徐廣標(biāo),徐麗麗，王向欽

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.廣州市纖維產(chǎn)品檢測院，廣東 廣州 510220)

擦油棉的油液吸附特性

徐廣標(biāo)1,徐麗麗1，王向欽2

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.廣州市纖維產(chǎn)品檢測院，廣東 廣州 510220)

以擦油棉為研究對象，以接觸角為指標(biāo)，研究了擦油棉對柴油、機(jī)油、潤滑油的吸附性能．研究結(jié)果表明，擦油棉具有疏水親油性，擦油棉與水的靜態(tài)接觸角均大于110°，與各種油液的靜態(tài)接觸角均小于60°．油液與擦油棉接觸角隨時間快速變化，且這種變化符合線性關(guān)系.油液在擦油棉表面實現(xiàn)快速鋪展，整體上在1500ms內(nèi)油液完成鋪展和浸潤．擦油棉的吸油性能取決于棉纖維與擦油棉的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及油液性能．

擦油棉；接觸角；吸附性能

石油在生產(chǎn)、加工及使用過程中存在泄露的危險[1]，從而產(chǎn)生污染，利用吸油材料可以治理油液的污染．目前的吸油材料分為有機(jī)吸油材料和無機(jī)吸油材料．有機(jī)吸油材料吸油性能好，但制備工藝復(fù)雜，成本高且產(chǎn)生二次污染[2]．無機(jī)吸油材料吸油性能差且浮力小[3]．天然纖維可以作為吸油材料，其具有種類多、易降解、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于處理油液泄漏[4-5]．此外，大型機(jī)修廠的廢棄油液需要使用高效吸油材料來收集．

天然纖維中用于吸油纖維的有棉纖維[6]、香蒲絨纖維[7]、蠶繭[8]、洋麻[9]、木棉[10]和羊毛纖維[11]等．國內(nèi)外學(xué)者對吸油纖維的研究發(fā)現(xiàn)，其中一些天然纖維比合成纖維具有更好的吸油性能．棉短絨大量存在于棉花生長以及紡織加工過程中[12-13]，由于纖維短，紡織加工困難，從而造成資源的浪費(fèi)，如何充分利用棉短絨資源是研究者和企業(yè)長期以來共同關(guān)注的問題.本文研究棉短絨制備的非織造材料的油液吸附特性，研究結(jié)果將為棉短絨在吸油領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 試 驗

1.1 試樣

試樣：以棉短絨為原料，采用針刺工藝制備棉短絨非織造材料(因用于油液擦拭領(lǐng)域，本文稱之為擦油棉)．樣品在浙江某工廠加工，其工藝流程：原料喂入→開松→梳理→鋪網(wǎng)→預(yù)刺→成品，3種擦油棉的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示．

表1 擦油棉試樣參數(shù)Table 1 Parameters of cotton sheets

液體：機(jī)油、柴油、潤滑油、水．液體的特征參數(shù)采用DCAT11型表面張力測量儀和SNB-2型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計測試，其特征參數(shù)如表2所示．

表2 液體試樣特征參數(shù)Table 2 Parameters of liquid samples

1.2 儀器

OCA15EC型光學(xué)接觸角測量儀，日立TM-1000型臺式掃描電鏡．

1.3 制樣

將試樣剪成2cm×5cm的條狀，用雙面膠粘在玻璃片上，保證試樣表面平整，且盡量使其表面無多余的纖維或者毛羽．

1.4 試驗步驟

(1) 靜態(tài)接觸角：油液滴在擦油棉上會瞬間鋪展，采用光學(xué)接觸角測量儀，用氣泡法測量油液與擦油棉的靜態(tài)接觸角．而水在擦油棉表面能夠形成穩(wěn)定的液滴輪廓，采用正向接觸角測量法直接注射測量其接觸角．

(2) 動態(tài)接觸角：采用光學(xué)接觸角測量儀，通過跟蹤記錄油液在擦油棉上的接觸角變化，根據(jù)油液在擦油棉上的接觸角變化速率，比較不同規(guī)格的擦油棉對于油液的吸收速度．

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)接觸角

不同液體在擦油棉上的靜態(tài)接觸角如圖1所示，測試10次取平均值，具體測試結(jié)果如表3所示．

圖1 擦油棉與不同液體的靜態(tài)接觸角Fig.1 Contact angle between cotton sheet and different liquids

表3 3種擦油棉與不同液體的靜態(tài)接觸角Table3 Contact angles between three kinds of cotton sheet and different liquids

從圖1和表3可以看出，3種油液與擦油棉的接觸角均小于60°，而水與擦油棉的靜態(tài)接觸角大于110°，表明擦油棉具有親油拒水的特性．比較3種油液與擦油棉的接觸角可知，機(jī)油與擦油棉的接觸角最大，其次是柴油，最小的是潤滑油．

2.2 動態(tài)接觸角

2.2.1 接觸角變化

水在擦油棉表面上形成穩(wěn)定的液滴，液滴不隨時間鋪展．而油液滴在擦油棉上之后迅速浸潤，3種油液在擦油棉上的接觸角變化規(guī)律類似.以柴油在擦油棉上的鋪展過程為例，采用光學(xué)接觸角測量儀對柴油在擦油棉上的鋪展過程進(jìn)行記錄，如圖2所示．

圖2 柴油在擦油棉上的接觸角變化Fig.2 The change of contact angle of cotton sheet to diesel oil

從圖2可以看出，柴油在擦油棉上迅速鋪展．在0～596ms內(nèi)，油液迅速鋪展，在約1500ms內(nèi)，油液完全鋪展．

2.2.2 接觸角變化曲線

(1) 同種油液與不同試樣.3種油液在試樣上的動態(tài)鋪展過程如圖3所示．

圖3 同種油液在不同試樣上的接觸角變化Fig.3 The change of contact angle of the same oil on different samples

從圖3(a)可以看出，機(jī)油在試樣上迅速鋪展，0～500ms內(nèi)機(jī)油在3種試樣上的鋪展規(guī)律相同，在500ms之后，鋪展過程有差異，在2#試樣上的鋪展速度最快，其次是1#試樣，最慢的是3#試樣．

從圖3(b)可以看出，柴油在3種試樣上迅速鋪展，并在1400ms內(nèi)全部鋪展，另外，柴油在1#和3#試樣上的鋪展曲線近乎重合，而其在二者上的鋪展速度快于在2#試樣上的鋪展．

從圖3(c)可以看出，初始階段潤滑油在3種試樣上快速鋪展，1000ms左右潤滑油全部鋪展開．在整個鋪展過程中，潤滑油在3種試樣上的鋪展速度基本保持一致．

(2) 不同油液與同種試樣.3種不同油液在同一種試樣上的動態(tài)鋪展過程如圖4所示．

從圖4(a)可以看出，在0～600ms，3種油液在1#試樣上的鋪展趨勢相同，在600～870ms，3種油液的接觸角變化曲線近似重合，在870ms之后，3種油液的鋪展速度有差異，潤滑油鋪展速度最快，柴油次之，機(jī)油鋪展速度最慢．

圖4 不同油液在同種試樣上的接觸角變化Fig.4 The change of contact angle of different oils on the same sample

從圖4(b)可以看出，在0～940ms，機(jī)油和柴油在2#試樣上的接觸角變化曲線近乎重合，在這個過程潤滑油在試樣上的鋪展速度快于另外2種油液，在0～400ms，潤滑油速度先快后慢，與400～700ms 階段的過程相似，在700ms之后，潤滑油的接觸角變化曲線出現(xiàn)了微小波動．

從圖4(c)可以看出，機(jī)油在3#試樣上的鋪展速度最慢，完全鋪展時間超過2 000ms，而柴油和潤滑油的接觸角變化曲線幾乎重合，潤滑油的鋪展速度略快于柴油．

3種油液在擦油棉上的鋪展過程中接觸角隨時間的變化規(guī)律基本符合線性關(guān)系，其線性方程及相關(guān)系數(shù)如表4所示．

表4 油液在擦油棉上的鋪展線性方程Table 4 The equations of spreading curves with the time

從表4可以看出，3種油液在不同擦油棉試樣上的鋪展規(guī)律均呈現(xiàn)線性關(guān)系；對于同一試樣，3種油液的鋪展速度最快的是潤滑油，其次是柴油，最慢的是機(jī)油．

(3) 鋪展時間.對以上測試過程重復(fù)9次，記錄每次的鋪展時間，取其均值，結(jié)果如圖5所示．

圖5 油液在試樣上的鋪展時間Fig.5 The spreading time of oils on the samples

從圖5可以看出，對于同一種試樣而言，油液的鋪展時間依次為機(jī)油>柴油>潤滑油，對于同一種油液，在試樣上的鋪展時間依次為3#>1#>2#．

3 影響擦油棉吸油性能的因素

3.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

棉纖維呈現(xiàn)出扁平帶狀，具有天然轉(zhuǎn)曲，且具有中腔結(jié)構(gòu)，其中腔提供了較大的比表面積，提高了油液與纖維的吸附力，增強(qiáng)了纖維的吸油能力．利用光學(xué)接觸角測量儀觀察吸油前后的單根棉纖維，如圖6所示．

從圖6可以看出，棉纖維的轉(zhuǎn)曲處存儲了油液，因此油液在棉纖維表面不僅靠中腔吸油，而且棉纖維的轉(zhuǎn)曲也有利于油液的浸潤,說明纖維的中腔結(jié)構(gòu)和天然轉(zhuǎn)曲是影響擦油棉吸油性能的主要因素．

3.2 擦油棉形態(tài)結(jié)構(gòu)

利用掃描電鏡觀察擦油棉集合體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖7所示．由圖7可以看出擦油棉為多孔隙結(jié)構(gòu).從表1可知,3種規(guī)格的擦油棉孔隙率大小依次為3#<1#<2#.從圖5可以看出，對于同一種油液，其所用鋪展時間大小為3#>1#>2#，表明擦油棉孔隙率越大，油液鋪展越快．

圖7 擦油棉形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.7 Morphology of cotton sheet

3.3 油液性質(zhì)

油液對于擦油棉的吸油性能影響主要在于油液黏度和表面張力．3種油液在擦油棉上的鋪展速度為機(jī)油<柴油<潤滑油，而從表2可知，油液的黏度大小為機(jī)油>柴油>潤滑油．因此，對于同一種試樣，油液黏度越大，油液浸潤越慢．

液體表面張力是指一種流體施加給另外一種界面或液體時的分子結(jié)合力，表面張力越低，則液體越容易滲透纖維進(jìn)入中腔并保持在纖維內(nèi)部．從表2可知，油液的表面張力大小為機(jī)油>柴油>潤滑油，從表3可以看出，油液與擦油棉的靜態(tài)接觸角大小為機(jī)油>柴油>潤滑油．這說明液體的表面張力越小，越容易進(jìn)入纖維內(nèi)部．

4 結(jié) 論

(1) 擦油棉具有疏水親油的特性，擦油棉與機(jī)油、潤滑油、柴油的靜態(tài)接觸角均小于60°，與水的靜態(tài)接觸角大于110°．

(2) 動態(tài)接觸角測試結(jié)果表明，水在擦油棉表面形成穩(wěn)定的液滴且不鋪展，而機(jī)油、潤滑油和柴油在擦油棉表面迅速鋪展，對于不同的擦油棉試樣，3種油液的鋪展過程中接觸角與時間呈線性關(guān)系．

(3) 擦油棉對于油液的吸附特性取決于纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、擦油棉集合體的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及油液的特性等因素．其中，棉纖維的天然轉(zhuǎn)曲和空腔結(jié)構(gòu)以及擦油棉的孔隙率是影響擦油棉吸油特性的主要因素．

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Oil Adsorption Characteristics of Cotton Sheet

XUGuang-biao1，XULi-li1，WANGXiang-qin2

(1.College of Textiles，Donghua University,Shanghai 201620,China；2.Guangzhou Fiber Product Testing Institute，Guangzhou 510220,China)

The oil adsorption characteristic of cotton sheet to diesel oil,engine oil and lubricating oil was investigated by contact angle.The research results showed that,cotton sheet was oleophilic and hydrophobic with contact angle larger than 110° to water and less than60° to oil．The contact angles of cotton sheet to oils declined linearly and quickly with time flied．The spreading and wet action completely finished after 1500ms．The oil adsorption performance of cotton sheet was determined by the structure of cotton fiber and cotton sheet,and the properties of oils.

cotton sheet; contact angle; adsorption characteristic

1671-0444(2015)01-0043-05

2013-09-16

南通蘇州大學(xué)紡織研究院開放課題資助項目(NS1201)

徐廣標(biāo)(1976—)，男，安徽利辛人，教授，博士，研究方向為紡織材料與紡織品設(shè)計.E-mail：guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 176+．4

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