竹纤维在1 100～950 cm－1区间的红外吸收光谱分析

许 炯，刘 羽，韦巧云

（1. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2. 杭州绿兴环保材料有限公司，浙江 杭州 310022）

竹纤维在1 100～950 cm－1区间的红外吸收光谱分析

许 炯1，刘 羽2，韦巧云2

（1. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2. 杭州绿兴环保材料有限公司，浙江 杭州 310022）

用红外光谱分析不同竹种的竹纤维在1 110 ～ 950 cm－1区间的光谱吸收，研究不同竹种的竹纤维结构的差异性，结果表明，不同竹种竹纤维的红外特征吸收峰基本一致；经NaOH溶液处理后，各竹种竹纤维在红外吸收峰处均有加强，且随NaOH浓度的增加，竹纤维在995 cm－1处的吸收峰有更多的增强。

竹种；竹纤维；红外光谱

竹纤维作为一种新型的纤维材料，它具有优良的着色性、反弹性、悬垂性、耐磨性和抗菌性，还具备较好的强力和拉伸性能，优良的吸湿性和导电性，其中吸湿性和透气性居各类纤维之首[1～2]。竹纤维长，可塑性好，平均长度一般在1.3 ～ 2.5 mm，而且竹纤维比较细，长宽比大，纤维结构也与木材相接近，可以作为造纸的好原料[3～4]。此外竹纤维的物理机械性能和聚合度指标与粘胶纤维用浆要求相近，因此，竹纤维可作为粘胶纤维的原料用于纺丝，成为纺织服装产品的原料。它不仅符合生态环保的要求，而且满足了人们对健康、舒适、卫生等多元化服饰的需求。用竹纤维与真丝、各类长丝等原料交织，可提高产品的附加值[5]。竹纤维原料来自自然生长的竹子，竹子生长快，纤维含量高，产品用后可生物降解，属环保型绿色纤维，是一种具有广阔应用前景的纤维材料[6～8]。

红外吸收光谱属于分子振动光谱，主要研究聚合物分子组成和结构与红外吸收谱图的关系，同时它也可以提供纤维的组成和结构信息。20世纪40年代起，红外光谱法己经用于纺织纤维的研究，1947年Rowen[9]等首次采用红外吸收光谱研究了棉花纤维素。但到目前为止，以红外光谱法作为竹纤维结构的分析方法的研究还比较少，本文着重分析竹纤维的红外光谱，表征竹纤维的结构，并研究通过不同处理方法的竹纤维和不同竹种相同处理方法的竹纤维在1 110 ～ 950 cm－1区间的红外光谱差异，从中探索不同竹种的竹纤维的结构共性和个性差异，为竹纤维鉴别分析寻找理论依据，而这方面研究还未见相关文献报道。

1 研究方法

1.1 竹纤维样品的提取

采用取自浙江省林业科学研究院竹种园的毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens）、紫竹（Ph. nigra）、刚竹（Ph. viridis）、石竹（Dianthus barbatus var. asiaticus）、孝顺竹（Bambusa multiplex）、慈竹（Neosinocalamus affinis）、凤尾竹（Bambusa multiplex var. multiplex cv. fernleaf）为原料，以硫酸盐法制浆，其中用碱量为18%，硫化度（硫化度 = W硫化钠/ W（氢氧化钠＋硫化钠））为25%，液比为1：3.5。将制得的粗浆，用蒸馏水反复清洗，然后用15% NaOH溶液处理12 h后，在8% H2O2和2% NaOH的条件下处理12 h以漂白竹浆，再用蒸馏水清洗，于80℃烘箱中烘干，即得到竹纤维。其中所用的化学试剂NaOH、Na2S、30% H2O2均为分析纯。

1.2 仪器

红外光谱仪：美国NICOLET is10-FTIR，光谱检测范围：4 000 ～ 400 cm－1，分辨率：4 cm－1，扫描次数：32。

1.3 测试方法

将竹纤维样品与KBr（光谱纯）一起进行充分研磨（W纤维/WKBr= 1/50），压制成片后进行红外光谱测定，并对所得谱图进行相应的处理分析。

2 结果与分析

2.1 竹纤维的红外光谱

图1为毛竹纤维的红外光谱。由红外光谱可以看出，3 447 cm－1附近的吸收峰是-OH的伸缩振动吸收，是所有纤维素的特征谱带；2 900 cm－1处的吸收峰归属为C-H的伸缩振动峰；1 637 cm－1处的吸收峰归属为C=O的伸缩振动峰；1 375 cm－1处的吸收峰为C-H的弯曲振动：1 335 cm－1处的吸收峰是O-H的面内弯曲振动产生的；1 061 cm－1处的强吸收峰可归属为C-O的伸缩振动；993 cm－1附近的吸收峰是纤维中醚键的特征峰；895 cm－1为环状C-O-C不对称面外伸缩振动/CH2(CH2OH)非平面摇摆振动产生的特征峰；668 cm－1为 -OH面外变形振动[10～11]。

图1 毛竹纤维的红外光谱图Figure 1 Infrared spectrum of Phyllostachys heterocyclacv.pubescensfiber

经过红外表征发现，所表征的各种竹纤维的红外特征峰与图1基本相同，所以特征峰的归属情况也相同。

2.2 标峰灵敏度与吸收峰强弱的关系

竹子纤维都是纤维素纤维，其化学结构相同，红外光谱的特征吸收峰完全一致，我们无法用肉眼看出不同竹种的纤维红外光谱有什么区别，为了提高谱图解析能力，从中寻找不同竹种竹纤维之间红外光谱吸收峰强度的微小差别，本研究利用NICOLET is10-FTIR红外光谱仪所带数据处理软件Nicolet omnic 8.0，可以设置一定的标峰灵敏度，将在此灵敏度条件下对达到一定峰强度的吸收峰进行自动标注，标出该峰的吸收峰峰值。标峰灵敏度越高（数值越大），标峰能力越强，较弱的吸收峰也将被标注，所以，可以根据标峰所需最小灵敏度值，判断峰的强弱。标峰灵敏度越大，对应的峰越弱，反之亦然。

在室温下，分别将不同竹种竹纤维用7%或15%的NaOH溶液处理24 h，洗涤至中性，干燥后再进行红外光谱测定，分别设定标峰灵敏度为70和66，并将得到的红外谱图与未经处理的竹纤维的红外谱图进行对比分析。

图2和图3分别为设置不同灵敏度条件下凤尾竹纤维的红外光谱图，图中峰值是由数据处理软件自动标注的。标峰灵敏度变化后，有些在图2中标注的峰在图3中就无法标注出。

2.3 各种竹纤维样品经碱溶液处理后红外光谱的变化

图2 标峰灵敏度为70的条件下凤尾竹纤维的红外光谱图Figure 2 Infrared spectrum ofBambusa multiplexvar. multiplexcv.f ernleaffiber under sensitivity of 70

图3 标峰灵敏度为66的条件下凤尾竹纤维的红外光谱图Figure 3 Infrared spectrum ofBambusa multiplexvar. multiplexcv.f ernleaffiber under sensitivity of 66

从图2可以看出，在相同标峰灵敏度的条件下，用碱处理过的凤尾竹纤维样品的红外谱图中的995 cm－1附近的特征峰可以被标示出峰值，而未经碱处理的纤维的红外谱图中的995 cm－1峰的峰值没有被标出来，说明碱处理过程加强了995 cm－1特征峰的强度。

从图3可以看出，在相同标峰灵敏度的条件下，只有用15 % NaOH溶液处理过的凤尾竹纤维样品的红外谱图中的995 cm－1峰可以被标示出峰值，而未经碱处理和用7 % NaOH溶液处理过的纤维的红外谱图中的995 cm－1峰的峰值没有被标出来。说明碱处理过程中，随着碱浓度的加强，995 cm－1处峰的强度也相应的加强了。

表1为经过不同浓度碱处理的凤尾竹纤维的两个特征峰（1 110 cm－1和995 cm－1）的最小标峰灵敏度。从表中可以看出，经过碱处理，995 cm－1峰的最小标峰灵敏度减小，1 110 cm－1峰的最小标峰灵敏度增大，即凤尾竹纤维的995 cm－1峰强度有所增强，1 110 cm－1峰强度减弱；同理，得到995 cm－1峰强度随碱溶液浓度的增加而增强。

表1 经过不同处理的凤尾竹纤维的两个特征峰的最小标峰灵敏度Table 1 Minimum sensitivity of two characteristic absorption peaks of different treated Bambusa multiplex var.multiplex cv. fernleaf fibers

2.4 各种竹纤维经碱溶液处理后的红外光谱变化

本研究选取了毛竹、紫竹、刚竹、石竹、孝顺竹、慈竹，分别用7%、15%的NaOH溶液进行处理，比较其在1 110 cm－1和995 cm－1处红外吸收峰的变化。

图4 不同竹种竹纤维的红外光谱图Figure 4 Infrared spectrum of fibers of different bamboo species

表2 不同处理方法的各竹种竹纤维在995 cm－1和1 100 cm－1处的最小标峰灵敏度Table 2 Minimum sensitivity from 995/cm to 1 100/cm of different treated bamboo fibers of different species

运用相同的方法，研究了其它多种竹种的竹纤维经不同处理后红外谱图的变化，如图4、表2所示。最小标峰灵敏度越大，则相应的峰强度越小，再结合表1和表3中数据可知，各竹种竹纤维的995 cm－1特征峰强度的强弱情况如下：①未经处理的各竹种的竹纤维的995 cm－1峰强度：紫竹 > 凤尾竹 > 毛竹 > 石竹 > 刚竹 >慈竹 > 孝顺竹；②经7% NaOH 溶液处理各竹种的竹纤维的995 cm－1处峰强度：刚竹 > 毛竹 > 石竹 > 凤尾竹 >紫竹 > 孝顺竹 > 慈竹；③经15% NaOH溶液处理各竹种的竹纤维的995 cm－1处峰强度：毛竹 > 刚竹 > 慈竹 >石竹—凤尾竹 > 孝顺竹 > 紫竹。

同样，对其在1 110 cm－1处吸收峰的强弱进行排列。

对经不同浓度NaOH溶液处理后同一种类竹纤维的红外谱图进行比较发现，经碱处理后，谱图中峰值位于995 cm－1附近的特征峰和峰值位于1 110 cm－1附近的特征峰发生了变化，其中，用7%的NaOH溶液处理过的竹纤维样品与未经处理的竹纤维样品相比较，995 cm－1处峰的强度普遍都有所加强（其中紫竹纤维的995 cm－1处峰在用碱处理过后强度略有减弱）；用15%的NaOH溶液处理过的竹纤维样品与用7%的NaOH溶液处理的竹纤维样品比较，红外谱图中的995 cm－1处峰的强度也有一定程度的加强。即碱处理可以加强竹纤维红外谱图的995 cm－1处峰的强度，增加碱溶液（处理液）的浓度，995 cm－1处峰的强度也一定程度的增强。相反，由表3可知，经碱处理后的大多数竹纤维的红外谱图中的1 110 cm－1处峰的强度逐渐减弱。

3 结论

通过对竹纤维的红外光谱的研究，得到以下结论：

（1）不同竹种竹纤维的红外特征吸收峰基本一致。其中，995 cm－1处吸收峰是纤维中醚键特征峰，不同的竹纤维在995 cm－1处的峰是有强弱区别的。

（2）经NaOH溶液处理的各竹种的竹纤维在红外吸收峰处均有加强，增强程度与NaOH溶液的浓度有关，15%NaOH比相对较低浓度NaOH处理，在995 cm－1处吸收峰有更多的增强。

（3）995 cm－1处红外吸收峰的强弱变化与纤维中醚键所处晶格变化有一定关系，当995 cm－1处吸收峰增强时，可能是由于纤维的纤维素晶格受到一定改变引起的；1 110 cm－1处吸收峰的减弱，同样也是由于纤维的纤维素晶格受到一定改变引起的。

（4）有研究报道[9]，纤维素Ⅰ在1 112 cm－1处有一较强的峰，而纤维素Ⅱ在此处近于消失。Higgins等[9]认为，这是由于六元环骨架上C-O伸缩振动的不同造成的。在纤维素Ⅱ中强度明显减弱与氢键的变化有关。

（5）慈竹是这些所选竹纤维中，1 110 cm－1处吸收峰最强，995 cm－1处吸收峰最弱的竹种，这表示慈竹是纤维素结构相对紧密、纤维质量较好的竹种。

[1] 巩继贤，李辉芹. 竹纤维—一种纺织新材料[J]. 纺织导报，2003（3）：59－61.

[2] 裘愉发. 第五届上海国际纺博会丝绸产品印象[J]. 丝绸，2003（5）：44－46.

[3] 许炯，蒋应梯. 慈竹竹制造LYOCELL纤维可行性研究[J]. 浙江林业科技，2005，25（4）：18－20.

[4] ZL01117634.2，竹材加工竹LYOCELL纤维的制备方法.

[5] 张裕，申晓平. 竹纤维的应用与开发[J]. 现代纺织技术，2003，11（3）：51.

[6] 系井彻. 王志进，杨以雄（译）. 环保型竹纤维布料的开发[J]. 国外纺织技术，2003（1）：27－28.

[7] 赵晓芳. 竹纤维的发展及应用[J]. 科技情报开发与经济，2009，19（2）：153－154.

[8] Jiang Jianxin, Yang Zhongkai, Zhu Liwei. Structure and Property of Bamboo Fiber[J]. Chin For Sci Tech，2008，7（2）：7－14.

[9] 张俊，潘松汉. 微晶纤维素的FTIR研究[J]. 纤维素科学与技术，1995，3（1）：22－27.

[10] 蒋建新，杨中开，朱莉伟，等. 竹纤维结构及其性能研究[J]. 北京林业大学学报，2008，30（1）：128－131.

[11] 唐人成，杨旭红，王华杰，等. 纺织用天然竹纤维的结构和热性能[J]. 林产化学与工业，2004，24（1）：43－47.

Analysis on IR-spectra of Bamboo Fiber from 1100/cm to 950/cm

XU Jiong1，LIU Yu2，WEI Qiao-yun2（1. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 2. Hangzhou Luxing Environment-friendly Material Company Ltd, Hangzhou 310022, China）

Determination of IR-spectra of different bamboo fibers from 1 100/cm to 950/cm was carried out for analyzing difference of fibers of different bamboo species. The result showed that infrared characteristic absorption peaks of different bamboo fibers were similar, and enhanced when fibers treated by NaOH solution, especially at 995/cm.

bamboo species; fiber; IR

S718.43

1001-3776（2010）02-0001-05

2009-12-28；

2010-02-07

浙江省自然科学基金资助项目“竹纤维超微结构特征及纺织应用特性研究”（Y306608）

许炯（1961－），男，浙江宁波人，研究员，硕士，从事材料化学和应用研究。