棉纤维变温红外光谱研究

刘子玮，李 园，刘 闪，门文欣，李献朋，宗再兴，赵婷婷，于宏伟

(石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

棉纤维变温红外光谱研究

刘子玮，李 园，刘 闪，门文欣，李献朋，宗再兴，赵婷婷，于宏伟

(石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

采用变温傅里叶变换衰减全反射红外光谱技术(ATR-FTIR)，分别研究了棉纤维的红外光谱。实验发现在 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等四个频率区间内，棉纤维同时存在着 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)、CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)、OH 变形振动模式(δOH)和 C-O 伸缩振动模式(νC-O)等四种红外吸收模式。

实验结果：随着测定温度的升高，棉纤维νasCH2和νsCH2对应的红外吸收频率增加，而棉纤维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)对应的红外吸收频率减少。本项研究开拓了变温 ATR-FTIR 技术在棉纤维结构分析方面的研究范围。

棉纤维 红外光谱 结构

棉纤维广泛应用纺织行业领域中[1-2]。棉纤维通常采用透射电镜法研究其结构[3-6]，而传统的红外光谱法由于制样繁琐，相关研究少见报道。衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)则不需要对于样品进行任何处理。因此本研究采用 ATR-FTIR术结合变温附件，研究了棉纤维变温红外光谱(包括一维、二阶及四阶导数光谱)，进一步探索研究温度变化对于棉纤维微观结构的影响。

1 实验

1.1 材料

棉纤维(石抗 126 号)，石家庄学院药物制剂2013级本科陈月弯同学友情提供)。

1.2 仪器

红外光谱仪(Spectrum 100)； ATR-FTIR 变温附件(Golden Gate)；ATR-FTIR 变温控件(WEST 6100+)。

1.3 实验方法

实验方法参考文献[7]。

2 结果与讨论

a 棉纤维一维光谱

c 棉纤维四阶导数光谱

在 4000 cm-1～ 600 cm-1频率范围内，开展了棉纤维的红外光谱研究。根据文献报道[7-9]，棉纤维的特征红外吸收频率主要集中在 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等四个频率区间，因此本文重点在这四个频率区间开展棉纤维变温红外光谱的研究。

2.1 棉纤维红外光谱研究

2.1.1 2950 cm-1～ 2830 cm-1频率范围内棉纤维红外光谱研究

a 棉纤维 νCH2 一维光谱

b 棉纤维 νCH2 二阶导数光谱

c 棉纤维 νCH2 四阶导数光谱

在 2950 cm-1～ 2830 cm-1频率范围内首先展开了棉纤维的一维光谱的研究工作(图 2a)，由于其分辨能力不高，并不能得到有效的光谱信息。而棉纤维的二阶导数光谱的分辨能力则有了明显的提高(图 2b)，其中 2918 cm-1频率处(293 K)的红外吸收峰归属于棉纤维 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)，而 2850 cm-1(293 K)频率处的红外吸收峰则归属于棉纤维 CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)，而随着测定温度的升高，棉纤维 νasCH2和 νsCH2对应的红外吸收频率增加，此外棉纤维 νasCH2和 νsCH2对应的红外吸收强度进一步降低。进一步开展了棉纤维的四阶导数光谱研究(图 2c)，则得到了同样的红外光谱信息。

2.1.2 1450 cm-1～ 1400 cm-1频率范围内棉纤维红外光谱的研究

a 棉纤维 δOH-1 一维光谱

b 棉纤维 δOH-1 二阶导数光谱

c 棉纤维 δOH-1 四阶导数光谱

在 1450 cm-1～ 1400 cm-1频率范围内展开了棉纤维的一维光谱的研究工作(图 3a)。其中 1427 cm-1(293 K)频率处的红外吸收峰归属于棉纤维 -OH 变形振动模式(δOH-1)，但其受到棉纤维 CH变形振动模式(δCH)和 CH2变形振动模式(δCH2)协同作用的影响，并不能得到高质量的红外光谱信息。而进一步研究了棉纤维的二阶导数光谱(图 3b)，其分辨能力有所提高，随着测定温度的升高，棉纤维δOH-1的红外吸收频率略有降低，而相应的红外吸收强度降低。进一步研究了棉纤维δOH-1的四阶导数光谱(图 3c)，则得到了同样的红外光谱信息。

2.1.3 1350 cm-1～ 1300 cm-1频率范围内棉纤维红外光谱的研究

a 棉纤维 δOH-2 一维光谱

b 棉纤维 δOH-2 二阶导数光谱

c 棉纤维 δOH-2 四阶导数光谱

在 1350 cm-1～ 1300 cm-1频率范围内展开了棉纤维的一维光谱的研究工作(图 4a)，由于其于分辨能力较低，并不能得到有用的红外光谱信息。而进一步研究了棉纤维的二阶导数光谱(图 5b)，其中 1336 cm-1频率(293 K)附近的红外吸收峰归属于棉纤维 -OH 变形振动模式(δOH-2)，但同样受到棉纤维δCH和δCH2协同作用的影响，随着测定温度的升高，棉纤维δOH-2红外吸收频率降低为1334cm-1频率(393 K)，而对应的红外吸收强度略有下降。进一步研究了棉纤维的四阶导数光谱(图 4c)，则得到了同样的红外光谱信息。

2.1.4 1100 cm-1～ 1000 cm-1频率范围内棉纤维红外光谱的研究

a 棉纤维 νC-O 一维光谱

b 棉纤维 νC-O 二阶导数光谱

c 棉纤维 νC-O 四阶导数光谱

在 1110 cm-1～ 1000 cm-1频率范围内，展开了棉纤维的一维光谱(图5a)的研究工作，并没有发现明显的红外吸收峰；而进一步研究了棉纤维的二阶导数光谱(图5b)，其分辨能力有显著的提高，其中在 1031 cm-1(293 K)和 1056 cm-1(293 K)频率附近的发现的红外吸收峰归属于棉纤维 C-O 伸缩振动模式(νC-O)，而随着测定温度的升高，棉纤维 νC-O的红外吸收频率和吸收强度降低。而进一步研究棉纤维的四阶导数光谱(图5c)，其分辨能力则进一步提高，其中在 1077 cm-1(293 K)、1059 cm-1(293 K)、1050 cm-1(293 K)和 1033 cm-1(293 K)频率附近发现棉纤维 νC-O，而随着测定温度的升高，棉纤维 νC-O对应的红外吸收频率和红外吸收强度则进一步降低。

2.2 棉纤维变温四阶导数光谱研究

由于棉纤维的四阶导数光谱的分辨能力要优于相应的一维及二阶导数光谱，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等四个频率区间内，重点开展了棉纤维变温四阶导数光谱研究，来进一步探索研究温度变化对于棉纤维分子微观结构的影响，相关红外光谱数据见表1：

表1 棉纤维四阶导数光谱数据

注：↓ 代表随着测定温度的增加，棉纤维有机官能团对应的红外吸收强度降低。

实验发现：随着测定温度的升高，棉纤维的主要特征红外吸收官能团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)对应的红外吸收频率略有减少。这主要是因为随着测定温度的升高，棉纤维中的 α-纤维素中 1 位和 2 位上的 OH- 之间的氢键作用进一步增强，因此δOH-1，δOH-2和 νC-O相应的红外吸收频率略有降低(下页图 6)；而棉纤维 νasCH2和 νsCH2对应的红外吸收频率却略有增加，这可能是因为随着温度的升高，棉纤维分子中 3 位 OH- 的诱导效应增加，而相应的 νasCH2和 νsCH2红外吸收频率略有增加。

图6 棉纤维分子结构

室温下，棉纤维的横截面呈腰圆形，纵向呈扁平扭转带状，且沿纤维长度方向不断改变扭曲的方向[10-11]，而随着测定温度的升高，棉纤维的微观物理结构有所改变，因此相应的 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)对应的红外吸收频率有所改变。

3 结论

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等四个频率区间：棉纤维同时存在着：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)等四种红外吸收模式。进一步采用变温红外光谱技术研究温度变化对于棉纤维结构的影响。实验发现：随着测定温度的升高，棉纤维δOH-1、δOH-2、νC-O-1、νC-O-2、νC-O-3和 νC-O-4对应的红外吸收频率略有减少，而棉纤维 νasCH2和 νsCH2的红外吸收频率却略有增加。本项研究则进一步证明在 293 K ～ 393 K的温度范围内，棉纤维微观物理结构是有所改变。

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2017-05-18

石家庄市科学技术研究与发展计划课题(171501232A)。

于宏伟(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：纺织材料红外光谱的研究。

TS101.92+1.S2，O434.3

A

1008-5580(2017)04-0052-05