蒲绒纤维复合絮片的制备与油液吸附性能

关福旺，杨竹丽，盛 凯，王府梅，邱夷平，

(1.泉州师范学院 纺织与服装学院，福建 泉州 362000；2.东华大学 纺织学院，上海 201620)

0 引 言

蒲绒纤维是蒲绒植物雌花序上的绒毛，结构为类似羽绒的朵状，纤维质地柔软，表面含有蜡质和果胶，使其具有良好亲油疏水性能[1-3]。蒲绒纤维约长4～9 mm，单根纤维直径较小，约9～14 μm，纤维表面不光滑，有类似竹节的节点[4-5]。纤维强力很低，约为0.1 cN[6]。

蒲绒在我国大部分地区均有分布，多生长于池塘和河岸浅水处以及沙漠地区浅水滩中。蒲绒纤维资源丰富、价廉易得、易生物降解，吸引了较多研究者的目光。曹胜彬发现蒲绒纤维集合体能够提供大于自身5倍的浮力[6]，可用作浮力材料。王泉泉等发现蒲绒纤维对大豆油、机油具有比较好的吸附性能[7-8]，是优良的吸油材料。游香瑾等探究了蒲绒非织造絮片的压缩性能，结果表明蒲绒非织造絮片具有较好的蓬松性[9]，并且可以积聚较多的静止空气，可用作枕絮、被絮等填充材料，是很好的保暖隔热材料。臧传锋等制备了蒲绒针刺非织造材料，实验表明该材料具有较好的吸声性能[10]，可用于房屋隔热保暖吸声材料。许杰制备了香蒲绒纤维锂电池隔膜[11]，HAL等从蒲绒纤维里分离得到纳米纤维素[12]，这些研究为蒲绒纤维开拓了全新的应用。

在复合材料领域，蒲绒纤维是很好的增强体。邓亭采用蒲绒纤维做增强体，硅酸铝做基体制备了环保型壳，可以使强度增加、焙烧后强度增加并可同时降低残留强度、提高型壳透气性[13]。SHADHIN等制备了蒲绒纤维/环氧树脂复合材料，结果表明蒲绒纤维的加入使复合材料的强力增加[14]。历军等制备了蒲绒-芦苇复合材料，在纯油或水面浮油中均可快速吸收柴油[15]，但芦苇本身吸油能力较低，导致复合材料的吸油效能降低。LIU 等制备了蒲绒/PP复合材料，其拉伸和弯曲性能与黄麻/PP复合材料相近[16]，由此可知强力低的蒲绒纤维复合材料可以获得类似黄麻复合材料的机械性能，但具有更加优异的吸油性能。CUI等以蒲绒为纤维素源制备了复合气凝胶吸附剂，用于污水处理领域[17]。除了蒲绒纤维，蒲叶纤维也是复合材料增强体的常用材料。多位研究者分别制备了蒲叶纤维/PBS[18]、蒲叶纤维/环氧树脂[19-20]、蒲叶纤维/聚酯[21]以及蒲叶纤维/PLA[22]等多种复合材料，与颗粒板[23]、黏土[24]等为基体制备了复合材料。以上研究表明，蒲绒、蒲叶纤维作为增强体大大改善了复合材料的性能，是未来天然纤维和合成纤维复合材料的合适替代品[25]，用于建筑等领域，生态环保、无毒且经济适用。

作为天然的油液吸附材料，为了充分挖掘蒲绒纤维的吸油潜力，拓展蒲绒纤维在吸油领域的应用，将其变废为宝，需要将蒲绒纤维制备成为复合絮片，并探究絮片的孔隙结构、纤维混合比例、纤维种类等多种因素对蒲绒絮片油液吸附特性的影响，分别在纯油液和油水混合物中对其吸油能力和储油能力进行测试分析，并与目前广泛应用的木棉、聚丙烯等吸油纤维进行吸油特性对比。为蒲绒纤维吸油产品的开发应用提供理论参考。

1 实 验

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料

蒲绒纤维为复合絮片的主要纤维原料，ES(聚乙烯为芯层、聚丙烯为皮层的复合纤维)纤维作为热黏合纤维，聚丙烯纤维和木棉纤维按一定比例混入。纤维的规格参数见表1。

表 1 纤维规格参数

1.1.2 仪器

电子天平(JA203H，精度0.000 1 g，常州市幸运电子设备有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070A，精度0.01 ℃，上海精宏实验设备有限公司)；电子织物厚度仪(YG141，精度0.01 mm，泉州美邦仪器有限公司)；光学显微镜(LB-931，精度0.1 μm，美国Labomed公司)；扫描电子显微镜(Helios 5UC，精度0.01 nm，德国helios公司)；旋转黏度计(NDJ-8S，精度0.1 mPa·s，上海昌吉地质仪器有限公司)。

1.2 样品设计与制备

1.2.1 样品设计

为探究孔隙结构、蒲绒纤维含量、纤维种类等因素对复合絮片吸油性能的影响，设计制备了多组复合絮片，如表2所示。其中，1系列样品为同比例、同质量和同面积的蒲绒/ES纤维絮片，厚度不同，因而孔隙结构不同。2系列样品为同质量、面积和厚度但不同组分比的蒲绒/ES纤维絮片，其中，为增加絮片的稳定性，ES纤维比例不低于15%。3系列样品为与2系列组分比一致的木棉/ES纤维复合絮片。因蒲绒纤维长度较短，为了提高絮片稳定性，添加长度较长、吸油性能较好的聚丙烯和木棉纤维，设计了不同添加比例的4和5系列样品。

1.2.2 样品制备

用电子天平称取纤维，将蒲绒纤维、木棉纤维、PP纤维、ES纤维经过开松、梳理、混合，采用气流成网法制备纤网后用电热恒温鼓风干燥箱加热，温度为140 ℃，最终形成蒲绒复合絮片。复合絮片由于采用热风喷射法制备，因此结构蓬松，成品如图1所示，其结构参数见表2。

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

表 2 复合絮片结构参数

1.3 样品结构参数测试

在恒温恒湿实验室[温度(20±5)℃，相对湿度(65±5)%]，参考GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，用电子织物厚度仪测试复合絮片的厚度，加压压力为(1±0.01)kP，加压时间：(30±5)s，测试次数5次。采用光学显微镜和扫描电子显微镜测试分析纤维的形态结构。

1.4 油液吸附测试

实验用油液为植物油(大豆油)。采用旋转黏度计和4号转子，测得油液黏度为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

吸油倍率为木棉纤维吸收油液的质量与木棉纤维质量的比值。取100 mL的纯油液放入500 mL烧杯中，将复合纤维放入非织造布袋中置于烧杯浸泡吸油15 min后取出，置于漏网上静置20 min后称量。吸油倍率q(g·g-1)计算公式如下：

(1)

式中：m1为复合絮片的质量，g；m2为吸油15 min又静置20 min后复合絮片质量，g。

1.4.2 保油率

保油率为复合絮片吸饱油液并在室温下放置24 h后，剩余油液质量与油液饱和质量之比。与吸油倍率的测试方法一致，将试样在室温下静置24 h后称量。保油率b计算公式如下：

(2)

式中：m3为吸油后静置24 h后的复合絮片质量，g。

1.4.3 油水分离性能

实际情况多为油水共存的混合物，因此，将复合絮片置于纯油液与蒸馏水按2∶1制成的150 mL混合液中，进行油水混合液的吸附性能探究，实验步骤与纯油液吸附性能测试相同。

2 结果与讨论

2.1 孔隙结构对吸附性能的影响

复合絮片的孔隙结构是影响其油液吸附性能的重要因素之一。以蒲绒/ES复合絮片为例，分析复合絮片的吸油能力与厚度的关系，如图2所示。

(a) 吸油倍率

从图2可以看出，当纤维组分比均为80/20时，在絮片质量、面积相同的情况下，厚度越大，复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，复合絮片的保油率越小。

在质量、面积一定的条件下，厚度越大，复合絮片的结构越蓬松，孔隙结构越多。纤维间隙形成一个个吸油路径，油液通过毛细效应进入复合絮片之中，因此吸油倍率增加。而储存油液时，油液离开的路径也同样增加，所以保油率降低。其他各组的复合絮片的吸油能力随厚度变化也呈现相同规律。

从图2还可以看出，在油水混合液中也存在相同的吸附规律。对比纯油液和油水混合液的吸附能力发现，蒲绒复合絮片对纯油液的吸附能力和保油率都更优。这是因为蒲绒纤维表面存在蜡质，具有天然的疏水亲油性能，在纯油液里吸附效果更佳。但是油水混合液更接近实际使用时需要吸附的液体情况，通过对油水混合液的吸附性能测试表明，蒲绒复合絮片的油水分离性能也较好。

由Washburn毛细方程[26]可知，复合絮片等多孔材料对液体的吸附可以描述如下：

(3)

式中：L为液体在多孔介质中的流过长度；γ为液体表面张力；R为形式半径；θ为接触角；μ为液体黏度;t为时间。

液体在纤维集合体内的运动，与多孔介质的孔隙截面积和液体压力差有关，Darcy法则[27]确定了这一点，描述如下：

(4)

式中：Q为单位时间内的吸附流量；A为孔隙横截面面积；K为水力传导系数；Δp为液体压力差；q为比流量。

在集合体中，纤维间隙的吸油量如下[28]所示：

(5)

式中：W为纤维间隙吸油量；ρ为液体密度；ε为孔隙率；d为纤维直径。

综上可知，复合絮片吸油量与其孔隙结构有关。但实际的孔隙结构非常复杂，对于同样材料，随着纤维粗细、纤维取向及集合体密度不同，其孔隙结构会有很大差异，从而使得液体流过介质的阻力也会不同。本次实验中，在纤维粗细和取向接近的情况下，因复合絮片的厚度不同，导致集合体密度不同，因而孔隙率不同，油液吸附性能和油水分离性能出现差异。

2.2 蒲绒纤维含量对吸附性能的影响

复合絮片中有吸附能力的纤维含量是影响其吸油能力的重要因素之一。蒲绒纤维、聚丙烯纤维都是亲油疏水的纤维，具有优良的油液吸附性能，聚丙烯吸油毡是现在含油污水处理中常用的成熟产品，因此在复合絮片中添加聚丙烯，对比蒲绒纤维含量对吸油效果的影响，如图3所示。

(a) 吸油倍率

从图3可以看出，在复合絮片的质量、面积、厚度和聚丙烯(PP)纤维比例一致时，不论是纯油液还是油水混合液，蒲绒纤维比越大，复合絮片的吸油倍率越大，保油率也越大。但当PP的比例发生变化时，复合絮片的保油率也随之变化，4-1#与4-2#试样的PP纤维比例一致，但蒲绒纤维比例略有增加时，吸油倍率增加，保油率反而降低。4-3#试样的蒲绒纤维比例增加，PP纤维比例降低，同样的吸油倍率增加，保油率降低，呈现相同的规律。蒲绒纤维为类似羽绒的朵绒结构，如图4(a)所示，细细的绒毛在复合絮片中形成一个个小的孔隙结构。同时，细小绒毛为中空结构，被类似竹节的结节间隔成一个个小的封闭中腔，如图4(b)所示。

(a) 朵绒结构 (b) 中腔结构

这样的结构为储油增加了空间，因此蒲绒纤维增多，吸油倍率相应地增加，保油率增加。而PP为化学纤维，其结构中不存在储油空间，依靠纤维集合体间隙吸油与储存油液。蒲绒纤维较短，在复合絮片中加入比较长的PP纤维，能增强絮片的结构稳定性。但是PP的加入，致使复合絮片总体的吸油倍率和保油率低于蒲绒/ES絮片，说明蒲绒纤维的油液吸附能力要优于PP纤维。

2.3 纤维种类对吸附性能的影响

纤维种类是影响复合絮片油液吸附性能的重要因素之一。选择蒲绒纤维、木棉纤维、PP纤维等分别制备了不同比例的复合絮片，吸附效果见图5。

(a) 2#、3#系列吸油倍率

从图5可以看出，相同纤维混合比例的情况下，木棉纤维的吸油倍率超过26 g/g，甚至高达32 g/g，远高于蒲绒纤维(约20 g/g)。木棉纤维和蒲绒纤维表面都因蜡质的存在而具有疏水亲油的性能。其中蒲绒纤维横截面呈“π”状，类似于异形化纤中的“Y”或“H”形，其独特的横截面结构形态增加了与油液的接触面积，使得蒲绒纤维有较好的油液吸附性能。但木棉纤维为薄壁大中空的结构，中空率高达90%，远高于蒲绒纤维，其扫描电镜图片如图6所示。除此之外，木棉细胞壁上存在着大小不一的孔径，油分子通过这些孔径进入木棉纤维非常大的中腔储存起来[29]。因此，在复合絮片结构相近、混合比例相同时，木棉纤维复合絮片的吸附性能要优于蒲绒纤维。

图 6 木棉纤维横截面

从图5可以看出，蒲绒复合絮片在纯油液中的吸附能力要高于油水混合物，而木棉纤维复合絮片则不同，在油水混合物中吸附效果优于纯油液，这是因为木棉纤维在吸油的同时也会少量的吸附水。图5(c)中可以看出，在同样复合比例下，蒲绒/PP/ES絮片由于添加了PP纤维，复合絮片的吸油倍率明显小于蒲绒/木棉/ES絮片，添加了木棉纤维的复合絮片吸油能力显著提高，表明PP纤维的吸附效果并不如木棉纤维。而保油率的规律显示，两种复合絮片相差不大。

从图5(b)、(d)保油率的变化规律可以看出，蒲绒纤维和木棉纤维的复合絮片在纯油液中的保油率相差不大，但木棉纤维复合絮片在油水混合液中的保油率更高，PP纤维油水混合物中的保油率更佳。

3 结 论

1) 蒲绒纤维复合絮片对油液有较好的吸附与保持能力，并且在纯油液里的吸附效果优于油水混合物。

2) 复合絮片的结构蓬松时，吸油路径增多，油液吸附效果提高，但保油率会下降。

3) 蒲绒纤维含量增加，复合絮片的吸油能力增强。聚丙烯纤维的加入，会降低复合絮片的吸附能力，但保油率提高。

4) 木棉纤维复合絮片的油液吸附能力高于蒲绒纤维，高于聚丙烯纤维。