CN104328603A - 一种三维天然纤维吸油材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将纤维素纤维与低熔点纤维开松混合，其中低熔点纤维质量百分含量在10～20％；第二步：通过气流成网设备将开松混合后的纤维原料加工形成纤维网；第三步：将纤维网通过加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在130℃～160℃，时间在20min～100min。本发明提供一种以木棉、香蒲绒、棉短绒、竹浆纤维等天然纤维为原料的吸油材料的制备方法，实现它们在纤维集合体中较为理想的聚集状态并形成稳定的三维纤维集合体结构，既提高纤维本身的综合吸油性能，也很好地解决了它们在实际应用中存在的散纤维回收困难及容易再漏油等问题。

Description

一种三维天然纤维吸油材料的制备方法
技术领域
本发明涉及吸油材料领域，具体为通过气流成网和热风粘合技术，制备三维天然纤维吸油材料的方法。
背景技术
随着原油和各种油类产品的使用和运输的发展，由含油废水、废液、海洋石油泄漏等造成的水体油污染成为我们如今面临的主要环境问题之一。在各种油污水处理方法中，使用吸油材料进行吸附回收是最简单和广泛应用的一种方法。
目前，国内外使用的吸油材料以合成高分子材料为主，包括聚丙烯纤维、聚氨酯泡沫、丙烯酸酯类和烯烃类吸油树脂等。这类材料几乎全是以石油副产品为唯一合成单体。由于石油是不可再生资源且价格日益高涨，而很多报道的新型高吸油树脂材料等普遍存在制备工艺复杂，副产物多，成本高，后处理困难，易产生二次污染等问题。因此，人们在开发吸油材料时越来越倾向于采用廉价的天然材料作为原料。
目前已有很多农业剩余物和天然纤维被研究用作油液吸附介质，这些材料包括锯屑、稻草、玉米芯、芦苇、椰壳、棉花、纸渣、甘蔗渣、麻、羊毛、灯心草、杨树种子等。与吸油树脂等合成材料相比，天然高分子吸油材料具有来源广泛，价格低廉，可生物降解等诸多优点，但是如文献(Wahi et al.，2013.0il removalfrom aqueous state by natural fibrous sorbent：An overview.Separationand Purification Technology113，51-63)所报道，这些天然材料往往存在浮力小、疏水性差、吸油量小等致命缺陷，同时在实际应用中，它们往往是以散纤维的形式抛撒于河流、湖泊、海的水面来回收浮油，这就使得纤维吸油后再回收困难并且容易漏油，这一系列问题使得天然材料在油污染处理领域的应用受到很大限制。为了克服天然材料存在的不足，充分发挥其在油污水处理领域的应用价值，中国专利“一种基于废弃植物纤维的高吸油材料制备方法”(CN103360571A)利用甲苯二异氰酸酯与棉纤维中纤维素间的交联反应，一方面除去亲水基团，提高疏水亲油性，另一方面生成网状结构，起到吸油保油作用，提高了棉纤维吸油材料的综合性能。专利“以纤维素为基体的吸油材料及其制备方法”(CN103143326A)针对海上溢油问题，以玉米杆为原料，通过纤维素提取和乙酸酐的乙酰化改性处理，制得吸油倍率达60倍以上的天然吸油材料。专利“一种以桔杆为基材的吸油材料的制备”(CN102344531A)通过悬浮聚合法，将粉碎的农作物桔杆(玉米桔杆、小麦桔杆、高粱秸秆等)与丙烯酸酯类或苯乙烯等接枝共聚，制得吸油保油效果好的可生物降解吸油材料。专利“一种基于木棉纤维三维网络吸油材料”(CN103724564A)通过木棉纤维与甲基丙烯酸酯的接枝反应，制备了一种具有稳定三维结构的木棉纤维吸油材料。虽然已有文献通过对天然原料的改性或与合成高分子材料的交联复合，改善了它们的吸油性能及其吸油结构的稳定性，但是这些方法大多涉及对天然原料的化学预处理、接枝共聚、交联、干燥、粉碎等一系列的物理化学过程，既增加了成本，也带来了附加的环境污染。
发明内容
本发明的目的是针对目前天然吸油材料本身固有的优势以及它们在应用中尚存在的问题，提供一种以木棉、香蒲绒、棉短绒、竹浆纤维等天然纤维为原料的吸油材料的制备方法，一方面实现它们在纤维集合体中较为理想的聚集状态，提高纤维本身的综合吸油性能；另一方面通过形成稳定的三维纤维集合体结构，解决它们在实际应用中存在的散纤维再回收困难及容易漏油等问题。该制备方法工艺简单，不产生新污染，易于实现大规模的工业化应用。
为了得到上述目的，本发明提供了一种三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将纤维素纤维与低熔点纤维开松混合，其中低熔点纤维质量百分含量在10～20％；
第二步：通过气流成网设备将开松混合后的纤维原料加工形成纤维网；
第三步：将纤维网通过加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在130℃～160℃，时间在20min～100min。
优选地，所述的纤维素纤维为木棉、香蒲绒、棉短绒和竹浆纤维中的至少一种。本发明选用木棉、香蒲绒、棉短绒、竹浆纤维等价格低廉、来源广泛的纤维素纤维。其中，木棉纤维为木棉树果实内的绵毛，主产地在印尼、缅甸、印度、非洲中西部的尼日利亚、我国华南和西南各省。单根木棉纤维具有独特的圆柱形中空结构，纤维表面覆有拒水亲油的蜡质物质，具有密度小，浮力大和强疏水亲油的特征。香蒲绒是香蒲果穗上的绒毛，广泛分布于全国各地的池塘、河滩、渠旁等潮湿多水处。香蒲绒单纤截面为中间凹陷两端突出的条带状，每个空腔中均有类似竹子剖开面的内竹节，具有大的吸附表面积和存油空间，同时香蒲绒纤维表面覆较多的蜡质物质，具备优良的疏水亲油特性。
优选地，所述的低熔点纤维为聚烯烃纤维、共聚酰胺纤维、共聚酯纤维和低熔点复合纤维中的一种或几种。
优选地，所述的加工形成纤维网的方法为气流成网法，所述的气流成网法易于实现短纤维在纤网集合体中较为理想的聚集状态。
优选地，所述的加热粘合采用热风粘合，确保大尺寸三维结构的粘合均匀性。
优选地，所述的第三步中，先将纤维网填充在预制的三维模具中，再将其进行加热粘合。
更优选地，所述的三维模具为三维锥形钢网。
与现有技术相比，本发明的有效效益是：
本发明提供一种以木棉、香蒲绒、棉短绒、竹浆纤维等天然纤维为原料的吸油材料的制备方法，实现它们在纤维集合体中较为理想的聚集状态并形成稳定的三维纤维集合体结构，既提高纤维本身的综合吸油性能，也很好地解决了它们在实际应用中存在的散纤维回收困难及容易再漏油等问题。该制备方法工艺简单，不产生新污染，易于实现大规模的工业化应用。
附图说明
图1a为实施例1的木棉/ES吸油絮片外观形态示例图；
图1b为实施例13的木棉/ES吸油球外观形态示例图；
图1c为实施例2的香蒲绒/ES吸油絮片外观形态示例图；
图1d为实施例14的香蒲绒/ES吸油球外观形态示例图；
图2a为实施例1的木棉/ES吸油絮片的SEM图像。
图2b为实施例2的香蒲绒/ES吸油絮片的SEM图像。
图2c为实施例3的普通棉/ES吸油絮片的SEM图像。
图2d为实施例4的木棉/香蒲绒/ES吸油絮片的SEM图像；
图2e为实施例5的普通棉/香蒲绒/ES吸油絮片的SEM图像
图2f为实施例6的木棉/香蒲绒/ES吸油絮片的SEM图像
图3为不同ES纤维混比条件下，木棉、香蒲绒和棉纤维吸油絮片对植物油的吸附倍率及其与散纤维吸油的对比。
图4为不同ES纤维混比条件下，木棉、香蒲绒和棉纤维吸油絮片对植物油的保油率及其与散纤维吸油的对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将木棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照80∶20的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得木棉/ES吸油絮片。
实施例2
将香蒲绒纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照80∶20的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得香蒲绒/ES吸油絮片。
实施例3
将普通棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照80∶20的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得普通棉/ES吸油絮片。
实施例4
将木棉纤维、香蒲绒纤维和聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照45∶45∶10的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得木棉/香蒲绒/ES吸油絮片。
实施例5
将普通棉纤维、香蒲绒纤维和聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照45∶45∶10的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得普通棉/香蒲绒/ES吸油絮片。
实施例6
将木棉纤维、普通棉纤维和聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照45∶45∶10的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，并裁剪直径为8cm的纤维网。将纤维网放置在140℃的热风烘箱内部，通过在292Pa的压力下加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在140℃，时间在30min，取出冷却，制得木棉/普通棉/ES吸油絮片。
实施例7
类似于实施例1，区别在于所述的木棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为85∶15。
实施例8
类似于实施例1，区别在于所述的木棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为90∶10。
实施例9
类似于实施例2，区别在于所述的香蒲绒纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为85∶15。
实施例10
类似于实施例2，区别在于所述的香蒲绒纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为90∶10。
实施例11
类似于实施例3，区别在于所述的普通棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为85∶15。
实施例12
类似于实施例3，区别在于所述的普通棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)的混合重量比例为90∶10。
实施例13
将木棉纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照80∶20的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤维网，再将纤维网均匀填充在预制的三维锥形钢网中，加上网盖后，将其放置在150℃的热风烘箱内部加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在150℃，时间在90min，取出冷却，制得木棉/ES吸油球。
实施例14
将香蒲绒纤维与聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)按照80∶20的重量百分比例开松混合，然后将开松混合后的纤维原料通过气流成网设备加工成纤网，再将纤维网均匀填充在三维锥形钢网中，加上网盖后，将其放置在150℃的热风烘箱内部加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在150℃，时间在60min，取出冷却，制得香蒲绒/ES吸油球。
通过上述工艺制备了木棉、香蒲绒和棉吸油絮片和吸油球，其中所用的低熔点纤维为聚丙烯/聚乙烯皮芯型复合纤维(ES)，该纤维皮层组织熔点低、柔软性好，芯层组织熔点高且强度高。从图1和图2可以看到，经过加热粘合后，ES纤维皮层熔融后与相邻纤维之间粘联，使得纤维间有一定的粘结强力，形成具有稳定三维结构的纤维集合体整体，这样不仅有利于纤维本身综合吸油性能的改善，更重要的是使得吸油后的纤维体容易回收并在挤压、离心等机械脱油后再次利用。
将实施例1-3，7-12所制得的吸油絮片进行了吸油和保油性能的测试并与木棉、香蒲绒或普通棉的散纤维吸油进行了对照，具体步骤为：将吸油絮片或1g散纤维放置在装有100ml植物油的玻璃烧杯中，吸油15min后取出，静置在滤网上，期间称得静置15min和24h时吸油絮片的重量，算得其吸油倍率及保油率。如图3和图4所示，这几种通过气流成网和热粘合工艺制得的纤维吸油絮片均具备非常好的吸油保油能力，而与散纤维吸油相比，这些絮片的吸油保油能力均有一定程度的提高，特别是木棉纤维絮片，其吸油倍率高达47g/g，比散纤维提高了约42％。

Claims (7)

1.一种三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将纤维素纤维与低熔点纤维开松混合，其中低熔点纤维质量百分含量在10～20％；
第二步：通过气流成网设备将开松混合后的纤维原料加工形成纤维网；
第三步：将纤维网通过加热粘合形成三维结构，加热粘合的温度在130℃～160℃，时间在20min～100min。
2.如权利要求1所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的纤维素纤维为木棉、香蒲绒、棉短绒和竹浆纤维中的至少一种。
3.如权利要求1所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的低熔点纤维为聚烯烃纤维、共聚酰胺纤维、共聚酯纤维和低熔点复合纤维中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的加工形成纤维网的方法为气流成网法。
5.如权利要求1所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的加热粘合采用热风粘合。
6.如权利要求1所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的第三步中，先将纤维网填充在预制的三维模具中，再将其进行加热粘合。
7.如权利要求6所述的三维天然纤维吸油材料的制备方法，其特征在于，
所述的三维模具为三维锥形钢网。
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