張海燕,韋玉輝,2,,袁惠芬,唐 欣,許仲童,吳開(kāi)明

(1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,安徽 蕪湖 241000; 2.應(yīng)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(zhì)輕、蓬松、保暖等特點(diǎn),成了當(dāng)今保暖性能最好的天然纖維,被廣泛應(yīng)用于防寒服裝、家居保暖用品等的制作[1-2]。同時(shí),羽絨屬于動(dòng)物源的纖維材料,主要通過(guò)宰殺浸燙后采用機(jī)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(zhǎng)毛片、硬毛片和雜質(zhì)(灰塵、油脂、糞便、血漬等),以及大量細(xì)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(lèi)雜質(zhì)剔除,以免降低羽絨材料的品質(zhì),或引起腸道、呼吸道疾病及皮膚過(guò)敏、瘙癢等人體不適[6]。目前關(guān)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(yōu)化等方面,關(guān)于羽絨材料表面污漬的清洗和不同污漬吸附規(guī)律的研究相對(duì)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(tǒng)探究羽絨材料污漬吸附過(guò)程及其主要影響因素,闡明羽絨材料上各種污漬的吸附機(jī)制尤為重要。因此,本研究以羽絨材料常見(jiàn)的油漬和泥漬兩種污漬作為模擬對(duì)象,分別對(duì)其進(jìn)行污漬溶解吸附實(shí)驗(yàn),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(yīng)的理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1實(shí)驗(yàn)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(jí),濰坊市利臣油脂有限公司);吐溫、司盤(pán)(化學(xué)純,山東優(yōu)索化工科技有限公司);平平加O、六偏磷酸鈉(工業(yè)級(jí),山東優(yōu)索化工科技有限公司);黏土(工業(yè)級(jí),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(wú)水乙醇(分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DF-101S型集熱式磁力攪拌器(深圳市鼎宜實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);JA30003型微量電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司);DHG-9030A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司);UV2600型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司);SHA-BA型水浴振蕩器(常州市國(guó)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(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

1.2.1吸附量

吸附量計(jì)算公式[11]如下:

(1)

式中:q為羽絨對(duì)污漬的吸附量,mg/g;m1為吸附污漬后羽絨的質(zhì)量,g;m0為吸附污漬前羽絨的質(zhì)量,g。

1.2.2平衡濃度

平衡濃度計(jì)算公式如下:

(2)

式中:ρe為達(dá)到吸附平衡時(shí)污漬的質(zhì)量濃度,mg/mL;ρ0為吸附污漬前污漬的質(zhì)量濃度,mg/mL;m1為吸附污漬后羽絨的質(zhì)量,g;m0為吸附污漬前羽絨的質(zhì)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(cè)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(jù)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(tài)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(tài),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(shí)驗(yàn)

1.3.1污漬制備

1)油漬制備:鴨油、司盤(pán)、吐溫的比例為6∶1∶1。司盤(pán)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(zhuǎn)速攪拌15 min,將與司盤(pán)混合好的水溶液加入混合好含有吐溫的鴨油溶液中繼續(xù)在500 r/min下攪拌10 min,得到油漬污染液,按比例分別配制質(zhì)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(wú)水乙醇水溶液中加入平平加O,充分?jǐn)嚢柚镣耆芙?再加入炭黑粉使用磁力攪拌器常溫(25℃)下以1 000 r/min的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速攪拌15 min,制得泥漬污染液,按比例分別配制質(zhì)量濃度為15、25、35、45、55 mg/mL的泥漬污染液待用。

1.3.2實(shí)驗(yàn)

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(fēng)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(shí)驗(yàn)將污漬質(zhì)量濃度作為實(shí)驗(yàn)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(chēng)至恒定質(zhì)量,取其平均值作為吸附前羽絨樣本質(zhì)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(fēng)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(chēng)至恒定質(zhì)量,取其平均值作為吸附后羽絨樣本質(zhì)量,將其與吸附前羽絨樣本質(zhì)量進(jìn)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(jiàn)分光光度計(jì)各測(cè)3次取平均值,進(jìn)行吸光度和污漬質(zhì)量濃度的比較分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 吸光度與污漬質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)曲線Fig.1 The correlation curve of absorbance and stain mass concentration

2 結(jié)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(zhì)量濃度為5～15 mg/mL時(shí)吸附前后吸光度差異較小,曲線較為平緩;質(zhì)量濃度為15～35 mg/mL時(shí)吸光度呈上升趨勢(shì);質(zhì)量濃度為35～45 mg/mL時(shí)吸附后的吸光度呈下降趨勢(shì),但吸附前為平緩上升趨勢(shì)。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(shì)上升,吸附后吸光度均高于吸附前。泥漬質(zhì)量濃度為25 mg/mL時(shí)吸附前后吸光度差值最小,在其他濃度下差異不明顯。根據(jù)比爾定律中吸光度與吸光物質(zhì)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(guò)程中易遭到污漬破壞而產(chǎn)生損傷,絨枝斷裂掉落等使污漬濃度增加,同時(shí)羽絨表面未清洗干凈的粉塵在吸附過(guò)程中脫落,也會(huì)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(zhì)量濃度的關(guān)聯(lián)曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知,油漬質(zhì)量濃度為5 mg/mL時(shí)羽絨材料對(duì)油漬的吸附量最小,在質(zhì)量濃度為15 mg/mL時(shí)吸附量最大,羽絨材料表面油漬吸附達(dá)到飽和;在質(zhì)量濃度為25、35、45 mg/mL時(shí),羽絨材料對(duì)油漬的吸附量減少并逐漸趨于平緩,但高于質(zhì)量濃度為5 mg/mL時(shí)羽絨材料對(duì)油漬的吸附量。油漬濃度過(guò)高時(shí),沒(méi)被吸附的剩余油脂較多,這些剩余油脂會(huì)裹挾在羽絨材料表面,漂洗過(guò)程中絨朵上脆弱的絨絲易斷裂脫落,從而導(dǎo)致羽絨材料對(duì)濃度過(guò)高的油漬吸附量相對(duì)減少。羽絨材料的耐酸性較好,羽絨纖維分子結(jié)構(gòu)中的氨基酸成分決定羽絨纖維對(duì)酸具有一定的吸附和保持能力[12],動(dòng)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(duì)油漬的吸附性較好。

圖2 油漬吸附量與質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)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(zhì)量濃度的關(guān)聯(lián)曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知,羽絨材料對(duì)泥漬的吸附量均為負(fù)值。泥漬質(zhì)量濃度為25 mg/mL和45 mg/mL時(shí)羽絨材料對(duì)泥漬的吸附量絕對(duì)值達(dá)到最大,說(shuō)明羽絨材料在吸附過(guò)程中受到嚴(yán)重?fù)p傷;質(zhì)量濃度為15 mg/mL和55 mg/mL時(shí)吸附量絕對(duì)值相對(duì)較小,說(shuō)明吸附對(duì)羽絨材料的損傷相對(duì)較小。泥漬為固體顆粒污漬,易與羽絨纖維產(chǎn)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(jié)合力較小,容易掉落。羽絲、絨枝、絨小枝與固體顆粒在吸附過(guò)程中產(chǎn)生摩擦,易導(dǎo)致羽軸、絨絲、絨枝、絨小枝、菱節(jié)等折斷,在吸附后的漂洗過(guò)程中,斷碎羽絨被帶走,使吸附后羽絨質(zhì)量減輕,這就是吸附量為負(fù)值的原因。羽絨材料對(duì)不同質(zhì)量濃度泥漬的吸附量波動(dòng)較大,吸附過(guò)程中羽絨材料損傷較大,吸附量與泥漬質(zhì)量濃度關(guān)系不大[13]。

圖3 泥漬吸附量與質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)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(jiàn)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?yàn)橛椭?lèi)污漬具有六元環(huán)狀、單疏水鏈結(jié)構(gòu),其借助自身脂肪酸分子中羥基上的氫原子與羽絨內(nèi)部蛋白質(zhì)分子中羥基的氧原子結(jié)合,從而形成氫鍵的化學(xué)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(jiàn)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(méi)有被泥漬顆粒覆蓋。圖5(b)中羽小節(jié)處分叉夾角清晰,夾角縫隙間無(wú)污漬顆粒填充,表面有細(xì)小顆粒附著,無(wú)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(yán)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(huì)對(duì)羽絨表面結(jié)構(gòu)造成磨損,破壞羽絨纖維結(jié)構(gòu)。同時(shí),羽絨表面因有油脂而相對(duì)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(jié)語(yǔ)

制備油漬和泥漬兩種污漬對(duì)羽絨材料進(jìn)行污漬吸附實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)羽絨材料對(duì)于不同污漬的吸附特征及吸附量不同,主要結(jié)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(guò)程中機(jī)械攪拌和污漬黏附對(duì)羽絨材料造成了斷裂損傷。

2)羽絨材料對(duì)油漬的吸附量大于對(duì)泥漬的吸附量,且對(duì)泥漬的吸附量為負(fù)數(shù),表明泥漬對(duì)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(xì)小顆粒狀吸附在羽絨材料表面,吸附較少,無(wú)塊狀覆蓋。

4)羽絨材料對(duì)油漬的吸附力較大,為化學(xué)吸附,對(duì)泥漬的吸附力較小,為物理吸附。