关于纸张纤维素结晶结构检测方法的探讨

吴春芳,金 超,朱子锐,刘 鹏,张宏斌

(复旦大学 图书馆 中华古籍保护研究院,上海 200433)

自造纸术发明以来,我国手工纸在人类文明史上扮演着非常重要的角色,对世界文明的发展作出了极其重要的贡献。然而,这些纸张在长时间的保存过程中会持续劣化,最终导致损毁,历史信息也会随之消失。无论是何种保护手段,都需要建立在对手工纸的科学认识之上。从古籍保护的角度出发,手工纸研究关注两方面的问题: 一方面是揭示纸质材料的纤维形貌与物理性能;另一方面是深刻理解在不同保存条件下纸质材料的耐久性与降解性能,而这两者的核心问题便是纤维素结晶度与结晶结构的解析。

1 手工纸与纤维素的简介

我国有大量古籍,但是对古籍纸张的研究却很少,研究的困难不仅在于原料的广泛性,还有“传统”造纸工艺带来的诸多不确定性。虽然规模大小各异,但国内有百余家传统纸坊,近千种手工纸,不同的纸张特性增加了纸张研究的复杂性。

纸张最主要的成分是纤维素,它的链结构是一种由D-吡喃葡萄糖环以β-1,4糖苷键链接的线性高分子[1],且纤维素分子链中的羟基形成了大量的分子间和分子内氢键,如图1(d)(见第590页)所示。天然纤维素又叫纤维素Ⅰ型,这种聚集态结构在热力学上是亚稳态的,在一定条件下可以转化为纤维素Ⅱ型或Ⅲ型。纸张的主要原料来源于自然界中的高等植物,对纸张纤维素的研究主要集中于Ⅰ型纤维素。Ⅰ型纤维素存在两种晶型——三斜结构的Ⅰβ型和单斜结构的Ⅰα型,Ⅰα和Ⅰβ晶型在纤维素中的存在比例取决于纤维素的结构。Ⅰβ型是高等植物中的主要存在形态,而Ⅰα型则是一种罕见的形态,它是一种亚稳态的结构,在碱性热处理下会转变成Ⅰβ型[2]。纤维素的结晶结构[3]最早由Carl von Nägeli建立,传统的两相模型包含有序的结晶区和无序的非晶区(图1(c)见第590页)[4]。近年来,还逐渐发展出次晶区,所谓次晶区是指纤维素结晶结构的运动性不如非晶区,且其有序性低于结晶区。

图1 纤维素的结构Fig.1 The structure of cellulose

结晶结构对于纤维素材料的物理、化学性质与力学性能都有重要影响[5]。通常,随着纤维素结晶度的提高,纤维素材料的刚性增加,其耐折性与弯曲性能下降[6-8]。与非晶区不同,结晶区能阻碍降解过程中质子或自由基对糖苷键的攻击[9-12]。因此,较高的结晶度能够提高纤维的稳定性与耐久性[13]。所以对于纤维素聚集态结构的深刻理解有利于揭示纸张的性能与老化机理。

值得一提的是,由于手工纸中还含有半纤维素和木质素等其他组分,所以直接测试手工纸所得出的结晶度为表观结晶度,通常称为纸张结晶度。虽然纸张结晶度是依据纤维素结晶结构分析方法获得的结晶度,但在表述时要注意区别纸张结晶度与纤维素结晶度,明确纸张中半纤维素和木质素等其他组分对纸张中纤维素结晶结构的影响。

2 纤维素结晶结构的测定方法

结晶度是纤维素结晶结构最重要的性质参数之一。结晶度通常用来表征纤维素材料结晶部分的含量,主要用来表征纤维素材料在物理、化学或生物方法处理后的结构变化规律[14]。尽管结晶度的测定已有很长的历史,但是不同测定方法所得的结果并不相同。目前,研究纤维素的结晶结构最常用的方法有X射线衍射法(X-ray Diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)和核磁共振法(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)[1,15-16],其光谱结果分别如图2所示。

XRD法是利用X射线对材料进行衍射,从而得到材料的成分和结构等信息。XRD测定纤维素结晶度是基于结晶-非晶两相模型提供样品中结晶区与非晶区的含量[17]。基于XRD测试结果,可以通过峰高法(Peak Height Method)、反卷积法(Peak Deconvolution Method)、标样法(Amorphous Subtraction Method)等来确定纤维素的结晶度[1]。峰高法是最直接也是最常用的方法[1,17],可直接读取结晶区(200)晶面与非晶区(Amorphous Region)的衍射强度并通过相应的计算即可获得结晶度,通常其绝对值在诸多方法中最大。如图2(a)所示,纤维素的XRD图谱中出现了明显的特征峰——4个分别对应纤维素不同晶面的结晶峰和1个非晶衍射峰。2θ角为22.4°时所对应的晶面即为(200)晶面,位于14.5°、16.5°和34.5°处的2θ角则分别对应纤维素的(110)、(10)和(004)晶面。在(10)与(200)晶面间,即2θ角为18°处出现的低强度衍射峰对应的即为非晶衍射峰,通过Cr.I.=×100%即可计算得到纤维素结晶度[1]。与峰高法相比,反卷积法则需要划定基线,整个过程较为繁琐,但是由此法可以获得详细的晶胞尺寸信息[2,18-19]。因此,此法应用最为广泛。从理论上来说,采用标样法测定结晶度是最标准的方法,但是100%结晶的纯纤维素样品很难获得,纯非晶纤维素的样品也同样难以制备。另一方面,在不同条件下制备的标样难免导致分析结果的差异,所以,这种标样如何在更广的范围内统一使用也是值得思考的问题。如果还考虑样品中木质素和半纤维素等其他组分的影响,整个问题也将更加复杂。

图2 纸张纤维素的XRD(a)、FT-IR(b)和NMR(c)测试图Fig.2 The X-ray diffractogram(a),FT-IR(b)and NMR(c)spectra of cellulose

FT-IR能提供丰富的结构信息和组成信息,相同的基团或者不同的基团在不同的化学环境下所呈现的吸收波长和吸收强度有明显差异。因此,FT-IR法非常适合表征碳氢有机质,且这是一种定性、半定量的分析手段。FT-IR法作为一种无损分析手段,在文物检测领域具有非常广泛的应用。纤维素在FT-IR谱图中有明显的特征峰,其主要特征基团归属如表1所示[5,16,20],因此在分析纤维素中的基团与氢键时通常采用的方法就是FT-IR。对于纤维素的结晶度不仅可以采用FT-IR谱图分析,还可通过经验公式O'KI和NO'KI法来定量计算。所谓O'KI法是指用位于1 427 cm-1和897 cm-1处特征峰的吸光度的比值作为纸张的结晶度,NO'KI法则采用1 372 cm-1和2 900 cm-1处峰的吸光度比值为纸张结晶度[21]。使用FT-IR法需要注意的是根据样品的存在状态选择不同的测试模式。当测定微晶纤维素等粉末状样品时,可以选择KBr压片法,还可以使用衰减全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)模式直接测试。但是对于有一定长度的纸张纤维,与KBr混合时可能发生团聚,从而导致分散不均匀。因此,有一定长度的纸张纤维的红外光谱只能通过ATR模式进行测定。测试过程中需要确保样品压实且能接收到足够的信号强度,分析ATR模式测得的透射谱图,不仅要查看基线是否水平,还要看透射率是否超过50%,在转换为吸光度值前还需进行ATR校正,最终才能获得可以使用的FT-IR谱图。在3 000～4 000 cm-1波数范围内,还可通过光谱2阶导数确定氢键的位置信息,进一步通过去卷积获得分子间氢键O(6)—H—O(3')与分子内氢键O(3)—H—O(5)和O(2)—H—O(6)的含量信息[12]。由此可见,FT-IR也可以用来研究在不同处理方式下纤维素官能团和氢键的变化。

表1 本文纸张FT-IR光谱主要特征基团归属[5,16,20]Tab.1 The characteristic FT-IR peaks of cellulose in paper

XRD法可以获得纤维素的结晶度以及晶胞参数,但是不能确定纤维素的分子结构与聚集状态。FTIR能够提供可靠的纤维素官能团和氢键信息,但同样不能解析纤维素的多级聚集体结构。而对此最有效的方法是NMR法。NMR谱有很多种,对于研究纤维素来说最有效的是交叉极化/魔角旋转碳核磁共振(CP/MAS13C NMR)谱[22-24]。这是一种能够定量确定纤维素固态相结构信息的先进表征手段,可直接测定,无需溶解纤维素[16]。通过光谱拟合,不仅能够分析纤维素结晶态超结构[25-30],检测在化学或机械处理过程中纤维素的结构变化[5,31-37],还可以确定其他组分的含量,如,可以通过56.3 ppm(1 ppm=10-6)处甲氧基基团含量进而来确定样品中木质素的含量[30]。

CP/MAS13C NMR谱图(见图2(c))能够基于C-1、C-2,3,5、C-4及C-6区信号峰提供十分丰富的纤维素超结构信息。纸张13C NMR主要特征峰归属如表2所示[38-39],其中,C-1和C-4区应用最广泛。纤维素Ⅰ型是由Ⅰα和Ⅰβ组成的混合晶型,尽管能通过XRD结果来判断哪种晶型更占优势,但是仍难以确定不同晶型的精确含量。相比之下,C-1区能够通过3个Lorentzian和1个Gaussian拟合来确定Ⅰα、Ⅰβ以及次晶区的含量[32-33]。C-4区所提供的信息更加丰富[37]。首先,可以通过分峰法(Peak Separation Method)估算结晶度的大小。通常C-4区由2部分组成,分别为80～86 ppm的非晶区和86～92 ppm的结晶区,通过分峰法获得二者的面积,进而通过所占整体的比例计算结晶度。其次,还可以通过去卷积法来获得各自内部不同晶型的归属和含量。但由于峰彼此重叠严重,从拟合谱图中获得结晶区不同晶型、非晶区的含量以及结晶度不是特别准确。此外,还可由C-4区通过可及表面与不可及表面的含量来分析纤维素基原纤和微原纤的尺寸,由此可以监测纤维素材料在经物理、化学或生物处理时超结构的变化。

表2 本文纸张固态13 C NMR主要特征峰归属[16,28,38-39]Tab.2 The characteristic solid 13 C NMR peaks of cellulose in paper

样品通过NMR检测获得的结晶度通常比XRD检测偏小。一方面,XRD检测法对纤维素链聚集结构的周期性更敏感,任何有益于周期性长程有序结构都将提高结晶区含量,但并不局限于结晶区内部。而NMR检测更关注结晶结构的完整性,信号峰的强度依赖于晶相内部的C原子数目[40]。造成这两种方法结晶度差异的另一个因素是,半纤维素与木质素的影响在NMR方法中更易去除,而在XRD方法中由于与非晶区的广泛重叠不易分离故影响较大。

3 测试样品制备方法探讨

3.1 粉碎处理的影响

不同方法处理后,纸张结晶度的变化并不完全相同[41-42]。为了获得更加均匀的样品,物理粉碎是最常用的处理方式,均匀的样品在FT-IR和XRD测试时更为方便,对于NMR测试制样也更为方便。但是粉碎,甚至过筛都是值得商榷的。一方面,粉碎会导致纸张纤维中微原纤被打碎,从中分离出基原纤(见图1(b))。有研究显示纸张纤维素的9个基原纤聚集成1个微原纤,经粉碎机处理后微原纤的尺寸下降,变为4个基原纤的聚集体,如图3(a)所示[43]。此时,纤维素暴露了更多的可及表面,使得其表面性质发生改变,不再能代表原始样品的状态。同时,粉碎并未使基原纤彼此彻底分散,而是微原纤受到剪切后,部分基原纤从微原纤中被剥离出来,导致聚集体尺寸减小,如图3(b)所示。且在此过程中,原本处于晶区的纤维素分子链被剥离后,晶区逐渐转变为非晶区[44]。非晶区增多,导致纸张的结晶度下降。粉碎处理对于纤维素结构的影响也得到了FT-IR结果的证实。在FT-IR光谱中,粉碎后分子间氢键总量下降,说明粉碎处理破坏了分子链之间的链接状态,将分子链从结晶区中剥离出来[43]。

图3 纤维剪切示意图Fig.3 The schematic diagram of fiber shearing

虽然粉碎方式有所不同,如刀式粉碎、球磨等,但样品经过粉碎处理必然伴随着结构变化,所以用粉碎后的结果来分析未粉碎的样品,结论显然是不准确的。事实上,不仅仅是对于纸张或纤维素材料,对于高分子材料都不能通过物理粉碎来制样,更不能过筛。过筛是一种择优取样的做法,挑选出结构或尺寸相近的部分样品,并不能代表全部样品的特征。

与物理处理方法不同,化学方法往往可以提高结晶度,这是由于结晶区对化学试剂的攻击具有一定的屏蔽性,化学试剂在结晶区的可及性低,有序的氢键网络结构阻碍了化学试剂的进入,所以化学试剂通常首先作用于非晶区,致使非晶区含量减少,样品的结晶度提高。

3.2 样品干湿态的影响

纤维素在进行XRD和FT-IR测试时使用的都是干态样品,但在NMR研究中最常见的样品却有干湿之分。有研究显示湿态的纤维素样品NMR信号峰比干燥样品的强度更大,这是因为充足的水分提高了非晶区内分子链的移动性,进而提高了信号峰的分辨率[45-47]。湿态测试法为NMR的主流测试方法。然而,有学者认为这种湿态法存在两个不得不考虑的问题[45]: 其一,样品的水分和测试参数在检测过程中存在不确定的改变,且这种改变带来的影响并不统一,结果也很难比较;其二,在多相结构评估时难以将非晶部分从结晶区中分离出来,这是由谱图的连续性造成的。结晶区与非晶区连续出现且会部分重叠,而不能明确区分,那么重叠的影响难以避免。所以,干态样品或经过一定湿润处理的样品进行在NMR测试中都有使用[38,48-49]。

有学者认为应该区分检测物的状态和用途。一方面,原本就处在水中的湿态纸浆,对其直接分析可以获得制浆过程中纸浆的结构变化。与此同时,测试的结果还能说明纤维在水中的存在状态和变化规律。同时还需要注意,制浆过程中木质素和半纤维素的去除会导致纤维素外层磁环境发生改变[36,50]。另一方面,干燥方法会影响微纤聚集尺寸[36]。干燥-再湿润的样品会对纤维素结构产生不可逆的改变从而产生角质化,进而影响纤维素NMR的结果[37,51]。这些角质化的样品具有较大的微纤尺寸,无法恢复到原始状态[46,52]。由此可见,再湿润纸张的超结构会因不同程度的角质化而使得NMR的分析具有一定的不确定性。

与此同时,还有研究指出,低湿度水平的样品足以支持纤维素超结构的分析[39,53]。而对于较高质量且完好的纸张,可以卷起来测试,对于有损坏的纸样则可以在转子中压实后再测试[54]。低湿度水平较佳的处理条件: 温度23℃,相对湿度为50%[55]。在此条件下,不仅能够进行NMR测试,还能够进行其他表征如XRD和FT-IR,以及相应的物理性能检测从而分析样品的结构与性能,避免了用湿态下的结构来分析干态下的性能结构。

因此,对于纸浆或纸张的NMR测试状态建议根据不同的目的来选取湿态或干态进行检测,通常纸浆应选在湿态下进行检测,而成品纸张则应在干态下进行检测。

4 结论

本文介绍了手工纸和纤维素结晶度最常用的3种检测方法XRD、FT-IR和NMR。这些方法可以从不同的角度来获得纤维素基团、分子链结构、氢键含量、结晶结构以及聚集态结构等多级结构信息。但是,每一种测试方法都有一定的测试范围与分析技巧,以及需要注意的事项。最重要的,需要最大程度地保持测试样品的原始状态,减少外界因素对内部结构的影响。本文仅对纸张纤维素结晶结构测定进行了介绍,希望对高分子材料的相关测试也能起到一些启发作用。