木棉纤维粉末的制备及其油液吸附性能

徐艳芳， 徐广标， b

(东华大学a. 纺织学院； b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

木棉纤维是木棉树的果实纤维，属单细胞纤维，附着于木棉蒴果壳体内壁，由内壁细胞发育、生长而成。单根木棉纤维主要由纤维素(64%)、木质素(13%)和多糖(23%)组成[1-4]，其结构呈管状中空结构，中空度在77%以上。由于木棉纤维长度短且强度低，单独纺丝效果差，其常与其他纤维如棉纤维混合纺纱制备木棉纤维混纺织物。木棉纤维通常用作填充物，特别是用于救生衣、床上用品以及隔声和隔热材料[5]。木棉纤维具有大中腔、小密度、良好的浮力和出色的疏水性/亲油性，已被用作从油污水中去除或分离油类的天然吸附剂[6]。据报道，1 g木棉纤维可以选择性地从油水混合物中吸附约40 g原油，对柴油、机油和润滑油的吸附量为30～50 g[3，7-8]。同时，由于木棉纤维良好的油液吸附和保留性能，其在用于轴承润滑的含油纤维润滑材料方面具有巨大潜力。润滑领域使用的纤维材料主要是短纤维或纤维粉末，可以通过手动或机械压入的方式将含油纤维芯吸材料输送到存储位置，例如轴承端盖或轴承的凹口内。当轴承运行时，与轴承表面接触的含油纤维粉末芯吸材料在毛细作用和热量的作用下释放油；当轴承不运转时，释放的油可以返回到承载的芯吸材料，从而形成了一种无需另外添加润滑剂的轴承。已有专利[9-11]报道了棉短纤维和木浆粉可用于轴承润滑。木棉纤维作为吸附载体，其吸油能力要高于棉纤维和木浆纤维，从这个角度而言，较高的吸油量意味着木棉纤维具有释放更多油液的巨大潜力。然而，很少有研究者关注木棉纤维粉末材料的基本性能以及在不同条件下的油液吸附性能。

木棉纤维经过机械切断的方式加工成木棉纤维粉末，其聚集态会发生变化，纤维粉末间的孔隙明显减小，其自然状态下的体积密度比原纤维会有明显的升高。这种变化将会导致散纤维粉末集合体的油液吸附能力发生变化。已有的大多研究[8，12-13]是针对木棉原纤维集合体的油液吸附特性的，鲜有研究涉及粉末状的木棉纤维多孔材料。本文采用机械切断方式得到木棉纤维粉末并测试其基本物理性能，研究木棉散纤维粉末集合体的油液吸附能力，并讨论了其在不同体积密度条件下的油液吸附特性。

1 试 验

1.1 试验材料

本文采用印尼地区爪哇木棉纤维。木棉纤维粉末是将木棉纤维进行机械粉碎得到的，采用的设备为纤维粉碎机(SBJ 800型，青航机械，中国)。另一种试验材料为木浆纤维粉末，作为对比纤维，由无锡一家企业提供，其密度为0.65 g/cm3。

采用两种测试油液，即矿物油和PAO4合成油。使用智能黏度测量仪器(DV2TLV型，Brookfield，美国)进行油液的黏度测量。使用表面张力仪(DCAT11型，Dataphysics，德国)测试油液的密度和表面张力。测试温度为20 ℃，每个指标重复测试3次取平均值。油液的基本性质如表1所示。

表1 测试油液在20 ℃条件下的基本性质

1.2 测试指标和性能

(1) 纤维粉末外观形貌。使用扫描电子显微镜(SEM-TM 3000型，Hitachi，日本)分析木棉纤维粉末的表面形态结构。将导电胶黏附在样品台上，取少量样品尽量平整地黏附在导电胶上。由于纤维本身不导电，为防止纤维表面出现电荷集聚而影响图像质量，采用磁控溅射的方法在样品表面覆盖一层金。

(2) 纤维粉末长度分布。将纤维粉末铺在透明玻璃片上，采用倒置显微镜(VAB-100-1型，Huxing， 中国)，拍摄多张光学照片，将得到的光学图像导入Image Pro软件中进行单个纤维状粉末的长度测量，每种样品测试1 000个值。

(3) 比表面积。对测试纤维粉末样品进行预处理，采用超声清洗的方法除去附着在样品上的细小杂质。正式测试前，称取2～3 g样品在100 ℃的温度条件下抽真空 12 h，除去吸附在样品上的挥发性杂质。之后将样品放入液氮的测试环境，使用比表面积分析仪(ASAP 2460型，Micrometritics，美国)进行测试。

(4) 接触角。本文采用悬滴法和单根纤维接触的方法分别测试水接触角和油接触角。悬滴法是将待测样品平铺在粘有双面胶的玻璃片上进行水静态接触角的测试。单根纤维接触角的测试方法，由于木棉纤维粉末长度过短，难以制样，这里采用特殊的制样器，将单根木棉原纤维的两端固定在制样器上，中间部分悬空，测试开始时，位于纤维上方装有测试油液的微量注射器的针头上液滴与纤维接触形成液桥，之后将针头向上调整，液桥破裂的同时纤维表面会有小液滴形成。两种测试方法均采用光学接触角测试仪(OCA15EC型，Dataphysics，德国)。

(5) 在自然状态下的纤维粉末油液吸附性能。为了方便纤维粉末吸油之后的收集与转移，首先将一个自制的100目(孔径为0.15 mm)不锈钢容器放在盛有测试油液的塑料容器中，将称量好的0.5 g 纤维粉末材料放入不锈钢容器中，放置15 min后取出，转移到带有圆孔的不锈钢片上放置15 min(无液体油滴滴下)，测试纤维粉末材料和油液的质量，可得到纤维粉末材料对油液的饱和吸油量。静置24 h后，测试纤维粉末材料和油液的质量，可得到其静置保油率。饱和吸油量和静置保油率的计算分别如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1为试样吸油前质量，g；m2为试样吸油后质量，g；m3为试样静置24 h后剩余的质量，g。

(6) 一定体积密度条件下纤维粉末的油液吸附性能。采用芯吸的测试方法测定特定体积密度条件下纤维粉末材料的吸油性能，使用的仪器是DCAT11型表面张力仪。通过填充不同质量的纤维粉末材料控制测试样品的体积密度。制样时要求纤维粉末材料尽可能均匀地填充在样品管内，这样才能确保测试结果的准确性及测试的可重复性。测试装置的示意图如图1所示。测试过程：首先将盛放在透明液体槽中的测试油液放在自动升降台上；再将装有测试样品的样品管嵌入力学传感器下方的样品夹内，通过仪器下方的控制按钮，调整升降台的位置，使测试液体的液面距离样品管下方几毫米；测试开始后，自动升降台向上运动，当测试油液的液面接触到样品管的下方时，油液通过多孔材料的毛细管作用进入样品内部，力学传感器检测到力的变化，同时升降台停止上升；油液进入样品内部的质量随时间的变化，通过微力天平实时记录在电脑上。

图1 测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 结果与讨论

2.1 木棉纤维粉末表面形貌

木棉纤维是一种天然的木质纤维素纤维，表面光滑并覆盖一层天然蜡质，具有薄壁大中空的结构，如图2所示。文献[14]研究报道了木棉纤维长度、细度及密度等结构参数，基本结构参数如表2所示。

(a) 表面

(b) 截面

表2 木棉纤维基本结构参数

自然光状态下木棉纤维粉末和木浆纤维粉末的外观和SEM图像如图3所示。由图3(a)和(b)可知，两种纤维粉末均显微黄，但木浆纤维粉末的颜色较深，且其整体形貌由纤维状粉末和颗粒粉末共同构成。由图3(c)可知，经过机械切断的木棉纤维的部分中腔被不同程度压扁，且由于加工过程中的剪切作用导致部分纤维粉末在长度方向发生转曲，但大部分的纤维粉末仍然保持了木棉原纤维的中腔结构和光滑表面。由图3(d)可知，木浆纤维粉末呈实心扁平状结构，且表面存在纵向凸起条纹。

(a) 木棉纤维粉末外观形貌

(b) 木浆纤维粉末外观形貌

(c) 木棉纤维粉末SEM图像

(d) 木浆纤维粉末SEM图像

2.2 木棉纤维粉末长度分布

纤维是指长宽比在103数量级以上，且粗细为几微米到上百微米的柔软细长体。木棉纤维的平均直径为25 μm，而粉碎后的长度不大于2 mm，其长宽比不大于100，故这里对粉碎后得到的木棉集合体称为木棉纤维粉末。木棉纤维粉末和木浆纤维粉末的长度分布如图4所示，其中横坐标刻度值0.1表示长度分布为0～0.1 mm， 0.2表示长度分布为0.1～0.2 mm，以此类推。

(a) 木棉纤维粉末

(b) 木浆纤维粉末

由图4可知，与木浆纤维粉末相比，木棉纤维粉末具有更大的长度分布范围，所有的长度均小于2 mm。对于木浆纤维粉末而言，84.18%的纤维状粉末的长度小于0.3 mm；而对于木棉纤维粉末而言，长度小于0.3 mm的纤维状粉末仅占56.5%。不同的长度分布组成将导致散纤维集合体的体积密度不同，从而影响其吸油性能。

2.3 木棉纤维粉末比表面积

比表面积是指单位质量物料所具有的总面积，是表征材料吸附性能的指标之一。吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是在表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以具有大比面积的物质通常具有较好的吸附特性[15]。

BET测试结果表明，木棉原纤维、木棉纤维粉末和木浆纤维粉末的比表面积分别为1.10、 1.35和1.04 m2/g。经过机械粉碎后得到的木棉纤维粉末比木棉原纤维的比表面积大，可能因为粉末材料具有更多的截断面。木棉纤维粉末的比表面积比木浆粉末大，这可能是由于木棉纤维本身的中空结构使之具有更大的比表面积。

2.4 木棉纤维粉末表面润湿性能

为了研究木棉纤维粉末的表面润湿性能，分别测试了其表面对于蒸馏水和油液的亲疏性。木棉纤维和木棉纤维粉末对水接触角以及单根木棉纤维对两种油液的接触角如图5所示。由图5可知：木棉纤维粉末对水的接触角与木棉原纤维相同，可达136°；单根木棉纤维对矿物油和PAO4的接触角均小于90°。由此说明，木棉纤维粉末具有明显的疏水亲油的特性，这主要是由于纤维表面覆盖着一层天然蜡质[7]。

(a) 木棉原纤维对水接触角

(b) 木棉纤维粉末对水接触角

(c) 单根木棉纤维对矿物油接触角

(d) 单根木棉纤维对PAO4接触角

2.5 木棉纤维粉末在自然状态下的油液吸附性能

为了得到纤维粉末在自然状态下的油液吸附性能，分别测试了木棉原纤维、木棉纤维粉末和木浆纤维粉末对于两种测试油液的吸油性能和保油性能。需要说明的是，这里的测试样品均处于一种自然状态，即纤维集合体在未受到任何外力作用时的状态，此时集合体的体积密度通常比较小。3种样品对于矿物油和PAO4合成油的饱和吸油量以及24 h后的静置保油率测试结果如图6所示。由图6(a)可知，当木棉纤维加工成纤维状粉末以后，其吸油能力明显下降。这主要是由两方面的原因造成的：一方面，纤维状粉末的自然堆积密度(约为0.043 g/cm3)远比木棉原纤维的自然堆积密度(约为0.0046 g/cm3)大，集合体内的空隙减小，也就意味着储油空间的减小；另一方面，机械的剪切作用会使部分纤维的中腔被压扁，从而导致吸油能力减小。其中，堆积密度的变化是导致吸油量差异的主要原因。

同样作为纤维粉末，木棉纤维粉末对两种测试油液的吸附能力明显高于木浆纤维粉末，前者的饱和吸油量是后者的近3倍。究其原因：一方面，木棉纤维表面有一层表面蜡质，使其具有疏水亲油的特性；另一方面，部分木棉纤维粉末仍保留中空的结构，为油液的储存提供了更大的空间。由图6(b)可知，纤维粉末吸油饱和24 h之后的静置保油率均在85%以上。由于含油纤维粉末作为润滑材料使用时需要在机械停止运转时可有效地存储油液，防止油液泄漏。

(a) 饱和吸油量

(b) 保油率

2.6 不同体积密度条件下的油液吸附性能

纤维粉末集合体材料对于油液的吸附，除了纤维本身对于油液的吸附外，粉末之间的孔隙对于油液的吸附也起到至关重要的作用，特别是当材料的体积密度较小的时候，孔隙间吸油将是主导因素。为了研究木棉纤维粉末集合体的吸油行为，测试了不同体积密度条件下纤维粉末集合体的吸油性能。经切断后的木棉纤维粉末间的孔隙会大大减少。在讨论集合体体积密度的影响时需要将样品放在固定体积的样品管中进行测试，样品需要充满样品管，并尽可能均匀地填充，本文选择了0.08、 0.10、 0.12和0.14 g/cm3共4个体积密度进行测试，得到其油液吸附质量随时间的变化关系。若吸油的质量不再随着时间的延长发生变化，即表示达到吸油饱和，也称吸附平衡，以此可以得到不同体积密度条件下的饱和吸油量。根据Washburn理论定义，吸附材料在未达到吸附平衡时，吸收油液质量的平方与时间的线性拟合的斜率为吸附因子，吸附因子是表征油液吸附速率的一个量，其值越大，表示吸附进行得越迅速[16]。

木棉纤维粉末在不同体积密度条件下对于矿物油和PAO4合成油的吸附量平方与时间的关系如图7所示。由图7可知，纤维粉末多孔材料对油液的吸附可分为两个阶段，随着吸附的开始，油液以一定的吸附速率进入材料内部，吸油量随着时间的延长而增大，之后达到吸附平衡，进入多孔材料的油液质量不再随着时间的延长而变化。材料的体积密度越小，吸附越快，同时也更快达到吸附平衡。这主要是由于体积密度越小，材料内部的孔隙越大，油液较容易进入到多孔材料中。对于两种不同的测试油液，在相同的体积密度条件下，矿物油的吸附需要更多的时间达到平衡。这主要是矿物油的黏度比PAO4合成油的黏度大，在相同条件下，矿物油的流动性较弱。

(b) PAO4合成油

木棉纤维粉末饱和吸油量和吸附因子随体积密度的变化关系如图8所示。

(a) 饱和吸油量

(b) 吸附因子

由图8(a)可知，木棉纤维粉末的饱和吸油量随集合体体积密度的增加呈线性下降。其原因是随着体积密度的增大，纤维粉末间的孔隙逐渐减小，可供油液吸附的空间随之减少，饱和吸油量也就随着下降。在油液体积密度相同情况下，木棉纤维粉末对矿物油的饱和吸油量略大于PAO4合成油，这主要是由于在相同温度条件下，矿物油的油液密度(0.85 g/cm3) 略大于PAO4合成油的密度(0.82 g/cm3)，在吸油的体积一定的条件下，密度大的油液具有更大的质量。由图8(b)可知，吸附因子随体积密度的增大呈指数函数下降。这种现象的主要原因是随着纤维粉末体积密度的增大，纤维粉末间的孔隙减小，导致油液的流动阻力逐渐增大，吸附的速率随之减小。在相同体积密度条件下，木棉纤维粉对PAO4合成油的吸附因子明显高于矿物油。这是因为油液的黏度是影响其吸附快慢的关键因素，黏度越大其自身的黏滞阻力越大，流动性越弱，吸附的速率就越小。测试温度条件下，矿物油的黏度(74.73 mPa·s)远大于PAO4合成油的黏度(29.55 mPa·s)，故前者吸附因子小于后者。

3 结 语

本文采用机械切断的方式将木棉纤维加工成纤维粉末，测试表征了纤维粉末的形态结构、长度分布、比表面积及疏水亲油性能，进而测试分析了散纤维粉末集合体的油液吸附性能，并讨论了集合体材料的体积密度对于吸油性能的影响，主要结论如下：

(1) 与木棉原纤维相比，木棉纤维粉末基本保持了薄壁大中空的结构；纤维粉末的长度介于几十微米和2 mm之间；木棉纤维粉末比原纤维具有更大的比表面积，且两者均大于木浆纤维粉末；木棉纤维粉末具有明显的疏水亲油性能。

(2) 与木棉原纤维相比，木棉纤维粉末材料的吸油能力下降了一半。这主要是由于当纤维加工成粉末材料时，木棉纤维间孔隙将大大减小，体积密度增大，导致其可用于吸附油液的空间减小。木棉纤维粉末的吸油能力是木浆纤维粉末的近3倍。

(3) 纤维粉末体积密度对集合体吸油能力的定量表征表明，体积密度是影响油液吸附性能的关键因素，饱和吸油量随着纤维粉末体积密度的增大呈线性关系下降，吸附因子随着体积密度的增大呈指数函数关系下降。在相同体积密度条件下，木棉纤维粉末对矿物油有更高的饱和吸油量，对PAO4合成油有更高的吸附速率。这主要是因为吸油量与液体密度紧密相关，而吸附因子与液体黏度紧密相关。