羽絨材料表面不同污漬吸附規律分析

張海燕,韋玉輝,2,,袁惠芬,唐 欣,許仲童,吳開明

(1.安徽工程大學 紡織服裝學院,安徽 蕪湖 241000; 2.應急管理部上海消防研究所,上海 200032;3.安徽古麒絨材股份有限公司,安徽 蕪湖 241300)

羽絨材料因具有質輕、蓬松、保暖等特點,成了當今保暖性能最好的天然纖維,被廣泛應用于防寒服裝、家居保暖用品等的制作[1-2]。同時,羽絨屬于動物源的纖維材料,主要通過宰殺浸燙后采用機械或手工脫毛方式獲取。獲取的羽絨原材料中除含有可用作填充物的毛片、絨朵外,還混有大量長毛片、硬毛片和雜質(灰塵、油脂、糞便、血漬等),以及大量細菌等微生物[3-5]。為保證羽絨作為填充物的安全性與舒適性,必須將其表面吸附的各類雜質剔除,以免降低羽絨材料的品質,或引起腸道、呼吸道疾病及皮膚過敏、瘙癢等人體不適[6]。目前關于羽絨材料的研究主要集中在抗菌整理、表面改性及性能優化等方面,關于羽絨材料表面污漬的清洗和不同污漬吸附規律的研究相對較少[7-10]。由污漬吸附和脫附理論可知,污漬吸附是高效脫附的前提,故系統探究羽絨材料污漬吸附過程及其主要影響因素,闡明羽絨材料上各種污漬的吸附機制尤為重要。因此,本研究以羽絨材料常見的油漬和泥漬兩種污漬作為模擬對象,分別對其進行污漬溶解吸附實驗,探究不同污漬在羽絨材料上的吸附方式、吸附量和吸附特征,以期為高效清洗羽絨材料污漬提供相應的理論支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

1.1.1實驗材料

鴨絨(含絨率50%,安徽古麒絨材料股份有限公司);鴨油(食用級,濰坊市利臣油脂有限公司);吐溫、司盤(化學純,山東優索化工科技有限公司);平平加O、六偏磷酸鈉(工業級,山東優索化工科技有限公司);黏土(工業級,諾貝爾科教有限公司);炭黑粉(5 μm,上海文華化工有限公司);無水乙醇(分析純,國藥集團化學試劑有限公司)。

1.1.2實驗設備

DF-101S型集熱式磁力攪拌器(深圳市鼎宜實驗設備有限公司);JA30003型微量電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司);DHG-9030A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司);UV2600型紫外可見分光光度計(上海舜宇恒平科學儀器有限公司);SHA-BA型水浴振蕩器(常州市國旺儀器制造有限公司);S-4800型掃描電子顯微鏡(日本 Hitachi 公司)。

1.2 評價指標及方法

1.2.1吸附量

吸附量計算公式[11]如下:

(1)

式中:q為羽絨對污漬的吸附量,mg/g;m1為吸附污漬后羽絨的質量,g;m0為吸附污漬前羽絨的質量,g。

1.2.2平衡濃度

平衡濃度計算公式如下:

(2)

式中:ρe為達到吸附平衡時污漬的質量濃度,mg/mL;ρ0為吸附污漬前污漬的質量濃度,mg/mL;m1為吸附污漬后羽絨的質量,g;m0為吸附污漬前羽絨的質量,g。

1.2.3污漬濃度

將配制好的不同濃度污染液稀釋100倍,測3次吸光度取平均值,油漬選取230 nm處的吸光度,泥漬選取232 nm處的吸光度,吸附后污漬殘留液同樣稀釋100倍,根據污漬吸附后的吸光度估算吸附后污漬的濃度。

1.2.4羽絨材料表面形態表征

采用掃描電子顯微鏡觀察羽絨材料吸附污漬前后的表面形態,以及羽絨材料吸附不同污漬后的表面形貌特征。

1.3 羽絨吸附污漬實驗

1.3.1污漬制備

1)油漬制備:鴨油、司盤、吐溫的比例為6∶1∶1。司盤溶于去離子水中,吐溫溶于鴨油中,分別使用磁力攪拌器在常溫(25 ℃)下以500 r/min的轉速攪拌15 min,將與司盤混合好的水溶液加入混合好含有吐溫的鴨油溶液中繼續在500 r/min下攪拌10 min,得到油漬污染液,按比例分別配制質量濃度為5、15、25、35、45 mg/mL的油漬污染液待用。

2)泥漬制備:黏土、六偏磷酸鈉、平平加O和炭黑粉的比例為18∶1∶1∶0.9。在無水乙醇水溶液中加入平平加O,充分攪拌至完全溶解,再加入炭黑粉使用磁力攪拌器常溫(25℃)下以1 000 r/min的轉速攪拌15 min,使炭黑粉均勻分散,制得炭黑粉分散液。將黏土放入去離子水中煮沸30 min,加入六偏磷酸鈉,使用磁力攪拌器以1 000 r/min的轉速攪拌15 min,制得黏土分散液。將制備好的炭黑粉分散液加入黏土分散液中,使用磁力攪拌器再以1 000 r/min的轉速攪拌15 min,制得泥漬污染液,按比例分別配制質量濃度為15、25、35、45、55 mg/mL的泥漬污染液待用。

1.3.2實驗

將含絨率為50%的精洗鴨絨裝入廣口瓶,按照1∶30的浴比加入超純水,使用水浴恒溫振蕩器在常溫(25 ℃)下漂洗3 min,在電熱鼓風干燥箱中55 ℃烘干后使用密封袋盛裝待用。為探究不同污漬在羽絨材料表面吸附性能的主要影響因素,本實驗將污漬質量濃度作為實驗變量。首先取300朵鴨絨為1組,共取3組,在微量分析天平上稱至恒定質量,取其平均值作為吸附前羽絨樣本質量,再取適量備用鴨絨放入備好的各種濃度污漬燒杯中,使用玻璃棒攪拌均勻,使鴨絨完全浸在污染液中,放入45 ℃磁力攪拌器中靜置30 min后取出鴨絨,使用超純水漂洗一遍,電熱鼓風烘干箱55 ℃烘干;然后同樣選取300朵鴨絨為1組,共取3組,在微量分析天平上稱至恒定質量,取其平均值作為吸附后羽絨樣本質量,將其與吸附前羽絨樣本質量進行比較分析;最后將不同濃度污漬吸附前后的污漬溶液各稀釋100倍,使用紫外可見分光光度計各測3次取平均值,進行吸光度和污漬質量濃度的比較分析,結果如圖1所示。

圖1 吸光度與污漬質量濃度關聯曲線Fig.1 The correlation curve of absorbance and stain mass concentration

2 結果與討論

2.1 污漬濃度分析

由圖1(a)可知,油漬吸附后的吸光度普遍高于吸附前。質量濃度為5～15 mg/mL時吸附前后吸光度差異較小,曲線較為平緩;質量濃度為15～35 mg/mL時吸光度呈上升趨勢;質量濃度為35～45 mg/mL時吸附后的吸光度呈下降趨勢,但吸附前為平緩上升趨勢。由圖1(b)可知,吸附前后泥漬的吸光度均以接近直線的趨勢上升,吸附后吸光度均高于吸附前。泥漬質量濃度為25 mg/mL時吸附前后吸光度差值最小,在其他濃度下差異不明顯。根據比爾定律中吸光度與吸光物質濃度成正比可知,吸附后油漬和泥漬的濃度增加,表明羽絨材料在吸附過程中易遭到污漬破壞而產生損傷,絨枝斷裂掉落等使污漬濃度增加,同時羽絨表面未清洗干凈的粉塵在吸附過程中脫落,也會使吸附后的污漬濃度增加。

2.2 吸附特性分析

2.2.1油漬吸附特性分析

油漬吸附量與質量濃度的關聯曲線見圖2。由圖2可知,油漬質量濃度為5 mg/mL時羽絨材料對油漬的吸附量最小,在質量濃度為15 mg/mL時吸附量最大,羽絨材料表面油漬吸附達到飽和;在質量濃度為25、35、45 mg/mL時,羽絨材料對油漬的吸附量減少并逐漸趨于平緩,但高于質量濃度為5 mg/mL時羽絨材料對油漬的吸附量。油漬濃度過高時,沒被吸附的剩余油脂較多,這些剩余油脂會裹挾在羽絨材料表面,漂洗過程中絨朵上脆弱的絨絲易斷裂脫落,從而導致羽絨材料對濃度過高的油漬吸附量相對減少。羽絨材料的耐酸性較好,羽絨纖維分子結構中的氨基酸成分決定羽絨纖維對酸具有一定的吸附和保持能力[12],動物油脂中含有大量脂肪酸,油漬中的飽和脂肪酸較容易吸附在羽絨材料表面,因而其對油漬的吸附性較好。

圖2 油漬吸附量與質量濃度關聯曲線Fig.2 The correlation curve of oil adsorption capacity and mass concentration

2.2.2泥漬吸附特性分析

泥漬吸附量與質量濃度的關聯曲線見圖3。由圖3可知,羽絨材料對泥漬的吸附量均為負值。泥漬質量濃度為25 mg/mL和45 mg/mL時羽絨材料對泥漬的吸附量絕對值達到最大,說明羽絨材料在吸附過程中受到嚴重損傷;質量濃度為15 mg/mL和55 mg/mL時吸附量絕對值相對較小,說明吸附對羽絨材料的損傷相對較小。泥漬為固體顆粒污漬,易與羽絨纖維產生靜電摩擦從而吸附在羽絨材料表面或羽絲之間的空隙中,結合力較小,容易掉落。羽絲、絨枝、絨小枝與固體顆粒在吸附過程中產生摩擦,易導致羽軸、絨絲、絨枝、絨小枝、菱節等折斷,在吸附后的漂洗過程中,斷碎羽絨被帶走,使吸附后羽絨質量減輕,這就是吸附量為負值的原因。羽絨材料對不同質量濃度泥漬的吸附量波動較大,吸附過程中羽絨材料損傷較大,吸附量與泥漬質量濃度關系不大[13]。

圖3 泥漬吸附量與質量濃度關聯曲線Fig.3 The correlation curve of mud adsorption capacity and mass concentration

2.3 羽絨表面形貌分析

2.3.1吸附油漬后羽絨的表面形貌

吸附油漬前后羽絨的表面形貌見圖4。圖4(a)為未沾染任何污漬羽絨的表面形貌,可觀察到羽絨的絨小枝上有明顯的溝壑,且絨小枝的夾角間縫隙明顯。圖4(b)為吸附油漬后羽絨的表面形貌,明顯看出有一層黏膜狀物粘在絨小枝之間,絨小枝表面比吸附前要平滑,完全被油脂覆蓋,表面絨小枝夾縫被油脂填充。油漬在羽絨上均勻吸附且吸附性較好,主要是因為油脂類污漬具有六元環狀、單疏水鏈結構,其借助自身脂肪酸分子中羥基上的氫原子與羽絨內部蛋白質分子中羥基的氧原子結合,從而形成氫鍵的化學吸附[14]。

圖4 吸附油漬前后羽絨的表面形貌Fig.4 The surface morphology of down fiber before and after adsorbing the oil stains

2.3.2吸附泥漬后羽絨的表面形貌

吸附泥漬后羽絨的表面形貌見圖5。從圖5(a)可以看出,吸附泥漬后羽枝的表面有少量塊狀顆粒,溝壑仍然清晰,并沒有被泥漬顆粒覆蓋。圖5(b)中羽小節處分叉夾角清晰,夾角縫隙間無污漬顆粒填充,表面有細小顆粒附著,無成塊顆粒,羽枝分叉處表面有破裂拉絲,羽絨纖維斷裂損傷嚴重。泥漬是固體污漬,易溶于水,與羽絨的吸附方式為物理吸附,吸附力較小,但顆粒狀污漬與羽絨之間的摩擦力較大,會對羽絨表面結構造成磨損,破壞羽絨纖維結構。同時,羽絨表面因有油脂而相對光滑,也使其不易吸附泥漬。

圖5 吸附泥漬后羽絨的表面形貌Fig.5 Surface morphology of down absorbing mud stains

3 結語

制備油漬和泥漬兩種污漬對羽絨材料進行污漬吸附實驗,發現羽絨材料對于不同污漬的吸附特征及吸附量不同,主要結論如下:

1)羽絨材料吸附油漬和泥漬后,兩種污漬的污染液濃度增加,這是由于吸附過程中機械攪拌和污漬黏附對羽絨材料造成了斷裂損傷。

2)羽絨材料對油漬的吸附量大于對泥漬的吸附量,且對泥漬的吸附量為負數,表明泥漬對羽絨材料的破壞程度要大于油漬。

3)油漬均勻吸附于羽絨材料表面,絨小枝完全被油漬覆蓋,泥漬以細小顆粒狀吸附在羽絨材料表面,吸附較少,無塊狀覆蓋。

4)羽絨材料對油漬的吸附力較大,為化學吸附,對泥漬的吸附力較小,為物理吸附。