擦油棉的油液吸附特性

徐广标,徐丽丽，王向钦

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.广州市纤维产品检测院，广东 广州 510220)

擦油棉的油液吸附特性

徐广标1,徐丽丽1，王向钦2

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.广州市纤维产品检测院，广东 广州 510220)

以擦油棉为研究对象，以接触角为指标，研究了擦油棉对柴油、机油、润滑油的吸附性能．研究结果表明，擦油棉具有疏水亲油性，擦油棉与水的静态接触角均大于110°，与各种油液的静态接触角均小于60°．油液与擦油棉接触角随时间快速变化，且这种变化符合线性关系.油液在擦油棉表面实现快速铺展，整体上在1500ms内油液完成铺展和浸润．擦油棉的吸油性能取决于棉纤维与擦油棉的形态结构以及油液性能．

擦油棉；接触角；吸附性能

石油在生产、加工及使用过程中存在泄露的危险[1]，从而产生污染，利用吸油材料可以治理油液的污染．目前的吸油材料分为有机吸油材料和无机吸油材料．有机吸油材料吸油性能好，但制备工艺复杂，成本高且产生二次污染[2]．无机吸油材料吸油性能差且浮力小[3]．天然纤维可以作为吸油材料，其具有种类多、易降解、成本低等优点，被广泛用于处理油液泄漏[4-5]．此外，大型机修厂的废弃油液需要使用高效吸油材料来收集．

天然纤维中用于吸油纤维的有棉纤维[6]、香蒲绒纤维[7]、蚕茧[8]、洋麻[9]、木棉[10]和羊毛纤维[11]等．国内外学者对吸油纤维的研究发现，其中一些天然纤维比合成纤维具有更好的吸油性能．棉短绒大量存在于棉花生长以及纺织加工过程中[12-13]，由于纤维短，纺织加工困难，从而造成资源的浪费，如何充分利用棉短绒资源是研究者和企业长期以来共同关注的问题.本文研究棉短绒制备的非织造材料的油液吸附特性，研究结果将为棉短绒在吸油领域的应用提供技术支撑.

1 试 验

1.1 试样

试样：以棉短绒为原料，采用针刺工艺制备棉短绒非织造材料(因用于油液擦拭领域，本文称之为擦油棉)．样品在浙江某工厂加工，其工艺流程：原料喂入→开松→梳理→铺网→预刺→成品，3种擦油棉的结构参数如表1所示．

表1 擦油棉试样参数Table 1 Parameters of cotton sheets

液体：机油、柴油、润滑油、水．液体的特征参数采用DCAT11型表面张力测量仪和SNB-2型数字旋转黏度计测试，其特征参数如表2所示．

表2 液体试样特征参数Table 2 Parameters of liquid samples

1.2 仪器

OCA15EC型光学接触角测量仪，日立TM-1000型台式扫描电镜．

1.3 制样

将试样剪成2cm×5cm的条状，用双面胶粘在玻璃片上，保证试样表面平整，且尽量使其表面无多余的纤维或者毛羽．

1.4 试验步骤

(1) 静态接触角：油液滴在擦油棉上会瞬间铺展，采用光学接触角测量仪，用气泡法测量油液与擦油棉的静态接触角．而水在擦油棉表面能够形成稳定的液滴轮廓，采用正向接触角测量法直接注射测量其接触角．

(2) 动态接触角：采用光学接触角测量仪，通过跟踪记录油液在擦油棉上的接触角变化，根据油液在擦油棉上的接触角变化速率，比较不同规格的擦油棉对于油液的吸收速度．

2 结果与讨论

2.1 静态接触角

不同液体在擦油棉上的静态接触角如图1所示，测试10次取平均值，具体测试结果如表3所示．

图1 擦油棉与不同液体的静态接触角Fig.1 Contact angle between cotton sheet and different liquids

表3 3种擦油棉与不同液体的静态接触角Table3 Contact angles between three kinds of cotton sheet and different liquids

从图1和表3可以看出，3种油液与擦油棉的接触角均小于60°，而水与擦油棉的静态接触角大于110°，表明擦油棉具有亲油拒水的特性．比较3种油液与擦油棉的接触角可知，机油与擦油棉的接触角最大，其次是柴油，最小的是润滑油．

2.2 动态接触角

2.2.1 接触角变化

水在擦油棉表面上形成稳定的液滴，液滴不随时间铺展．而油液滴在擦油棉上之后迅速浸润，3种油液在擦油棉上的接触角变化规律类似.以柴油在擦油棉上的铺展过程为例，采用光学接触角测量仪对柴油在擦油棉上的铺展过程进行记录，如图2所示．

图2 柴油在擦油棉上的接触角变化Fig.2 The change of contact angle of cotton sheet to diesel oil

从图2可以看出，柴油在擦油棉上迅速铺展．在0～596ms内，油液迅速铺展，在约1500ms内，油液完全铺展．

2.2.2 接触角变化曲线

(1) 同种油液与不同试样.3种油液在试样上的动态铺展过程如图3所示．

图3 同种油液在不同试样上的接触角变化Fig.3 The change of contact angle of the same oil on different samples

从图3(a)可以看出，机油在试样上迅速铺展，0～500ms内机油在3种试样上的铺展规律相同，在500ms之后，铺展过程有差异，在2#试样上的铺展速度最快，其次是1#试样，最慢的是3#试样．

从图3(b)可以看出，柴油在3种试样上迅速铺展，并在1400ms内全部铺展，另外，柴油在1#和3#试样上的铺展曲线近乎重合，而其在二者上的铺展速度快于在2#试样上的铺展．

从图3(c)可以看出，初始阶段润滑油在3种试样上快速铺展，1000ms左右润滑油全部铺展开．在整个铺展过程中，润滑油在3种试样上的铺展速度基本保持一致．

(2) 不同油液与同种试样.3种不同油液在同一种试样上的动态铺展过程如图4所示．

从图4(a)可以看出，在0～600ms，3种油液在1#试样上的铺展趋势相同，在600～870ms，3种油液的接触角变化曲线近似重合，在870ms之后，3种油液的铺展速度有差异，润滑油铺展速度最快，柴油次之，机油铺展速度最慢．

图4 不同油液在同种试样上的接触角变化Fig.4 The change of contact angle of different oils on the same sample

从图4(b)可以看出，在0～940ms，机油和柴油在2#试样上的接触角变化曲线近乎重合，在这个过程润滑油在试样上的铺展速度快于另外2种油液，在0～400ms，润滑油速度先快后慢，与400～700ms 阶段的过程相似，在700ms之后，润滑油的接触角变化曲线出现了微小波动．

从图4(c)可以看出，机油在3#试样上的铺展速度最慢，完全铺展时间超过2 000ms，而柴油和润滑油的接触角变化曲线几乎重合，润滑油的铺展速度略快于柴油．

3种油液在擦油棉上的铺展过程中接触角随时间的变化规律基本符合线性关系，其线性方程及相关系数如表4所示．

表4 油液在擦油棉上的铺展线性方程Table 4 The equations of spreading curves with the time

从表4可以看出，3种油液在不同擦油棉试样上的铺展规律均呈现线性关系；对于同一试样，3种油液的铺展速度最快的是润滑油，其次是柴油，最慢的是机油．

(3) 铺展时间.对以上测试过程重复9次，记录每次的铺展时间，取其均值，结果如图5所示．

图5 油液在试样上的铺展时间Fig.5 The spreading time of oils on the samples

从图5可以看出，对于同一种试样而言，油液的铺展时间依次为机油>柴油>润滑油，对于同一种油液，在试样上的铺展时间依次为3#>1#>2#．

3 影响擦油棉吸油性能的因素

3.1 纤维形态结构

棉纤维呈现出扁平带状，具有天然转曲，且具有中腔结构，其中腔提供了较大的比表面积，提高了油液与纤维的吸附力，增强了纤维的吸油能力．利用光学接触角测量仪观察吸油前后的单根棉纤维，如图6所示．

从图6可以看出，棉纤维的转曲处存储了油液，因此油液在棉纤维表面不仅靠中腔吸油，而且棉纤维的转曲也有利于油液的浸润,说明纤维的中腔结构和天然转曲是影响擦油棉吸油性能的主要因素．

3.2 擦油棉形态结构

利用扫描电镜观察擦油棉集合体的形态结构，如图7所示．由图7可以看出擦油棉为多孔隙结构.从表1可知,3种规格的擦油棉孔隙率大小依次为3#<1#<2#.从图5可以看出，对于同一种油液，其所用铺展时间大小为3#>1#>2#，表明擦油棉孔隙率越大，油液铺展越快．

图7 擦油棉形态结构Fig.7 Morphology of cotton sheet

3.3 油液性质

油液对于擦油棉的吸油性能影响主要在于油液黏度和表面张力．3种油液在擦油棉上的铺展速度为机油<柴油<润滑油，而从表2可知，油液的黏度大小为机油>柴油>润滑油．因此，对于同一种试样，油液黏度越大，油液浸润越慢．

液体表面张力是指一种流体施加给另外一种界面或液体时的分子结合力，表面张力越低，则液体越容易渗透纤维进入中腔并保持在纤维内部．从表2可知，油液的表面张力大小为机油>柴油>润滑油，从表3可以看出，油液与擦油棉的静态接触角大小为机油>柴油>润滑油．这说明液体的表面张力越小，越容易进入纤维内部．

4 结 论

(1) 擦油棉具有疏水亲油的特性，擦油棉与机油、润滑油、柴油的静态接触角均小于60°，与水的静态接触角大于110°．

(2) 动态接触角测试结果表明，水在擦油棉表面形成稳定的液滴且不铺展，而机油、润滑油和柴油在擦油棉表面迅速铺展，对于不同的擦油棉试样，3种油液的铺展过程中接触角与时间呈线性关系．

(3) 擦油棉对于油液的吸附特性取决于纤维形态结构、擦油棉集合体的形态结构以及油液的特性等因素．其中，棉纤维的天然转曲和空腔结构以及擦油棉的孔隙率是影响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

南通苏州大学纺织研究院开放课题资助项目(NS1201)

徐广标(1976—)，男，安徽利辛人，教授，博士，研究方向为纺织材料与纺织品设计.E-mail：guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 176+．4

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