖維，采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射等測試手段對柳皮纖維的結構和性能進行測試和表征，以期為用柳皮制取生物質纖維提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

柳皮，市購。硫酸、氫氧化鈉、SP-2滲透劑等用于處理纖維的各種化學試劑，上海化學試劑有限公司。

1.2 柳皮纖維提取

將剝取的柳皮放在陰涼通風處風干1周，使柳皮膠質干化，然后進行機械捶打，使部分膠質與纖維分離，并去除一些雜質。將機械處理后的柳皮放入硫酸溶液中(硫酸質量濃度1.5 g/L，溫度50 ℃，浴比1∶15，處理時間2 h)進行預處理，以去除部分果膠和雜質。將經硫酸預處理后的柳皮纖維置于堿液中煮練。一煮浴比1∶15，氫氧化鈉質量濃度15 g/L，溫度100 ℃，常壓，SP-2滲透劑2 ml/L，處理時間3 h。二煮浴比1∶30，氫氧化鈉質量濃度20 g/L，溫度90 ℃，常壓，時間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、膠質以及其他雜質。再用棍子從頭至尾敲打纖維，每打1遍翻動1次，如此反復5～6次，并用清水泡洗，以去除殘膠和雜質，充分分離纖維。

1.3 化學成分測定

按照FZ-T 30001—1992《苧麻主要化學成分系統定量分析方法》測定脫膠處理前后柳皮纖維的纖維素、半纖維素、木質素等主要成分的相對含量。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結構，掃描范圍4 000 cm-1。

1.4 形貌結構測試

采用光學顯微鏡(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。

1.5 熱性能測試

采用美國PE公司Diamond型熱分析儀測定脫膠處理前后柳皮纖維的熱失重和DSC曲線，表征柳皮纖維的結構穩定性。掃描范圍0～600 ℃，升溫速度10 ℃/min，氮氣保護，流量120 mL/min。

1.6 結晶結構測試

用日本2027型X射線衍射儀測定柳皮纖維的X射線圖譜，測試條件為：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 力學性能測試

利用萊州市電子儀器有限公司的LLY-06E型電子單纖維強力儀測定柳皮纖維的拉伸性能。測試前，樣品放在恒溫恒濕室(溫度20 ℃，濕度70%)平衡24 h。實驗條件為：夾持長度15 mm，拉伸速度15 mm/min，測試10根纖維的強力和伸長數據并取平均值。

2 結果與討論

2.1 化學成分分析

測定處理前后柳皮纖維的化學成分，并與目前常用的苧麻纖維進行比較，結果如圖1所示。由圖可見，經處理后柳皮纖維的纖維素含量顯著提升，半纖維素和木質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]，表明在后續的研究中有待于優化處理方法，以進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 柳皮纖維的形貌結構

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

為進一步分析經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、木質素和其他雜質覆蓋。由圖4(d)可見，經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則橢圓狀，且帶有中腔，這與光學顯微鏡分析的結果是一致的。

2.3 柳皮纖維的結晶結構與熱性能分析

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均對應于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的結構特征衍射峰，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構[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法計算天然纖維素的相對結晶度[7]方法，計算得柳皮纖維的結晶度為51.0%，經脫膠處理后的柳皮纖維其結晶度為69.5%，表明經脫膠處理后，柳皮纖維的結晶度增加，這是由于脫膠處理去除了非結晶相的半纖維素和無定形區與纖維素分子結合著的部分木質素小分子，從而提高了纖維素的結晶度[8]。采用Scherreer公式[9]計算可知，脫膠前后002晶面晶粒由1.3 nm成長為3.3 nm，柳皮纖維晶粒尺寸的提升也預示著柳皮纖維的強度較高、剛性較大。

脫膠前后柳皮纖維的熱分析結果如圖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，纖維結晶度顯著提高的原因，這與上述X衍射分析的結果一致；同時，較高的熱分解溫度表明柳皮纖維具有較好的熱穩定性[10]。

2.4 柳皮纖維的物理力學性能

為進一步探索柳皮纖維的成紗可紡性，測定了柳皮纖維的物理力學性能，結果如表1和圖7所示。由表1可見，經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，柳皮纖維的斷裂強度和初始模量均遠遠高于脫膠處理前，這是由于經脫膠處理后纖維中纖維素的相對含量顯著提高，導致纖維的結晶度顯著提高，柳皮纖維的斷裂伸長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具有較強的柔韌性。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被去除的緣故。對照棉纖維的各項可紡性[11]可發現，柳皮纖維的強力、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性能Tab.1 Physical and mechanical properties of willow fibers

3 結 論

本文通過堿脫膠處理成功制備了柳皮纖維，其主要成分為纖維素，纖維素相對含量為44.8%。經脫膠處理后，柳皮纖維表面光滑，有較多的縱向豎紋，無天然轉曲，柳皮纖維的截面呈扁橢圓形不規則形狀，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晶型結構，脫膠處理去除了大部分非纖維素成分，提高了纖維的結晶度，柳皮纖維的熱穩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。

FZXB

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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。主要從事生物質纖維的制備及其產業化研究。E-mail:cyp1967@126.com。

TS 102.512

A