蒲絨纖維復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.泉州師范學院 紡織與服裝學院，福建 泉州 362000；2.東華大學 紡織學院，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[4-5]。纖維強力很低，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，實驗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。

在復合材料領(lǐng)域，蒲絨纖維是很好的增強體。鄧亭采用蒲絨纖維做增強體，硅酸鋁做基體制備了環(huán)保型殼，可以使強度增加、焙燒后強度增加并可同時降低殘留強度、提高型殼透氣性[13]。SHADHIN等制備了蒲絨纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，結(jié)果表明蒲絨纖維的加入使復合材料的強力增加[14]。歷軍等制備了蒲絨-蘆葦復合材料，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，導致復合材料的吸油效能降低。LIU 等制備了蒲絨/PP復合材料，其拉伸和彎曲性能與黃麻/PP復合材料相近[16]，由此可知強力低的蒲絨纖維復合材料可以獲得類似黃麻復合材料的機械性能，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，蒲葉纖維也是復合材料增強體的常用材料。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]等多種復合材料，與顆粒板[23]、黏土[24]等為基體制備了復合材料。以上研究表明，蒲絨、蒲葉纖維作為增強體大大改善了復合材料的性能，是未來天然纖維和合成纖維復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 驗

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料

蒲絨纖維為復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，常州市幸運電子設(shè)備有限公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9070A，精度0.01 ℃，上海精宏實驗設(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(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)計與制備

1.2.1 樣品設(shè)計

為探究孔隙結(jié)構(gòu)、蒲絨纖維含量、纖維種類等因素對復合絮片吸油性能的影響，設(shè)計制備了多組復合絮片，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)后用電熱恒溫鼓風干燥箱加熱，溫度為140 ℃，最終形成蒲絨復合絮片。復合絮片由于采用熱風噴射法制備，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

在恒溫恒濕實驗室[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合絮片的厚度，加壓壓力為(1±0.01)kP，加壓時間：(30±5)s，測試次數(shù)5次。采用光學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

實驗用油液為植物油(大豆油)。采用旋轉(zhuǎn)黏度計和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)計算公式如下：

(1)

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

1.4.2 保油率

保油率為復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計算公式如下：

(2)

式中：m3為吸油后靜置24 h后的復合絮片質(zhì)量，g。

1.4.3 油水分離性能

實際情況多為油水共存的混合物，因此，將復合絮片置于純油液與蒸餾水按2∶1制成的150 mL混合液中，進行油水混合液的吸附性能探究，實驗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復合絮片為例，分析復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，當纖維組分比均為80/20時，在絮片質(zhì)量、面積相同的情況下，厚度越大，復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。纖維間隙形成一個個吸油路徑，油液通過毛細效應(yīng)進入復合絮片之中，因此吸油倍率增加。而儲存油液時，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)，蒲絨復合絮片對純油液的吸附能力和保油率都更優(yōu)。這是因為蒲絨纖維表面存在蠟質(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際使用時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，蒲絨復合絮片的油水分離性能也較好。

由Washburn毛細方程[26]可知，復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為時間。

液體在纖維集合體內(nèi)的運動，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，描述如下：

(4)

式中：Q為單位時間內(nèi)的吸附流量；A為孔隙橫截面面積；K為水力傳導系數(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，復合絮片吸油量與其孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。但實際的孔隙結(jié)構(gòu)非常復雜，對于同樣材料，隨著纖維粗細、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。本次實驗中，在纖維粗細和取向接近的情況下，因復合絮片的厚度不同，導致集合體密度不同，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，在復合絮片的質(zhì)量、面積、厚度和聚丙烯(PP)纖維比例一致時，不論是純油液還是油水混合液，蒲絨纖維比越大，復合絮片的吸油倍率越大，保油率也越大。但當PP的比例發(fā)生變化時，復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，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，細細的絨毛在復合絮片中形成一個個小的孔隙結(jié)構(gòu)。同時，細小絨毛為中空結(jié)構(gòu)，被類似竹節(jié)的結(jié)節(jié)間隔成一個個小的封閉中腔，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，在復合絮片中加入比較長的PP纖維，能增強絮片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是PP的加入，致使復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32 g/g，遠高于蒲絨纖維(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90%，遠高于蒲絨纖維，其掃描電鏡圖片如圖6所示。除此之外，木棉細胞壁上存在著大小不一的孔徑，油分子通過這些孔徑進入木棉纖維非常大的中腔儲存起來[29]。因此，在復合絮片結(jié)構(gòu)相近、混合比例相同時，木棉纖維復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，這是因為木棉纖維在吸油的同時也會少量的吸附水。圖5(c)中可以看出，在同樣復合比例下，蒲絨/PP/ES絮片由于添加了PP纖維，復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合絮片在純油液中的保油率相差不大，但木棉纖維復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) 復合絮片的結(jié)構(gòu)蓬松時，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，復合絮片的吸油能力增強。聚丙烯纖維的加入，會降低復合絮片的吸附能力，但保油率提高。

4) 木棉纖維復合絮片的油液吸附能力高于蒲絨纖維，高于聚丙烯纖維。