絲瓜絡(luò)吸油測(cè)試及組成結(jié)構(gòu)分析

董姍姍

摘 要：本研究著眼于目前我國(guó)資源短缺與環(huán)境污染的主要矛盾，將豐富的纖維素資源予以利用，以天然絲瓜絡(luò)為原料，運(yùn)用掃描電鏡方法探究絲瓜絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并分析其吸油機(jī)理，預(yù)計(jì)將其應(yīng)用于海上溢油的清理。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中考察了表面蠟質(zhì)對(duì)絲瓜絡(luò)吸附過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絲瓜絡(luò)屬于網(wǎng)絡(luò)狀孔隙結(jié)構(gòu)，孔形狀為不規(guī)則多邊形，孔分布較均勻，全開(kāi)孔，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，骨架結(jié)構(gòu)明顯。全開(kāi)孔結(jié)構(gòu)不僅使原油及有機(jī)污染物自由通過(guò)，其骨架結(jié)構(gòu)還能有效支撐吸入油的重量，保油能力強(qiáng)。用石油醚，乙醚萃取蠟質(zhì)后的絲瓜絡(luò)吸附性不及乙醇萃取蠟質(zhì)后的絲瓜絡(luò)，表征了絲瓜絡(luò)表面蠟質(zhì)與油品之間的范德華力對(duì)其吸附性的重要性。

關(guān)鍵詞：絲瓜絡(luò)；表面蠟質(zhì)；孔洞；吸附性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.258

1 緒論

天然絲瓜絡(luò)（Vegetable Sponge of Luffa）是干燥的成熟絲瓜果實(shí)中的維管束，宏觀上呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)，主要由60%纖維素及部分半纖維素、木質(zhì)素伴生在一起而形成[1-2]。根據(jù)黎炎等對(duì)絲瓜絡(luò)化學(xué)成分的分析，絲瓜絡(luò)中主要為酸、酯、烷類等化合物，其中酸類有11種，酯類7種，烷類9種，所占比例分別為52.27%、13.34%和5.23%[3]。目前，在天然植物纖維中，研究較多的有甘蔗渣[4-5]、楊絮[6]、棉纖維[7]、玉米秸稈[8]等，而對(duì)絲瓜絡(luò)的研究很少[9]。早先，對(duì)絲瓜絡(luò)纖維的應(yīng)用研究主要集中在它的藥用價(jià)值和各類生活用品的制備上，最近幾年則主要應(yīng)用研究于環(huán)境保護(hù)材料領(lǐng)域，例如毛金浩等研究了化學(xué)改性后的絲瓜絡(luò)對(duì)金屬離子的吸附[2]，楊紅等研究了絲瓜絡(luò)在手性分離方面的性能[10]，胡楠等探究了絲瓜絡(luò)對(duì)污染物的吸附性能，Ghania HENINI等研究了絲瓜絡(luò)對(duì)苯酚的吸附性能[11]，Aylin等研究了絲瓜絡(luò)對(duì)染料的吸附[12]。絲瓜絡(luò)具有獨(dú)特的多孔物理結(jié)構(gòu)，如圖1。另外絲瓜絡(luò)還擁有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，能與一些金屬蜂窩材料（如泡沫鋁和Ni-P microlattices等）相媲美的剛度、強(qiáng)度和能量吸收能量能力，在相似的密度條件下，絲瓜絡(luò)比其他可用的蜂窩材料（如聚苯乙烯泡沫塑料、Ni-P microlattices等）的強(qiáng)度更大[13]。

2 吸油測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料和器材

絲瓜絡(luò)，在市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)于江蘇泰州；燒杯；PL403電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；索氏提取器DHG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。吸油性能測(cè)試中所用油品如表1所示；索氏提取器用到的提取劑如表2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)天然未處理的絲瓜絡(luò)分別以無(wú)水乙醇、石油醚和乙醚為溶劑，用索氏提取器萃取其表面蠟質(zhì)和灰分，萃取時(shí)間均為3h。然后分別對(duì)天然未處理的絲瓜絡(luò)和經(jīng)萃取的3種絲瓜絡(luò)進(jìn)行下述實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）模擬海上溢油后的油水混合系統(tǒng)：在250ml的燒杯中分別加入10ml的機(jī)油和100ml的人造海水（將35g氯化鈉溶解于1000ml去蒸餾水中）；

（2）剪裁一定大小的絲瓜絡(luò)于60℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥2h，然后稱量M0；

（3）將油水混合體系靜置5分鐘達(dá)到平衡后放入干燥好的絲瓜絡(luò)；

（4）吸附30min后從燒杯中垂直取出，靜止滴淌5min后稱其重量Mf，隨后將其放入60℃的烘箱中烘4h，以去除吸附的水分，再稱其重量Mw；

（5）計(jì)算吸油（水）倍率：吸油（水）倍率=吸油（水）量/干燥絲瓜絡(luò)重量，如下2-1、2-2公式分別為吸油倍率和吸水倍率公式。

Q=（Mw-M0）/M0 （2-1）

q=（Mf-Mw）/M0 （2-2）

其中M0（g）為吸油和水前絲瓜絡(luò)纖維的重量；Mf（g）為吸收了油和水后絲瓜絡(luò)纖維的重量；Mw為將水排除后的絲瓜絡(luò)的重量；Q（g/g）為絲瓜絡(luò)吸油倍率；q（g/g）是絲瓜絡(luò)的吸水倍率。

2.3 微觀組織和形貌表征

采用OLYMPUS BX53生物顯微鏡觀察未處理的和經(jīng)石油醚（無(wú)水乙醚、無(wú)水乙醇）提取表面蠟質(zhì)的絲瓜絡(luò)的表面形貌，探究表面蠟質(zhì)對(duì)其吸油性能的影響。

將絲瓜絡(luò)樣品用雙面膠固定在銅板上，進(jìn)行表面噴金處理后利用Hitachi（日立）S-3400N掃描電子顯微鏡觀察絲瓜絡(luò)表面形貌。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 吸油性評(píng)價(jià)

根據(jù)吸油測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)得天然未處理的和經(jīng)過(guò)處理的絲瓜絡(luò)（分別以無(wú)水乙醇、石油醚和無(wú)水乙醚為溶劑，用索氏提取器萃取了其表面蠟質(zhì)、灰分的絲瓜絡(luò)）在油水混合體系中的吸油（機(jī)油）倍率（Q）和吸水倍率（q）如表3所示。

2.4.2 絲瓜絡(luò)表面形貌分析

用掃描電鏡觀察天然未處理絲瓜絡(luò)表面形貌，結(jié)果如圖2所示，天然絲瓜絡(luò)表面覆蓋有一層灰分、蠟質(zhì)，而且表面比較粗糙，存在凹坑部分。正是由于表面有親油蠟質(zhì)層（表面蠟質(zhì)含量是決定纖維表面親油疏水性的重要因素[14]）和凹坑，絲瓜絡(luò)才具有一定的吸油能力。

用生物顯微鏡觀察經(jīng)不同化學(xué)溶劑萃取處理后絲瓜絡(luò)表面形貌，結(jié)果如圖3所示。從a、b、c、d圖中可以看出，蠟質(zhì)量：a>b>c≈d，天然未處理的絲瓜絡(luò)表面蠟質(zhì)量最多，經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醚萃取的絲瓜絡(luò)表面最少。其原因有兩個(gè)：（1）沸點(diǎn)：無(wú)水乙醇（78.5℃）>石油醚（40～80℃）>石油醚（34.6），所以在相同萃取時(shí)間下，無(wú)水乙醚的虹吸次數(shù)最多，無(wú)水乙醇最少，石油醚居中，虹吸次數(shù)多也就意味著萃取次數(shù)多；（2）極性：無(wú)水乙醇屬水溶性物質(zhì)極性較大，石油醚和無(wú)水乙醚均屬脂溶性物質(zhì)極性較小，根據(jù)相似相容原理絲瓜絡(luò)纖維表面蠟質(zhì)易溶于石油醚和乙醚。

根據(jù)吸油實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未處理絲瓜絡(luò)吸油倍率較大，而經(jīng)石油醚或乙醚萃取過(guò)的絲瓜的吸油倍率較小，結(jié)合掃描電鏡和生物顯微鏡分析，表面絲瓜絡(luò)纖維素表面的蠟質(zhì)是影響其吸油性的重要因素。另外，吸油實(shí)驗(yàn)顯示絲瓜絡(luò)纖維有一定的吸水性，根據(jù)紅外光譜測(cè)試[15-16]，這與絲瓜絡(luò)中纖維素上的親水性羥基（-OH）有關(guān)。

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