天然中空异形萝藦种毛纤维的吸油性能

王邓峰， 王宗乾， 范祥雨， 宋 波， 李 禹

(安徽工程大学 纺织服装学院， 安徽 芜湖 241000)

天然萝藦种毛纤维广泛分布于中国、日本、韩国等东亚国家，据报道，因萝藦植株根、茎等部位富含C21甾体苷、多糖、生物碱、黄酮等多种药理活性成分，现已被广泛应用于肿瘤细胞抑制、免疫力调节、抗菌抗氧化和神经保护等医疗领域[1-3]，在我国华东地区已形成规模化种植。萝藦种毛纤维产量丰富，易于获取，为其工业化应用提供了充足资源保障，但因缺乏研究与关注，造成了纤维资源浪费。

基于生物质材料资源保护与开发，本文课题组前期已展开对萝藦种毛纤维结构与性能的研究，并发现纤维表面富含特殊蜡质，具备优异的亲油疏水性能，同时纤维具有高度中空结构[4]，是极具潜力的纺织保暖填料。有研究表明，天然纤维自疏水性及高中空结构有利于其吸油性能的提升[5]，以中空木棉纤维为例，其对于原油、柴油及机油的吸油倍率分别为40.0、36.7和47.4 g/g，是目前已报道的吸油性能最佳的天然纤维[6-7]，而一般棉[8]、亚麻[9]、羊毛[10]等天然纤维吸油倍率仅在20.0 g/g以下。封闭木棉纤维的亲水性基团及进行表面粗糙化改性可进一步提升其吸油性能[11-12]，而纤维成分相似的萝藦种毛纤维亦具备相关改性潜力。不同于木棉纤维，萝藦种毛纤维因纵向凹槽而致纤维截面呈异形，研究人员对“H型”或“Y型”截面的香蒲绒的研究发现，异形截面结构可有效拓展纤维与油接触面积，增加纤维对油剂吸附能力[13-14]，因此，具备高中空化和异形化结构特征的萝藦种毛纤维的吸油潜力足以媲美高分子合成吸油材料，而后者主要通过制备低密度的空间多孔气凝胶[15]、海绵体[16]及静电纺丝膜[17]等疏水结构，虽具有良好的吸油性能及力学性能，但受制于合成材料复杂的制备工艺、高昂的成本以及较差的可降解性，难以工业化生产应用[18]。资源的丰富性、可再生性和可降解性是作为生物质材料的萝藦种毛纤维的固有优势[19]，同时吸油过程中，轻质萝藦种毛纤维浮于水面上，易于收集避免环境二次污染，且兼具高分子吸附剂的高效性及生物质材料的绿色环保性，是重要的天然功能性纤维。

综上分析，萝藦种毛纤维的高中空和异形截面结构有助于油剂吸附，目前关于萝藦种毛纤维吸油性能的研究报道较少。为此，本文利用天然萝藦种毛纤维亲油性及中空异形结构特征，选用植物油、机油及柴油作为不同黏度油剂代表[20]，探究纤维的吸油性、保油性及重复利用性能，并以散纤维构建过滤吸附层探究其油水分离效率，以期为开拓天然萝藦种毛纤维在吸油领域综合利用，以及为大范围的油剂泄漏事故提供一种经济、绿色和高效的解决方案。

1 实验部分

1.1 原料及设备

1.1.1 实验原料

天然萝藦种毛纤维(经人工剥皮去籽获得，收集于安徽马鞍山市)；植物油(大豆食用油，益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司)；柴油(0号柴油，中国石油化工集团有限公司)；机油(W-40型，美国美孚公司)；刚果红染料(用于水相染色，阿拉丁试剂公司)。油剂性能参数见表1。

表1 实验油剂特征参数Tab.1 Properties of experimental oils

1.1.2 实验主要设备

DCAT11型表面张力仪(德国Dataphysics公司)；RST型流变仪(美国布鲁克公司)；S-4800型扫描电子显微镜(日本日立公司)；纤维成像与识别系统(东华大学)；SDC-200型接触角测量仪(东莞市晟鼎精密仪器有限公司)；FA2104 型分析天平(上海精科天美科学仪器有限公司)；金属镍筛网(市售)。

1.2 实验方法

1.2.1 实验样品的制备

取适量萝藦种毛纤维，剔除杂质，于40 ℃烘箱中干燥以充分去除纤维表面水分；然后保持纤维自然蓬松状态于(20±2) ℃ 温度及(65±2)% 相对湿度下平衡24 h，以备性能测试及吸油实验使用。

1.2.2 实验油剂的性能参数测试

采用表面张力仪对不同油剂的密度及表面能进行测试；同时采用流变仪对油剂的黏度进行测定，其中选用转子为RCT-75-1板型转子(直径为 75 mm)，转子与测试平台间隔为0.046 mm，测试温度为25 ℃，剪切速率为300 s-1。

1.2.3 纤维性能表征

采用扫描电子显微镜对纤维形貌进行分析，将纤维贴附在导电胶上，喷金后置于电镜台观察纤维截面及纵向形貌，设置加速电压为5 kV，电流为10 mA。

采用静态接触角表征纤维表面亲水性，将纤维粉末黏附在胶面上，并平整压附于玻璃片上，针头向纤维层滴加待测液体，滴液量为5 μL，利用接触角测量仪配备电荷耦合器件(CCD)相机捕获静态接触角图像，采集时间间隔为0.1 s。

1.2.4 纤维吸油性能测试

参照文献[5]方法对纤维静态吸油、保油及重复吸油性能进行测试。

静态吸油性能：称取0.5 g干燥蓬松的萝藦种毛纤维，将其按压完全浸没于油剂中并开始计时，浸没不同时间后，取出吸油纤维平铺于金属滤网上，在自然重力作用下沥干2 min，并称取质量，计算吸油倍率。实验数据在同一条件下重复测试3次，取平均值。

式中：m为吸油前纤维的质量，其值为0.5 g；m0为滤网质量，g；m1为沥干2 min后吸油纤维及滤网总质量，g；Q为吸油倍率，g/g。

纤维保油性能：将吸附饱和的萝藦种毛纤维平铺于已知质量的金属滤网中，在自然重力作用下沥干 2 min 后开始计时，每隔一定时间称取滤网及吸油纤维总质量，直至12 h。按下式计算各阶段纤维的保油倍率，并利用纤维成相与识别系统观察纤维的吸油状态。

式中：mt为t时间吸油纤维及滤网总质量，g；W为保油倍率，g/g。

重复吸油性能：采用机械压缩方式，将吸油饱和的萝藦种毛纤维平铺于滤网上沥干后，经活塞挤压至吸油倍率(残余吸油倍率)为4.0～6.5 g/g，取出挤压后的纤维置于油剂中，搅拌蓬松并继续吸油至饱和状态，计算纤维的饱和吸油倍率，并通过纤维成相与识别系统对比观察不同使用次数下，纤维集合体的形貌变化。

1.2.5 纤维的油水分离性能测试

称取2.0 g干燥纤维轻铺在漏斗表面，配置油水体积比为1∶1混合液100 mL，缓慢倒入三角漏斗并收集滤液，待过滤结束后，采用分液漏斗分液并量取水、油体积，按下式计算油水分离效率[21]。

式中：η为吸附油剂与过滤前油剂体积比，即油相分离效率，%；V0为初始油相体积，mL；Vn为过滤n次后流过纤维吸附层收集的油相体积，mL。

2 结果与讨论

2.1 纤维形貌分析

图1为萝藦种毛纤维的绒朵形貌及微观形貌。由图1(a)可以看出，纤维以绒核为中心，向外呈放射状分布；从纤维纵向形貌可以看出，纤维表面较为光滑，并存在纵向凹槽，整根纤维直径约为20 μm；从纤维截面形貌可以看出，萝藦种毛纤维具有典型的高中空结构，因纵向凹槽而导致纤维截面呈“类十字花”形，采用Image J方法计算纤维中空度约为92%，与目前文献报道的木棉较为接近。

图1 萝藦种毛纤维扫描电镜照片Fig.1 SEM images of metaplexis japonica seed hair fiber. (a) Single fibre velvet; (b) Longitudinal morphology(×1 000); (c) Cross-sectional morphology (×2 000)

2.2 纤维表面润湿性能及漂浮性分析

图2示出水与不同油剂在纤维表面的自然状态以及静态接触角。可以看出，当纯水(刚果红染色)与油剂滴入粉末状萝藦种毛纤维集合体表面，油滴迅速润湿并渗入纤维，而水则呈明显球滴形态，表明纤维具备天然疏水亲油性能。

图2 萝藦种毛纤维表面润湿性Fig.2 Surface wettability of metaplexis japonica seed hair fiber

为进一步表征纤维疏水亲油性能，测试了水和不同油剂与纤维表面的静态接触角。结果显示：超纯水与纤维的静态接触角可达151.12°；而不同油滴入纤维表面均在0.6 s内铺平，再次证实特殊蜡质赋予萝藦种毛纤维超疏水性及良好亲油性[4]。同时，在实际吸油过程中，良好的漂浮性能利于吸油材料的回收，因此，本文测试了纤维集合的体漂浮性能发现：在自然状态下，纤维漂浮于水面之上，按压至水下可迅速漂浮；投入在油相中，纤维迅速吸油，大量油剂填充于纤维空隙，纤维逐渐下沉，但饱和吸附状态下纤维仍漂浮于油面之上，保证了回收便捷性。可以认为，萝藦种毛纤维的低密度(0.33 g/cm3)保证了纤维吸油后维持漂浮状态，利于回收[4]。

2.3 纤维吸油性能分析

2.3.1 静态吸油速率分析

图3示出天然萝藦种毛纤维对不同油剂吸油倍率随时间的变化。可以看出：前5 min内，纤维对 3种油剂的吸附速率较快，此时的吸附倍率均达到饱和吸附倍率的95%以上，表明这是纤维吸油的主要阶段；而5 min后，纤维对3种油剂的吸附渐趋于饱和，仅用10 min即达吸附平衡，其对植物油、机油和柴油的饱和吸油倍率分别为81.52、77.62和57.22 g/g，均优于已报道的天然纤维及合成吸油材料[22-24]。中空纤维不仅可通过自身空腔吸油储油，且中空结构同样利于构建蓬松集合体，可进一步提升吸油储油空间，因此，萝藦种毛纤维具有高吸油倍率[7]。吸附初始阶段，由于柴油与机油具有更低的表面能，吸附过程的能量屏障更小，易于向纤维管状结构及缝隙中渗透[25]，故吸附速率较快；而随着吸附时间延长，因植物油具有更高的黏度，纤维对其吸附固着更为稳定，故吸油倍率较大。综上，天然萝藦种毛纤维吸油速率快、吸油倍率大，其对于低表面能油剂拥有更快吸附速率，而对高黏度油剂有更高的吸附倍率。

图3 萝藦种毛纤维对不同油剂的静态吸附性能Fig.3 Static adsorption performance of metaplexis japonica seed hair fiber to different oil

2.3.2 纤维保油性能分析

图4示出萝藦种毛纤维对不同油剂的保油倍率随时间变化趋势。可以看出，曲线主要分为2个阶段：沥油60 min内，纤维将吸附的植物油、机油和柴油快速释放，此时保油率分别为84.3%、84.6%和74.3%，对柴油释放速率明显较快；60 min后，柴油保油倍率曲线趋于稳定，而对植物油与机油的保油倍率仍出现小幅降低，直至240 min后稳定；最终，纤维对植物油、机油和柴油720 min保油率分别为79.1%、75.4%和72.0%。

图4 萝藦种毛纤维对不同油剂的保油性Fig.4 Oil retention of metaplexis japonica seed hair fiber to different oil

图5为纤维对油剂的吸附状态光学显微镜照片。可看出：纤维相互连结处及纤维纵向凹槽结构为油剂吸附的主要空间；纤维中空结构利于其构建蓬松高间隙集合体结构，是中空纤维高吸油倍率的关键[7]。图5(b)证实纤维的中空结构亦存在对油剂吸附，这是由于纤维腔体毛细芯吸作用，此类吸附较为稳定，利于保油倍率的提升[26]。

图5 萝藦种毛纤维吸油状态下的光学显微镜照片(×80)Fig.5 Light micrographs of metaplexis japonica seed hair fiber at saturated oil absorption state(×80). (a)Oil storage in fiber gap; (b) Oil storage in fiber cavity

2.3.3 重复吸油性能分析

纤维在多次重复利用后的吸油能力是评价其吸油材料性能的关键，而机械压缩回收油剂方式具有高效便捷性，因此，本文采用该方式回收油剂并考察纤维重复吸油性能。图6示出萝藦种毛纤维对不同油剂的重复吸油性能。从总趋势可以看出，3种油剂在循环使用3次内吸油倍率下降明显，而后随着挤压、再吸附，纤维饱和吸油倍率则下降幅度较小，经8次重复使用后，纤维对植物油、机油和柴油的吸油倍率达62.46、60.36和45.36 g/g，较初次吸油分别下降了23.4%、22.2%和20.7%。仅从吸油倍率而言，循环使用8次的萝藦种毛纤维吸油倍率仍高于部分高分子吸油海绵[27]；一般木棉纤维循环使用8次后吸油倍率为10 g/g[18]，其重复利用性远低于萝藦种毛纤维。

图6 萝藦种毛纤维对不同油剂的重复吸油性能Fig.6 Repeated oil absorbency of metaplexis japonica seed hair fiber to different oil

图7示出萝藦种毛纤维重复利用后形貌变化。可知，随着挤压次数增加，纤维发生扭曲、断裂、缠结，集合体结构更加紧凑，纤维间隙明显减少，直接导致了纤维集合体吸油能力的下降[28]。

图7 萝藦种毛纤维重复使用后纤维集合体形态(×40)Fig.7 Morphology of aggregates after repeated use of metaplexis japonica seed hair fiber(×40). (a) Repeat 0 time; (b) Repeat 2 times;(c) Repeat 4 times;

同时，重复吸油过程中可能造成纤维表面蜡质损失，进而导致纤维亲油性变差，重复吸油倍率降低。但由于纤维中空结构尚未完全破坏，蓬松结构可通过机械作用在一定程度上恢复，因此，多次重复使用后吸油倍率趋于稳定[7]。

2.3.4 纤维油水分离性能的初步探究

图8示出萝藦种毛纤维的油水分离图。严格而言，仅依靠纤维自身疏水性能尚难以实现油水乳液混合物分离，但针对分层油水分离亦能体现萝藦种毛纤维对于油剂快速定向吸附性能，本文以纤维为过滤层，选用植物油为待吸附油剂，将油水(分层状态)倒入纤维层，在重力作用下于三角漏斗中进行油水分离，分离效率测试结果如表2所示。

由图8(a)萝藦种毛纤维油水分离过程可知，随着油水先后透过纤维层，由于纤维对油剂提供的吸附支撑力克服重力作用，从而完成油剂的吸附与固

表2 不同分离循环次数下萝藦种毛纤维的油水分离效率Tab.2 Oil-water separation efficiency of metaplexis japonica seed hair fiber at different separation cycles

定；而在纤维的疏水作用和重力协同作用下，水相沿着纤维间隙下落被收集。由于过滤后纤维层为油黄色，而非水相的红色，表明纤维疏水作用明显，水相在纤维层中能够顺利通过；油水分离吸附过滤 4次后，滤液状态如图8(c)所示，可见油剂已基本吸附完全，此时分离效率高达98.0%，初步实现油水相分离。

实验同时发现，油水分离过程中，纤维填充密度对分离效率存在显著影响，高填充密度减少了纤维间隙，降低了其对油剂吸附量，阻碍水相流通，难以油水分离，因此，控制纤维间隙是高效油水分离的关键。

3 结 论

1)天然中空萝藦种毛纤维是一种具有异形截面的高中空纤维，并具有轻质疏水特性，其表面纯水静态接触角高达151.12°，因纤维集合体良好的亲油性及漂浮性可应用于多种油剂吸附。

2)萝藦种毛纤维具有优异的吸油性能，并可初步应用于油水分离。纤维中空结构及蓬松纤维集合体可提供大储油空间，其对植物油、机油和柴油饱和吸油倍率分别高达81.52、77.62和57.22 g/g，且保油率均在72%以上。经8次循环吸油，因纤维结构破坏及表面蜡质损失致使吸油倍率发生一定程度下降。此外，纤维对植物油定向吸附性能优异，可初步实现分层油水的分离。