彩色棉纤维中色素对微结构的影响北京服装学院 陈英刘书芳东华大学宋心远1 前言天然彩色棉是一种天然有色的棉花品种，是远缘杂交和生物基因工程的产物。正因为纤维天然有色，因此纺织加工中无需进行染色，可降低成本，减少污水排放，有利保护环境，被称为绿色纤维，在强调生态环保的二十一世纪具有广阔的发展前景。国内外报道开发的彩色棉品种有绿、棕、黄、粉红、蓝、黑等多种色彩，但目前大规模种植并应用于纺织产品的主要是绿色和棕色两种。由于纤维( 特别是绿棉纤维) 中色素的不稳定性给纺织品加工带来了很多困难，因此对彩色棉纤维的化学组成、超分子结构进行深入研究相当有必要。R i c h a r d s ，A F 等研究I i l 表明：白棉和彩色棉纤维的单元细胞尺寸相同，结晶尺寸不同；彩色棉纤维的次生胞壁中木脂素存在使彩色棉纤维结晶度下降，而且含木脂素越多，颜色越深。M S P a r m a r 等研究1 2 - 3 i 表明：彩色棉纤维中纤维素含量低于白棉，蜡质含量高于自棉，而且彩色棉中的蜡质成分不同于白棉。本论文研究了彩色棉纤维中色素的分布情况及色素存在对纤维微结构的影响，这方面研究尚未见文献报道。2 实验部分2 1 样品准备：实验用绿色和棕色棉纤维产于新疆。超临界C O ，萃取条件：1 0 0 9 纤维，2 0 m L 乙醇，3 5 M p a ，4 5 1 2 ，2 h 。纤维素酶处理条件：纤维素酶5 0 0 ( O W f ) ，p H = 4 5 ，温度5 0 V ，浴比5 0 ：l ，8 hx5 。2 2 测试仪器及测试条件D M A X 一2 BX 一射线衍射仪( 日本理学) ，测试条件：铜耙镍过滤，4 0 K V ，5 0 m A 。A V 3 0 0 M H z 固体核磁共振仪( C P M A S t 3 CN M R ) ( 德国B r u k e r 公司) ，测试条件：转速1 2 K H z ，共振频率7 5 M H z ，循环延滞时间5 0 s e e ，幅宽3 4 0 峭x ；。X S X 一2 摄像显微镜，配有采集卡、电脑显示屏及图像处理系统。3 结果与讨论3 I 色素存在对纤维微结构的影响由X 一射线衍射测定结果可知：白棉纤维的结晶度为8 0 1 ，高于彩色棉( 绿棉为7 1 5 ，棕棉为6 7 3 ) ，结晶完整性好于绿色和棕色棉纤维( 见图1 ) ，说n明彩色棉纤维中色素的存在影响棉纤维结晶的形妒成。u我们采用超临界C O ，萃取方法处理彩色棉纤维，研究彩色棉纤维中色素被萃取后对纤维微结构的影响。由表l 中数据可知：经超临界C O ，萃取后，两种纤维结晶度均提高，说明纤维中色素的去除有利于纤维结品度提高。萃取后绿棉纤维的1 0 1 和0 0 2 品面的结晶尺寸增大，而棕棉纤棕棉纤维的萃取液颜色很浅，一方面说明棕棉色素比绿棉色素难以萃取，另一方面也说明色素的去除有利于结晶尺寸增大。用纤维素酶处理白棉、绿棉和棕棉纤维，处理后形成了几毫米长的短纤维，彩色棉短纤维仍带原来的颜色，酶分解液中未观察到明显的颜色。根据生物酶的专一性特点，纤维素酶只能分懈纤维中的纤维素部分。纤维素酶大分子不仅能分解无定型区的纤维素，而且能到达纤维的结晶表面，便结晶表面的部分纤维素分解，因此酶分解后白棉和绿棉的失重率高于无定型区的比例( 见表1 ) ，但同等条件下处理棕棉的失重率较低，说明棕棉较难被酶分解。结合绿棉和棕棉纤维超临界C O ，萃取液颜色深浅不同可推测：绿棉和棕棉纤维中色素与纤维大分子的结合形式不完全相同。 表1画棉、绿棉和棕棉经不同- J 处理t f f t , J 测定数据衣I口仰、琢仰硎你仰毪个I 她挫侧疋烈惦测试项目白棉纤维绿棉纤维棕棉纤维酶处理失重率3 2 34 1 72 5 2结晶未处理8 0 17 1 56 7 3度超临界C O ：萃取7 6 58 5 2结1 0 1萃取前3 3 0 24 2 3 24 7 1 3晶萃取后3 4 8 23 3 4 3尺萃取前5 6 2 l5 7 0 15 3 9 l寸1 0 l萃取后7 1 7 55 0 4 6萃取前4 3 7 34 2 5 14 3 8 2 A0 0 2萃取后4 6 9 84 3 0 0图2 在为纤维的n C 核磁共振谱图，对照白棉纤维的谱图可知，4 0 - 11 0 P P m 范围内的各峰表示纤维素纤维中葡萄糖环上各碳原子的特征峰。绿棉纤维的1 3 C 核磁共振谱图中增加了3 2 p m 和1 7 4 p p m 两个峰，1 7 4 p p m 峰为酯基( 一C O O R ) 特征峰，3 2 p p m 峰为与酯基相连的烷某( 一C H ：一，一C H ，) 特征峰，说明绿棉纤维色素中含有这些基团。酶处理后绿棉纤维的C 核磁共振谱图上可看出：3 2 p p m 和1 7 4 p p m 两峰的强度增大，说明色素在残留纤维中1 5 01 5 0白棉纤维1 8 01 6 01 4 01 2 01 8 06 04 02 0绿棉纤维叩图2 白棉和绿棉纤维的C 核磁共振谱图3 2 彩色棉中色素分布的研究用铜氨溶液溶胀纤维后，在光学显微镜下观察纤维纵向形态( 见图3 ) 发现：彩色棉纤维中色素主要分布在1 7 5胞腔内，部分在次生胞壁的纤维素中。相对绿棉纤维而言，棕棉纤维中色素含量较多。超临界C O ：萃取后，色素分布发生很大变化。由图4 可看出，色素向纤维表面转移，并不连贯地分散在纤维的各个部位，绿棉和棕棉稍有差异。我们同时对照观察了经碱精练加工的彩色棉纤维( 图5 ) ，同样发现有类似情况。从纤维外观颜色看超临界C O ，萃取后，尽管颜色被部分萃取下来，但纤维颜色并没有显著变浅，经碱精练加工的彩色棉纤维颜色反而变深变I m ，这些圳l 御l f 勺卜了仍幸存纤维中分布状态变化有关。绿郴绿棉图3 绿棉和悚棉纤维纵向图4 超临界C O ，萃取后绿棉和棕棉纤维纵向棕棕棉图5 碱精炼加工后绿棉和棕棉纤维纵向4 结论4 1 彩色棉纤维中色素存在影响纤维内结晶的形成，色素的去除有利于结晶度提高、结晶尺寸增大。4 2 彩色棉纤维中的色素主要分布在胞腔内，部分在次生胞壁的纤维素中。4 3 超临界C O ：萃取和碱精练后，彩色棉纤维中色素分布发生显著变化。1 7 6