柳皮纤维的结构与性能

王美红，王曙东

(1.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005；2.江苏省生态纺织工程技术研究开发中心，江苏 盐城 224005)

柳皮纤维的结构与性能

王美红1,2，王曙东1,2

(1.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005；2.江苏省生态纺织工程技术研究开发中心，江苏 盐城 224005)

为研究柳皮纤维的结构和性能，采用碱脱胶处理制备了柳皮纤维，并通过扫描电镜、红外光谱、X射线衍射、热分析、力学性能等测试手段对其进行了表征。结果表明：碱处理法制取的柳皮纤维平均线密度在2.1 dtex左右；柳皮纤维的主要成分为纤维素，但纤维素含量比苎麻纤维低，碱处理后纤维晶粒尺寸增大、结晶度提高，纤维的强度和刚度均增大，纤维制取工艺需要进一步优化；柳皮纤维热分解温度达360 ℃，热稳定性好；柳皮纤维适宜纺纱。

柳皮纤维；生物质纤维；形貌结构；微观结构；物理性能

生物质纤维是指从动物、植物、微生物等生物质中提取的纤维，大力开发生物质纤维是应对石化资源枯竭和生态环境恶化的有效手段。柳树为双子叶植物纲，杨柳目，杨柳科柳属植物，全球有3属450种，主产北温带，我国有3属320余种[1]。在我国废弃柳皮多作为燃料焚烧，少数编织成箩筐篮等盛装器具，附加值极低，造成了生物质资源的极大浪费；柳树一般栽种在池边、湖岸、山坡、路旁，几乎不占用耕地；植物纤维具有良好的吸湿、透气、穿着舒适和生物降解性。有效利用柳皮制成纤维，将有很大意义。

近年来，国内外学者对柳树不同部位的化学成分进行了深入的研究，但用柳皮制取纤维以及对柳皮纤维的结构和性能的研究还少见报道。本文通过碱处理技术成功制取了柳皮纤维，采用扫描电镜、红外光谱、X射线衍射等测试手段对柳皮纤维的结构和性能进行测试和表征，以期为用柳皮制取生物质纤维提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

柳皮，市购。硫酸、氢氧化钠、SP-2渗透剂等用于处理纤维的各种化学试剂，上海化学试剂有限公司。

1.2 柳皮纤维提取

将剥取的柳皮放在阴凉通风处风干1周，使柳皮胶质干化，然后进行机械捶打，使部分胶质与纤维分离，并去除一些杂质。将机械处理后的柳皮放入硫酸溶液中(硫酸质量浓度1.5 g/L，温度50 ℃，浴比1∶15，处理时间2 h)进行预处理，以去除部分果胶和杂质。将经硫酸预处理后的柳皮纤维置于碱液中煮练。一煮浴比1∶15，氢氧化钠质量浓度15 g/L，温度100 ℃，常压，SP-2渗透剂2 ml/L，处理时间3 h。二煮浴比1∶30，氢氧化钠质量浓度20 g/L，温度90 ℃，常压，时间2 h。将煮练后的纤维置于去离子水中清洗，清除残留在纤维上的碱液、胶质以及其他杂质。再用棍子从头至尾敲打纤维，每打1遍翻动1次，如此反复5～6次，并用清水泡洗，以去除残胶和杂质，充分分离纤维。

1.3 化学成分测定

按照FZ-T 30001—1992《苎麻主要化学成分系统定量分析方法》测定脱胶处理前后柳皮纤维的纤维素、半纤维素、木质素等主要成分的相对含量。采用Nicolet 5700型红外光谱仪分析脱胶处理前后柳皮纤维的官能团结构，扫描范围4 000 cm-1。

1.4 形貌结构测试

采用光学显微镜(A1130259)和日本S-4700型扫描电子显微镜观察柳皮纤维的横截面及纵向形态。

1.5 热性能测试

采用美国PE公司Diamond型热分析仪测定脱胶处理前后柳皮纤维的热失重和DSC曲线，表征柳皮纤维的结构稳定性。扫描范围0～600 ℃，升温速度10 ℃/min，氮气保护，流量120 mL/min。

1.6 结晶结构测试

用日本2027型X射线衍射仪测定柳皮纤维的X射线图谱，测试条件为：二管电压40 kV，管电流30 mA，扫描速度2(°)/min，扫描范围5°～60°。

1.7 力学性能测试

利用莱州市电子仪器有限公司的LLY-06E型电子单纤维强力仪测定柳皮纤维的拉伸性能。测试前，样品放在恒温恒湿室(温度20 ℃，湿度70%)平衡24 h。实验条件为：夹持长度15 mm，拉伸速度15 mm/min，测试10根纤维的强力和伸长数据并取平均值。

2 结果与讨论

2.1 化学成分分析

测定处理前后柳皮纤维的化学成分，并与目前常用的苎麻纤维进行比较，结果如图1所示。由图可见，经处理后柳皮纤维的纤维素含量显著提升，半纤维素和木质素含量均有不同程度下降。而纤维素含量的提升，有利于纤维的后续成纱性能。由图1还可见，处理后柳皮纤维中纤维素的含量仍低于苎麻纤维[2]，表明在后续的研究中有待于优化处理方法，以进一步提升柳皮纤维中纤维素的含量。

脱胶处理前后柳皮纤维的红外光谱如图2所示。

2.2 柳皮纤维的形貌结构

图3示出柳皮纤维的光学显微镜照片。由图3(a)可见，柳皮纤维表面有较多的纵向竖纹，无天然转曲；由图3(b)可见，柳皮纤维的截面呈扁椭圆形不规则形状，且有中腔。

为进一步分析经脱胶处理后柳皮纤维表面形貌的变化，采用扫描电镜观察了柳皮纤维的表面和横截面形貌。由图4(a)、(b)可见，脱胶前柳皮纤维表面粗糙，被果胶、半纤维素、木质素和其他杂质覆盖。由图4(d)可见，经脱胶处理的柳皮纤维其表面较光滑，纤维直径变小，呈单纤维状，有纵向条纹。由图4(f)可见，脱胶后的柳皮纤维横截面呈不规则椭圆状，且带有中腔，这与光学显微镜分析的结果是一致的。

2.3 柳皮纤维的结晶结构与热性能分析

脱胶前后柳皮纤维的X射线衍射光谱如图5所示。由图可见，脱胶前后柳皮纤维的X射线衍射光谱曲线形状基本相同，它们的特征衍射峰的2θ均对应于14.9°、16.4°、22.6°、24.4°、30.1°以及38.1°附近，这是典型的纤维素I的结构特征衍射峰，表明脱胶前后纤维素的晶体类型没有变化，脱胶处理没有破坏纤维素的结构[6]。由图还可见，柳皮纤维的14.9°和22.6°处的衍射峰较脱胶处理前尖锐程度显著增大，采用Segal法计算天然纤维素的相对结晶度[7]方法，计算得柳皮纤维的结晶度为51.0%，经脱胶处理后的柳皮纤维其结晶度为69.5%，表明经脱胶处理后，柳皮纤维的结晶度增加，这是由于脱胶处理去除了非结晶相的半纤维素和无定形区与纤维素分子结合着的部分木质素小分子，从而提高了纤维素的结晶度[8]。采用Scherreer公式[9]计算可知，脱胶前后002晶面晶粒由1.3 nm成长为3.3 nm，柳皮纤维晶粒尺寸的提升也预示着柳皮纤维的强度较高、刚性较大。

脱胶前后柳皮纤维的热分析结果如图6所示。由图6(a)热失重曲线可见，脱胶处理后柳皮纤维的热分解温度明显高于脱胶前后的柳皮纤维；由图6(b)差热分析图谱可见，脱胶处理后柳皮纤维在360 ℃(热分解温度)附近的热分解焓值要显著高于脱胶处理前，这是由于经脱胶处理后，柳皮纤维中大部分的非纤维素成分已被去除，纤维结晶度显著提高的原因，这与上述X衍射分析的结果一致；同时，较高的热分解温度表明柳皮纤维具有较好的热稳定性[10]。

2.4 柳皮纤维的物理力学性能

为进一步探索柳皮纤维的成纱可纺性，测定了柳皮纤维的物理力学性能，结果如表1和图7所示。由表1可见，经脱胶处理后柳皮纤维的线密度明显下降，仅为(2.1±0.5) dtex，这是由于经脱胶处理后包在柳皮纤维外部的大部分非纤维素成分被去除的缘故。由表1和图7可见，柳皮纤维的断裂强度和初始模量均远远高于脱胶处理前，这是由于经脱胶处理后纤维中纤维素的相对含量显著提高，导致纤维的结晶度显著提高，柳皮纤维的断裂伸长率较脱胶前有一定程度的下降，这是由于脱胶处理前柳皮中含有的果胶等物质具有较强的柔韧性。柳皮纤维的回潮率较脱胶处理前也有一定程度的下降，同样是由于果胶等物质被去除的缘故。对照棉纤维的各项可纺性[11]可发现，柳皮纤维的强力、初始模量等均显著高于棉纤维，纤维线密度及回潮率等与棉纤维相仿，表明柳皮纤维具有较好的可纺性。

表1 柳皮纤维的物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of willow fibers

3 结 论

本文通过碱脱胶处理成功制备了柳皮纤维，其主要成分为纤维素，纤维素相对含量为44.8%。经脱胶处理后，柳皮纤维表面光滑，有较多的纵向竖纹，无天然转曲，柳皮纤维的截面呈扁椭圆形不规则形状，且有中腔。红外光谱和X射线衍射表明，脱胶处理后的柳皮纤维具有明显的纤维素I晶型结构，脱胶处理去除了大部分非纤维素成分，提高了纤维的结晶度，柳皮纤维的热稳定性较脱胶处理前显著提高。柳皮纤维的线密度为(2.1±0.5) dtex，纤维强力和模量较脱胶处理前显著提高，柳皮纤维的线密度及回潮率与棉纤维相仿，柳皮纤维具有较好的可纺性。

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

王美红(1968—)，男，副教授。主要从事生物质纤维的制备及其产业化研究。E-mail:cyp1967@126.com。

TS 102.512

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