我們知道，在不加柔順劑洗滌并自然干燥的情況下，棉毛巾往往會變硬。但你可曾想過這是為什么呢？
在之前的研究中，花王公司的研究小組認(rèn)為結(jié)合水——一種在材料表面表現(xiàn)出獨特性質(zhì)的特殊水——與硬化有關(guān)。該小組提出了一個理論模型，在這個模型中，留在棉表面的結(jié)合水通過毛細粘附的過程在單纖維之間引起交聯(lián)。
近日，借助于原子力顯微鏡和原子力顯微鏡-紅外光譜，花王公司Takako Igarashi、北海道大學(xué)Ken-ichiro Murata研究小組直接觀察到在自然干燥條件下，棉單纖維表面存在結(jié)合水，并且結(jié)合水的氫鍵狀態(tài)不同于游離水。由于空氣-水（疏水性）和水-纖維素（親水性）界面的作用，OH基的兩種伸縮振動模式明顯地相互分離。這一研究為花王公司的模型提供了有力的證據(jù)，表明結(jié)合水的微觀性質(zhì)與棉織物的宏觀力學(xué)行為之間可能存在聯(lián)系。相關(guān)工作“Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy”為題發(fā)表在Journal of Physical Chemistry C上。
一、自然干燥棉花束的硬化現(xiàn)象
研究者比較了自然干燥制備的棉花束與在洗衣機中通過物理攪拌強制排水（例如搖晃）干燥的棉花束，可以看出前者變得僵硬，仿佛粘在一起，而后者則是柔順的。對于在自然干燥條件下制備的棉紗的彎曲力（B值）的測量表明，只要施加一次彎曲力，棉束的剛度就會明顯降低，即使反復(fù)施加相同水平的力，也不會發(fā)生進一步的變化。有趣的是，在不施加力等待一定時間后剛度會恢復(fù)，類似于隨機系統(tǒng)中所謂的自恢復(fù)現(xiàn)象，這意味著由于結(jié)合水的存在，每一根因彎曲而分離的纖維會再次連接。
二、AFM力曲線證實棉的最外表面存在結(jié)合水
在不同濕度水平下，接近和遠離棉單纖維時的AFM力曲線可以清楚地看到接近和遠離過程中的遲滯現(xiàn)象，這是毛細粘附的特征，表明棉的最外表面存在結(jié)合水。此外，分離力的最大值隨著濕度的增加而增加，表明濕度控制了有助于探針粘附的結(jié)合水的量。雖然還沒有觀察到結(jié)合水本身所導(dǎo)致的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)果支持了單纖維上殘留的結(jié)合水起到交聯(lián)劑作用、在自然干燥的棉的剛度產(chǎn)生中起著關(guān)鍵作用的假設(shè)。
三、ATR-IR譜進一步證明最外表面結(jié)合水的存在
為了了解棉織物最外層結(jié)合水的微觀性質(zhì)，研究者采用ATR-IR譜研究了其氫鍵狀態(tài)?？梢钥闯鲞@兩種棉的光譜存在差異，這表明存在結(jié)合水，但差異并不顯著。差值譜對應(yīng)于棉表面純結(jié)合水部分，該譜與游離液態(tài)水的特征相似，然而由于噪聲水平的影響，差值譜的質(zhì)量不足以討論結(jié)合水的微觀性質(zhì)，包括與游離水的差異。
四、AFM-IR表明結(jié)合水存在兩種不同的結(jié)合方式
為了提取結(jié)合水的真實微觀信息，研究者采用了另一種表面敏感的方法AFM-IR，可以獲得空間分辨率達10nm的紅外光譜。圖像可以清楚地看到在每個點都具有高再現(xiàn)性的兩個特征峰。在真空加熱下除去殘余水后，得到兩個小峰與計算出的纖維素OH伸縮振動模式的分析相匹配。由此可知，AFM-IR中的兩個特征峰來自于棉單纖維表面的結(jié)合水。
結(jié)合水的譜圖顯示，OH基的兩種伸縮振動模式明顯地是相互分離的，這與游離液態(tài)水寬梯形的光譜相反，表明結(jié)合水的氫鍵狀態(tài)受與纖維素表面相互作用的影響。若這兩種振動模式反映了結(jié)合水中不同類型的氫鍵狀態(tài)，可以自然地將其分別解釋為對應(yīng)于棉纖維-水界面處的水（較高波數(shù)一側(cè)，與纖維素的羥基結(jié)合）或水-空氣界面處的水（較低波數(shù)一側(cè)，由于疏水作用而形成強氫鍵）。這也可通過Nihonyanagi等人的研究得到支持。
小結(jié)：
文章的通訊作者Ken-ichiro Murata表示：“實驗表明，在棉花表面明顯存在結(jié)合水，這有助于某些動態(tài)特性，如由毛細粘附調(diào)節(jié)的硬度。此外，結(jié)合水本身也表現(xiàn)出不同于普通水的獨特氫鍵狀態(tài)。”另一位通訊作者Takako Igarashi補充道：“人們一般認(rèn)為柔順劑可以減少棉纖維之間的摩擦。然而，我們的研究結(jié)果表明，結(jié)合水參與了棉花的硬化過程，這為我們了解柔順劑的工作原理提供了新的視角，并有助于我們開發(fā)更好的藥劑、配方和體系?！?/p>
另外，研究者在文章中指出，這項研究中還沒有直接觀察到結(jié)合水本身帶來的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。填補結(jié)合水微觀性質(zhì)與棉織物宏觀力學(xué)行為之間的空白，也是近期需要解決的重要問題。
那么，聰明的你，是否心里早就有了答案？
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