吳春芳,金 超,朱子銳,劉 鵬,張宏斌

(復旦大學 圖書館 中華古籍保護研究院,上海 200433)

自造紙術(shù)發(fā)明以來,我國手工紙在人類文明史上扮演著非常重要的角色,對世界文明的發(fā)展作出了極其重要的貢獻。然而,這些紙張在長時間的保存過程中會持續(xù)劣化,最終導致?lián)p毀,歷史信息也會隨之消失。無論是何種保護手段,都需要建立在對手工紙的科學認識之上。從古籍保護的角度出發(fā),手工紙研究關(guān)注兩方面的問題: 一方面是揭示紙質(zhì)材料的纖維形貌與物理性能;另一方面是深刻理解在不同保存條件下紙質(zhì)材料的耐久性與降解性能,而這兩者的核心問題便是纖維素結(jié)晶度與結(jié)晶結(jié)構(gòu)的解析。

1 手工紙與纖維素的簡介

我國有大量古籍,但是對古籍紙張的研究卻很少,研究的困難不僅在于原料的廣泛性,還有“傳統(tǒng)”造紙工藝帶來的諸多不確定性。雖然規(guī)模大小各異,但國內(nèi)有百余家傳統(tǒng)紙坊,近千種手工紙,不同的紙張?zhí)匦栽黾恿思垙堁芯康膹碗s性。

紙張最主要的成分是纖維素,它的鏈結(jié)構(gòu)是一種由D-吡喃葡萄糖環(huán)以β-1,4糖苷鍵鏈接的線性高分子[1],且纖維素分子鏈中的羥基形成了大量的分子間和分子內(nèi)氫鍵,如圖1(d)(見第590頁)所示。天然纖維素又叫纖維素Ⅰ型,這種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)在熱力學上是亞穩(wěn)態(tài)的,在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為纖維素Ⅱ型或Ⅲ型。紙張的主要原料來源于自然界中的高等植物,對紙張纖維素的研究主要集中于Ⅰ型纖維素。Ⅰ型纖維素存在兩種晶型——三斜結(jié)構(gòu)的Ⅰβ型和單斜結(jié)構(gòu)的Ⅰα型,Ⅰα和Ⅰβ晶型在纖維素中的存在比例取決于纖維素的結(jié)構(gòu)。Ⅰβ型是高等植物中的主要存在形態(tài),而Ⅰα型則是一種罕見的形態(tài),它是一種亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu),在堿性熱處理下會轉(zhuǎn)變成Ⅰβ型[2]。纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[3]最早由Carl von N?geli建立,傳統(tǒng)的兩相模型包含有序的結(jié)晶區(qū)和無序的非晶區(qū)(圖1(c)見第590頁)[4]。近年來,還逐漸發(fā)展出次晶區(qū),所謂次晶區(qū)是指纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的運動性不如非晶區(qū),且其有序性低于結(jié)晶區(qū)。

圖1 纖維素的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of cellulose

結(jié)晶結(jié)構(gòu)對于纖維素材料的物理、化學性質(zhì)與力學性能都有重要影響[5]。通常,隨著纖維素結(jié)晶度的提高,纖維素材料的剛性增加,其耐折性與彎曲性能下降[6-8]。與非晶區(qū)不同,結(jié)晶區(qū)能阻礙降解過程中質(zhì)子或自由基對糖苷鍵的攻擊[9-12]。因此,較高的結(jié)晶度能夠提高纖維的穩(wěn)定性與耐久性[13]。所以對于纖維素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的深刻理解有利于揭示紙張的性能與老化機理。

值得一提的是,由于手工紙中還含有半纖維素和木質(zhì)素等其他組分,所以直接測試手工紙所得出的結(jié)晶度為表觀結(jié)晶度,通常稱為紙張結(jié)晶度。雖然紙張結(jié)晶度是依據(jù)纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析方法獲得的結(jié)晶度,但在表述時要注意區(qū)別紙張結(jié)晶度與纖維素結(jié)晶度,明確紙張中半纖維素和木質(zhì)素等其他組分對紙張中纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。

2 纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測定方法

結(jié)晶度是纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)最重要的性質(zhì)參數(shù)之一。結(jié)晶度通常用來表征纖維素材料結(jié)晶部分的含量,主要用來表征纖維素材料在物理、化學或生物方法處理后的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律[14]。盡管結(jié)晶度的測定已有很長的歷史,但是不同測定方法所得的結(jié)果并不相同。目前,研究纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)最常用的方法有X射線衍射法(X-ray Diffraction,XRD)、傅里葉變換紅外光譜法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)和核磁共振法(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)[1,15-16],其光譜結(jié)果分別如圖2所示。

XRD法是利用X射線對材料進行衍射,從而得到材料的成分和結(jié)構(gòu)等信息。XRD測定纖維素結(jié)晶度是基于結(jié)晶-非晶兩相模型提供樣品中結(jié)晶區(qū)與非晶區(qū)的含量[17]?；赬RD測試結(jié)果,可以通過峰高法(Peak Height Method)、反卷積法(Peak Deconvolution Method)、標樣法(Amorphous Subtraction Method)等來確定纖維素的結(jié)晶度[1]。峰高法是最直接也是最常用的方法[1,17],可直接讀取結(jié)晶區(qū)(200)晶面與非晶區(qū)(Amorphous Region)的衍射強度并通過相應(yīng)的計算即可獲得結(jié)晶度,通常其絕對值在諸多方法中最大。如圖2(a)所示,纖維素的XRD圖譜中出現(xiàn)了明顯的特征峰——4個分別對應(yīng)纖維素不同晶面的結(jié)晶峰和1個非晶衍射峰。2θ角為22.4°時所對應(yīng)的晶面即為(200)晶面,位于14.5°、16.5°和34.5°處的2θ角則分別對應(yīng)纖維素的(110)、(10)和(004)晶面。在(10)與(200)晶面間,即2θ角為18°處出現(xiàn)的低強度衍射峰對應(yīng)的即為非晶衍射峰,通過Cr.I.=×100%即可計算得到纖維素結(jié)晶度[1]。與峰高法相比,反卷積法則需要劃定基線,整個過程較為繁瑣,但是由此法可以獲得詳細的晶胞尺寸信息[2,18-19]。因此,此法應(yīng)用最為廣泛。從理論上來說,采用標樣法測定結(jié)晶度是最標準的方法,但是100%結(jié)晶的純纖維素樣品很難獲得,純非晶纖維素的樣品也同樣難以制備。另一方面,在不同條件下制備的標樣難免導致分析結(jié)果的差異,所以,這種標樣如何在更廣的范圍內(nèi)統(tǒng)一使用也是值得思考的問題。如果還考慮樣品中木質(zhì)素和半纖維素等其他組分的影響,整個問題也將更加復雜。

圖2 紙張纖維素的XRD(a)、FT-IR(b)和NMR(c)測試圖Fig.2 The X-ray diffractogram(a),FT-IR(b)and NMR(c)spectra of cellulose

FT-IR能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息和組成信息,相同的基團或者不同的基團在不同的化學環(huán)境下所呈現(xiàn)的吸收波長和吸收強度有明顯差異。因此,FT-IR法非常適合表征碳氫有機質(zhì),且這是一種定性、半定量的分析手段。FT-IR法作為一種無損分析手段,在文物檢測領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。纖維素在FT-IR譜圖中有明顯的特征峰,其主要特征基團歸屬如表1所示[5,16,20],因此在分析纖維素中的基團與氫鍵時通常采用的方法就是FT-IR。對于纖維素的結(jié)晶度不僅可以采用FT-IR譜圖分析,還可通過經(jīng)驗公式O'KI和NO'KI法來定量計算。所謂O'KI法是指用位于1 427 cm-1和897 cm-1處特征峰的吸光度的比值作為紙張的結(jié)晶度,NO'KI法則采用1 372 cm-1和2 900 cm-1處峰的吸光度比值為紙張結(jié)晶度[21]。使用FT-IR法需要注意的是根據(jù)樣品的存在狀態(tài)選擇不同的測試模式。當測定微晶纖維素等粉末狀樣品時,可以選擇KBr壓片法,還可以使用衰減全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)模式直接測試。但是對于有一定長度的紙張纖維,與KBr混合時可能發(fā)生團聚,從而導致分散不均勻。因此,有一定長度的紙張纖維的紅外光譜只能通過ATR模式進行測定。測試過程中需要確保樣品壓實且能接收到足夠的信號強度,分析ATR模式測得的透射譜圖,不僅要查看基線是否水平,還要看透射率是否超過50%,在轉(zhuǎn)換為吸光度值前還需進行ATR校正,最終才能獲得可以使用的FT-IR譜圖。在3 000～4 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi),還可通過光譜2階導數(shù)確定氫鍵的位置信息,進一步通過去卷積獲得分子間氫鍵O(6)—H—O(3')與分子內(nèi)氫鍵O(3)—H—O(5)和O(2)—H—O(6)的含量信息[12]。由此可見,FT-IR也可以用來研究在不同處理方式下纖維素官能團和氫鍵的變化。

表1 本文紙張FT-IR光譜主要特征基團歸屬[5,16,20]Tab.1 The characteristic FT-IR peaks of cellulose in paper

XRD法可以獲得纖維素的結(jié)晶度以及晶胞參數(shù),但是不能確定纖維素的分子結(jié)構(gòu)與聚集狀態(tài)。FTIR能夠提供可靠的纖維素官能團和氫鍵信息,但同樣不能解析纖維素的多級聚集體結(jié)構(gòu)。而對此最有效的方法是NMR法。NMR譜有很多種,對于研究纖維素來說最有效的是交叉極化/魔角旋轉(zhuǎn)碳核磁共振(CP/MAS13C NMR)譜[22-24]。這是一種能夠定量確定纖維素固態(tài)相結(jié)構(gòu)信息的先進表征手段,可直接測定,無需溶解纖維素[16]。通過光譜擬合,不僅能夠分析纖維素結(jié)晶態(tài)超結(jié)構(gòu)[25-30],檢測在化學或機械處理過程中纖維素的結(jié)構(gòu)變化[5,31-37],還可以確定其他組分的含量,如,可以通過56.3 ppm(1 ppm=10-6)處甲氧基基團含量進而來確定樣品中木質(zhì)素的含量[30]。

CP/MAS13C NMR譜圖(見圖2(c))能夠基于C-1、C-2,3,5、C-4及C-6區(qū)信號峰提供十分豐富的纖維素超結(jié)構(gòu)信息。紙張13C NMR主要特征峰歸屬如表2所示[38-39],其中,C-1和C-4區(qū)應(yīng)用最廣泛。纖維素Ⅰ型是由Ⅰα和Ⅰβ組成的混合晶型,盡管能通過XRD結(jié)果來判斷哪種晶型更占優(yōu)勢,但是仍難以確定不同晶型的精確含量。相比之下,C-1區(qū)能夠通過3個Lorentzian和1個Gaussian擬合來確定Ⅰα、Ⅰβ以及次晶區(qū)的含量[32-33]。C-4區(qū)所提供的信息更加豐富[37]。首先,可以通過分峰法(Peak Separation Method)估算結(jié)晶度的大小。通常C-4區(qū)由2部分組成,分別為80～86 ppm的非晶區(qū)和86～92 ppm的結(jié)晶區(qū),通過分峰法獲得二者的面積,進而通過所占整體的比例計算結(jié)晶度。其次,還可以通過去卷積法來獲得各自內(nèi)部不同晶型的歸屬和含量。但由于峰彼此重疊嚴重,從擬合譜圖中獲得結(jié)晶區(qū)不同晶型、非晶區(qū)的含量以及結(jié)晶度不是特別準確。此外,還可由C-4區(qū)通過可及表面與不可及表面的含量來分析纖維素基原纖和微原纖的尺寸,由此可以監(jiān)測纖維素材料在經(jīng)物理、化學或生物處理時超結(jié)構(gòu)的變化。

表2 本文紙張固態(tài)13 C NMR主要特征峰歸屬[16,28,38-39]Tab.2 The characteristic solid 13 C NMR peaks of cellulose in paper

樣品通過NMR檢測獲得的結(jié)晶度通常比XRD檢測偏小。一方面,XRD檢測法對纖維素鏈聚集結(jié)構(gòu)的周期性更敏感,任何有益于周期性長程有序結(jié)構(gòu)都將提高結(jié)晶區(qū)含量,但并不局限于結(jié)晶區(qū)內(nèi)部。而NMR檢測更關(guān)注結(jié)晶結(jié)構(gòu)的完整性,信號峰的強度依賴于晶相內(nèi)部的C原子數(shù)目[40]。造成這兩種方法結(jié)晶度差異的另一個因素是,半纖維素與木質(zhì)素的影響在NMR方法中更易去除,而在XRD方法中由于與非晶區(qū)的廣泛重疊不易分離故影響較大。

3 測試樣品制備方法探討

3.1 粉碎處理的影響

不同方法處理后,紙張結(jié)晶度的變化并不完全相同[41-42]。為了獲得更加均勻的樣品,物理粉碎是最常用的處理方式,均勻的樣品在FT-IR和XRD測試時更為方便,對于NMR測試制樣也更為方便。但是粉碎,甚至過篩都是值得商榷的。一方面,粉碎會導致紙張纖維中微原纖被打碎,從中分離出基原纖(見圖1(b))。有研究顯示紙張纖維素的9個基原纖聚集成1個微原纖,經(jīng)粉碎機處理后微原纖的尺寸下降,變?yōu)?個基原纖的聚集體,如圖3(a)所示[43]。此時,纖維素暴露了更多的可及表面,使得其表面性質(zhì)發(fā)生改變,不再能代表原始樣品的狀態(tài)。同時,粉碎并未使基原纖彼此徹底分散,而是微原纖受到剪切后,部分基原纖從微原纖中被剝離出來,導致聚集體尺寸減小,如圖3(b)所示。且在此過程中,原本處于晶區(qū)的纖維素分子鏈被剝離后,晶區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷^(qū)[44]。非晶區(qū)增多,導致紙張的結(jié)晶度下降。粉碎處理對于纖維素結(jié)構(gòu)的影響也得到了FT-IR結(jié)果的證實。在FT-IR光譜中,粉碎后分子間氫鍵總量下降,說明粉碎處理破壞了分子鏈之間的鏈接狀態(tài),將分子鏈從結(jié)晶區(qū)中剝離出來[43]。

圖3 纖維剪切示意圖Fig.3 The schematic diagram of fiber shearing

雖然粉碎方式有所不同,如刀式粉碎、球磨等,但樣品經(jīng)過粉碎處理必然伴隨著結(jié)構(gòu)變化,所以用粉碎后的結(jié)果來分析未粉碎的樣品,結(jié)論顯然是不準確的。事實上,不僅僅是對于紙張或纖維素材料,對于高分子材料都不能通過物理粉碎來制樣,更不能過篩。過篩是一種擇優(yōu)取樣的做法,挑選出結(jié)構(gòu)或尺寸相近的部分樣品,并不能代表全部樣品的特征。

與物理處理方法不同,化學方法往往可以提高結(jié)晶度,這是由于結(jié)晶區(qū)對化學試劑的攻擊具有一定的屏蔽性,化學試劑在結(jié)晶區(qū)的可及性低,有序的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻礙了化學試劑的進入,所以化學試劑通常首先作用于非晶區(qū),致使非晶區(qū)含量減少,樣品的結(jié)晶度提高。

3.2 樣品干濕態(tài)的影響

纖維素在進行XRD和FT-IR測試時使用的都是干態(tài)樣品,但在NMR研究中最常見的樣品卻有干濕之分。有研究顯示濕態(tài)的纖維素樣品NMR信號峰比干燥樣品的強度更大,這是因為充足的水分提高了非晶區(qū)內(nèi)分子鏈的移動性,進而提高了信號峰的分辨率[45-47]。濕態(tài)測試法為NMR的主流測試方法。然而,有學者認為這種濕態(tài)法存在兩個不得不考慮的問題[45]: 其一,樣品的水分和測試參數(shù)在檢測過程中存在不確定的改變,且這種改變帶來的影響并不統(tǒng)一,結(jié)果也很難比較;其二,在多相結(jié)構(gòu)評估時難以將非晶部分從結(jié)晶區(qū)中分離出來,這是由譜圖的連續(xù)性造成的。結(jié)晶區(qū)與非晶區(qū)連續(xù)出現(xiàn)且會部分重疊,而不能明確區(qū)分,那么重疊的影響難以避免。所以,干態(tài)樣品或經(jīng)過一定濕潤處理的樣品進行在NMR測試中都有使用[38,48-49]。

有學者認為應(yīng)該區(qū)分檢測物的狀態(tài)和用途。一方面,原本就處在水中的濕態(tài)紙漿,對其直接分析可以獲得制漿過程中紙漿的結(jié)構(gòu)變化。與此同時,測試的結(jié)果還能說明纖維在水中的存在狀態(tài)和變化規(guī)律。同時還需要注意,制漿過程中木質(zhì)素和半纖維素的去除會導致纖維素外層磁環(huán)境發(fā)生改變[36,50]。另一方面,干燥方法會影響微纖聚集尺寸[36]。干燥-再濕潤的樣品會對纖維素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的改變從而產(chǎn)生角質(zhì)化,進而影響纖維素NMR的結(jié)果[37,51]。這些角質(zhì)化的樣品具有較大的微纖尺寸,無法恢復到原始狀態(tài)[46,52]。由此可見,再濕潤紙張的超結(jié)構(gòu)會因不同程度的角質(zhì)化而使得NMR的分析具有一定的不確定性。

與此同時,還有研究指出,低濕度水平的樣品足以支持纖維素超結(jié)構(gòu)的分析[39,53]。而對于較高質(zhì)量且完好的紙張,可以卷起來測試,對于有損壞的紙樣則可以在轉(zhuǎn)子中壓實后再測試[54]。低濕度水平較佳的處理條件: 溫度23℃,相對濕度為50%[55]。在此條件下,不僅能夠進行NMR測試,還能夠進行其他表征如XRD和FT-IR,以及相應(yīng)的物理性能檢測從而分析樣品的結(jié)構(gòu)與性能,避免了用濕態(tài)下的結(jié)構(gòu)來分析干態(tài)下的性能結(jié)構(gòu)。

因此,對于紙漿或紙張的NMR測試狀態(tài)建議根據(jù)不同的目的來選取濕態(tài)或干態(tài)進行檢測,通常紙漿應(yīng)選在濕態(tài)下進行檢測,而成品紙張則應(yīng)在干態(tài)下進行檢測。

4 結(jié)論

本文介紹了手工紙和纖維素結(jié)晶度最常用的3種檢測方法XRD、FT-IR和NMR。這些方法可以從不同的角度來獲得纖維素基團、分子鏈結(jié)構(gòu)、氫鍵含量、結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等多級結(jié)構(gòu)信息。但是,每一種測試方法都有一定的測試范圍與分析技巧,以及需要注意的事項。最重要的,需要最大程度地保持測試樣品的原始狀態(tài),減少外界因素對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。本文僅對紙張纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)測定進行了介紹,希望對高分子材料的相關(guān)測試也能起到一些啟發(fā)作用。