纤维素酶处理对竹原纤维结构的影响

2 010 年3月 第03 期
研究 与技 术 Ma r. 2 0 10 No . 0 3
纤维素酶处理对竹原纤维结构的影响
金文俊，蒋耀兴，管 翔
（苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021）
摘要：利用化学预处理结合纤维素酶的作用对竹原纤维进行改性，借助于扫描电镜、傅立叶红外吸收光谱、X- 射线衍射等实验技术，
文章编号：1001- 7003（2010）03- 0008- 03
Effects of Cellulase Treatment on Structures of Bamboo Fiber
J IN We n-jun, J IANG Ya o-xing, GUAN Xia ng
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)
201 0年3 月 第0 3期
以看 出：在 3 35 3 c m- 1位 置出 现了 游离羟 基和 氢键 缔 合的羟基的伸缩振动吸收峰，这是纤维素纤维的 特 征 谱带；在2 904 cm- 1处的谱带是由于C—H的伸缩振 动[ 7- 8 ] 。同时，有 肩峰的吸收峰 是甲基( — CH3) 和亚 甲 基( — CH2) 的 对称 与不 对称伸 缩振 动，它 是纤 维素 的 特征吸收峰，也是纤维素的特征谱带；经过酶处理 后，纤维素酶的降解作用使部分纤维素大分子链“断 裂”，即纤维素大分子发生不同程度的水解。由于苯 环共轭效应，纤维素中典型的3 353 cm- 1处的O—H伸展 振动所引起的吸收峰向高频方向移动，同时 1 742 c m- 1 处的木质素吸收峰消失，1 059 cm- 1处的C—O键伸 缩振 动引起的吸收峰有所增强。因此，预处理结合酶处理 后的效果基本达到高温或高浓度碱消除竹原纤维木质 素的效果，但在630 cm- 1处的半纤维素的去除效果仍不 明显。
2. 2 酶处理竹原纤维的红外谱图分析
酶处理前后的竹原纤维的红外吸收光谱如图3所
示，曲线a为竹原纤维原样的红外吸收光谱，曲线b
为纤维酶处理后竹原纤维的红外吸收光谱。从图3可
图3 酶处理前后的竹原纤维红外吸收光谱 Fig.3 Infrared Absorption Spectra of Treated and
所示。实验结果表明：竹原纤维的横截面呈多边形， 内有中腔，经过纤维素酶处理后，竹原纤维中腔稍有 增大，裂纹愈加明显；竹原纤维的表面较为光滑，经 过纤维素酶处理后，竹原表面产生侵蚀作用，形成了 较宽的平沟痕和尺寸不一的坑穴，纤维表面变得较为 粗糙，从而增加了纤维的比表面积，提高了纤维对水 分的物理吸附力以及水分向纤维内部的扩散能力，增 加了吸湿排汗能力。
处理前
处理后
图1 竹原纤维横截( 1 500×)
Fig.1 Cross-section Diagram of Bamboo Fibers (1 500×)
处理前
处理后
图2 竹原纤维纵面( 2 000×)
F ig.2 Longitudinal-section Diagram of
Bamboo Fibers (2 000×)
用TG- DTA热分析仪( 美国PE公司Di a mond型) 测 定样品的热失重曲线。测试条件：氮气氛，氮气流 量50 mL/ mi n，温度范围从室温至600 ℃，升温速度 10 ℃/ mi n。
2 实验结果与讨论
2. 1 酶处理对竹原纤维形态结构的影响 酶处理前后竹原纤维的扫描电镜图像如图1、图2
温度/ % 图5 处理前后的竹原纤维TG F ig.5 TG Curve of Treated and Untreated Bamboo F ibers
3 结论
1) 酶处理前后竹原纤维中腔稍有增大，裂纹愈加 明显，横截面微孔相对变大，纤维表面受到明显侵蚀 作用，形成了较宽的平沟痕和尺寸不一的坑穴，从而 增强纤维的表面吸附能力和扩散能力。
4) 酶处理后竹原纤维保持了良好的热稳定性，起 始分解温度略有降低，热焓略有增加。在0～370 ℃范 围内，酶处理前后竹原纤维的TG曲线变化并不明显。 在主要的热失重范围内，酶处理后竹原纤维的热失重 范围变小，曲线比未处理纤维稍微平缓，残留物质的 质量分数高于未处理纤维。
图4 酶处理前后竹原纤维的X- 射线衍射 Fig.4 X-ray Diffraction of Treas
Untreated Bamboo Fibers
2. 3 酶处理对竹原纤维结晶度的影响 酶处理前后竹原纤维的X- 射线衍射强度曲线如图
4所示，曲线a、b分别为处理前后竹原纤维的X- 射线 衍射强度曲线。实验结果表明：竹原纤维( 原样) X- 射 线衍射特征峰2θ角分别为15. 0°，22. 7°和34. 5°， 与苎麻、棉的X射线衍射峰形态十分接近。竹纤维结 晶变体属 于典型的纤 维素Ⅰ[ 9 ] ，由竹材 提取的竹原 纤 维的工艺并未改变其天然纤维素的结晶结构属性。经 纤维素酶处理后，竹原纤维的X- 射线衍射特征峰2θ角 并没有发生明显的变化，2θ角分别为15. 2°，22. 8° 和34. 7°。经分峰计算，纤维素酶处理后竹原纤维的 结晶度为64. 3 %，相比未处理的竹原纤维样品的结晶 度下降了7. 7 %，其原因是经过纤维素酶处理后，纤维 分子的无定形区密度下降，分子链被破坏，晶区的大 分子链断裂，并且在弱酸性条件下，改变了纤维的微 细结构，使纤维结晶度有一定程度下降。 2. 4 热失重曲线
纤维或纤维切片经导电处理制成SEM观察样品， 通过10万倍扫描电子显微镜( DXS- 10A型) ，观察并获 得竹原纤维纵向表面或横截面的SEM图像。 1. 3. 2 红外光谱测试
用傅利叶红外光谱仪( 美国Ni col e t 5700型) 测 量 样 品 的 红 外 吸 收 光谱 [ 4- 5 ] ， 制 样 采 用溴 化 钾 压 片 法 ， 光 谱 范 围 7 5 0 0 ～ 4 0 0 c m- 1， 光 谱 分 辨 率 优 于 0 . 25 cm- 1。
2) 酶处理的降解作用使部分纤维素大分子链发生 不同程度水解，由于苯环共扼效应，纤维素中典型的
参考文献： [ 1] 黄知清 ，杨春 波. 竹及 其纤维 的研究 开发现 状和发 展前
景[ J] . 广西化纤通讯，2003( 2) ：32- 36. [ 2 ] 吕 景春 ， 杜丽 萍 . 纤 维 素酶 在 棉织 物 抛 光工 艺 的应 用
松麻业有限责任公司提供。 1. 2 竹原纤维预处理和酶处理工艺
预处理工艺：竹原纤维→煮沸→滤去过量的水→ 丙酮置换( 3～4次) →干燥→Na OH水溶液浸渍→蒸馏水 反复洗→滤去过量的水→丙酮置换( 3～4次) →烘干。
酶处理工艺：酶25 mL/ L，pH5，温度55 ℃，处理 时间0. 5 h，浴比为1∶30。 1. 3 纤维形态和内部结构的测试方法 1. 3. 1 纤维截面形态观察
研究处理前后竹原纤维的形态和内部结构变化。研究结果表明：酶处理切断并还原纤维素分子链为葡萄糖，同时也降解了部分半纤维
素，使竹原纤维的结晶度降低；酶处理后的竹原纤维横截面微孔变大，纵面出现明显的侵蚀，裂纹有所增加；热稳定性基本不变。
关键词：竹原纤维；纤维素酶；结构；机理
中图分类号：TS195. 54
文献标识码：A
Abs tra ct: Im pl ementing chemi st ry pret reatment and cel lulase t reatment on bamboo fiber for modi fi cati on, the morphology and i nternal st ructure changes of t reated bamboo fibers were studied by SEM, FTIR, WAXS and other experimental techni ques . The res ults showed: cell ulas e treatment cut off and res tored the cellulos e molecul ar chain t o glucose and als o decompos e some hemi -cellulos e which lead t o lower crys tall inity; the cros s-s ecti on mi cro-porous of treat ed bamboo fi ber became l arger l ongitudinal-s ection appeared obvious erosion and cracks increased, but the thermal stability unchanged. Ke ywords : Bamboo fiber; Cell ulase; Structure; Mechanis m
随着人们生活水平的不断提高，消费者对纺织品 服装的要求越来越高，开发性能优良或具有高附加值 纤维是现代纺织科技发展的一个重要方向。竹原纤维 属天然纤维素纤维，目前较为成熟的竹原纤维改性工艺 主要是通过化学方法，如碱法改性、季铵碱阳离子改 性、氰乙基化改性、液氨处理、生物技术处理等[ 1] 。
生物技术可以改变传统化学改性因大量使用化学 助剂而严重污染环境的局面，同时使纤维性能得到改 善，如纤维素酶对天然纤维织物进行抛光整理，改善 其手感和柔软性[2- 3] 。到目前为止，纤维素酶只有对织 物表面整理的研究。本研究尝试用新的改性方法，即 利用化学预处理结合纤维素酶处理对竹原纤维进行改 性，期望进一步改善其织造和服用性能，并研究其作 用机理，为纤维素酶改性技术提供理论依据。
Ma r. 2 0 10 No . 0 3
3 353 cm- 1处的O—H伸 展振动所引起的吸收峰向高频方 向移动，同时1 742 cm- 1处的木质素吸收峰消失。
3) 酶处理后的竹原纤维的X- 射线衍射特征峰2θ角 并未发生明显变化，预处理后的竹原纤维再经过纤维 素酶处理，其结晶度为64. 3 %，相比未处理的竹原纤 维样品的结晶度下降了7. 7 %。酶处理切断并还原纤维 素分子链为葡萄糖，同时也降解了部分半纤维素，竹 原纤维的结晶度降低。