莲纤维的结晶结构与理化性能的研究

1．引言

近年来由于人们对环境保护更加重视以及对生态环保制品的需求上涨，天然纤维资源及其纺织品倍受青睐，研究开发具有绿色环保性能的新型天然纤维资源已成为纺织行业的重要课题。极具潜力作为新型天然纤维应用到纺织行业的莲纤维是从莲叶/花柄折断后的横断面中抽取出来的长丝，即从莲叶柄管状分子细胞中分离出来的纤维，实为叶柄管状分子次生壁螺旋状加厚物。

本文主要对莲纤维的结晶结构进行了研究，并测试了莲纤维的力学性能、吸湿性能及耐化学试剂性，为莲纤维作为新型天然纤维素纤维应用于纺织行业奠定基础。

2．试验

2.1试验材料

取自微山湖的成熟莲叶柄清洗干净后折断拉开，晾干备用。

2.2试剂与基础仪器

分析纯NaOH、H2SO4、NaClO及NaHSO3，电子天平（精确度为0.1mg），烘箱。

2.3试验方法

2.3.1莲纤维结晶取向测试

试验仪器及测试条件：日本理学D/Max-2550PCX射线衍射仪，Cu-Kα射线源(40Kv，250mA)扫描速率为5o/min，扫描范围为2θ在5.0o~60.0o。

2.3.2单纤维线密度及一次拉伸断裂测试

2.3.3吸湿性能测试

吸湿实验：将莲纤维和棉纤维各称取重约1g的试样，在50℃低温烘箱内预烘1h，使纤维的回潮率大大低于其标准平衡回潮率。在恒温恒湿室（温度20℃±2℃，相对湿度65%±3%）内迅速称取试样的初始重量将试样放置在玻璃托盘中尽量保持蓬松状态每隔5min记录1次试样重量直至纤维达到吸湿平衡。将试样放在105℃±2℃的烘箱中烘至恒重，称取干重，计算回潮率。

放湿实验：将莲纤维和棉纤维各称取重约1g的试样放入盛水的干燥器(相对湿度为100%)内搁置96h使试样达到吸湿平衡。然后在恒温恒湿室（温度为22℃，相对湿度为66%）内测试试样放湿后重量的变化其方法同上。达到放湿平衡后将样品烘干称取干重计算回潮率。

2.3.4耐酸碱性测试

将纤维在50℃烘箱中烘两个半小时后，称重，分别在不同浓度的化学试剂不同条件下处理三个小时后，烘干，称重，计算纤维失重率。然后挑取单根纤维在电子单纤维强力仪上进行断裂强力测试，并用扫描电镜观察莲纤维处理前后表面形态。

3．结果与讨论

3.1结晶结构

非常清晰地显示了3个特征峰布拉格角分别为16.44°、22.26°和34.54°对应于(101)(002)和(040)晶面与天然纤维素纤维如棉、麻等的衍射图谱相似，且主要特征峰的晶面间距与棉麻的非常接近，说明莲纤维的晶体结构属于纤维素I晶体。

经计算莲纤维的结晶度为42.78%，小于棉麻的结晶度；同样40.24%的结晶指数也低于棉麻的60%和80%。低的结晶指标表示纤维内无定形区比例高，分子结构排列无序，使得纤维大分子更易与水分子和化学试剂反应，意味着纤维可能具有良好的吸湿性和染色性能。结晶结构同样也影响纤维的力学性能，一般来说，结晶度越高纤维的强力越高。

莲纤维的晶粒尺寸为2.7nm远远低于棉纤维的，但接近于亚麻纤维的。据参考文献报道，棉纤维的晶粒尺寸在5.5~6.5nm，亚麻的晶粒尺寸据文献报道为2.8nm。晶粒尺寸对纤维的性能有较大影响。粗大的晶粒尺寸使得纤维的刚性、弹性模量较大，而延伸度、耐疲劳程度、柔曲小。概括来说，纤维的晶粒尺寸宜小不宜大。

莲纤维的取向度为73.3%。高于棉纤维的取向度（60%~65%），与麻纤维的（90%左右）相比稍低。可见莲纤维的微纤沿纤维轴向排列较整齐。纤维的结晶取向结构将综合影响其理化性能。

3.2莲纤维的单丝线密度

单丝样品在FAVIMAT仪器上夹持住后，在正弦振荡下产生自激振荡，仪器通过光电传感器获取其共振频率。

自然状态下的单根莲纤维是由一排复丝螺旋排列而成，其组成根数在6~12左右，组成根数的差异造成了单根莲纤维的细度变化较大，最大值可达1.81dtex最细只有0.56dtex。组成莲纤维的单根丝的直径在3~5um左右，属于超细纤维范畴，因此自然状态下的莲纤维就相当于由超细纤维组成的超复丝，具有优异的吸湿性及柔软的手感。

3.3莲纤维的一次拉伸测试

单根莲纤维典型的一次拉伸曲线如图1所示。由图看出，莲纤维的一次拉伸曲线与麻类的拉伸曲线相似。伸长与强力几乎成线性关系，符合虎克定律，几乎没有屈服变形阶段，拉伸断裂属于脆断。

初始当外力较小时，由于分子链本身的伸长和无定形区中横向次价键产生的变形导致纤维伸长。由3.1及3.2测试所知，莲纤维的无定形区居多且大分子链沿轴向取向较好，所以当施加外力继续增加，横向连接键无法承受更大力发生键的断裂，同时大分子链已充分伸直无法承受进一步的拉伸而断裂，导致纤维断裂。整个拉伸阶段纤维的变形主要是纤维大分子链键长和键角的改变所致。变形的大小正比于外力的大小，即应力应变关系是线性的，服从虎克定律。

可以看出，莲纤维的断裂伸长率较小，平均值为2.60%，与麻类的相近，低于棉、粘胶和天丝等纤维素纤维的断裂伸长率。尽管莲纤维的低结晶及小晶粒的结构能够使纤维的伸长增加，但由于分子链的取向度较高，破坏分子间结合力后产生的滑移较小使得纤维伸长率较低。

莲纤维的断裂强度最大值为5.25cN/dtex，最小值为1.07cN/dtex，平均值为2.23N/dtex，与棉纤维的断裂强度接近。莲纤维的结晶度和晶粒尺寸远低于棉纤维的，使得大分子链间堆砌疏松，分子间作用力小，然而较高的分子链取向，又使其在纤维轴向方向具有较好的抵抗外力作用，总体的超分子结构使得莲纤维具有了与棉纤维接近的断裂强度。

莲纤维的最高初始模量为144.1cN/dtex，最低为12.9cN/dtex，平均值为78.5cN/dtex，与棉纤维的68~93cN/dtex接近，表明莲纤维的刚性低，柔韧性较好。主要原因是莲纤维的结晶度低，分子链间作用力低，且小晶粒结构使得纤维分子链易变形，致使纤维抵抗变形能力不高。

3.4莲纤维的吸湿性能

莲纤维莲的吸湿性能遵循天然纤维素纤维的吸湿规律，吸放曲线走势与棉纤维的相似。吸放湿过程中莲纤维的回潮率始终高于棉纤维的。由吸湿到达平衡比放湿到达平衡的时间短，50min后棉纤维和莲纤维先后到达吸湿平衡，而两者到达放湿平衡所需的时间为120min。莲纤维由吸湿平衡获得的回潮率约为9.37%，由放湿平衡获得的回潮率则为12.30%。

莲纤维优异的吸湿性能与其超分子结构有关。莲纤维的结晶度低，无定形区居多，而吸湿主要发生在无定形区的结晶区表面，无定形区越大，吸湿性越强。同时莲纤维的小晶粒尺寸及其本身超细的直径使其比表面积较大，表面吸附能力强，更易吸收水分子。

3.5莲纤维的耐酸性计算机毕业论文

稀硫酸对莲纤维的作用很小。当硫酸浓度低于40%时，其失重率小于3%，当硫酸浓度在20%以下时，其断裂强力甚至高于未经处理的莲纤维的强力（1.95cN）表面形态未发生明显变化。随着硫酸浓度增加，纤维水解程度增高，其质量损失增加，断裂强力不断下降，表面形态逐渐被破坏，出现凹凸不平。当硫酸浓度达到50%时，纤维失重率急剧增高，断裂强力下降明显。此时观察可见硫酸与纤维素的反应现象明显，反应中当硫酸浓度高达60%时，纤维失重愈加明显，且碎断到无法测试其强力，通过对表面形态的观察，发现纤维被严重破坏，表面出现大量凹槽。

而当硫酸浓度达75%时，纤维几乎全部溶解，残留少许丝段纤维。

经红外光谱分析知，莲纤维的主体成分为纤维素、半纤维素及木质素等，属天然纤维素纤维。当酸存在时，溶液中游荡的H+对纤维素的水解反应起催化作用（如图9所示），促使其1，4苷键断裂，与水分子形成两个羟基，一个是自由羟基，无还原性；另一个是半缩醛羟基，具有还原性。反应首先发生在无定形区及结晶区表面，随着反应的加剧，也可使晶区发生从外至里的反应，最后纤维完全解体而水解为葡萄糖。纤维素的水解反应，使其聚合度降低，并引起纤维的机械性能下降。但当处理的酸浓度很低时（低于20%），纤维水解程度甚微，仅少量半纤维素被除去，使其无定形区下降，结晶度增加，表现为断裂强力增大。

莲纤维的耐酸性因酸的种类、浓度及作用时间而不同。常温下，75%的硫酸溶液里莲纤维几乎全部溶解，残余少许丝段；在37%的盐酸溶液里，莲纤维部分溶解，质量损失率达45%左右，剩余纤维清洗晾干后变色，手感变僵硬；68%的硝酸对莲纤维的作用相对于盐酸稍弱，质量损失率在20%左右，但同样纤维变色，手感变硬。有机酸如蚁酸、冰醋酸等对纤维的作用较缓和，常温下没有明显变化。综上所述常温下用酸处理纤维时，应注意控制酸的浓度及作用时间。

3.6莲纤维的耐碱性

常温下将莲纤维在NaOH浓度分别为10%、20%及30%的溶液中处理三个小时，纤维的失重率明显，均在30%左右；但经10%和20%的溶液处理后的纤维断裂强力较未经处理前稍稍增加，而30%的溶液处理后的纤维强力略微下降。失重率下降的主要原因是纤维中的半纤维素在浓碱液的作用下发生了剥皮反应，大部分被去除。而浓碱液同时会使莲纤维发生溶胀，使其大分子间的氢键被拆散，在张力作用下，大分子的排列趋向于整齐，使取向度提高。同时，纤维表面不均匀变形被消除，减少了薄弱环节，使纤维能均匀的分担外力，从而减少了因应力集中而导致的断裂现象。加上膨化重排后的纤维相互紧贴，抱合力，也减少了因大分子滑移而引起断裂的因素。但当碱液浓度过高时，加上空气中氧的作用，碱催化了纤维素的氧化反应，使其发生降解，聚合度下降，强力下降。

本文着重研究了莲纤维在不同浓度的NaOH溶液中经煮沸三小时后的质量损失率、强力损失率及表面形态变化的情况。图10表明，当氢氧化钠溶液浓度在10g/L时，莲纤维的失重率已高达28.31%，此时纤维的断裂强力与未经处理前相比明显降低，但其表面形态并无明显变化。随着碱液浓度的增高，纤维质量损失增大，断裂强力不断减小，当浓度大于30g/L时，从纤维的表面观察到碱液已对其产生破坏，纤维局部被腐蚀。

当碱液浓度为60g/L时，纤维被明显破坏，失重率已高达43.19%，断裂强力亦降0.756cN。经碱液处理过的纤维，颜色由最初的奶白色变为暗黄色，同时手感略微变硬。

常温下纤维素的糖苷键对碱是比较稳定的，随着温度的升高，纤维素会发生碱性降解。

碱性水解使纤维素的糖苷键部分断裂，产生新的还原性末端基，聚合度下降，纤维的强度下降。纤维素碱性水解的程度与碱液浓度、处理温度、时间等有关，特别是处理温度，当温度较低时，碱性水解反应甚微，温度越高水解亦越强烈。经测得莲纤维中含有2%左右的蛋白质，碱液处理时破坏了纤维表面的蛋白质结构使其色泽发黄，同时除去了大部分半纤维素使木质素含量升高，因此手感变硬。

3.7莲纤维的耐氧化还原性

常温下还原剂对莲纤维作用微弱，本文选择使NaHSO3溶液在微沸状态下对莲纤维进行处理。氧化剂NaClO和还原剂NaHSO3对莲纤维的作用皆不大，浓度低时纤维失重率微小，处理后的最高失重率也仅在10%左右。随着NaClO浓度增大，纤维的断裂强力下降，而浓度不超度50ml/L时，强力下降缓慢，且均高于未经处理的纤维强力（1.95cN），同时纤维的表面形态几乎没被破坏。当NaClO浓度达到60ml/L时，纤维强力明显下降到1.717cN，表面形态被轻度破坏，出现细微凹槽。纤维的强力随着NaHSO3浓度的增大迅速下降，但在浓度低于40g/L时，纤维的强力均高于未经处理的纤维强力，且表面形态没被破坏。当浓度达50g/L时，纤维断裂强力被破坏，低于未经处理前的，表面亦出现少量腐蚀斑点。浓度为60g/L时，纤维强力明显下降，表面出现大块腐蚀斑点，之后浓度的增加对纤维的破坏不再明显。

常温下在没有碱存在的情况下，氧化剂对纤维的作用是不显著的。氧化剂浓度低时，纤维素主要发生自由羟基和潜在醛基的氧化及葡萄糖剩基的破裂，因此强力变化不大。随着氧化剂浓度的增加，莲纤维中的木质素被去除，使得纤维无定形区减少，分子结构更规整，因而纤维的强力较未经处理前的有所升高，且韧性增大。但当浓度过高时，氧化作用使纤维分子链断裂，强力明显下降。常温下还原剂对莲纤维的作用是微弱的。高温煮沸的情况下，低浓度的还原剂对纤维损伤很小。高浓度时，还原剂部分破坏分子结构中的氢键，使得纤维强力下降。

4．结论

X射线衍射测得莲纤维的结晶度为42.78%，晶粒尺寸为2.7nm，低于棉麻纤维的，而取向度为73.3%，高于棉纤维接近于麻纤维的用FAVIMATAIRBOT单丝强力仪测得单根莲纤维的平均线密度为0.91dtex，单纤维平均断断裂强度为2.23cN/dtex，与棉纤维的相近，平均断裂伸长率为2.60%，接近于麻纤维的。这与其低结晶高取向的分子结构相关。莲纤维吸湿性能优异，其吸放湿曲线走势与棉纤维的相似，由吸放湿平衡达到的回潮率分别为9.37%和12.30%。良好的吸湿性主要因为其结晶度低，无定形区多，利于水分子的渗透，同时小晶粒尺寸及超细的直径使其比表面积高，表面吸附能力强。稀硫酸对莲纤维的作用很小，当硫酸浓度达到50%时，纤维发生剧烈的水解反应，失重率高，断裂强力显著下降；经碱煮后的莲纤维失重率及断裂强力损失率均很高。因此在用酸碱处理莲纤维时，应注意控制酸碱液的浓度、处理温度及时间。氧化剂次氯酸钠及还原剂亚硫酸氢钠对莲纤维作用不大，当浓度过高时断裂强力会有明显下降。

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