东北亚麻纤维变温红外光谱研究

张铄，周二鹏，甄欢，陈丽云，刘晓宛，申澳，王琪，于宏伟

( 石家庄学院化工学院，河北石家庄050035)

亚麻纤维(flax fibre)是一种稀有天然纤维。亚麻纤维具有天然、古朴、色彩自然和高贵特点。此外亚麻纤维具有许多优良的性能，例如：吸湿散热，保健抑菌，防污抗静电，并且阻燃效果极佳[1-3]。

亚麻纤维的广泛应用与其特殊结构有关，而通常采用透射电镜法研究其结构[4-5]，传统的红外光谱法由于制样繁琐，相关研究却少见报道。衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)技术可以方便地测量纤维样品[6-10]，而不需要对于纤维样品进行任何处理。东北地区是我国亚麻的主要产地，我们以东北亚麻纤维(以下简称亚麻纤维)为研究对象，采用 ATR-FTIR 技术结合变温附件，研究了亚麻纤维变温红外光谱(包括：变温一维红外光谱和变温二阶导数红外光谱)来进一步探索温度变化对于亚麻纤维微观结构的影响，为亚麻纤维的科学加工提供了有意义的科学借鉴。

1 实验

1.1 材料

亚麻纤维(产于黑龙江省齐齐哈尔市；黑龙江省齐齐哈尔大学轻纺学院王维老师友情提供)。

1.2 仪器

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

2 结果与讨论

2.1 亚麻纤维红外光谱研究

A 一维红外光谱

B 二阶导数红外光谱

303K的温度下，在4000cm-1～600cm-1频率范围内，开展了亚麻纤维的一维红外光谱研究(图1A)。实验发现[4]：3311cm-1(νOH-1)和3290cm-1(νOH-2)频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维OH伸缩振动模式(νOH)；2917cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)；2849cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)；1733cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维C=O伸缩振动模式(νC=O)；1637cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维中含有结晶水的红外吸收模式(νH2O)；1377cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维CH变形振动模式(δCH)；1318cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维OH面内变形振动模式(δOH)；1027cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维C-O伸缩振动模式(νC-O)。进一步开展了亚麻纤维的二阶导数红外光谱研究(图1B)。其中，2917cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)；2849cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)；1735cm-1频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维C=O伸缩振动模式(νC=O)；1378cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维CH变形振动模式(δCH)；1318cm-1频率处的红外吸收峰归属于亚麻纤维OH面内变形振动模式(δOH)；1075cm-1(νC-O-1)、1047cm-1(νC-O-2)、1028cm-1(νC-O-3)和1009cm-1(νC-O-4)频率处的红外吸收峰则归属于亚麻纤维C-O伸缩振动模式(νC-O)，研究发现，亚麻纤维中主要含有纤维素及少量的脂类和结晶水。

2.2 亚麻纤维变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在4000cm-1～600cm-1频率范围内，开展了亚麻纤维的变温红外光谱研究(图2)。实验发现：亚麻纤维的红外吸收频率主要集中在3400cm-1～2800cm-1、1750cm-1～1600cm-1、1400cm-1～1300cm-1和1100cm-1～1000cm-1等四个区间，因此本文重点在这四个频率区间开展亚麻纤维变温红外光谱的研究。

2.2.1 3400cm-1～2800cm-1频率范围内亚麻纤维的变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在3400cm-1～2800cm-1频率范围内，首先开展了亚麻纤维的变温一维红外光谱的研究(图3A)。研究发现：而随着测试温度的升高，亚麻纤维νOH，νasCH2和νsCH2对应的红外吸收频率出现了明显的蓝移现象，相应的红外吸收强度进一步增加。这主要是因为亚麻纤维中含有大量的纤维素，纤维素中含有羟基，而羟基之间存在着较强的分子间氢键作用。随着测定温度的升高，会进一步破坏羟基之间分子间氢键作用，因此νOH对应的红外吸收频率出现了明显的蓝移现象，进一步开展了亚麻纤维的变温二阶导数红外光谱的研究(图3B)，亚麻纤维νasCH2和νsCH2对应的红外吸收频率出现了明显的蓝移现象，则进一步证明上述解释的正确性，而相关红外光谱数据见下页表1。

2.2.2 1750cm-1～1600cm-1频率范围内亚麻纤维变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1750cm-1～1600cm-1频率范围内展开了亚麻纤维的变温一维红外光谱的研究工作(图4A)。实验发现：随着测定温度的升高，亚麻纤维νC=O对应的红外吸收频率基本不变，而νH2O对应的红外吸收频率降低，而随着测定温度的升高，亚麻纤维νC=O和νH2O对应的红外吸收强度增加。这是因为亚麻纤维中含有少量的脂类及结晶水，测定温度的升高，亚麻纤维中脂类结构比较稳定，而亚麻纤维中结晶水的存在方式则有一定的改变。进一步研究了亚麻纤维的变温二阶导数红外光谱(图4B)，实验发现：随着测定温度的升高，亚麻纤维νC=O对应的红外吸收频率基本不变，而相应的红外吸收强度略有增加，相关红外光谱数据见下页表1。

2.2.3 1400cm-1～1300cm-1频率范围内亚麻纤维变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1400cm-1～1300cm-1频率范围内展开了亚麻纤维的变温一维红外光谱研究(图5A)。研究发现，随着测定温度的升高，亚麻纤维的δCH对应的红外吸收频率没有变化，δOH对应的红外吸收频发生明显的红移现象。亚麻纤维δCH和δOH对应的红外吸收强度增加。进一步研究了亚麻纤维的变温二阶导数红外光谱研究(图5B)，随着测定温度的升高，亚麻纤维δCH的对于红外吸收频率出现了蓝移现象，而δOH对应的红外吸收频发生明显的红移现象，相关红外光谱数据见表1。

2.2.4 1100cm-1～1000cm-1频率范围内亚麻纤维变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1100cm-1～1000cm-1频率范围内，展开了亚麻纤维的变温一维红外光谱研究(图6A)。实验发现，随着测定温度的升高，亚麻纤维νC-O对应的红外吸收频率发生了明显的红移现象，而对应的红外吸收强度进一步降低。进一步研究了亚麻纤维的变温二阶导数红外光谱研究(图6B)，其分辨能力有了显著的提高，亚麻纤维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均出现了红移现象，而相应的红外吸收强度也有很大的变化，相关红外光谱数据见表1。

表1 亚麻变温红外光谱数据(303K～393K)

注：Δν=ν393K-ν303K

↑代表随着测定温度的增加，亚麻纤维中有机官能团对应的红外吸收强度增加。

↓代表随着测定温度的增加，亚麻纤维中有机官能团对应的红外吸收强度降低。

→代表随着测定温度的增加，亚麻纤维中有机官能团对应的红外吸收强度基本保持不变。

-代表没有观察到明显的红外吸收峰。

由表1数据可知：在4000cm-1～600cm-1频率范围内，随着测定温度的升高，亚麻纤维νOH、νasCH2、νsCH2对应的红外吸收频率出现了明显的蓝移现象；νH2O、δOH和νC-O对应的红外吸收频率出现了红移现象，而νC=O和δCH对应的红外吸收频率基本保持不变。这是因为亚麻纤维中主要含有纤维素及少量脂类物质和结晶水，随着测定温度的升高，会进一步破坏亚麻纤维的微观结构。

3 结论

在4000cm-1～600cm-1频率范围内，开展了亚麻纤维的红外光谱研究。实验发现：亚麻纤维主要包括：νOH、νasCH2、νsCH2、νC=O、νH2O、δCH、δOH和νC-O等八种红外吸收模式。采用变温红外光谱技术进一步开展了亚麻纤维的热稳定研究，实验发现，在303K～393K的测定温度范围内，亚麻纤维的热稳定较差，并进一步研究了其热变机理。本文拓展了变温ATR-FTIR技术在亚麻纤维热稳定性的研究范围，为亚麻纤维科学加工与应用研究提供了重要理论支持。