汉麻粉体制备及表征

2019-03-07钟智丽陆琳玲薛兆磊王子帅

纺织科学与工程学报 2019年1期

钟智丽，孙涵，陆琳玲，薛兆磊，王子帅

(天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387)

0 引言

超细粉体开始于70年代末期，因其表面积大、溶解快、表面活性高等优点广泛应用于电子、医药、化工、复合材料等领域[1]。例如在材料领域，利用超细陶瓷粉制成的复合材料用来制造复合板，这种板材重量轻、抗冲击能力比传统钢板提高1-3倍[2]；化工领域，超细粉末可以用来降低金属的熔点，催化剂细化后可以使石油的裂解速度大幅度提高；药品经过超细化处理可以提高它的药效，纳米粉可以制成针剂用[3-5]；我们的日常生活用品：沐浴露、牙膏、面膜等，它们都包含大量的粉体材料。

纺织工业是重要的商品产业之一。然而，纺织工业也被指责为污染最严重的行业之一，它不仅产生了来自纺织过程的空气污染和废水，而且还产生了大量的纺织废弃物。它们或因为自身性质的限制，或因为现在纺织技术的限制，不能使纺织资源合理最大化被利用[6、7]。因此，对这些固体废物的处理正成为纺织工业的一个主要问题。为了解决这个问题，纺织工业已经采取了许多措施来减少对环境的负面影响，其中，超细粉末就是其中一种方法。

1 实验部分

1.1 试验材料和仪器

材料：汉麻纤维(沈阳北江麻业有限公司)、直径为10mm的氧化锆(秦皇岛市太极环纳米制品有限公司)

仪器：CJM-SY-B型高能纳米粒子冲击磨(秦皇岛市太极环纳米制品有限公司)、纳米粒度分析仪(贝克曼库尔特有限公司)、傅里叶变换红外光谱仪CC-1098-01(日本ASONE公司)、差示扫描量热仪Q20(美国TA仪器有限公司)、场发射扫描电子显微镜Hitachi S-4800(日立公司)

1.2 粉体制备

目前，超细粉体的制备方法比较多，分类也比较多。按照性质可以分为物理方法和化学方法，按照原理可以分为化学合成法和物理研磨法，还可以根据制备出的物相来进行分类，气相法、固相法、液相法[8、9]。最常用的方法就是物理研磨和化学合成，本次试验采用物理研磨方法，制备流程如下：

图1 粉体制备流程

(注意：在制备粉体的过程中，球磨机水箱内的水必须在警戒线以上且不能太满，以防止在球磨机工作过程中水溢出使其他部件生锈；在进行工作之前必须将球磨机盖子用螺母拧紧，以防止在研磨过程中粉体溢出跑到空气中；每次操作结束应该用勺子将粉体取出，之后用刷子把残留粉体取出，保证罐体无粉体残留。)

1.3 测试方法

1.3.1 纳米粒度分析仪

汉麻粉体粒径的分析需要借助纳米粒度分析仪，它可以测量的最小粒径值是0.6nm，它既可以测低浓度的样品，又可以测高浓度的样品，甚至有些样品可以无需溶液稀释直接测试。分别将研磨时间不同得到的粒径与蒸馏水按照一定比例充分搅拌混合均匀，使其均匀的分散在蒸馏水中，选择测试温度为25℃，每次测试的溶液含量是5ml。

1.3.2 FTIR测试

傅里叶变换红外光谱仪得到的光谱图是由于化合物振动吸收一定波长的红外光而产生的。利用傅里叶变换红外光谱仪对汉麻纤维和不同研磨时间得到的粉体进行光谱分析，可以观察到有无化学变化。

1.3.3 DSC测试

用差示扫描量热仪Q20测试汉麻粉体及汉麻纤维的热性能，比较汉麻纤维研磨前后的热性能的变化。

1.3.4 FESEM测试

场发射分辨率高，可以清晰的呈现出材料的表面形态和微观结构。本次采用型号为Hitachi S-4800的场发射扫描电子显微镜(日立公司)观察粉体表面形态。将分散于乙醇液体中的各个粒径的粉体用超声振动半个小时，使其充分分散于乙醇溶液。取少量液体于铜箔纸上，对其进行烘干处理。之后对烘干后的带有汉麻粉体的铜箔纸用导电的胶贴服在样品台上，然后对样品进行喷金处理，放于真空保存进行测试。

2 结果与讨论

2.1 粒径分析

图2 研磨不同时间下的粒径分布

由图2可以观察到，二次研磨中经过两个小时的研磨后粒径变化非常大，从刚开始的21040nm变为3145nm；随着研磨时间的延长，粒径的分布呈先减小后增大的趋势，12h是粒径最小处，为809nm。这是因为粒径已经非常小，达到研磨极限，随着时间的延长，粉体之间会互相聚集在一起从而增大粒径。所以在使用纳米冲击磨研磨汉麻纤维粉体的最佳时间使12h。

2.2 傅里叶红外光谱分析

(a)汉麻纤维的FTIR图

(b)研磨0h的粉体FTIR图

(c)研磨12h的粉体FTIR图

通过图3可以发现，经过研磨之后的汉麻和未经研磨的汉麻纤维曲线走势大体相同，说明，汉麻纤维在经过纳米冲击磨研磨之后，并没有化学键的变化和新官能团产生。说明纳米冲击磨的研磨未能改变汉麻纤维的化学性质，仅改变了纤维的物理形态。

图中还可以发现，第一个强吸收峰发生在3310cm-1～3350 cm-1之间，这是因为此段纤维素分子是直链，没有分支；吸收峰2878cm-1～2900 cm-1是C-H键的伸缩振动；吸收峰1640 cm-1是N-H键的弯曲振动；吸收峰1515cm-1～1531cm-1是苯环的伸缩振动；吸收峰1330cm-1～1350cm-1说明存在羟基变形；吸收峰1016cm-1～1030cm-1出现C-O键的伸缩振动；吸收峰837～845出现葡萄糖环伸缩振动。

2.3 差示扫描量热法(DSC)分析

(a)汉麻纤维的DSC图

(b)研磨0h的粉体DSC图

(c)研磨12h的粉体DSC图

从上图4可以看出，汉麻纤维和粉体的DSC曲线峰值分布有区别，粉体的第一峰值明显大于第二峰值，而汉麻纤维的第一峰值却小于第二峰值。这是因为与汉麻纤维相比，被研磨成粉体之后的汉麻表面积要大于未处理的汉麻纤维，水分能更多的进入汉麻粉体的内部，使之比汉麻纤维应有更多的水分，在遇热时水分蒸发会吸收比汉麻纤维更多的热量，从而导致汉麻粉体的第一峰值大于第二峰值。从第二峰值可以发现，粉体波峰的宽度要比汉麻纤维的波峰宽，这是因为研磨破坏了纤维的结晶区，结晶区的减少使汉麻粉体的热稳定性要低于汉麻纤维的热稳定性。还可以从图中发现粉体的峰值小于汉麻纤维的峰值，原因也是因为结晶区的减少。

比较研磨0h和12h的汉麻粉体DSC曲线可以发现，研磨0h的汉麻粉体第一个峰值要小于研磨12h的汉麻粉体。这是因为经过12h的研磨后，粉体粒径变得更小从而使之表面积更大，致使粉体的亲水性比研磨0h的汉麻粉体更好，水分多，吸收峰自然就会变大。

比较上页图4的三个DSC曲线，可以发现他们的DSC曲线的走势基本一致，只出现峰值大小和波峰宽度的区别，说明经过研磨之后，只是汉麻的热稳定性发生变化。从图中可以观察到，三个波谱图均有两个明显的波峰出现，研磨0h的汉麻粉末的波峰的峰值出现在83.2℃、337.1℃，研磨12h的汉麻粉末波峰的峰值出现在96.5℃，333.6℃，而汉麻纤维的两个波峰的峰值出现在82.3℃和360.3℃处。第一个波峰的出现是因为汉麻纤维是天然纤维素纤维，纤维体内存在一定的水分，随着温度的升高，水分会吸热蒸发，从而出现第一个吸收峰。第二个吸收峰的出现是因为汉麻粉体、汉麻纤维中存在交联键的断裂，当加热时分子吸热脱水碳化。