蒲絨纖維復(fù)合絮片的制備與油液吸附性能

關(guān)福旺，楊竹麗，盛 凱，王府梅，邱夷平，

(1.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

蒲絨纖維是蒲絨植物雌花序上的絨毛，結(jié)構(gòu)為類似羽絨的朵狀，纖維質(zhì)地柔軟，表面含有蠟質(zhì)和果膠，使其具有良好親油疏水性能[1-3]。蒲絨纖維約長4～9 mm，單根纖維直徑較小，約9～14 μm，纖維表面不光滑，有類似竹節(jié)的節(jié)點(diǎn)[4-5]。纖維強(qiáng)力很低，約為0.1 cN[6]。

蒲絨在我國大部分地區(qū)均有分布，多生長于池塘和河岸淺水處以及沙漠地區(qū)淺水灘中。蒲絨纖維資源豐富、價(jià)廉易得、易生物降解，吸引了較多研究者的目光。曹勝彬發(fā)現(xiàn)蒲絨纖維集合體能夠提供大于自身5倍的浮力[6]，可用作浮力材料。王泉泉等發(fā)現(xiàn)蒲絨纖維對大豆油、機(jī)油具有比較好的吸附性能[7-8]，是優(yōu)良的吸油材料。游香瑾等探究了蒲絨非織造絮片的壓縮性能，結(jié)果表明蒲絨非織造絮片具有較好的蓬松性[9]，并且可以積聚較多的靜止空氣，可用作枕絮、被絮等填充材料，是很好的保暖隔熱材料。臧傳鋒等制備了蒲絨針刺非織造材料，實(shí)驗(yàn)表明該材料具有較好的吸聲性能[10]，可用于房屋隔熱保暖吸聲材料。許杰制備了香蒲絨纖維鋰電池隔膜[11]，HAL等從蒲絨纖維里分離得到納米纖維素[12]，這些研究為蒲絨纖維開拓了全新的應(yīng)用。

在復(fù)合材料領(lǐng)域，蒲絨纖維是很好的增強(qiáng)體。鄧亭采用蒲絨纖維做增強(qiáng)體，硅酸鋁做基體制備了環(huán)保型殼，可以使強(qiáng)度增加、焙燒后強(qiáng)度增加并可同時(shí)降低殘留強(qiáng)度、提高型殼透氣性[13]。SHADHIN等制備了蒲絨纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，結(jié)果表明蒲絨纖維的加入使復(fù)合材料的強(qiáng)力增加[14]。歷軍等制備了蒲絨-蘆葦復(fù)合材料，在純油或水面浮油中均可快速吸收柴油[15]，但蘆葦本身吸油能力較低，導(dǎo)致復(fù)合材料的吸油效能降低。LIU 等制備了蒲絨/PP復(fù)合材料，其拉伸和彎曲性能與黃麻/PP復(fù)合材料相近[16]，由此可知強(qiáng)力低的蒲絨纖維復(fù)合材料可以獲得類似黃麻復(fù)合材料的機(jī)械性能，但具有更加優(yōu)異的吸油性能。CUI等以蒲絨為纖維素源制備了復(fù)合氣凝膠吸附劑，用于污水處理領(lǐng)域[17]。除了蒲絨纖維，蒲葉纖維也是復(fù)合材料增強(qiáng)體的常用材料。多位研究者分別制備了蒲葉纖維/PBS[18]、蒲葉纖維/環(huán)氧樹脂[19-20]、蒲葉纖維/聚酯[21]以及蒲葉纖維/PLA[22]等多種復(fù)合材料，與顆粒板[23]、黏土[24]等為基體制備了復(fù)合材料。以上研究表明，蒲絨、蒲葉纖維作為增強(qiáng)體大大改善了復(fù)合材料的性能，是未來天然纖維和合成纖維復(fù)合材料的合適替代品[25]，用于建筑等領(lǐng)域，生態(tài)環(huán)保、無毒且經(jīng)濟(jì)適用。

作為天然的油液吸附材料，為了充分挖掘蒲絨纖維的吸油潛力，拓展蒲絨纖維在吸油領(lǐng)域的應(yīng)用，將其變廢為寶，需要將蒲絨纖維制備成為復(fù)合絮片，并探究絮片的孔隙結(jié)構(gòu)、纖維混合比例、纖維種類等多種因素對蒲絨絮片油液吸附特性的影響，分別在純油液和油水混合物中對其吸油能力和儲油能力進(jìn)行測試分析，并與目前廣泛應(yīng)用的木棉、聚丙烯等吸油纖維進(jìn)行吸油特性對比。為蒲絨纖維吸油產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料

蒲絨纖維為復(fù)合絮片的主要纖維原料，ES(聚乙烯為芯層、聚丙烯為皮層的復(fù)合纖維)纖維作為熱黏合纖維，聚丙烯纖維和木棉纖維按一定比例混入。纖維的規(guī)格參數(shù)見表1。

表 1 纖維規(guī)格參數(shù)

1.1.2 儀器

電子天平(JA203H，精度0.000 1 g，常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A，精度0.01 ℃，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子織物厚度儀(YG141，精度0.01 mm，泉州美邦儀器有限公司)；光學(xué)顯微鏡(LB-931，精度0.1 μm，美國Labomed公司)；掃描電子顯微鏡(Helios 5UC，精度0.01 nm，德國helios公司)；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(NDJ-8S，精度0.1 mPa·s，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司)。

1.2 樣品設(shè)計(jì)與制備

1.2.1 樣品設(shè)計(jì)

為探究孔隙結(jié)構(gòu)、蒲絨纖維含量、纖維種類等因素對復(fù)合絮片吸油性能的影響，設(shè)計(jì)制備了多組復(fù)合絮片，如表2所示。其中，1系列樣品為同比例、同質(zhì)量和同面積的蒲絨/ES纖維絮片，厚度不同，因而孔隙結(jié)構(gòu)不同。2系列樣品為同質(zhì)量、面積和厚度但不同組分比的蒲絨/ES纖維絮片，其中，為增加絮片的穩(wěn)定性，ES纖維比例不低于15%。3系列樣品為與2系列組分比一致的木棉/ES纖維復(fù)合絮片。因蒲絨纖維長度較短，為了提高絮片穩(wěn)定性，添加長度較長、吸油性能較好的聚丙烯和木棉纖維，設(shè)計(jì)了不同添加比例的4和5系列樣品。

1.2.2 樣品制備

用電子天平稱取纖維，將蒲絨纖維、木棉纖維、PP纖維、ES纖維經(jīng)過開松、梳理、混合，采用氣流成網(wǎng)法制備纖網(wǎng)后用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱加熱，溫度為140 ℃，最終形成蒲絨復(fù)合絮片。復(fù)合絮片由于采用熱風(fēng)噴射法制備，因此結(jié)構(gòu)蓬松，成品如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

(a) 蒲絨/ES (b) 木棉/ES (c) 蒲絨/PP/ES (d) 蒲絨/木棉/ES (e)蒲絨/PP/ES

表 2 復(fù)合絮片結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室[溫度(20±5)℃，相對濕度(65±5)%]，參考GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，用電子織物厚度儀測試復(fù)合絮片的厚度，加壓壓力為(1±0.01)kP，加壓時(shí)間：(30±5)s，測試次數(shù)5次。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡測試分析纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.4 油液吸附測試

實(shí)驗(yàn)用油液為植物油(大豆油)。采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和4號轉(zhuǎn)子，測得油液黏度為5 100 mPa·s。采用吸油倍率和保油率表征吸油性能。

1.4.1 吸油倍率

吸油倍率為木棉纖維吸收油液的質(zhì)量與木棉纖維質(zhì)量的比值。取100 mL的純油液放入500 mL燒杯中，將復(fù)合纖維放入非織造布袋中置于燒杯浸泡吸油15 min后取出，置于漏網(wǎng)上靜置20 min后稱量。吸油倍率q(g·g-1)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：m1為復(fù)合絮片的質(zhì)量，g；m2為吸油15 min又靜置20 min后復(fù)合絮片質(zhì)量，g。

1.4.2 保油率

保油率為復(fù)合絮片吸飽油液并在室溫下放置24 h后，剩余油液質(zhì)量與油液飽和質(zhì)量之比。與吸油倍率的測試方法一致，將試樣在室溫下靜置24 h后稱量。保油率b計(jì)算公式如下：

(2)

式中：m3為吸油后靜置24 h后的復(fù)合絮片質(zhì)量，g。

1.4.3 油水分離性能

實(shí)際情況多為油水共存的混合物，因此，將復(fù)合絮片置于純油液與蒸餾水按2∶1制成的150 mL混合液中，進(jìn)行油水混合液的吸附性能探究，實(shí)驗(yàn)步驟與純油液吸附性能測試相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)對吸附性能的影響

復(fù)合絮片的孔隙結(jié)構(gòu)是影響其油液吸附性能的重要因素之一。以蒲絨/ES復(fù)合絮片為例，分析復(fù)合絮片的吸油能力與厚度的關(guān)系，如圖2所示。

(a) 吸油倍率

從圖2可以看出，當(dāng)纖維組分比均為80/20時(shí)，在絮片質(zhì)量、面積相同的情況下，厚度越大，復(fù)合絮片的吸油倍率越大，表明其吸附的油液越多。而厚度越大，復(fù)合絮片的保油率越小。

在質(zhì)量、面積一定的條件下，厚度越大，復(fù)合絮片的結(jié)構(gòu)越蓬松，孔隙結(jié)構(gòu)越多。纖維間隙形成一個(gè)個(gè)吸油路徑，油液通過毛細(xì)效應(yīng)進(jìn)入復(fù)合絮片之中，因此吸油倍率增加。而儲存油液時(shí)，油液離開的路徑也同樣增加，所以保油率降低。其他各組的復(fù)合絮片的吸油能力隨厚度變化也呈現(xiàn)相同規(guī)律。

從圖2還可以看出，在油水混合液中也存在相同的吸附規(guī)律。對比純油液和油水混合液的吸附能力發(fā)現(xiàn)，蒲絨復(fù)合絮片對純油液的吸附能力和保油率都更優(yōu)。這是因?yàn)槠呀q纖維表面存在蠟質(zhì)，具有天然的疏水親油性能，在純油液里吸附效果更佳。但是油水混合液更接近實(shí)際使用時(shí)需要吸附的液體情況，通過對油水混合液的吸附性能測試表明，蒲絨復(fù)合絮片的油水分離性能也較好。

由Washburn毛細(xì)方程[26]可知，復(fù)合絮片等多孔材料對液體的吸附可以描述如下：

(3)

式中：L為液體在多孔介質(zhì)中的流過長度；γ為液體表面張力；R為形式半徑；θ為接觸角；μ為液體黏度;t為時(shí)間。

液體在纖維集合體內(nèi)的運(yùn)動，與多孔介質(zhì)的孔隙截面積和液體壓力差有關(guān)，Darcy法則[27]確定了這一點(diǎn)，描述如下：

(4)

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)的吸附流量；A為孔隙橫截面面積；K為水力傳導(dǎo)系數(shù)；Δp為液體壓力差；q為比流量。

在集合體中，纖維間隙的吸油量如下[28]所示：

(5)

式中：W為纖維間隙吸油量；ρ為液體密度；ε為孔隙率；d為纖維直徑。

綜上可知，復(fù)合絮片吸油量與其孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。但實(shí)際的孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對于同樣材料，隨著纖維粗細(xì)、纖維取向及集合體密度不同，其孔隙結(jié)構(gòu)會有很大差異，從而使得液體流過介質(zhì)的阻力也會不同。本次實(shí)驗(yàn)中，在纖維粗細(xì)和取向接近的情況下，因復(fù)合絮片的厚度不同，導(dǎo)致集合體密度不同，因而孔隙率不同，油液吸附性能和油水分離性能出現(xiàn)差異。

2.2 蒲絨纖維含量對吸附性能的影響

復(fù)合絮片中有吸附能力的纖維含量是影響其吸油能力的重要因素之一。蒲絨纖維、聚丙烯纖維都是親油疏水的纖維，具有優(yōu)良的油液吸附性能，聚丙烯吸油氈是現(xiàn)在含油污水處理中常用的成熟產(chǎn)品，因此在復(fù)合絮片中添加聚丙烯，對比蒲絨纖維含量對吸油效果的影響，如圖3所示。

(a) 吸油倍率

從圖3可以看出，在復(fù)合絮片的質(zhì)量、面積、厚度和聚丙烯(PP)纖維比例一致時(shí)，不論是純油液還是油水混合液，蒲絨纖維比越大，復(fù)合絮片的吸油倍率越大，保油率也越大。但當(dāng)PP的比例發(fā)生變化時(shí)，復(fù)合絮片的保油率也隨之變化，4-1#與4-2#試樣的PP纖維比例一致，但蒲絨纖維比例略有增加時(shí)，吸油倍率增加，保油率反而降低。4-3#試樣的蒲絨纖維比例增加，PP纖維比例降低，同樣的吸油倍率增加，保油率降低，呈現(xiàn)相同的規(guī)律。蒲絨纖維為類似羽絨的朵絨結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，細(xì)細(xì)的絨毛在復(fù)合絮片中形成一個(gè)個(gè)小的孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)，細(xì)小絨毛為中空結(jié)構(gòu)，被類似竹節(jié)的結(jié)節(jié)間隔成一個(gè)個(gè)小的封閉中腔，如圖4(b)所示。

(a) 朵絨結(jié)構(gòu) (b) 中腔結(jié)構(gòu)

這樣的結(jié)構(gòu)為儲油增加了空間，因此蒲絨纖維增多，吸油倍率相應(yīng)地增加，保油率增加。而PP為化學(xué)纖維，其結(jié)構(gòu)中不存在儲油空間，依靠纖維集合體間隙吸油與儲存油液。蒲絨纖維較短，在復(fù)合絮片中加入比較長的PP纖維，能增強(qiáng)絮片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是PP的加入，致使復(fù)合絮片總體的吸油倍率和保油率低于蒲絨/ES絮片，說明蒲絨纖維的油液吸附能力要優(yōu)于PP纖維。

2.3 纖維種類對吸附性能的影響

纖維種類是影響復(fù)合絮片油液吸附性能的重要因素之一。選擇蒲絨纖維、木棉纖維、PP纖維等分別制備了不同比例的復(fù)合絮片，吸附效果見圖5。

(a) 2#、3#系列吸油倍率

從圖5可以看出，相同纖維混合比例的情況下，木棉纖維的吸油倍率超過26 g/g，甚至高達(dá)32 g/g，遠(yuǎn)高于蒲絨纖維(約20 g/g)。木棉纖維和蒲絨纖維表面都因蠟質(zhì)的存在而具有疏水親油的性能。其中蒲絨纖維橫截面呈“π”狀，類似于異形化纖中的“Y”或“H”形，其獨(dú)特的橫截面結(jié)構(gòu)形態(tài)增加了與油液的接觸面積，使得蒲絨纖維有較好的油液吸附性能。但木棉纖維為薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，中空率高達(dá)90%，遠(yuǎn)高于蒲絨纖維，其掃描電鏡圖片如圖6所示。除此之外，木棉細(xì)胞壁上存在著大小不一的孔徑，油分子通過這些孔徑進(jìn)入木棉纖維非常大的中腔儲存起來[29]。因此，在復(fù)合絮片結(jié)構(gòu)相近、混合比例相同時(shí)，木棉纖維復(fù)合絮片的吸附性能要優(yōu)于蒲絨纖維。

圖 6 木棉纖維橫截面

從圖5可以看出，蒲絨復(fù)合絮片在純油液中的吸附能力要高于油水混合物，而木棉纖維復(fù)合絮片則不同，在油水混合物中吸附效果優(yōu)于純油液，這是因?yàn)槟久蘩w維在吸油的同時(shí)也會少量的吸附水。圖5(c)中可以看出，在同樣復(fù)合比例下，蒲絨/PP/ES絮片由于添加了PP纖維，復(fù)合絮片的吸油倍率明顯小于蒲絨/木棉/ES絮片，添加了木棉纖維的復(fù)合絮片吸油能力顯著提高，表明PP纖維的吸附效果并不如木棉纖維。而保油率的規(guī)律顯示，兩種復(fù)合絮片相差不大。

從圖5(b)、(d)保油率的變化規(guī)律可以看出，蒲絨纖維和木棉纖維的復(fù)合絮片在純油液中的保油率相差不大，但木棉纖維復(fù)合絮片在油水混合液中的保油率更高，PP纖維油水混合物中的保油率更佳。

3 結(jié) 論

1) 蒲絨纖維復(fù)合絮片對油液有較好的吸附與保持能力，并且在純油液里的吸附效果優(yōu)于油水混合物。

2) 復(fù)合絮片的結(jié)構(gòu)蓬松時(shí)，吸油路徑增多，油液吸附效果提高，但保油率會下降。

3) 蒲絨纖維含量增加，復(fù)合絮片的吸油能力增強(qiáng)。聚丙烯纖維的加入，會降低復(fù)合絮片的吸附能力，但保油率提高。

4) 木棉纖維復(fù)合絮片的油液吸附能力高于蒲絨纖維，高于聚丙烯纖維。