劉子瑋，李 園，劉 閃，門文欣，李獻朋，宗再興，趙婷婷，于宏偉

(石家莊學院化工學院，河北石家莊 050035)

棉纖維變溫紅外光譜研究

劉子瑋，李 園，劉 閃，門文欣，李獻朋，宗再興，趙婷婷，于宏偉

(石家莊學院化工學院，河北石家莊 050035)

采用變溫傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術(ATR-FTIR)，分別研究了棉纖維的紅外光譜。實驗發(fā)現(xiàn)在 2950 cm-1～ 2830 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1和 1100 cm-1～ 1000 cm-1等四個頻率區(qū)間內，棉纖維同時存在著 CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2)、CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2)、OH 變形振動模式(δOH)和 C-O 伸縮振動模式(νC-O)等四種紅外吸收模式。

實驗結果：隨著測定溫度的升高，棉纖維νasCH2和νsCH2對應的紅外吸收頻率增加，而棉纖維δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對應的紅外吸收頻率減少。本項研究開拓了變溫 ATR-FTIR 技術在棉纖維結構分析方面的研究范圍。

棉纖維 紅外光譜 結構

棉纖維廣泛應用紡織行業(yè)領域中[1-2]。棉纖維通常采用透射電鏡法研究其結構[3-6]，而傳統(tǒng)的紅外光譜法由于制樣繁瑣，相關研究少見報道。衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)則不需要對于樣品進行任何處理。因此本研究采用 ATR-FTIR術結合變溫附件，研究了棉纖維變溫紅外光譜(包括一維、二階及四階導數(shù)光譜)，進一步探索研究溫度變化對于棉纖維微觀結構的影響。

1 實驗

1.1 材料

棉纖維(石抗 126 號)，石家莊學院藥物制劑2013級本科陳月彎同學友情提供)。

1.2 儀器

紅外光譜儀(Spectrum 100)； ATR-FTIR 變溫附件(Golden Gate)；ATR-FTIR 變溫控件(WEST 6100+)。

1.3 實驗方法

實驗方法參考文獻[7]。

2 結果與討論

a 棉纖維一維光譜

c 棉纖維四階導數(shù)光譜

在 4000 cm-1～ 600 cm-1頻率范圍內，開展了棉纖維的紅外光譜研究。根據(jù)文獻報道[7-9]，棉纖維的特征紅外吸收頻率主要集中在 1100 cm-1～ 1000 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1和 2950 cm-1～ 2830 cm-1等四個頻率區(qū)間，因此本文重點在這四個頻率區(qū)間開展棉纖維變溫紅外光譜的研究。

2.1 棉纖維紅外光譜研究

2.1.1 2950 cm-1～ 2830 cm-1頻率范圍內棉纖維紅外光譜研究

a 棉纖維 νCH2 一維光譜

b 棉纖維 νCH2 二階導數(shù)光譜

c 棉纖維 νCH2 四階導數(shù)光譜

在 2950 cm-1～ 2830 cm-1頻率范圍內首先展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 2a)，由于其分辨能力不高，并不能得到有效的光譜信息。而棉纖維的二階導數(shù)光譜的分辨能力則有了明顯的提高(圖 2b)，其中 2918 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2)，而 2850 cm-1(293 K)頻率處的紅外吸收峰則歸屬于棉纖維 CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2)，而隨著測定溫度的升高，棉纖維 νasCH2和 νsCH2對應的紅外吸收頻率增加，此外棉纖維 νasCH2和 νsCH2對應的紅外吸收強度進一步降低。進一步開展了棉纖維的四階導數(shù)光譜研究(圖 2c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.2 1450 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 δOH-1 一維光譜

b 棉纖維 δOH-1 二階導數(shù)光譜

c 棉纖維 δOH-1 四階導數(shù)光譜

在 1450 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 3a)。其中 1427 cm-1(293 K)頻率處的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 -OH 變形振動模式(δOH-1)，但其受到棉纖維 CH變形振動模式(δCH)和 CH2變形振動模式(δCH2)協(xié)同作用的影響，并不能得到高質量的紅外光譜信息。而進一步研究了棉纖維的二階導數(shù)光譜(圖 3b)，其分辨能力有所提高，隨著測定溫度的升高，棉纖維δOH-1的紅外吸收頻率略有降低，而相應的紅外吸收強度降低。進一步研究了棉纖維δOH-1的四階導數(shù)光譜(圖 3c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.3 1350 cm-1～ 1300 cm-1頻率范圍內棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 δOH-2 一維光譜

b 棉纖維 δOH-2 二階導數(shù)光譜

c 棉纖維 δOH-2 四階導數(shù)光譜

在 1350 cm-1～ 1300 cm-1頻率范圍內展開了棉纖維的一維光譜的研究工作(圖 4a)，由于其于分辨能力較低，并不能得到有用的紅外光譜信息。而進一步研究了棉纖維的二階導數(shù)光譜(圖 5b)，其中 1336 cm-1頻率(293 K)附近的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 -OH 變形振動模式(δOH-2)，但同樣受到棉纖維δCH和δCH2協(xié)同作用的影響，隨著測定溫度的升高，棉纖維δOH-2紅外吸收頻率降低為1334cm-1頻率(393 K)，而對應的紅外吸收強度略有下降。進一步研究了棉纖維的四階導數(shù)光譜(圖 4c)，則得到了同樣的紅外光譜信息。

2.1.4 1100 cm-1～ 1000 cm-1頻率范圍內棉纖維紅外光譜的研究

a 棉纖維 νC-O 一維光譜

b 棉纖維 νC-O 二階導數(shù)光譜

c 棉纖維 νC-O 四階導數(shù)光譜

在 1110 cm-1～ 1000 cm-1頻率范圍內，展開了棉纖維的一維光譜(圖5a)的研究工作，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的紅外吸收峰；而進一步研究了棉纖維的二階導數(shù)光譜(圖5b)，其分辨能力有顯著的提高，其中在 1031 cm-1(293 K)和 1056 cm-1(293 K)頻率附近的發(fā)現(xiàn)的紅外吸收峰歸屬于棉纖維 C-O 伸縮振動模式(νC-O)，而隨著測定溫度的升高，棉纖維 νC-O的紅外吸收頻率和吸收強度降低。而進一步研究棉纖維的四階導數(shù)光譜(圖5c)，其分辨能力則進一步提高，其中在 1077 cm-1(293 K)、1059 cm-1(293 K)、1050 cm-1(293 K)和 1033 cm-1(293 K)頻率附近發(fā)現(xiàn)棉纖維 νC-O，而隨著測定溫度的升高，棉纖維 νC-O對應的紅外吸收頻率和紅外吸收強度則進一步降低。

2.2 棉纖維變溫四階導數(shù)光譜研究

由于棉纖維的四階導數(shù)光譜的分辨能力要優(yōu)于相應的一維及二階導數(shù)光譜，因此在 2950 cm-1～ 2830 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1和 1100 cm-1～ 1000 cm-1等四個頻率區(qū)間內，重點開展了棉纖維變溫四階導數(shù)光譜研究，來進一步探索研究溫度變化對于棉纖維分子微觀結構的影響，相關紅外光譜數(shù)據(jù)見表1：

表1 棉纖維四階導數(shù)光譜數(shù)據(jù)

注：↓ 代表隨著測定溫度的增加，棉纖維有機官能團對應的紅外吸收強度降低。

實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，棉纖維的主要特征紅外吸收官能團δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對應的紅外吸收頻率略有減少。這主要是因為隨著測定溫度的升高，棉纖維中的 α-纖維素中 1 位和 2 位上的 OH- 之間的氫鍵作用進一步增強，因此δOH-1，δOH-2和 νC-O相應的紅外吸收頻率略有降低(下頁圖 6)；而棉纖維 νasCH2和 νsCH2對應的紅外吸收頻率卻略有增加，這可能是因為隨著溫度的升高，棉纖維分子中 3 位 OH- 的誘導效應增加，而相應的 νasCH2和 νsCH2紅外吸收頻率略有增加。

圖6 棉纖維分子結構

室溫下，棉纖維的橫截面呈腰圓形，縱向呈扁平扭轉帶狀，且沿纖維長度方向不斷改變扭曲的方向[10-11]，而隨著測定溫度的升高，棉纖維的微觀物理結構有所改變，因此相應的 νasCH2、νsCH2、δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)對應的紅外吸收頻率有所改變。

3 結論

在 1100 cm-1～ 1000 cm-1、1350 cm-1～ 1300 cm-1、1450 cm-1～ 1400 cm-1和 2950 cm-1～ 2830 cm-1等四個頻率區(qū)間：棉纖維同時存在著：νasCH2、νsCH2、δOH(包括：δOH-1和δOH-2)和 νC-O(包括：νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4)等四種紅外吸收模式。進一步采用變溫紅外光譜技術研究溫度變化對于棉纖維結構的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，棉纖維δOH-1、δOH-2、νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4對應的紅外吸收頻率略有減少，而棉纖維 νasCH2和 νsCH2的紅外吸收頻率卻略有增加。本項研究則進一步證明在 293 K ～ 393 K的溫度范圍內，棉纖維微觀物理結構是有所改變。

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2017-05-18

石家莊市科學技術研究與發(fā)展計劃課題(171501232A)。

于宏偉(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：紡織材料紅外光譜的研究。

TS101.92+1.S2，O434.3

A

1008-5580(2017)04-0052-05