山羊绒及绵羊毛变温红外光谱研究

甄 欢，周二鹏，王小萌，陈丽云，申 澳，张文燕，张 铄，于宏伟

(石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035)

山羊绒是生长在山羊外表皮层，掩在山羊粗毛根部的一层薄薄的细绒。山羊绒是一根根细而弯曲的纤维，其中含有很多的空气，并形成空气层，可以防御外来冷空气的侵袭[1]。绵羊毛出自绵羊身上，它具有弹性好、吸湿性强、保暖性好等优点[2]。山羊绒及绵羊毛作为重要的毛纺织原料，其热稳定是纺织工作者非常关心。变温红外光谱技术(包括：变温一维红外光谱和变温二阶导数红外光谱)广泛应用于纤维的热稳定性研究[3-4]。因此，我们采用变温红外光谱技术同时开展了山羊绒和绵羊毛的热稳定性研究，为山羊绒及绵羊毛的纺织加工提供重要的科学技术参考。

1 实验

1.1 材料

山羊绒，绵羊毛(邢台市伊格尔山羊绒制品有限公司友情提供)

1.2 仪器

傅里叶中红外光谱仪(Spectrum100型号)美国PE公司；单次内反射ATR-FTIR附件(GoldenGate型号，加热范围293K～393K)英国Specac公司。

1.3 方法

红外光谱实验以空气为背景，每次对于信号进行8次扫描累加，测定频率范围4000cm-1～600cm-1；测温范围293K～393K(变温步长10K)。

2 结果与讨论

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

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，同时开展了山羊绒(图1)及绵羊毛(图2)的变温红外光谱的研究。研究发现：山羊绒及绵羊毛主要官能团的特征红外吸收频率集中在3000cm-1～2800cm-1，1700cm-1～1500cm-1，1300cm-1～1200cm-1和1100cm-1～1000cm-1等四个频率区间，因此本文主要在这四个频率区间内开展了山羊绒和绵羊毛的变温红外光谱研究。

2.1 3000cm-1～2800cm-1频率范围内山羊绒及绵羊毛的变温红外光谱研究

2.1.1 3000cm-1～2800cm-1频率范围内山羊绒变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在3000cm-1～2800cm-1频率范围内，首先开展了山羊绒的变温一维红外光谱研究(图3A)，由于分辨能力不高，并不能得到有效的红外光谱信息。而进一步研究了山羊绒的变温二阶导数红外光谱(图3B)，其分辨能力有了显著的提高，其中2963cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于CH3不对称伸缩振动模式(νasCH3-cashmere)，2919cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-cashmere)，2876cm-1(293K)频率处的红外吸收峰则归属于CH3对称伸缩振动模式(νsCH3-cashmere)，而2851cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于CH2对称伸缩振动模式(νsCH2-cashmere)。随着测定温度的升高，山羊绒νsCH3-cashmere对应的红外吸收频率蓝移至2877cm-1(393K)频率，而山羊绒νsCH2-cashmere对应的红外吸收频率蓝移至2855cm-1(393K)频率，山羊绒νasCH3-cashmere和νasCH2-cashmere对应的红外吸收频率则没有明显的变化。随着测定温度的升高，山羊绒νasCH3-cashmere和νsCH3-cashmere对应的红外吸收强度增加，山羊绒νasCH2-cashmere对应的红外吸收强度降低，而山羊绒νsCH2-cashmere对应的红外吸收强度基本保持不变，相关红外光谱数据见108页表1。

2.1.2 3000cm-1～2800cm-1频率范围内绵羊毛变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在3000cm-1～2800cm-1频率范围内，首先开展了绵羊毛的变温一维红外光谱研究(图4A)。根据文献报道[5-8]其中2960cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νasCH3-wool，2931cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νasCH2-wool。随着测定温度的升高，绵羊毛νasCH3-wool和νasCH2-wool对应的吸收频率没有明显的变化，但红外吸收强度略有增加。进一步开展了绵羊毛的变温二阶导数红外光谱研究，其分辨能力有了显著的提高(图4B)，其中2961cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νasCH3-wool，2921cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νasCH2-wool，而2875cm-1(293K)频率处的红外吸收峰则归属于νsCH3-wool，2852cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νsCH2-wool。随着测定温度的升高，绵羊毛νasCH2-wool对应的红外吸收频率蓝移至2925cm-1(393K)，绵羊毛νsCH2-wool对应的红外吸收频率蓝移至2854cm-1(393K)，绵羊毛νsCH3-wool对应的红外吸收频率蓝移至2876cm-1(393K)，而绵羊毛νasCH3-wool对应的红外吸收频率基本不变。随着测定温度的升高，绵羊毛νasCH3-wool，νasCH2-wool和νsCH3-wool对应的红外吸收强度增加，而绵羊毛νsCH2-wool对应的红外吸收强度减少，相关红外光谱数据见108页表1。

2.2 1700cm-1～1500cm-1频率范围内山羊绒及绵羊毛的变温红外光谱研究

2.2.1 1700cm-1～1500cm-1频率范围内山羊绒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1700cm-1～1500cm-1频率范围内，研究了山羊绒的变温一维红外光谱(图5A)。其中1633cm-1频率处(293K)的红外吸收峰归属于酰胺Ⅰ带的红外吸收模式(νamide-Ⅰ-cashmere)，而1516cm-1频率处的红外吸收峰归属于酰胺Ⅱ带的红外吸收模式(νamide-Ⅱ-cashmere)；随着测定温度的升高，山羊绒νamide-Ⅰ-cashmere对应的红外吸收频率蓝移至1634cm-1频率处(393K)，而νamide-Ⅱ-cashmere对应的红外吸收频率红移至1514cm-1频率处(393K)。随着测定温度的升高，山羊绒νamide-Ⅰ-cashmere和νamide-Ⅱ-cashmere对应的红外吸收强度增加。进一步研究了山羊绒的变温二阶导数红外光谱(图5B)，其分辨能力有了显著的提高。研究发现，原νamide-Ⅰ-cashmer对应的红外吸收峰，裂分为两个红外吸收峰，其对应的的红外吸收频率(293K)包括：1650cm-1(νamide-Ⅰ-cashmere-1)和1643cm-1(νamide-Ⅰ-cashmere-2)；而1513cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅱ-cashmere；随着测定温度的升高，山羊绒νamide-Ⅰ-cashmere-1、νamide-Ⅰ-cashmere-2和νamide-Ⅱ-cashmere对应的红外吸收频率没有变化，但对应的红外吸收强度均有所增加，相关红外光谱数据见108页表1。

2.2.2 1700cm-1～1500cm-1频率范围内绵羊毛变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1700cm-1～1500cm-1频率范围内首先开展了绵羊毛的变温一维光谱的研究(图6A)。其中；1631cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅰ-wool；1516cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅱ-wool。随着测定温度的升高，绵羊毛νamide-Ⅰ-wool对应的红外吸收频率蓝移至1635cm-1(393K)，而νamide-Ⅱ-wool对应的吸收频率红移至1513cm-1(393K)，而相应的红外吸收强度均有所增加。进一步开展了绵羊毛的变温二阶导数红外光谱(图6B)，其分辨能力有了显著的提高，其中νamide-Ⅰ-wool(293K)的红外吸收频率包括：1650cm-1(νamide-Ⅰ-wool-1)、1643cm-1(νamide-Ⅰ-wool-2)；而1512cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅱ-wool；随着测定温度的升高，绵羊毛νamide-Ⅰ-wool-2对应的吸收频率蓝移至1644cm-1(393K)，而绵羊毛νamide-Ⅰ-wool-1和νamide-Ⅱ-wool对应的红外吸收频率没有变化。随着测定温度的升高，绵羊毛νamide-Ⅰ-wool-1、νamide-Ⅰ-wool-2和νamide-Ⅱ-wool对应的红外吸收强度增加，相关红外光谱数据见下页表1。

2.3 1300cm-1～1200cm-1频率范围内山羊绒及绵羊毛的变温红外光谱研究

2.3.1 1300cm-1～1200cm-1频率范围内山羊绒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1300cm-1～1200cm-1频率范围内，研究了山羊绒的变温一维红外光谱(图7A)。其中1245cm-1频率处(293K)的红外吸收峰归属于酰胺Ⅲ带的红外吸收模式(νamide-Ⅲ-cashmere)，而随着测定温度的升高，山羊绒νamide-Ⅲ-cashmere对应的红外吸收频率不变，但对应的红外吸收强度增加。进一步研究了山羊绒的变温二阶导数红外光谱(图7B)，其分辨能力有一定的提高，其中1246cm-1频率处(293K)的红外吸收峰归属于酰胺Ⅲ带的红外吸收模式(νamide-Ⅲ-cashmere)，而随着测定温度的升高，山羊绒νamide-Ⅲ-cashmere对应的红外吸收频率不变，但对应的红外吸收强度增加，相关红外光谱数据见下页表1。

2.3.2 1300cm-1～1200cm-1频率范围内绵羊毛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1300cm-1～1200cm-1频率范围内首先开展了绵羊毛的变温一维光谱的研究(图8A)。其中1238cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅲ-wool；随着测定温度的升高，绵羊毛amide-Ⅲ-wool对应的吸收频率出现了红移现象，而相应的红外吸收强度有所增加。进一步开展了绵羊毛的二阶导数红外光谱(图8B)，其分辨能力有了显著的提高，1237cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νamide-Ⅲ-wool，随着测定温度的升高，绵羊毛νamide-Ⅲ-wool的红外吸收频率对应的吸收频率红移至1228cm-1(393K)，而对应的红外吸收强度并没有明显变化，相关红外光谱数据见表1。

2.4 1100cm-1～1000cm-1频率范围内山羊绒及绵羊毛的变温红外光谱研究

2.4.1 1100cm-1～1000cm-1频率范围内山羊绒变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1110cm-1～1000cm-1频率范围内，首先开展了山羊绒的红外一维光谱，没有发现明显的红外吸收峰(图9A)。而进一步研究了山羊绒的变温红外二阶导数光谱(图9B)，其分辨能力有显著的提高，其中1022cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于S=O伸缩振动模式(νS=O-cashmere)。随着测定温度的升高，山羊绒νS=O-cashmere对应的红外吸收频率保持不变，且相应的红外吸收强度增加，相关红外光谱数据见表1。

2.4.2 1100cm-1～1000cm-1频率范围内绵羊毛变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在1110cm-1～1000cm-1频率范围内，首先开展了绵羊毛的变温一维红外光谱的研究(图8A)，同样没有发现明显的红外吸收峰。进一步研究了绵羊毛的变温二阶导数红外光谱(图8B)，其中1023cm-1(293K)频率处的红外吸收峰归属于νS=O-wool。而随着测定温度的升高，绵羊毛νS=O-wool对应的红外吸收频率不变，而对应的红外吸收强度略有增加，相关红外光谱数据见表1。

2.5 山羊绒和绵羊毛变温二阶导数红外光谱研究

由于二阶导数红外光谱的分辨能力高于一维红外光谱，因此在3000cm-1～2800cm-1，1700cm-1～1500cm-1，1300cm-1～1200cm-1和1100cm-1～1000cm-1等四个频率范围内，同时开展了山羊绒及绵羊毛的变温二阶导数红外光谱研究，进一步研究温度变化对于山羊绒及绵羊毛结构的影响，相关数据见表1。

表1 山羊绒及绵羊毛变温二阶导数红外光谱(4000cm-1～600cm-1)

官能团山羊绒二阶导数红外光谱吸收频率293K,cm-1(393K,cm-1)绵羊毛二阶导数红外光谱吸收频率293K,cm-1(393K,cm-1)νasCH32963;(2963↑)2961;(2861↑)νasCH22919;(2919↓)2921;(2925↑)νsCH32876;(2877↑)2875;(2876↑)νsCH22851;(2855→)2852;(2854↓)νamide-Ⅰ-11650;(1650↑)1650;(1650↑)νamide-Ⅰ-21643;(1643↑)1643;(1644↑)νamide-Ⅱ1513;(1513↑)1512;(1512↑)νamide-Ⅲ1246;(1246↑)1237;(1228→)νS=O1022;(1022↑)1023;(1023↑)

注：↓代表随着测定温度的增加，山羊绒或绵羊毛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，山羊绒或绵羊毛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，山羊绒或绵羊毛有机官能团对应的红外吸收强度基本保持不变。

通过进一步研究表1数据可知，在293K～393K测试的温度范围内，绵羊毛对于温度变化更为敏感，随着测定温度的升高，绵羊毛νamide-Ⅲ-wool对应的红外吸收频率出现了明显的红移现象，偏移了9个波数。尽管山羊绒和绵羊毛的化学组成基本相同，其主要化学成分均为α—角蛋白，但绵羊毛及山羊绒的表面结构还是有一定的差异。绵羊毛的鳞片排列比山羊绒紧密且厚，其缩绒性比山羊绒大。山羊绒纤维外表鳞片小而光滑，纤维中间有一空气层[9-10]。绵羊毛的热稳定性较差和其表面特殊的鳞片层有很大的关系，可能是因为绵羊毛鳞片表层所含的类脂层对温度变化比较敏感，随着测定温度的升高，会进一步被氧化因而结构被破坏，所以相应的官能团红外吸收频率(νamide-Ⅲ-wool)发生明显的改变。

3 结论

在3000cm-1～2800cm-1，1700cm-1～1500cm-1，1300cm-1～1200cm-1和1100cm-1～1000cm-1等四个频率区间内，在293K～393K测试的温度范围内，同时开展了山羊绒和绵羊毛的变温红外光谱研究。实验发现：山羊绒和绵羊毛同时存在着：νasCH3、νasCH2、νsCH3、νsCH2、νamide-Ⅰ(包括：νamide-Ⅰ-1和νamide-Ⅰ-2)、νamide-Ⅱ、νamide-Ⅲ和νS=O等八种红外吸收模式。实验发现：绵羊毛的热稳定性较差，进一步研究了其热变机理。本项研究拓展了变温红外光谱技术在天然毛纺织材料热稳定性的研究范围，具有重要的理论研究价值。