木棉纤维的基本结构和性能
第26卷第4期2005年8月纺 织 学 报JournalofTextileResearchVol.26,No.4Aug.,2005
木棉纤维的基本结构和性能
肖红
1,2
,于伟东,施楣梧
12
(11东华大学纺织学院,上海 200051;2.总后军需装备研究所,北京 100088)
摘 要 通过实验表征了国产木棉纤维的基本结构和性能。木棉纤维壁薄,具有高达97%的中空率,壁厚不均匀,
3
纵向表面有微小凸痕。纤维头端逐渐变细,尾端较粗,呈自然紧闭状态。所测木棉单纤维密度达0130gΠcm,主要
由纤维素和木质素组成,结晶度为3519%,双折射率为01017,其胞壁结构较棉纤维疏松。木棉纤维具有优异的耐热性能,分解温度为296℃,在354℃时木棉纤维基本停止分解,发生炭化。关键词 木棉纤维;结构;性能
中图分类号:TS102.212 文献标识码:A 文章编号:025329721(2005)0420004203
StructuresandXIAOH1,2
,wu
12
(1.CollegeofTextile,,China;2.TheEquipmentResearchInstituteofthe
oftheCPLA,Beijing 100088,China)
Abstract Theandperformancesofthenativekapokfiberswerestudied.Thekapokfiberhasthinwallandhugelumen,thehollowratiocanreach97%.Oneendofthefibertaperstoonepointandisclosed,andtheotherendisbulbousshapeandmaybeclosedtightly.Thebulkdensityofthefiberis0130gΠcm.Thekapokfibermainlyconsistsofcelluloseandlignin,thecrystallizationdegreeis35190%andthespecificbirefringenceis01017.Thestructureofthecellwallislooserthanthatofcotton.Thefiberisgoodheat2resistant,whichdecomposingtemperatureis296℃.Thefiberstopsdecomposingandhappenscarbonizingat354℃.
Keywords kapokfiber;structure;performance
3
木棉纤维是一种单细胞果实纤维,附着于木棉
[1]
蒴果壳体内壁,广泛产于亚热带地区。木棉纤维具有独特的薄壁大中空结构和质轻拒水吸油的优良
[2,3][4]
特性。由于可纺性差,木棉纤维常用作絮填料
[5]
或作为和其它纤维素纤维的混纺原料。本文对国产木棉纤维的基本结构和相关性能作了表征。
间100s,获得结晶结构。取向采用萨那蒙补偿法测得。孔隙分布及比表面积采用压汞仪测得。纤维热性能通过热重仪(TG)和差示扫描量热仪(DSC)获取,其中TG为美国TA2050型,N2升温速率10℃Πmin,流量60mLΠmin;DSC为美国产PerkinElmerDSC,升温速率20℃Πmin,N2流量20mLΠmin。
1 实验部分
1.1 样 品
2 结果与分析
2.1 形态结构
木棉纤维,攀枝花产;普通棉纤维。
1.2 仪器及方法
化学结构采用Nexus670傅里叶红外2拉曼光谱仪测得。制取粉末试样,KBr压片,波数7400~
-1
350cm。形态结构采用JSM25600LV扫描电镜和光学显微镜(OM)获取,其中纤维截面是通过液氮冷冻断裂制断裂端试样观察获得。采用德国产D8DiscoverGADDSX射线衍射仪,将纤维沿纵向平行排列,Cr靶,Ni滤波,管压25kV,管流30mA,积分时
图1为木棉纤维的横截面和纵向形态的照片。由图1(a)可知自然状态下木棉纤维的横截面结构,胞壁在0174μm左右,但波动在0163~1125μm之间,中腔直径达15μm,中空度高达97%。因此木棉是迄今为止中空度最高的中空纤维,化学纤维目前
[6]
的中空度也只能达40%。图1(b)为放大的横截面胞壁,胞壁断面上有呈层状排列、大小不一的孔洞,最大尺度为300~400nm。这种孔洞在采用切片方法制样并不存在,所以孔洞是由于胞壁存在着纤
作者简介:肖红(1976-),女,在读博士。主要从事纺织材料结构与性能的研究。
2005年 第4期纺织学报【5 】
维素大分子相对紧密排列的微纤和相对疏松的无定形区,断裂时由原纤抽拔形成。从图1(c)可知,纤维纵向表面有微小凸痕,但不均匀,也没有似棉纤维一样的转曲。由此可知,木棉纤维不存在类似于棉纤维次生胞壁纤维素淀积过程
。木质素分子结构的芳香环骨架基团振动,此外,
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1738.33cm处的非共轭羰基振动也说明了木质素的存在。2.3 聚集态结构
图4为木棉和棉纤维的X衍射图。从X衍射得到木棉和棉纤维在24167°和34156°左右分别出现结晶峰,对应的面间距d分别为015362、0.3854nm。因此木棉纤维和棉纤维的晶胞具有相同形状和大小,同属于纤维素Ⅰ晶型。通过分峰计算法得到木棉纤维的结晶度约为3519%,远远低于棉纤维的54177%,比麻和竹纤维的更低
采用萨那蒙补偿测得维的0,[8]
图1 木棉纤维截面和纵向形态
。
图2为木棉纤维头尾端照片。图2(a)显示,木
棉纤维的头端逐渐变细;图2(b)显示了同一根木棉纤维的呈球状的尾端,为在果荚上的附着端;图2(c)则为图2(b)附着端的放大电镜照片,可见其附着端并不是完整密封的,如箭头所示,可能是中腔的露出端,,[2]
传统的叙述不同脱落,,所以其附着端总是紧闭的。这导致外部物质难以通过未破坏的木棉纤维的两端进入到其中腔内
。
的双折射率在01040~01051的
[9]
范围内。但实验过程中,观
图4 木棉纤维和棉纤维的X衍射图
察到纤维的直径较不均匀,因此该值只用作相对比
较。显然,木棉纤维沿纤维轴向和径向的各向异性程度小于棉纤维,其微细结构原纤取向排列程度低于棉纤维。2.4 纤维密度由于木棉纤维比水轻,采用比重瓶法测量,所用已知密度的液体介质为无水乙醇。测试3次,得到
3
平均密度为0130gΠcm。与棉纤维相比(密度
3
1154gΠcm),木棉纤维的密度约为棉的1Π5。2.5 孔隙分布及比表面积图5为木棉纤维和棉纤维在升压和降压过程中的累计比表面积和孔隙直径(nm)的以10为底的对数关系图。可以看出,尺度在4~10nm的孔隙是比表面积增加的主要贡献者。如此小尺度的孔隙应存在纤维内部结构中,可反映纤维结构的致密程度
。
图2 木棉纤维头尾端形态
2.2 化学结构
图3为国产木棉和棉纤维的红外谱图。其中官
-1
能团区3352191cm处的O—H伸缩振动、指纹区
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1107149cm处的C—O—H非对称伸缩振动和678182cm处的C—H面外弯曲振动是纤维素分子
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链的特征基团振动。由图3看出,木棉纤维和棉纤维一样,在以上波数附近均出现了吸收峰,表明2种纤维中纤维素的存在。文献[7]表明,木质素特征基
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团红外光谱吸收峰主要在1500~1750cm的范围内。由图3可知,棉纤维在1500~1750cm的范围内,除了在
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1636199cm处出现了水的吸收峰外,没有出现其它吸收峰;而木棉纤维
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1595.82cm处的吸收峰为
图3 木棉纤维和棉纤维的红外谱图
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图5 木棉和棉纤维的孔径分布和累积比表面积图
【6 】纺织学报2005年 第4期
实验结果表明,木棉纤维的平均孔尺度为12418nm,棉纤维为2712nm,尽管木棉纤维间的孔隙大于棉纤维间的孔隙,但木棉纤维的比表面积为
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836158mΠg,棉纤维的比表面积为1289.45mΠg,这表明纤维间的孔隙对比表面积贡献很小,导致了棉纤维的比表面积高于木棉纤维,但其10nm以下孔隙数量却多于木棉纤维,且木棉纤维的孔隙率为102133%,棉纤维的孔隙率为101131%,说明了木棉纤维结构较棉纤维疏松。2.6 热性能
如图6所示,TG图给出了木棉和棉纤维在N
2
氛围下随温度
变化的质量损失率曲线。木棉纤维在296解,75℃附近有一个小小的吸热峰,这可能是由于纤维
内结晶水的熔融引起的。文献[11]表明,木棉纤维的
回潮率为10100%,高于棉纤维。由于木棉纤维在75℃附近的熔融峰面积大于棉纤维,所以木棉纤维内部水分含量高于棉纤维,这与前面的结论是一致的。从75℃到240℃,2种纤维没有发生任何结晶或熔融,到240℃后,木棉纤维开始在热的作用下发生变化,不停的吸收热量,而棉纤维在256℃后出现同样的趋势。
3 结 论
97%的中空率,
01,壁厚不均,,尾端较粗,呈自然紧闭状进入到其中腔内。
木棉纤维主要由纤维素和木质素组成,其结晶度为3519%,双折射率为01017,均低于棉纤维,且结构较棉纤维疏松。同等条件下纤维胞壁孔隙尺寸较棉纤维大,孔隙率较棉纤维高。
木质素的存在提高了木棉纤维的耐热性能,使得其开始分解温度为296℃,和棉纤维相当,但在354℃时木棉纤维基本停止分解,而棉纤维的分解则继续进行。木棉纤维内部水分含量高于棉纤维,导致了其回潮率高于棉纤维。参考文献:
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[3] 李秉让.木棉・大百科全书纺织卷[M].北京:大百科全书出版
分解,质量损失
速率接近零,直到600℃没有变图6 木棉纤维和棉纤维的TG图
化;而质量损失
率略有微小变化。棉纤维在306℃开始分解,到355℃分解速度减缓,但直到600℃质量一直在减
少,这和木棉纤维存在显著差异。100℃时木棉纤维质量损失掉6116%,相当于木棉纤维中水分及其它微小杂质含量,而棉纤维100℃时质量损失掉4128%,显然木棉纤维的水分含量高于棉纤维,木棉纤维到354℃时的质量损失达78131%,这主要是由于纤维素发生热解,这和棉纤维到355℃时质量损失达74198%基本一致。
文献[10]表明,木质素在350℃左右开始发生热解反应,直到450℃左右才终止,其热解产物主要转变为焦炭。从图6可以得到,木棉纤维到600℃时余下15153%的焦炭状黑色残渣,与木棉纤维中木质素含量在13%左右基本对应。而棉纤维在355℃后持续发生分解。
图7给出了木棉纤维和棉纤维的DSC曲线。
图7 木棉纤维和棉纤维的DSC图
2种纤维在
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