Polarised ATR-FTIR Characterisation of Cellulosic Fibres in Relation to Historic Artefacts

SUMMARIES

The utility of polarised attenuated-total-reflectance (ATR) FTIR spectroscopy was investigated for the identification of cellulosic fibres and characterisation of their state of degradation.

Turning the polariser so that the electric vector is parallel (Epll) or perpendicular (Eprp) provides a means of assessing the orientational crystallinity of cellulose from the polarised spectra of aligned plant fibres. Analysis of the spectra can reveal both the angle of microfibrillar wind and its directionality. Here, the best fits to the data suggest: flax 7°/S-spiral; sisal 25°/Z-spiral; coir 70°/S-spiral, where the predominant twist is given for the outer cell-wall regions sampled.

Polarised-ATR-FTIR also allows degradation of the amorphous component of cellulose to be highlighted, by recording spectra with the optimum alignment of fibre and polariser. Changes observed on thermal ageing of flax in air at 190 °C are consistent with oxidation of amorphous cellulose and formation of carbonyl and carboxylate moieties; the non-dichroic nature of the carbonyl band confirms that the ordered crystalline regions were not primarily involved.

Une étude a été faite pour mesurer l'intérêt d'une spectroscopie polarisée à réflectance totale atténuée (ATR) FTIR pour l'identification des fibres cellulosiques et la caractérisation de leur état de dégradation.

Le fait de tourner l'unité de polarisation de telle sorte que le vecteur électrique soit parallèle (Epll) ou perpendiculaire (Eprp) nous procure un moyen d'identifier la cristallinité orientationelle de la cellulose à partir des spectres polarisés des fibres alignées. L'analyse du spectre peut révéler à la fois l'angle de torsion microfibrilaire et sa directionalité. Une interprétation adéquate des données suggère ce qui suit : fibre de chanvre 7° spirale en S ; fibre de sisal 25° spirale en Z ; fibre de coco 70° spirale en S. La torsion prédominante se trouve dans les régions extérieures des membranes cellulaires des échantillons.

Cette méthode polarisée ATR-FTIR permet aussi d'éclairer le processus de dégradation dans les domaines amorphes de la molécule de cellulose en observant les spectres dans un alignement optimal des fibres et de l'unité de polarisation. Les modifications observées sur le vieillissement thermique du chanvre à une température de 190°C sont en relation avec l'oxydation de la cellulose amorphe et la formation de zones carbonyles et carboxyles. Le fait que les groupes de carbonyle ne soient pas diochromes confirme bien que les régions cristallines alignées ne sont pas primairement impliquées.

Es wurde der Nutzen von abgeschwächter polarisierter Totalreflexions-Spektrographie (ATR-FTIR) für die Erkennung von Cellulosefasern und zur Beschreibung ihres Abbauzustandes untersucht.

Wenn man die Polarisiereinheit so dreht, daß der elektrische Vektor parallel (Epll) bzw. senkrecht (Eprp) steht, erhält man die Möglichkeit die orientierungsspezifische Kristallinität der Cellulose aus den polarisierten Spektren von geordneten Fasern zu erkennen. Die Analyse der Spektren kann Auskunft geben sowohl über den Windungswinkel der Mikrofibrillen als auch über dessen Ausrichtung. Eine angemessene Interpretation der Daten legt folgendes nahe: Flachs 7°S-spiralig; Sisal 25°Z-spiralig; Kokosfaser 70°S-spiralig. Die vorherrschende Drehung findet sich in den äußeren Zellwandregionen einer Probe.

Die Analysetechnik ermöglicht es auch, den Abbau in den amorphen Bereichen des Cellulosemoleküls zu beleuchten, nämlich durch die Beobachtung der Spektren bei optimaler Ausrichtung von Fasern und Polarisiereinheit. Die Veränderungen, die man beobachtet, entsprechen der Oxidation von amorpher Cellulose und dem Entstehen von carbonyl- und carboxylhaltigen Bereichen. Die Tatsache, daß Carbonylbanden nicht diochrom sind, bestätigt, daß die kristallinen Bereiche hieran nicht primär beteiligt sind.