原位显微红外和X射线研究升温过程中桑蚕丝微观结构变化.pdf

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1、第28卷第9期高分子材料科学与工程Vo1．28，No．92012年9月POLYMERI、，IA1-ERIALSSCIENCEANDENGINEERINGSept．2012原位显微红外和X射线研究升温过程中桑蚕丝微观结构变化张瑞静，邵春光2，李倩2，曹伟2，张阳，刘成刚，申长雨2(1．郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001；2．郑州大学橡塑模具国家212程研究中心。河南郑州450002)摘要：在30℃300℃温度范围内利用二维广角x射线、显微红外光谱(Vr-IR)和偏光显微镜原位检测升温过程中脱胶桑蚕丝微观结构的变化。结果表明，升

2、温过程中，晶格的膨胀系数沿a轴和b轴表现出明显的各向异性，具有氢键作用的a轴方向晶格膨胀系数远远小于b轴方向；温度<180℃时，蚕丝结晶度变化不明显，但温度≥180℃，结晶度开始升高，部分分子链由无规线团构象向／?-sheet构象转变；由于纤维的炭化，280℃以后蚕丝的结晶度开始显著下降；整个加热过程中，晶体的取向度略微增加。关键词：桑蚕丝；晶格参数；结晶度；取向度中图分类号：TQ343．9文献标识码：A文章编号：1000—7555(2012)09—0116—04蚕丝是一种天然半结晶性生物纤维，具有良好的次，最后放入真空烘箱中50℃干燥2

3、4h。力学性能[1]和生物相容性。这些优异的外在性能源1．2材料表征于其丰富的多级结构：韧性的蛋白分子链，由[3-sheet1．2．I二维广角X射线衍射分析(WAXD)：德国结构和无定型区形成的网络【2l，层状晶区和无定型区Bruker公司生产的Nanostar型x射线衍射仪。将样组成的微纤【3J。众所周知，多级结构的耦合作用决定品垂直放置于加热装置内，以5℃／min升温至220了材料的宏观性能，而外界条件如温度又对微观结构℃，每5℃保持5min并进行一次采谱。有明显的影响。最近，Gli§0vic【J研究了蜘蛛丝的结晶1．2．2红外光谱分

4、析(IR)：美国Nicolet6700型度和晶胞参数等随温度的变化；Martel【5J等利用同步红外显微光谱仪。以5℃／min升温至320℃，每5℃辐射原位研究了温度场对蚕丝晶体结构的影响，但由保持5min并进行一次采谱；记录范围500cm～～于同步辐射对纤维结构可能造成破坏，因此实验存在4000CTn一，分辨率4cm一。误差。1．2．3偏光显微观察：OlympusBX一61型偏光显微镜本文在30℃300℃温度范围内，通过二维广角(日本奥林巴斯公司)。将一根脱胶蚕丝切成适当长度X射线衍射和傅里叶显微红外光谱(FT—IR)描述了温放人Lin

5、kamTMS600热台中，以5℃／min升温至320度场对晶体结构的影响；结合偏光显微镜，原位研究了℃，每5℃保持5min并采集一次图像。蚕丝纤维的热稳定性。2结果与讨论1实验部分2．1热处理对丝素纤维晶体结构的影响1．1原料及样品制备2．1．1衍射峰强度随温度的变化：WAXD实验结果原料选用南阳桑蚕丝；碳酸钠和蒸馏水等试剂为表明，丝素纤维晶体属于正交晶系，其晶胞参数为【J：市售分析纯。a=0．944nm(氢键方向的分子链间的距离)，b=脱胶蚕丝的制备：将0．5g蚕茧放入100mL蒸馏0．896nm(~sheet层与层间的距离)，c=0．

6、698nm(纤水中，90℃加热30min进行润膨，之后用温水清洗两维轴方向)。受衍射仪探测范围的限制，下面的分析中次；然后放人浓度为1．5g／L的碳酸钠溶液中90℃脱只讨论(010)，(020)，(210)和(030)晶面衍射峰的变化胶2h，每30min搅拌一次；取出后用温蒸馏水清洗3情况。收稿⋯刖：201l一()9—22笨金项目：国家自然科学金资助项Ij(511()3138)通讯联系人：邵l彳}光，主要从小商分子加】_=过程·㈨物理问题研究第9期张瑞静等：原位显微红外和x射线研究升温过程中桑蚕丝微观结构变化117对二维图谱(Fig．1a

7、)进行积分，分析蚕丝WAXD图中可以看出，在升温过程中(210)晶面的衍射强度比曲线在升温过程中的变化。如Fig．1b所示，当温度升(020)下降得快。这是因为(210)方向更接近(100)方至220℃时，晶体衍射峰仍然存在。一个值得注意的向，温度升高导致分子链侧基活动性增加，分子链排列现象是，随着温度的升高，原本重合的对应(020)、的规整性下降；而沿(010)方向，侧基的活动对结晶片(210)晶面的衍射峰开始变低并分离为两个独立的峰层规整度的影响较小。(Fig．1b)；对一维衍射谱图进行差分处理(Fig．1c)，从30℃I230℃5l

8、0152O2530510l520253020(。)20(。)Fig．1(a)2D-WAXDDiffractionPatternsat30℃and220℃。(b)1D-WAXDIntensity