天然纤维素纤维吸油研究进展

朱 静，曹胜彬，高 玉

(上海电机学院 材料学院，上海 201306)

1 引言

天然纤维素纤维是自然界原有的或经人工培植的植物上直接取得的纤维，主要包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶质、树胶质和一些非纤维素糖，分为种子纤维、果实纤维、韧皮纤维、茎纤维和叶纤维。亲油性天然纤维素纤维利用范德华力、氢键结合力、亲油性基团的亲和力以及毛细管作用力对油类进行吸附，具有资源丰富、廉价易得、用后易处理等优势，在吸油领域具有潜在应用价值。但是，大部分天然纤维素纤维存在疏水性差、吸油量低、油水选择性弱等问题，限制了在吸油领域的进一步应用。

2 天然纤维素纤维

天然纤维素纤维是地球上最丰富的可再生资源，它以各种形式广泛存在于自然界中。据统计，自然界中每年能生产约1.5×1012t的纤维素[1]，其中有很大一部分未被利用，如：常见的秸秆、甘蔗渣、木屑、锯末等植物纤维素都是农林废弃物。

近年来，已有文献报道了亚麻、木棉、香蒲绒等纤维素纤维具有油液吸附性能，还有用纤维素纤维处理漏油的研究报道。如：Rengasamy等[2]对乳草、木棉、棉等天然纤维材料的吸油性能进行研究，认为这些材料可在吸油领域应用；Fanta等[3]认为稻壳、玉米芯、蔗渣等农业废弃物可应用于吸油材料的制备。Soteland等[4]利用天然纤维材料改性可提高纤维素材料的吸油性能。

与合成纤维相比，天然纤维素纤维具有资源丰富、廉价易得、用后易处理、可生物降解等优点，突显出越来越重要的应用研究价值。但是，大多数纤维素纤维的吸油能力较弱，疏水亲油性和浮力性能较差，容易受潮、腐烂，需要进行后处理，才能作为吸油材料得以应用。

3 国内外纤维吸油研究进展

3.1 对纤维吸油能力的测试研究

通常纤维的吸油能力采用吸油饱和时的指标进行表征，如：吸油倍率(g/g)、吸油速度(g/s)、24 h的保油率(%)、油水选择比(%)、饱和时间(s)等。其中，吸油倍率最为常用，它是指吸收油量与自身纤维重量的比值。

通过文献研究发现，某些天然纤维素纤维的吸油倍率高于工业用的聚丙烯材料，具备应用于吸油领域的潜能。例如：Choi[5]的研究表明，乳草属植物与棉纤维对原油吸油倍率在30～40 g/g，明显高于聚丙烯纤维(5～25 g/g)；徐广标团队[6]对木棉纤维对柴油、机油的吸附倍率在30 ～ 50 g/g；Annunciado[7]分别对剑麻、海绵葫芦、丝绵等纤维素纤维吸油性能进行实验研究，发现丝绵纤维对原油的吸油倍率可达85 g/g。此外，部分天然纤维素纤维的吸油实验结果如表1所示，其中一些纤维的吸油倍率很低，如：麦杆纤维低于1 g/g，对植物油吸油倍率仅为0.576 g/g，这意味着吸附油的重量低于纤维本身的重量，吸油能力弱。但是，有些纤维表现超强的吸油能力，杨树种子毛纤维吸油倍率是聚丙烯纤维10倍之多。

通过上述研究发现，天然纤维素纤维的吸油能力各不相同，甚至吸油倍率相差很大。这跟纤维自身的结构、表面化学组成以及内部的结晶度有很大的关系。因此，要增加其吸油能力还需后处理，如：对其进行高温处理、表面粗糙和表面改性等手段，才能更好地在吸油领域的应用。

3.2 纤维改性提高吸油能力的研究

亲水性改性处理有很多方式，如热处理、接枝共聚、多种材料复合等多种方式。针对天然纤维素纤维吸油倍率低和吸油量不稳定等问题，研究者还对纤维进行一定的处理。

一种方式是直接高温热处理，脱除亲水性基团。如表2所示，Hussein等[11]和江茂生等[15]分别报道了甘蔗渣、红麻杆直接经过高温处理，温度均控制200～600 ℃，得到纤维吸油能力明显提升。其原因：高温使亲水基团发生分解，亲水性基团(-OH)数的大量减少，形成了焦油质附着在表面，亲油基团增加，从而提高了亲油疏水性能。

表1 部分植物纤维吸油倍率的实验结果

另一种方式，直接化学试剂改变纤维的表面组成，降低表面自由能。研究者采用了不同改性剂与方法来增强吸油性能，如：杨再福[16]采用悬浮聚合法接枝共聚法，制备了加拿大一枝黄花基吸油材料；Suni[12]以稻草与乙酸酐反应制成了一种纤维素酯类的吸油剂；曹亚峰[17]将棉短绒与丙烯酸长链酯进行交联，合成了高吸油性材料；董婷[6]采用甲基三氯硅烷简单修饰后，木棉纤维对水分几乎不吸收；户岐飞[18]采用溶胶凝胶法对苎麻进行疏水亲油改性提升了吸附性能。上述纤维改性后，吸油效果详见表2。化学法提升吸油能力的主要机理：纤维素纤维大分子链上存在丰富的羟基，采用疏水改性剂与表面羟基缩合形成共价结合的分子层，赋予纤维超疏水特征；同时，纤维内部结晶度明显下降，非结晶区逐渐增加，热稳定性也明显降低。

此外，热处理和化学改性相结合的方式可以提高吸油性能。如：陈学榕团队[19]以杉木为原料，经过蒸煮、帚化疏解和热解处理，制备出木纤维吸油材料。但是，在实际工业应用中这种高吸油纤维材料还较少。因为，热处理和化学改性得到的疏水性材料缺乏一定的机械和化学稳定性，制备工艺复杂，甚至毒副产物产生。

表2 纤维改性提高吸油能力

3.3 多种材料复合提高吸油能力的研究

为了使不同纤维性能优势互补，提高吸油能力。经常在纤维集合体中加入其他纤维，提高其力学性能、孔隙均匀度、稳定性等性能，从而提高纤维集合体吸油能力。白景峰[20]在聚丙烯无纺布之间填充改性后的稻草纤维，制成垫片，对机油的吸收倍率可达20g/g以上。Farias[21]使用棕榈纤维来增强的聚酯复合材料的机械性能和拒水性能。Kobayashi[22]发明了一种用纤维素纤维与木棉混合的纤维毡，其吸油量比聚丙烯高出1.5～2.0倍。

此外，不同纤维的混合比对其吸油性能有着重要影响。东华大学徐光标团队将低熔点纤维(ES纤维)混入棉、木棉和蒲绒纤维中制成絮片，对吸油倍率进行了比较研究。如图1，可以看出3种纤维素纤维絮片中ES纤维量增加，其饱和吸油倍率随之减少，其原因在于ES纤维在集合体内部主要起到了支撑和粘结作用[9]。

4 结论

为解决天然纤维素纤维吸油性能弱的问题，很多研究者进行了探索，为在吸油领域的应用提供了一定理论支撑。通过以上研究，结果表明：①一些天然纤维素纤维

图1 3种纤维与ES纤维不同混合时的吸油倍率比较

具有比合成纤维还高的吸油倍率，可以直接工业化应用；②对于大部分吸油能力较弱的纤维，可采用高温热处理、接枝共聚、多种材料复合等多种方式，提高其吸油能力；③在改性后的纤维应用过程需考虑其机械和化学稳定性。