木棉纖維粉末的制備及其油液吸附性能

徐艷芳， 徐廣標(biāo)， b

(東華大學(xué)a. 紡織學(xué)院； b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

木棉纖維是木棉樹的果實(shí)纖維，屬單細(xì)胞纖維，附著于木棉蒴果殼體內(nèi)壁，由內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育、生長(zhǎng)而成。單根木棉纖維主要由纖維素(64%)、木質(zhì)素(13%)和多糖(23%)組成[1-4]，其結(jié)構(gòu)呈管狀中空結(jié)構(gòu)，中空度在77%以上。由于木棉纖維長(zhǎng)度短且強(qiáng)度低，單獨(dú)紡絲效果差，其常與其他纖維如棉纖維混合紡紗制備木棉纖維混紡織物。木棉纖維通常用作填充物，特別是用于救生衣、床上用品以及隔聲和隔熱材料[5]。木棉纖維具有大中腔、小密度、良好的浮力和出色的疏水性/親油性，已被用作從油污水中去除或分離油類的天然吸附劑[6]。據(jù)報(bào)道，1 g木棉纖維可以選擇性地從油水混合物中吸附約40 g原油，對(duì)柴油、機(jī)油和潤(rùn)滑油的吸附量為30～50 g[3，7-8]。同時(shí)，由于木棉纖維良好的油液吸附和保留性能，其在用于軸承潤(rùn)滑的含油纖維潤(rùn)滑材料方面具有巨大潛力。潤(rùn)滑領(lǐng)域使用的纖維材料主要是短纖維或纖維粉末，可以通過手動(dòng)或機(jī)械壓入的方式將含油纖維芯吸材料輸送到存儲(chǔ)位置，例如軸承端蓋或軸承的凹口內(nèi)。當(dāng)軸承運(yùn)行時(shí)，與軸承表面接觸的含油纖維粉末芯吸材料在毛細(xì)作用和熱量的作用下釋放油；當(dāng)軸承不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，釋放的油可以返回到承載的芯吸材料，從而形成了一種無需另外添加潤(rùn)滑劑的軸承。已有專利[9-11]報(bào)道了棉短纖維和木漿粉可用于軸承潤(rùn)滑。木棉纖維作為吸附載體，其吸油能力要高于棉纖維和木漿纖維，從這個(gè)角度而言，較高的吸油量意味著木棉纖維具有釋放更多油液的巨大潛力。然而，很少有研究者關(guān)注木棉纖維粉末材料的基本性能以及在不同條件下的油液吸附性能。

木棉纖維經(jīng)過機(jī)械切斷的方式加工成木棉纖維粉末，其聚集態(tài)會(huì)發(fā)生變化，纖維粉末間的孔隙明顯減小，其自然狀態(tài)下的體積密度比原纖維會(huì)有明顯的升高。這種變化將會(huì)導(dǎo)致散纖維粉末集合體的油液吸附能力發(fā)生變化。已有的大多研究[8，12-13]是針對(duì)木棉原纖維集合體的油液吸附特性的，鮮有研究涉及粉末狀的木棉纖維多孔材料。本文采用機(jī)械切斷方式得到木棉纖維粉末并測(cè)試其基本物理性能，研究木棉散纖維粉末集合體的油液吸附能力，并討論了其在不同體積密度條件下的油液吸附特性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用印尼地區(qū)爪哇木棉纖維。木棉纖維粉末是將木棉纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎得到的，采用的設(shè)備為纖維粉碎機(jī)(SBJ 800型，青航機(jī)械，中國(guó))。另一種試驗(yàn)材料為木漿纖維粉末，作為對(duì)比纖維，由無錫一家企業(yè)提供，其密度為0.65 g/cm3。

采用兩種測(cè)試油液，即礦物油和PAO4合成油。使用智能黏度測(cè)量?jī)x器(DV2TLV型，Brookfield，美國(guó))進(jìn)行油液的黏度測(cè)量。使用表面張力儀(DCAT11型，Dataphysics，德國(guó))測(cè)試油液的密度和表面張力。測(cè)試溫度為20 ℃，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)試3次取平均值。油液的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 測(cè)試油液在20 ℃條件下的基本性質(zhì)

1.2 測(cè)試指標(biāo)和性能

(1) 纖維粉末外觀形貌。使用掃描電子顯微鏡(SEM-TM 3000型，Hitachi，日本)分析木棉纖維粉末的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)電膠黏附在樣品臺(tái)上，取少量樣品盡量平整地黏附在導(dǎo)電膠上。由于纖維本身不導(dǎo)電，為防止纖維表面出現(xiàn)電荷集聚而影響圖像質(zhì)量，采用磁控濺射的方法在樣品表面覆蓋一層金。

(2) 纖維粉末長(zhǎng)度分布。將纖維粉末鋪在透明玻璃片上，采用倒置顯微鏡(VAB-100-1型，Huxing， 中國(guó))，拍攝多張光學(xué)照片，將得到的光學(xué)圖像導(dǎo)入Image Pro軟件中進(jìn)行單個(gè)纖維狀粉末的長(zhǎng)度測(cè)量，每種樣品測(cè)試1 000個(gè)值。

(3) 比表面積。對(duì)測(cè)試?yán)w維粉末樣品進(jìn)行預(yù)處理，采用超聲清洗的方法除去附著在樣品上的細(xì)小雜質(zhì)。正式測(cè)試前，稱取2～3 g樣品在100 ℃的溫度條件下抽真空 12 h，除去吸附在樣品上的揮發(fā)性雜質(zhì)。之后將樣品放入液氮的測(cè)試環(huán)境，使用比表面積分析儀(ASAP 2460型，Micrometritics，美國(guó))進(jìn)行測(cè)試。

(4) 接觸角。本文采用懸滴法和單根纖維接觸的方法分別測(cè)試水接觸角和油接觸角。懸滴法是將待測(cè)樣品平鋪在粘有雙面膠的玻璃片上進(jìn)行水靜態(tài)接觸角的測(cè)試。單根纖維接觸角的測(cè)試方法，由于木棉纖維粉末長(zhǎng)度過短，難以制樣，這里采用特殊的制樣器，將單根木棉原纖維的兩端固定在制樣器上，中間部分懸空，測(cè)試開始時(shí)，位于纖維上方裝有測(cè)試油液的微量注射器的針頭上液滴與纖維接觸形成液橋，之后將針頭向上調(diào)整，液橋破裂的同時(shí)纖維表面會(huì)有小液滴形成。兩種測(cè)試方法均采用光學(xué)接觸角測(cè)試儀(OCA15EC型，Dataphysics，德國(guó))。

(5) 在自然狀態(tài)下的纖維粉末油液吸附性能。為了方便纖維粉末吸油之后的收集與轉(zhuǎn)移，首先將一個(gè)自制的100目(孔徑為0.15 mm)不銹鋼容器放在盛有測(cè)試油液的塑料容器中，將稱量好的0.5 g 纖維粉末材料放入不銹鋼容器中，放置15 min后取出，轉(zhuǎn)移到帶有圓孔的不銹鋼片上放置15 min(無液體油滴滴下)，測(cè)試?yán)w維粉末材料和油液的質(zhì)量，可得到纖維粉末材料對(duì)油液的飽和吸油量。靜置24 h后，測(cè)試?yán)w維粉末材料和油液的質(zhì)量，可得到其靜置保油率。飽和吸油量和靜置保油率的計(jì)算分別如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1為試樣吸油前質(zhì)量，g；m2為試樣吸油后質(zhì)量，g；m3為試樣靜置24 h后剩余的質(zhì)量，g。

(6) 一定體積密度條件下纖維粉末的油液吸附性能。采用芯吸的測(cè)試方法測(cè)定特定體積密度條件下纖維粉末材料的吸油性能，使用的儀器是DCAT11型表面張力儀。通過填充不同質(zhì)量的纖維粉末材料控制測(cè)試樣品的體積密度。制樣時(shí)要求纖維粉末材料盡可能均勻地填充在樣品管內(nèi)，這樣才能確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性及測(cè)試的可重復(fù)性。測(cè)試裝置的示意圖如圖1所示。測(cè)試過程：首先將盛放在透明液體槽中的測(cè)試油液放在自動(dòng)升降臺(tái)上；再將裝有測(cè)試樣品的樣品管嵌入力學(xué)傳感器下方的樣品夾內(nèi)，通過儀器下方的控制按鈕，調(diào)整升降臺(tái)的位置，使測(cè)試液體的液面距離樣品管下方幾毫米；測(cè)試開始后，自動(dòng)升降臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)試油液的液面接觸到樣品管的下方時(shí)，油液通過多孔材料的毛細(xì)管作用進(jìn)入樣品內(nèi)部，力學(xué)傳感器檢測(cè)到力的變化，同時(shí)升降臺(tái)停止上升；油液進(jìn)入樣品內(nèi)部的質(zhì)量隨時(shí)間的變化，通過微力天平實(shí)時(shí)記錄在電腦上。

圖1 測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 結(jié)果與討論

2.1 木棉纖維粉末表面形貌

木棉纖維是一種天然的木質(zhì)纖維素纖維，表面光滑并覆蓋一層天然蠟質(zhì)，具有薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。文獻(xiàn)[14]研究報(bào)道了木棉纖維長(zhǎng)度、細(xì)度及密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

(a) 表面

(b) 截面

表2 木棉纖維基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

自然光狀態(tài)下木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的外觀和SEM圖像如圖3所示。由圖3(a)和(b)可知，兩種纖維粉末均顯微黃，但木漿纖維粉末的顏色較深，且其整體形貌由纖維狀粉末和顆粒粉末共同構(gòu)成。由圖3(c)可知，經(jīng)過機(jī)械切斷的木棉纖維的部分中腔被不同程度壓扁，且由于加工過程中的剪切作用導(dǎo)致部分纖維粉末在長(zhǎng)度方向發(fā)生轉(zhuǎn)曲，但大部分的纖維粉末仍然保持了木棉原纖維的中腔結(jié)構(gòu)和光滑表面。由圖3(d)可知，木漿纖維粉末呈實(shí)心扁平狀結(jié)構(gòu)，且表面存在縱向凸起條紋。

(a) 木棉纖維粉末外觀形貌

(b) 木漿纖維粉末外觀形貌

(c) 木棉纖維粉末SEM圖像

(d) 木漿纖維粉末SEM圖像

2.2 木棉纖維粉末長(zhǎng)度分布

纖維是指長(zhǎng)寬比在103數(shù)量級(jí)以上，且粗細(xì)為幾微米到上百微米的柔軟細(xì)長(zhǎng)體。木棉纖維的平均直徑為25 μm，而粉碎后的長(zhǎng)度不大于2 mm，其長(zhǎng)寬比不大于100，故這里對(duì)粉碎后得到的木棉集合體稱為木棉纖維粉末。木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的長(zhǎng)度分布如圖4所示，其中橫坐標(biāo)刻度值0.1表示長(zhǎng)度分布為0～0.1 mm， 0.2表示長(zhǎng)度分布為0.1～0.2 mm，以此類推。

(a) 木棉纖維粉末

(b) 木漿纖維粉末

由圖4可知，與木漿纖維粉末相比，木棉纖維粉末具有更大的長(zhǎng)度分布范圍，所有的長(zhǎng)度均小于2 mm。對(duì)于木漿纖維粉末而言，84.18%的纖維狀粉末的長(zhǎng)度小于0.3 mm；而對(duì)于木棉纖維粉末而言，長(zhǎng)度小于0.3 mm的纖維狀粉末僅占56.5%。不同的長(zhǎng)度分布組成將導(dǎo)致散纖維集合體的體積密度不同，從而影響其吸油性能。

2.3 木棉纖維粉末比表面積

比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積，是表征材料吸附性能的指標(biāo)之一。吸附屬于一種傳質(zhì)過程，物質(zhì)內(nèi)部的分子和周圍分子有互相吸引的引力，但物質(zhì)表面的分子相對(duì)物質(zhì)外部的作用力沒有充分發(fā)揮，所以固體物質(zhì)的表面可以吸附其他的液體或氣體，尤其是在表面面積很大的情況下，這種吸附力能產(chǎn)生很大的作用，所以具有大比面積的物質(zhì)通常具有較好的吸附特性[15]。

BET測(cè)試結(jié)果表明，木棉原纖維、木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的比表面積分別為1.10、 1.35和1.04 m2/g。經(jīng)過機(jī)械粉碎后得到的木棉纖維粉末比木棉原纖維的比表面積大，可能因?yàn)榉勰┎牧暇哂懈嗟慕財(cái)嗝?。木棉纖維粉末的比表面積比木漿粉末大，這可能是由于木棉纖維本身的中空結(jié)構(gòu)使之具有更大的比表面積。

2.4 木棉纖維粉末表面潤(rùn)濕性能

為了研究木棉纖維粉末的表面潤(rùn)濕性能，分別測(cè)試了其表面對(duì)于蒸餾水和油液的親疏性。木棉纖維和木棉纖維粉末對(duì)水接觸角以及單根木棉纖維對(duì)兩種油液的接觸角如圖5所示。由圖5可知：木棉纖維粉末對(duì)水的接觸角與木棉原纖維相同，可達(dá)136°；單根木棉纖維對(duì)礦物油和PAO4的接觸角均小于90°。由此說明，木棉纖維粉末具有明顯的疏水親油的特性，這主要是由于纖維表面覆蓋著一層天然蠟質(zhì)[7]。

(a) 木棉原纖維對(duì)水接觸角

(b) 木棉纖維粉末對(duì)水接觸角

(c) 單根木棉纖維對(duì)礦物油接觸角

(d) 單根木棉纖維對(duì)PAO4接觸角

2.5 木棉纖維粉末在自然狀態(tài)下的油液吸附性能

為了得到纖維粉末在自然狀態(tài)下的油液吸附性能，分別測(cè)試了木棉原纖維、木棉纖維粉末和木漿纖維粉末對(duì)于兩種測(cè)試油液的吸油性能和保油性能。需要說明的是，這里的測(cè)試樣品均處于一種自然狀態(tài)，即纖維集合體在未受到任何外力作用時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)集合體的體積密度通常比較小。3種樣品對(duì)于礦物油和PAO4合成油的飽和吸油量以及24 h后的靜置保油率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，當(dāng)木棉纖維加工成纖維狀粉末以后，其吸油能力明顯下降。這主要是由兩方面的原因造成的：一方面，纖維狀粉末的自然堆積密度(約為0.043 g/cm3)遠(yuǎn)比木棉原纖維的自然堆積密度(約為0.0046 g/cm3)大，集合體內(nèi)的空隙減小，也就意味著儲(chǔ)油空間的減小；另一方面，機(jī)械的剪切作用會(huì)使部分纖維的中腔被壓扁，從而導(dǎo)致吸油能力減小。其中，堆積密度的變化是導(dǎo)致吸油量差異的主要原因。

同樣作為纖維粉末，木棉纖維粉末對(duì)兩種測(cè)試油液的吸附能力明顯高于木漿纖維粉末，前者的飽和吸油量是后者的近3倍。究其原因：一方面，木棉纖維表面有一層表面蠟質(zhì)，使其具有疏水親油的特性；另一方面，部分木棉纖維粉末仍保留中空的結(jié)構(gòu)，為油液的儲(chǔ)存提供了更大的空間。由圖6(b)可知，纖維粉末吸油飽和24 h之后的靜置保油率均在85%以上。由于含油纖維粉末作為潤(rùn)滑材料使用時(shí)需要在機(jī)械停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可有效地存儲(chǔ)油液，防止油液泄漏。

(a) 飽和吸油量

(b) 保油率

2.6 不同體積密度條件下的油液吸附性能

纖維粉末集合體材料對(duì)于油液的吸附，除了纖維本身對(duì)于油液的吸附外，粉末之間的孔隙對(duì)于油液的吸附也起到至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)材料的體積密度較小的時(shí)候，孔隙間吸油將是主導(dǎo)因素。為了研究木棉纖維粉末集合體的吸油行為，測(cè)試了不同體積密度條件下纖維粉末集合體的吸油性能。經(jīng)切斷后的木棉纖維粉末間的孔隙會(huì)大大減少。在討論集合體體積密度的影響時(shí)需要將樣品放在固定體積的樣品管中進(jìn)行測(cè)試，樣品需要充滿樣品管，并盡可能均勻地填充，本文選擇了0.08、 0.10、 0.12和0.14 g/cm3共4個(gè)體積密度進(jìn)行測(cè)試，得到其油液吸附質(zhì)量隨時(shí)間的變化關(guān)系。若吸油的質(zhì)量不再隨著時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生變化，即表示達(dá)到吸油飽和，也稱吸附平衡，以此可以得到不同體積密度條件下的飽和吸油量。根據(jù)Washburn理論定義，吸附材料在未達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸收油液質(zhì)量的平方與時(shí)間的線性擬合的斜率為吸附因子，吸附因子是表征油液吸附速率的一個(gè)量，其值越大，表示吸附進(jìn)行得越迅速[16]。

木棉纖維粉末在不同體積密度條件下對(duì)于礦物油和PAO4合成油的吸附量平方與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，纖維粉末多孔材料對(duì)油液的吸附可分為兩個(gè)階段，隨著吸附的開始，油液以一定的吸附速率進(jìn)入材料內(nèi)部，吸油量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，之后達(dá)到吸附平衡，進(jìn)入多孔材料的油液質(zhì)量不再隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變化。材料的體積密度越小，吸附越快，同時(shí)也更快達(dá)到吸附平衡。這主要是由于體積密度越小，材料內(nèi)部的孔隙越大，油液較容易進(jìn)入到多孔材料中。對(duì)于兩種不同的測(cè)試油液，在相同的體積密度條件下，礦物油的吸附需要更多的時(shí)間達(dá)到平衡。這主要是礦物油的黏度比PAO4合成油的黏度大，在相同條件下，礦物油的流動(dòng)性較弱。

(b) PAO4合成油

木棉纖維粉末飽和吸油量和吸附因子隨體積密度的變化關(guān)系如圖8所示。

(a) 飽和吸油量

(b) 吸附因子

由圖8(a)可知，木棉纖維粉末的飽和吸油量隨集合體體積密度的增加呈線性下降。其原因是隨著體積密度的增大，纖維粉末間的孔隙逐漸減小，可供油液吸附的空間隨之減少，飽和吸油量也就隨著下降。在油液體積密度相同情況下，木棉纖維粉末對(duì)礦物油的飽和吸油量略大于PAO4合成油，這主要是由于在相同溫度條件下，礦物油的油液密度(0.85 g/cm3) 略大于PAO4合成油的密度(0.82 g/cm3)，在吸油的體積一定的條件下，密度大的油液具有更大的質(zhì)量。由圖8(b)可知，吸附因子隨體積密度的增大呈指數(shù)函數(shù)下降。這種現(xiàn)象的主要原因是隨著纖維粉末體積密度的增大，纖維粉末間的孔隙減小，導(dǎo)致油液的流動(dòng)阻力逐漸增大，吸附的速率隨之減小。在相同體積密度條件下，木棉纖維粉對(duì)PAO4合成油的吸附因子明顯高于礦物油。這是因?yàn)橛鸵旱酿ざ仁怯绊懫湮娇炻年P(guān)鍵因素，黏度越大其自身的黏滯阻力越大，流動(dòng)性越弱，吸附的速率就越小。測(cè)試溫度條件下，礦物油的黏度(74.73 mPa·s)遠(yuǎn)大于PAO4合成油的黏度(29.55 mPa·s)，故前者吸附因子小于后者。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用機(jī)械切斷的方式將木棉纖維加工成纖維粉末，測(cè)試表征了纖維粉末的形態(tài)結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度分布、比表面積及疏水親油性能，進(jìn)而測(cè)試分析了散纖維粉末集合體的油液吸附性能，并討論了集合體材料的體積密度對(duì)于吸油性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 與木棉原纖維相比，木棉纖維粉末基本保持了薄壁大中空的結(jié)構(gòu)；纖維粉末的長(zhǎng)度介于幾十微米和2 mm之間；木棉纖維粉末比原纖維具有更大的比表面積，且兩者均大于木漿纖維粉末；木棉纖維粉末具有明顯的疏水親油性能。

(2) 與木棉原纖維相比，木棉纖維粉末材料的吸油能力下降了一半。這主要是由于當(dāng)纖維加工成粉末材料時(shí)，木棉纖維間孔隙將大大減小，體積密度增大，導(dǎo)致其可用于吸附油液的空間減小。木棉纖維粉末的吸油能力是木漿纖維粉末的近3倍。

(3) 纖維粉末體積密度對(duì)集合體吸油能力的定量表征表明，體積密度是影響油液吸附性能的關(guān)鍵因素，飽和吸油量隨著纖維粉末體積密度的增大呈線性關(guān)系下降，吸附因子隨著體積密度的增大呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系下降。在相同體積密度條件下，木棉纖維粉末對(duì)礦物油有更高的飽和吸油量，對(duì)PAO4合成油有更高的吸附速率。這主要是因?yàn)槲土颗c液體密度緊密相關(guān)，而吸附因子與液體黏度緊密相關(guān)。