徐艷芳， 徐廣標(biāo)， b

(東華大學(xué)a. 紡織學(xué)院； b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

木棉纖維是木棉樹的果實(shí)纖維，屬單細(xì)胞纖維，附著于木棉蒴果殼體內(nèi)壁，由內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育、生長而成。單根木棉纖維主要由纖維素(64%)、木質(zhì)素(13%)和多糖(23%)組成[1-4]，其結(jié)構(gòu)呈管狀中空結(jié)構(gòu)，中空度在77%以上。由于木棉纖維長度短且強(qiáng)度低，單獨(dú)紡絲效果差，其常與其他纖維如棉纖維混合紡紗制備木棉纖維混紡織物。木棉纖維通常用作填充物，特別是用于救生衣、床上用品以及隔聲和隔熱材料[5]。木棉纖維具有大中腔、小密度、良好的浮力和出色的疏水性/親油性，已被用作從油污水中去除或分離油類的天然吸附劑[6]。據(jù)報(bào)道，1 g木棉纖維可以選擇性地從油水混合物中吸附約40 g原油，對柴油、機(jī)油和潤滑油的吸附量為30～50 g[3，7-8]。同時(shí)，由于木棉纖維良好的油液吸附和保留性能，其在用于軸承潤滑的含油纖維潤滑材料方面具有巨大潛力。潤滑領(lǐng)域使用的纖維材料主要是短纖維或纖維粉末，可以通過手動或機(jī)械壓入的方式將含油纖維芯吸材料輸送到存儲位置，例如軸承端蓋或軸承的凹口內(nèi)。當(dāng)軸承運(yùn)行時(shí)，與軸承表面接觸的含油纖維粉末芯吸材料在毛細(xì)作用和熱量的作用下釋放油；當(dāng)軸承不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，釋放的油可以返回到承載的芯吸材料，從而形成了一種無需另外添加潤滑劑的軸承。已有專利[9-11]報(bào)道了棉短纖維和木漿粉可用于軸承潤滑。木棉纖維作為吸附載體，其吸油能力要高于棉纖維和木漿纖維，從這個角度而言，較高的吸油量意味著木棉纖維具有釋放更多油液的巨大潛力。然而，很少有研究者關(guān)注木棉纖維粉末材料的基本性能以及在不同條件下的油液吸附性能。

木棉纖維經(jīng)過機(jī)械切斷的方式加工成木棉纖維粉末，其聚集態(tài)會發(fā)生變化，纖維粉末間的孔隙明顯減小，其自然狀態(tài)下的體積密度比原纖維會有明顯的升高。這種變化將會導(dǎo)致散纖維粉末集合體的油液吸附能力發(fā)生變化。已有的大多研究[8，12-13]是針對木棉原纖維集合體的油液吸附特性的，鮮有研究涉及粉末狀的木棉纖維多孔材料。本文采用機(jī)械切斷方式得到木棉纖維粉末并測試其基本物理性能，研究木棉散纖維粉末集合體的油液吸附能力，并討論了其在不同體積密度條件下的油液吸附特性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用印尼地區(qū)爪哇木棉纖維。木棉纖維粉末是將木棉纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎得到的，采用的設(shè)備為纖維粉碎機(jī)(SBJ 800型，青航機(jī)械，中國)。另一種試驗(yàn)材料為木漿纖維粉末，作為對比纖維，由無錫一家企業(yè)提供，其密度為0.65 g/cm3。

采用兩種測試油液，即礦物油和PAO4合成油。使用智能黏度測量儀器(DV2TLV型，Brookfield，美國)進(jìn)行油液的黏度測量。使用表面張力儀(DCAT11型，Dataphysics，德國)測試油液的密度和表面張力。測試溫度為20 ℃，每個指標(biāo)重復(fù)測試3次取平均值。油液的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 測試油液在20 ℃條件下的基本性質(zhì)

1.2 測試指標(biāo)和性能

(1) 纖維粉末外觀形貌。使用掃描電子顯微鏡(SEM-TM 3000型，Hitachi，日本)分析木棉纖維粉末的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)電膠黏附在樣品臺上，取少量樣品盡量平整地黏附在導(dǎo)電膠上。由于纖維本身不導(dǎo)電，為防止纖維表面出現(xiàn)電荷集聚而影響圖像質(zhì)量，采用磁控濺射的方法在樣品表面覆蓋一層金。

(2) 纖維粉末長度分布。將纖維粉末鋪在透明玻璃片上，采用倒置顯微鏡(VAB-100-1型，Huxing， 中國)，拍攝多張光學(xué)照片，將得到的光學(xué)圖像導(dǎo)入Image Pro軟件中進(jìn)行單個纖維狀粉末的長度測量，每種樣品測試1 000個值。

(3) 比表面積。對測試?yán)w維粉末樣品進(jìn)行預(yù)處理，采用超聲清洗的方法除去附著在樣品上的細(xì)小雜質(zhì)。正式測試前，稱取2～3 g樣品在100 ℃的溫度條件下抽真空 12 h，除去吸附在樣品上的揮發(fā)性雜質(zhì)。之后將樣品放入液氮的測試環(huán)境，使用比表面積分析儀(ASAP 2460型，Micrometritics，美國)進(jìn)行測試。

(4) 接觸角。本文采用懸滴法和單根纖維接觸的方法分別測試水接觸角和油接觸角。懸滴法是將待測樣品平鋪在粘有雙面膠的玻璃片上進(jìn)行水靜態(tài)接觸角的測試。單根纖維接觸角的測試方法，由于木棉纖維粉末長度過短，難以制樣，這里采用特殊的制樣器，將單根木棉原纖維的兩端固定在制樣器上，中間部分懸空，測試開始時(shí)，位于纖維上方裝有測試油液的微量注射器的針頭上液滴與纖維接觸形成液橋，之后將針頭向上調(diào)整，液橋破裂的同時(shí)纖維表面會有小液滴形成。兩種測試方法均采用光學(xué)接觸角測試儀(OCA15EC型，Dataphysics，德國)。

(5) 在自然狀態(tài)下的纖維粉末油液吸附性能。為了方便纖維粉末吸油之后的收集與轉(zhuǎn)移，首先將一個自制的100目(孔徑為0.15 mm)不銹鋼容器放在盛有測試油液的塑料容器中，將稱量好的0.5 g 纖維粉末材料放入不銹鋼容器中，放置15 min后取出，轉(zhuǎn)移到帶有圓孔的不銹鋼片上放置15 min(無液體油滴滴下)，測試?yán)w維粉末材料和油液的質(zhì)量，可得到纖維粉末材料對油液的飽和吸油量。靜置24 h后，測試?yán)w維粉末材料和油液的質(zhì)量，可得到其靜置保油率。飽和吸油量和靜置保油率的計(jì)算分別如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1為試樣吸油前質(zhì)量，g；m2為試樣吸油后質(zhì)量，g；m3為試樣靜置24 h后剩余的質(zhì)量，g。

(6) 一定體積密度條件下纖維粉末的油液吸附性能。采用芯吸的測試方法測定特定體積密度條件下纖維粉末材料的吸油性能，使用的儀器是DCAT11型表面張力儀。通過填充不同質(zhì)量的纖維粉末材料控制測試樣品的體積密度。制樣時(shí)要求纖維粉末材料盡可能均勻地填充在樣品管內(nèi)，這樣才能確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性及測試的可重復(fù)性。測試裝置的示意圖如圖1所示。測試過程：首先將盛放在透明液體槽中的測試油液放在自動升降臺上；再將裝有測試樣品的樣品管嵌入力學(xué)傳感器下方的樣品夾內(nèi)，通過儀器下方的控制按鈕，調(diào)整升降臺的位置，使測試液體的液面距離樣品管下方幾毫米；測試開始后，自動升降臺向上運(yùn)動，當(dāng)測試油液的液面接觸到樣品管的下方時(shí)，油液通過多孔材料的毛細(xì)管作用進(jìn)入樣品內(nèi)部，力學(xué)傳感器檢測到力的變化，同時(shí)升降臺停止上升；油液進(jìn)入樣品內(nèi)部的質(zhì)量隨時(shí)間的變化，通過微力天平實(shí)時(shí)記錄在電腦上。

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 結(jié)果與討論

2.1 木棉纖維粉末表面形貌

木棉纖維是一種天然的木質(zhì)纖維素纖維，表面光滑并覆蓋一層天然蠟質(zhì)，具有薄壁大中空的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。文獻(xiàn)[14]研究報(bào)道了木棉纖維長度、細(xì)度及密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

(a) 表面

(b) 截面

表2 木棉纖維基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

自然光狀態(tài)下木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的外觀和SEM圖像如圖3所示。由圖3(a)和(b)可知，兩種纖維粉末均顯微黃，但木漿纖維粉末的顏色較深，且其整體形貌由纖維狀粉末和顆粒粉末共同構(gòu)成。由圖3(c)可知，經(jīng)過機(jī)械切斷的木棉纖維的部分中腔被不同程度壓扁，且由于加工過程中的剪切作用導(dǎo)致部分纖維粉末在長度方向發(fā)生轉(zhuǎn)曲，但大部分的纖維粉末仍然保持了木棉原纖維的中腔結(jié)構(gòu)和光滑表面。由圖3(d)可知，木漿纖維粉末呈實(shí)心扁平狀結(jié)構(gòu)，且表面存在縱向凸起條紋。

(a) 木棉纖維粉末外觀形貌

(b) 木漿纖維粉末外觀形貌

(c) 木棉纖維粉末SEM圖像

(d) 木漿纖維粉末SEM圖像

2.2 木棉纖維粉末長度分布

纖維是指長寬比在103數(shù)量級以上，且粗細(xì)為幾微米到上百微米的柔軟細(xì)長體。木棉纖維的平均直徑為25 μm，而粉碎后的長度不大于2 mm，其長寬比不大于100，故這里對粉碎后得到的木棉集合體稱為木棉纖維粉末。木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的長度分布如圖4所示，其中橫坐標(biāo)刻度值0.1表示長度分布為0～0.1 mm， 0.2表示長度分布為0.1～0.2 mm，以此類推。

(a) 木棉纖維粉末

(b) 木漿纖維粉末

由圖4可知，與木漿纖維粉末相比，木棉纖維粉末具有更大的長度分布范圍，所有的長度均小于2 mm。對于木漿纖維粉末而言，84.18%的纖維狀粉末的長度小于0.3 mm；而對于木棉纖維粉末而言，長度小于0.3 mm的纖維狀粉末僅占56.5%。不同的長度分布組成將導(dǎo)致散纖維集合體的體積密度不同，從而影響其吸油性能。

2.3 木棉纖維粉末比表面積

比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積，是表征材料吸附性能的指標(biāo)之一。吸附屬于一種傳質(zhì)過程，物質(zhì)內(nèi)部的分子和周圍分子有互相吸引的引力，但物質(zhì)表面的分子相對物質(zhì)外部的作用力沒有充分發(fā)揮，所以固體物質(zhì)的表面可以吸附其他的液體或氣體，尤其是在表面面積很大的情況下，這種吸附力能產(chǎn)生很大的作用，所以具有大比面積的物質(zhì)通常具有較好的吸附特性[15]。

BET測試結(jié)果表明，木棉原纖維、木棉纖維粉末和木漿纖維粉末的比表面積分別為1.10、 1.35和1.04 m2/g。經(jīng)過機(jī)械粉碎后得到的木棉纖維粉末比木棉原纖維的比表面積大，可能因?yàn)榉勰┎牧暇哂懈嗟慕財(cái)嗝?。木棉纖維粉末的比表面積比木漿粉末大，這可能是由于木棉纖維本身的中空結(jié)構(gòu)使之具有更大的比表面積。

2.4 木棉纖維粉末表面潤濕性能

為了研究木棉纖維粉末的表面潤濕性能，分別測試了其表面對于蒸餾水和油液的親疏性。木棉纖維和木棉纖維粉末對水接觸角以及單根木棉纖維對兩種油液的接觸角如圖5所示。由圖5可知：木棉纖維粉末對水的接觸角與木棉原纖維相同，可達(dá)136°；單根木棉纖維對礦物油和PAO4的接觸角均小于90°。由此說明，木棉纖維粉末具有明顯的疏水親油的特性，這主要是由于纖維表面覆蓋著一層天然蠟質(zhì)[7]。

(a) 木棉原纖維對水接觸角

(b) 木棉纖維粉末對水接觸角

(c) 單根木棉纖維對礦物油接觸角

(d) 單根木棉纖維對PAO4接觸角

2.5 木棉纖維粉末在自然狀態(tài)下的油液吸附性能

為了得到纖維粉末在自然狀態(tài)下的油液吸附性能，分別測試了木棉原纖維、木棉纖維粉末和木漿纖維粉末對于兩種測試油液的吸油性能和保油性能。需要說明的是，這里的測試樣品均處于一種自然狀態(tài)，即纖維集合體在未受到任何外力作用時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)集合體的體積密度通常比較小。3種樣品對于礦物油和PAO4合成油的飽和吸油量以及24 h后的靜置保油率測試結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，當(dāng)木棉纖維加工成纖維狀粉末以后，其吸油能力明顯下降。這主要是由兩方面的原因造成的：一方面，纖維狀粉末的自然堆積密度(約為0.043 g/cm3)遠(yuǎn)比木棉原纖維的自然堆積密度(約為0.0046 g/cm3)大，集合體內(nèi)的空隙減小，也就意味著儲油空間的減?。涣硪环矫?，機(jī)械的剪切作用會使部分纖維的中腔被壓扁，從而導(dǎo)致吸油能力減小。其中，堆積密度的變化是導(dǎo)致吸油量差異的主要原因。

同樣作為纖維粉末，木棉纖維粉末對兩種測試油液的吸附能力明顯高于木漿纖維粉末，前者的飽和吸油量是后者的近3倍。究其原因：一方面，木棉纖維表面有一層表面蠟質(zhì)，使其具有疏水親油的特性；另一方面，部分木棉纖維粉末仍保留中空的結(jié)構(gòu)，為油液的儲存提供了更大的空間。由圖6(b)可知，纖維粉末吸油飽和24 h之后的靜置保油率均在85%以上。由于含油纖維粉末作為潤滑材料使用時(shí)需要在機(jī)械停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可有效地存儲油液，防止油液泄漏。

(a) 飽和吸油量

(b) 保油率

2.6 不同體積密度條件下的油液吸附性能

纖維粉末集合體材料對于油液的吸附，除了纖維本身對于油液的吸附外，粉末之間的孔隙對于油液的吸附也起到至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)材料的體積密度較小的時(shí)候，孔隙間吸油將是主導(dǎo)因素。為了研究木棉纖維粉末集合體的吸油行為，測試了不同體積密度條件下纖維粉末集合體的吸油性能。經(jīng)切斷后的木棉纖維粉末間的孔隙會大大減少。在討論集合體體積密度的影響時(shí)需要將樣品放在固定體積的樣品管中進(jìn)行測試，樣品需要充滿樣品管，并盡可能均勻地填充，本文選擇了0.08、 0.10、 0.12和0.14 g/cm3共4個體積密度進(jìn)行測試，得到其油液吸附質(zhì)量隨時(shí)間的變化關(guān)系。若吸油的質(zhì)量不再隨著時(shí)間的延長發(fā)生變化，即表示達(dá)到吸油飽和，也稱吸附平衡，以此可以得到不同體積密度條件下的飽和吸油量。根據(jù)Washburn理論定義，吸附材料在未達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸收油液質(zhì)量的平方與時(shí)間的線性擬合的斜率為吸附因子，吸附因子是表征油液吸附速率的一個量，其值越大，表示吸附進(jìn)行得越迅速[16]。

木棉纖維粉末在不同體積密度條件下對于礦物油和PAO4合成油的吸附量平方與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，纖維粉末多孔材料對油液的吸附可分為兩個階段，隨著吸附的開始，油液以一定的吸附速率進(jìn)入材料內(nèi)部，吸油量隨著時(shí)間的延長而增大，之后達(dá)到吸附平衡，進(jìn)入多孔材料的油液質(zhì)量不再隨著時(shí)間的延長而變化。材料的體積密度越小，吸附越快，同時(shí)也更快達(dá)到吸附平衡。這主要是由于體積密度越小，材料內(nèi)部的孔隙越大，油液較容易進(jìn)入到多孔材料中。對于兩種不同的測試油液，在相同的體積密度條件下，礦物油的吸附需要更多的時(shí)間達(dá)到平衡。這主要是礦物油的黏度比PAO4合成油的黏度大，在相同條件下，礦物油的流動性較弱。

(b) PAO4合成油

木棉纖維粉末飽和吸油量和吸附因子隨體積密度的變化關(guān)系如圖8所示。

(a) 飽和吸油量

(b) 吸附因子

由圖8(a)可知，木棉纖維粉末的飽和吸油量隨集合體體積密度的增加呈線性下降。其原因是隨著體積密度的增大，纖維粉末間的孔隙逐漸減小，可供油液吸附的空間隨之減少，飽和吸油量也就隨著下降。在油液體積密度相同情況下，木棉纖維粉末對礦物油的飽和吸油量略大于PAO4合成油，這主要是由于在相同溫度條件下，礦物油的油液密度(0.85 g/cm3) 略大于PAO4合成油的密度(0.82 g/cm3)，在吸油的體積一定的條件下，密度大的油液具有更大的質(zhì)量。由圖8(b)可知，吸附因子隨體積密度的增大呈指數(shù)函數(shù)下降。這種現(xiàn)象的主要原因是隨著纖維粉末體積密度的增大，纖維粉末間的孔隙減小，導(dǎo)致油液的流動阻力逐漸增大，吸附的速率隨之減小。在相同體積密度條件下，木棉纖維粉對PAO4合成油的吸附因子明顯高于礦物油。這是因?yàn)橛鸵旱酿ざ仁怯绊懫湮娇炻年P(guān)鍵因素，黏度越大其自身的黏滯阻力越大，流動性越弱，吸附的速率就越小。測試溫度條件下，礦物油的黏度(74.73 mPa·s)遠(yuǎn)大于PAO4合成油的黏度(29.55 mPa·s)，故前者吸附因子小于后者。

3 結(jié) 語

本文采用機(jī)械切斷的方式將木棉纖維加工成纖維粉末，測試表征了纖維粉末的形態(tài)結(jié)構(gòu)、長度分布、比表面積及疏水親油性能，進(jìn)而測試分析了散纖維粉末集合體的油液吸附性能，并討論了集合體材料的體積密度對于吸油性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 與木棉原纖維相比，木棉纖維粉末基本保持了薄壁大中空的結(jié)構(gòu)；纖維粉末的長度介于幾十微米和2 mm之間；木棉纖維粉末比原纖維具有更大的比表面積，且兩者均大于木漿纖維粉末；木棉纖維粉末具有明顯的疏水親油性能。

(2) 與木棉原纖維相比，木棉纖維粉末材料的吸油能力下降了一半。這主要是由于當(dāng)纖維加工成粉末材料時(shí)，木棉纖維間孔隙將大大減小，體積密度增大，導(dǎo)致其可用于吸附油液的空間減小。木棉纖維粉末的吸油能力是木漿纖維粉末的近3倍。

(3) 纖維粉末體積密度對集合體吸油能力的定量表征表明，體積密度是影響油液吸附性能的關(guān)鍵因素，飽和吸油量隨著纖維粉末體積密度的增大呈線性關(guān)系下降，吸附因子隨著體積密度的增大呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系下降。在相同體積密度條件下，木棉纖維粉末對礦物油有更高的飽和吸油量，對PAO4合成油有更高的吸附速率。這主要是因?yàn)槲土颗c液體密度緊密相關(guān)，而吸附因子與液體黏度緊密相關(guān)。