木棉針刺吸油材料的預(yù)處理工藝

王彩英,本德萍，郭曉玲

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來隨著工業(yè)的快速發(fā)展，石油泄漏事件發(fā)生頻繁，一些環(huán)保型吸油材料的開發(fā)變得備受關(guān)注.木棉纖維是一種具有高中空度、質(zhì)輕、吸油，有一定疏水性，易生物降解的天然有機(jī)吸油材料[1-3].但木棉纖維長度短、表面光滑、抱合力差難以成網(wǎng)[4-5]，不利于保油；且木棉纖維中含有羥基，不利于吸油，需通過改性來提高其吸油性. 木棉纖維表面含有蠟質(zhì)、木質(zhì)素、果膠等，直接影響到改性的化學(xué)反應(yīng)性能[6]，因此改性之前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理.

目前，國內(nèi)大部分研究集中在木棉纖維或含木棉纖維的紗線堿處理工藝，以及對(duì)處理后的木棉纖維或紗線的結(jié)構(gòu)形態(tài)及浸潤性等進(jìn)行分析[7-10].Abdulahd等[11]發(fā)現(xiàn)堿處理后的木棉纖維吸油量下降.王錦濤等[12]對(duì)經(jīng)NaClO2預(yù)處理過的木棉纖維研究表明，其吸油倍率有一定提高，可重復(fù)性能得到改善，但未對(duì)預(yù)處理工藝進(jìn)行深入研究. 另外，木棉散纖維直接使用時(shí)回收困難，在外力作用下纖維吸收的油脂很容易滲漏，造成二次污染.因此，本文以木棉針刺非織造材料為研究對(duì)象，選用NaClO2試劑對(duì)其進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，深入探討預(yù)處理工藝對(duì)木棉針刺材料吸油性能的影響，為其進(jìn)一步改性提供條件，為開發(fā)性能優(yōu)異的木棉非織造吸油材料提供依據(jù).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

(1) 材料 木棉纖維(0.94 D×12 mm),丙綸(2.78 D×51 mm),亞氯酸鈉(NaClO2，天津歐博凱化學(xué)有限公司),36%乙酸(西安化學(xué)試劑廠),40#機(jī)油.

(2) 儀器 小型針刺生產(chǎn)線(太倉市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),HH-2恒溫水浴鍋,JA3003B電子天平(上海越平科學(xué)儀器有限公司),SHZ-88型雙數(shù)顯水浴恒溫振蕩器(金壇市岸頭林豐實(shí)驗(yàn)儀器廠),雷磁pHS-25 pH計(jì)(上海右一儀器有限公司),202-3A型烘箱(萊州市電子儀器公司),XTD-7045連續(xù)變倍體視顯微鏡(北京世紀(jì)科信科學(xué)儀器有限公司),Quanta-450-FEG SEM掃描電鏡(FEI,英國牛津)，170目金屬網(wǎng),秒表,玻璃棒,500 mL燒杯,廣口試驗(yàn)瓶.

1.2 木棉針刺非織造材料制備

木棉纖維難以單獨(dú)成網(wǎng),選擇對(duì)預(yù)處理工藝研究無影響的，易于成網(wǎng),吸油性能較好的丙綸纖維與木棉纖維進(jìn)行混紡.采用干法非織造成網(wǎng)技術(shù),通過針刺加固,制得木棉/丙綸(70/30),面密度204 g/m2,厚度4.26 mm,針刺密度290 刺/cm2,孔隙率89.96%的木棉針刺非織造材料.

1.3 預(yù)處理

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案 預(yù)處理的主要影響因素有試劑體積分?jǐn)?shù)、pH值、溫度、時(shí)間,參照相關(guān)文獻(xiàn)[9]可知,當(dāng)堿液質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)≤10 g/L時(shí)木棉纖維的浸潤性能逐漸增大,因此設(shè)定處理液體積分?jǐn)?shù)在0.5%左右,設(shè)定pH值為4.5和5.9,具體預(yù)處理實(shí)驗(yàn)方案見表1.

表 1 NaClO2預(yù)處理工藝實(shí)驗(yàn)方案

1.3.2 實(shí)驗(yàn)流程 按表1實(shí)驗(yàn)方案,分別在500 mL的燒杯中配置200 mL相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的處理液,調(diào)節(jié)相應(yīng)pH值,待水浴鍋的溫度達(dá)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度后,將5 cm×5 cm的木棉針刺吸油材料稱量過后浸入到處理液中放入水浴鍋，用玻璃棒翻轉(zhuǎn)木棉針刺吸油材料使其預(yù)處理均勻，按實(shí)驗(yàn)方案處理一定時(shí)間后,將試樣用玻璃棒撈出,用去離子水沖洗至中性，最后用烘箱在80 ℃條件下將試樣烘干待測(cè).

1.4 測(cè)試指標(biāo)及方法

1.4.1 質(zhì)量損失率 將處理前后的木棉針刺吸油材料分別稱重，記為W0和W1,木棉針刺吸油材料的質(zhì)量損失率

(1)

1.4.2 吸油倍數(shù) 參考JT/T 560—2004《船用吸油氈標(biāo)準(zhǔn)》,在室溫下將10 cm×10 cm預(yù)處理試樣在電子天平上稱重后放入盛有機(jī)油的燒杯內(nèi)浸漬5 min,然后用玻璃棒撈出,在金屬網(wǎng)(170目)上靜置5 min后再次稱重,最后計(jì)算吸油倍數(shù),具體計(jì)算公式為

1.4.3 吸水性 參考JT/T 560—2004《船用吸油氈標(biāo)準(zhǔn)》,在室溫下將10 cm×10 cm預(yù)處理試樣逐一在電子天平上稱重后放入盛有自來水的燒杯內(nèi)浸漬5 min,然后用玻璃棒撈出試樣放在金屬網(wǎng)(170目)上靜置5 min后再次稱重,最后計(jì)算吸水率,具體計(jì)算公式為

1.4.4 飽和吸油量 將5 cm×5 cm待測(cè)試樣逐一在電子天平上稱重,然后放入盛有機(jī)油的燒杯內(nèi)浸漬5 min及以上,用玻璃棒撈出試樣用吊角法使機(jī)油瀝下,60 s后稱重并記錄質(zhì)量.稱量過的試樣繼續(xù)放入機(jī)油中浸漬,幾分鐘后按以上方法再次稱重,直到稱得的質(zhì)量與前一次相同時(shí),說明此時(shí)吸油材料的吸油量達(dá)到了飽和,飽和吸油量計(jì)算公式為

飽和吸油量=吸油飽和質(zhì)量-吸油前質(zhì)量.

1.4.5 保油率 參考JT/T 560—2004《船用吸油氈標(biāo)準(zhǔn)》,在溫度為20 ℃,振蕩頻率為100 r/min的恒溫振蕩器，300 mL廣口瓶中,對(duì)5cm×5cm預(yù)處理試樣進(jìn)行保油率測(cè)試，即

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理工藝對(duì)吸油材料的結(jié)構(gòu)影響

經(jīng)不同預(yù)處理工藝處理后的試樣除白度有差異外,其表面光潔度、蓬松度及手感均無明顯變化.圖1為預(yù)處理前后吸油材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.可以看出,預(yù)處理后吸油材料內(nèi)部纖維的雜質(zhì)明顯減少,纖維纏結(jié)程度減弱,吸油材料的孔隙增大.

(a) 預(yù)處理前 (b) 預(yù)處理后圖 1 預(yù)處理前后木棉針刺吸油材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of the kapok needle oil absorbing material before and after pretreatment

2.2 預(yù)處理工藝對(duì)質(zhì)量損失率的影響

木棉纖維的化學(xué)成分主要是纖維素、半纖維素及蠟質(zhì)和木質(zhì)素等[13].預(yù)處理主要是在不損傷纖維素的情況下去除木棉纖維的木質(zhì)素等雜質(zhì),使其表面粗糙度增加,有利于進(jìn)一步改性.圖2為不同預(yù)處理工藝的試樣質(zhì)量損失率.

由圖2可知,隨NaClO2溶液體積分?jǐn)?shù)增大,預(yù)處理時(shí)間增加,溫度升高,pH值減小,試樣的質(zhì)量損失率均逐漸增大,原因是預(yù)處理主要去除木棉纖維中的木質(zhì)素[14],預(yù)處理反應(yīng)程度越大,去除的木質(zhì)素、果膠等越多,預(yù)處理試樣的質(zhì)量損失率越大,此外吸油材料內(nèi)部短纖維容易脫落也會(huì)使損失率增大.總體來說經(jīng)NaClO2溶液處理的試樣質(zhì)量損失率最大為4.3%,遠(yuǎn)小于堿處理的試樣質(zhì)量損失率18%[9].

預(yù)處理時(shí)間對(duì)質(zhì)量損失率的影響最大,初始階段吸油材料漂浮在溶液表面只有表層纖維與NaClO2溶液接觸,隨預(yù)處理時(shí)間增加,NaClO2溶液逐漸浸入到吸油材料內(nèi)部,與內(nèi)部纖維發(fā)生反應(yīng),損失率增大.

圖 2 預(yù)處理工藝對(duì)質(zhì)量損失率的影響 圖 3 預(yù)處理工藝對(duì)吸油倍數(shù)的影響 Fig.2 Effect of pretreatment on mass loss rate Fig.3 Effect of pretreatment on oil absorption ratio

2.3 預(yù)處理工藝對(duì)吸油倍數(shù)的影響

吸油倍數(shù)是評(píng)價(jià)吸油材料吸油性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),圖3為預(yù)處理工藝對(duì)吸油倍數(shù)的影響，1～8號(hào)為預(yù)處理試樣，9號(hào)為原樣.從圖3可知,預(yù)處理后試樣吸油倍數(shù)普遍有所下降,理論上預(yù)處理后木棉纖維表面粗糙度增加,吸油性能改善.但與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異,這可能是因?yàn)槲捅稊?shù)測(cè)試時(shí)間較短,而預(yù)處理試樣孔隙變大,對(duì)油分子的毛細(xì)管作用減弱,短時(shí)間內(nèi)油分子不易擴(kuò)散到吸油材料內(nèi)部且木棉纖維表層的蠟質(zhì)層不利于油分子快速擴(kuò)散到纖維內(nèi)部[15],故吸油材料的吸油倍數(shù)下降.

隨NaClO2體積分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間的增加,吸油倍數(shù)均先增大后減小;隨pH值增大,吸油倍數(shù)下降.用掃描電鏡對(duì)預(yù)處理前后木棉纖維進(jìn)行表征，如圖4所示.可以看出，預(yù)處理前木棉纖維表面光滑,預(yù)處理后纖維表面有明顯條狀凸起.這說明經(jīng)NaClO2預(yù)處理后纖維表面粗糙度提高,對(duì)油分子的吸附性能增加,吸油倍數(shù)增加,當(dāng)預(yù)處理反應(yīng)程度過大,材料的質(zhì)量損失率增大,吸油倍數(shù)下降.

(a) 預(yù)處理前 (b) 預(yù)處理后圖 4 預(yù)處理前后木棉纖維表面掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of kapok fiber befor and after pretreatment

2.4 預(yù)處理工藝對(duì)吸水性的影響

預(yù)處理試樣中木棉纖維的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生變化,吸水性能也發(fā)生變化，圖5為預(yù)處理工藝對(duì)吸水性的影響，1～8號(hào)為預(yù)處理試樣，9號(hào)為原樣.由圖5可以看出隨著NaClO2溶液體積分?jǐn)?shù)增大、預(yù)處理時(shí)間增加、溫度升高、pH值下降,吸水率均較原試樣有不同程度的增大.隨預(yù)處理工藝影響因素的變化,預(yù)處理反應(yīng)程度加劇,木棉纖維中木質(zhì)素與半纖維素和纖維素之間形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞,纖維素失去木質(zhì)素的保護(hù),對(duì)水的浸潤性增大,吸水率增大.預(yù)處理試樣吸水率越大,說明木棉纖維內(nèi)木質(zhì)素等去除程度越大,暴露的活性位點(diǎn)越多,越有利于進(jìn)一步改性.

2.5 預(yù)處理工藝對(duì)飽和吸油量的影響

對(duì)不同預(yù)處理工藝下試樣的飽和吸油量進(jìn)行測(cè)試,并與原樣(9號(hào))進(jìn)行比較,如圖6所示.大部分預(yù)處理試樣(1～8號(hào))較原樣的飽和吸油量略有增加,經(jīng)預(yù)處理后木棉纖維表面粗糙度增加,更有利于吸附油分子,因而預(yù)處理試樣的飽和吸油量略有增加,但有研究表明經(jīng)NaClO2處理后的木棉纖維吸油量明顯提高[14,16].其原因可能是木棉針刺非織材料不同于散狀木棉纖維,其飽和吸油量不僅取決于木棉纖維本身,還取決于材料的網(wǎng)狀疏松結(jié)構(gòu),預(yù)處理使可吸收油分子的木棉纖維根數(shù)減少,從而吸油性能減弱.

圖6中少數(shù)試樣飽和吸油量下降的原因可能是由于NaClO2溶液對(duì)試樣處理過度,試樣損失率增大,內(nèi)部纖維纏結(jié)程度降低,致使飽和吸油量下降.

圖 5 預(yù)處理工藝對(duì)吸水性的影響 圖 6 預(yù)處理工藝對(duì)飽和吸油量的影響 Fig.4 Effect of pretreatment on water Fig.6 Effect of pretreatment on saturated imbibition oil absorption

2.6 預(yù)處理工藝對(duì)保油率的影響

對(duì)NaClO2體積分?jǐn)?shù)0.4%,pH值4.5,溫度70℃,時(shí)間1h的預(yù)處理試樣和原樣進(jìn)行保油率測(cè)試,結(jié)果見表2.由表2可知,原樣的保油率為95.6%,預(yù)處理試樣的保油率為93.5%,經(jīng)預(yù)處理后吸油材料的保油率略有下降.預(yù)處理后吸油材料對(duì)水的吸收能力明顯增加,吸油倍數(shù)略微下降,根據(jù)保油率計(jì)算公式,保油率下降.

表 2 預(yù)處理試樣與原樣的保油率

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)不同預(yù)處理工藝處理的試樣質(zhì)量損失率明顯低于堿處理,大部分試樣飽和吸油量略有增加.試樣的吸水率明顯增大,木棉纖維中木質(zhì)素等被去除明顯,同時(shí)纖維表面粗糙度提高,有利于吸油材料的進(jìn)一步改性,但保油率略有下降、吸油倍數(shù)略有下降,有待進(jìn)一步完善.

(2) 當(dāng)NaClO2體積分?jǐn)?shù)0.4%,反應(yīng)溫度70 ℃,反應(yīng)時(shí)間1 h,溶液pH值4.5時(shí)有較好的預(yù)處理效果,木棉針刺吸油材料的吸油倍數(shù)為20.9 g/g,吸水率為50.6%,損失率3.3%,飽和吸油量為9.77 g,保油率93.5%.

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