羽绒材料表面不同污渍吸附规律分析

张海燕,韦玉辉,2,,袁惠芬,唐 欣,许仲童,吴开明

(1.安徽工程大学 纺织服装学院,安徽 芜湖 241000; 2.应急管理部上海消防研究所,上海 200032;3.安徽古麒绒材股份有限公司,安徽 芜湖 241300)

羽绒材料因具有质轻、蓬松、保暖等特点,成了当今保暖性能最好的天然纤维,被广泛应用于防寒服装、家居保暖用品等的制作[1-2]。同时,羽绒属于动物源的纤维材料,主要通过宰杀浸烫后采用机械或手工脱毛方式获取。获取的羽绒原材料中除含有可用作填充物的毛片、绒朵外,还混有大量长毛片、硬毛片和杂质(灰尘、油脂、粪便、血渍等),以及大量细菌等微生物[3-5]。为保证羽绒作为填充物的安全性与舒适性,必须将其表面吸附的各类杂质剔除,以免降低羽绒材料的品质,或引起肠道、呼吸道疾病及皮肤过敏、瘙痒等人体不适[6]。目前关于羽绒材料的研究主要集中在抗菌整理、表面改性及性能优化等方面,关于羽绒材料表面污渍的清洗和不同污渍吸附规律的研究相对较少[7-10]。由污渍吸附和脱附理论可知,污渍吸附是高效脱附的前提,故系统探究羽绒材料污渍吸附过程及其主要影响因素,阐明羽绒材料上各种污渍的吸附机制尤为重要。因此,本研究以羽绒材料常见的油渍和泥渍两种污渍作为模拟对象,分别对其进行污渍溶解吸附实验,探究不同污渍在羽绒材料上的吸附方式、吸附量和吸附特征,以期为高效清洗羽绒材料污渍提供相应的理论支撑。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

1.1.1实验材料

鸭绒(含绒率50%,安徽古麒绒材料股份有限公司);鸭油(食用级,潍坊市利臣油脂有限公司);吐温、司盘(化学纯,山东优索化工科技有限公司);平平加O、六偏磷酸钠(工业级,山东优索化工科技有限公司);黏土(工业级,诺贝尔科教有限公司);炭黑粉(5 μm,上海文华化工有限公司);无水乙醇(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。

1.1.2实验设备

DF-101S型集热式磁力搅拌器(深圳市鼎宜实验设备有限公司);JA30003型微量电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);DHG-9030A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司);UV2600型紫外可见分光光度计(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);SHA-BA型水浴振荡器(常州市国旺仪器制造有限公司);S-4800型扫描电子显微镜(日本 Hitachi 公司)。

1.2 评价指标及方法

1.2.1吸附量

吸附量计算公式[11]如下:

(1)

式中:q为羽绒对污渍的吸附量,mg/g;m1为吸附污渍后羽绒的质量,g;m0为吸附污渍前羽绒的质量,g。

1.2.2平衡浓度

平衡浓度计算公式如下:

(2)

式中:ρe为达到吸附平衡时污渍的质量浓度,mg/mL;ρ0为吸附污渍前污渍的质量浓度,mg/mL;m1为吸附污渍后羽绒的质量,g;m0为吸附污渍前羽绒的质量,g。

1.2.3污渍浓度

将配制好的不同浓度污染液稀释100倍,测3次吸光度取平均值,油渍选取230 nm处的吸光度,泥渍选取232 nm处的吸光度,吸附后污渍残留液同样稀释100倍,根据污渍吸附后的吸光度估算吸附后污渍的浓度。

1.2.4羽绒材料表面形态表征

采用扫描电子显微镜观察羽绒材料吸附污渍前后的表面形态,以及羽绒材料吸附不同污渍后的表面形貌特征。

1.3 羽绒吸附污渍实验

1.3.1污渍制备

1)油渍制备:鸭油、司盘、吐温的比例为6∶1∶1。司盘溶于去离子水中,吐温溶于鸭油中,分别使用磁力搅拌器在常温(25 ℃)下以500 r/min的转速搅拌15 min,将与司盘混合好的水溶液加入混合好含有吐温的鸭油溶液中继续在500 r/min下搅拌10 min,得到油渍污染液,按比例分别配制质量浓度为5、15、25、35、45 mg/mL的油渍污染液待用。

2)泥渍制备:黏土、六偏磷酸钠、平平加O和炭黑粉的比例为18∶1∶1∶0.9。在无水乙醇水溶液中加入平平加O,充分搅拌至完全溶解,再加入炭黑粉使用磁力搅拌器常温(25℃)下以1 000 r/min的转速搅拌15 min,使炭黑粉均匀分散,制得炭黑粉分散液。将黏土放入去离子水中煮沸30 min,加入六偏磷酸钠,使用磁力搅拌器以1 000 r/min的转速搅拌15 min,制得黏土分散液。将制备好的炭黑粉分散液加入黏土分散液中,使用磁力搅拌器再以1 000 r/min的转速搅拌15 min,制得泥渍污染液,按比例分别配制质量浓度为15、25、35、45、55 mg/mL的泥渍污染液待用。

1.3.2实验

将含绒率为50%的精洗鸭绒装入广口瓶,按照1∶30的浴比加入超纯水,使用水浴恒温振荡器在常温(25 ℃)下漂洗3 min,在电热鼓风干燥箱中55 ℃烘干后使用密封袋盛装待用。为探究不同污渍在羽绒材料表面吸附性能的主要影响因素,本实验将污渍质量浓度作为实验变量。首先取300朵鸭绒为1组,共取3组,在微量分析天平上称至恒定质量,取其平均值作为吸附前羽绒样本质量,再取适量备用鸭绒放入备好的各种浓度污渍烧杯中,使用玻璃棒搅拌均匀,使鸭绒完全浸在污染液中,放入45 ℃磁力搅拌器中静置30 min后取出鸭绒,使用超纯水漂洗一遍,电热鼓风烘干箱55 ℃烘干;然后同样选取300朵鸭绒为1组,共取3组,在微量分析天平上称至恒定质量,取其平均值作为吸附后羽绒样本质量,将其与吸附前羽绒样本质量进行比较分析;最后将不同浓度污渍吸附前后的污渍溶液各稀释100倍,使用紫外可见分光光度计各测3次取平均值,进行吸光度和污渍质量浓度的比较分析,结果如图1所示。

图1 吸光度与污渍质量浓度关联曲线Fig.1 The correlation curve of absorbance and stain mass concentration

2 结果与讨论

2.1 污渍浓度分析

由图1(a)可知,油渍吸附后的吸光度普遍高于吸附前。质量浓度为5～15 mg/mL时吸附前后吸光度差异较小,曲线较为平缓;质量浓度为15～35 mg/mL时吸光度呈上升趋势;质量浓度为35～45 mg/mL时吸附后的吸光度呈下降趋势,但吸附前为平缓上升趋势。由图1(b)可知,吸附前后泥渍的吸光度均以接近直线的趋势上升,吸附后吸光度均高于吸附前。泥渍质量浓度为25 mg/mL时吸附前后吸光度差值最小,在其他浓度下差异不明显。根据比尔定律中吸光度与吸光物质浓度成正比可知,吸附后油渍和泥渍的浓度增加,表明羽绒材料在吸附过程中易遭到污渍破坏而产生损伤,绒枝断裂掉落等使污渍浓度增加,同时羽绒表面未清洗干净的粉尘在吸附过程中脱落,也会使吸附后的污渍浓度增加。

2.2 吸附特性分析

2.2.1油渍吸附特性分析

油渍吸附量与质量浓度的关联曲线见图2。由图2可知,油渍质量浓度为5 mg/mL时羽绒材料对油渍的吸附量最小,在质量浓度为15 mg/mL时吸附量最大,羽绒材料表面油渍吸附达到饱和;在质量浓度为25、35、45 mg/mL时,羽绒材料对油渍的吸附量减少并逐渐趋于平缓,但高于质量浓度为5 mg/mL时羽绒材料对油渍的吸附量。油渍浓度过高时,没被吸附的剩余油脂较多,这些剩余油脂会裹挟在羽绒材料表面,漂洗过程中绒朵上脆弱的绒丝易断裂脱落,从而导致羽绒材料对浓度过高的油渍吸附量相对减少。羽绒材料的耐酸性较好,羽绒纤维分子结构中的氨基酸成分决定羽绒纤维对酸具有一定的吸附和保持能力[12],动物油脂中含有大量脂肪酸,油渍中的饱和脂肪酸较容易吸附在羽绒材料表面,因而其对油渍的吸附性较好。

图2 油渍吸附量与质量浓度关联曲线Fig.2 The correlation curve of oil adsorption capacity and mass concentration

2.2.2泥渍吸附特性分析

泥渍吸附量与质量浓度的关联曲线见图3。由图3可知,羽绒材料对泥渍的吸附量均为负值。泥渍质量浓度为25 mg/mL和45 mg/mL时羽绒材料对泥渍的吸附量绝对值达到最大,说明羽绒材料在吸附过程中受到严重损伤;质量浓度为15 mg/mL和55 mg/mL时吸附量绝对值相对较小,说明吸附对羽绒材料的损伤相对较小。泥渍为固体颗粒污渍,易与羽绒纤维产生静电摩擦从而吸附在羽绒材料表面或羽丝之间的空隙中,结合力较小,容易掉落。羽丝、绒枝、绒小枝与固体颗粒在吸附过程中产生摩擦,易导致羽轴、绒丝、绒枝、绒小枝、菱节等折断,在吸附后的漂洗过程中,断碎羽绒被带走,使吸附后羽绒质量减轻,这就是吸附量为负值的原因。羽绒材料对不同质量浓度泥渍的吸附量波动较大,吸附过程中羽绒材料损伤较大,吸附量与泥渍质量浓度关系不大[13]。

图3 泥渍吸附量与质量浓度关联曲线Fig.3 The correlation curve of mud adsorption capacity and mass concentration

2.3 羽绒表面形貌分析

2.3.1吸附油渍后羽绒的表面形貌

吸附油渍前后羽绒的表面形貌见图4。图4(a)为未沾染任何污渍羽绒的表面形貌,可观察到羽绒的绒小枝上有明显的沟壑,且绒小枝的夹角间缝隙明显。图4(b)为吸附油渍后羽绒的表面形貌,明显看出有一层黏膜状物粘在绒小枝之间,绒小枝表面比吸附前要平滑,完全被油脂覆盖,表面绒小枝夹缝被油脂填充。油渍在羽绒上均匀吸附且吸附性较好,主要是因为油脂类污渍具有六元环状、单疏水链结构,其借助自身脂肪酸分子中羟基上的氢原子与羽绒内部蛋白质分子中羟基的氧原子结合,从而形成氢键的化学吸附[14]。

图4 吸附油渍前后羽绒的表面形貌Fig.4 The surface morphology of down fiber before and after adsorbing the oil stains

2.3.2吸附泥渍后羽绒的表面形貌

吸附泥渍后羽绒的表面形貌见图5。从图5(a)可以看出,吸附泥渍后羽枝的表面有少量块状颗粒,沟壑仍然清晰,并没有被泥渍颗粒覆盖。图5(b)中羽小节处分叉夹角清晰,夹角缝隙间无污渍颗粒填充,表面有细小颗粒附着,无成块颗粒,羽枝分叉处表面有破裂拉丝,羽绒纤维断裂损伤严重。泥渍是固体污渍,易溶于水,与羽绒的吸附方式为物理吸附,吸附力较小,但颗粒状污渍与羽绒之间的摩擦力较大,会对羽绒表面结构造成磨损,破坏羽绒纤维结构。同时,羽绒表面因有油脂而相对光滑,也使其不易吸附泥渍。

图5 吸附泥渍后羽绒的表面形貌Fig.5 Surface morphology of down absorbing mud stains

3 结语

制备油渍和泥渍两种污渍对羽绒材料进行污渍吸附实验,发现羽绒材料对于不同污渍的吸附特征及吸附量不同,主要结论如下:

1)羽绒材料吸附油渍和泥渍后,两种污渍的污染液浓度增加,这是由于吸附过程中机械搅拌和污渍黏附对羽绒材料造成了断裂损伤。

2)羽绒材料对油渍的吸附量大于对泥渍的吸附量,且对泥渍的吸附量为负数,表明泥渍对羽绒材料的破坏程度要大于油渍。

3)油渍均匀吸附于羽绒材料表面,绒小枝完全被油渍覆盖,泥渍以细小颗粒状吸附在羽绒材料表面,吸附较少,无块状覆盖。

4)羽绒材料对油渍的吸附力较大,为化学吸附,对泥渍的吸附力较小,为物理吸附。