近年来，由微纳多孔且异形截面纤维构成的非织造无纺布（NWFs）成为了一种经济高效的吸附材料，广泛应用于溢油清理。但是精确控制纤维复杂横截面形状的制备工艺具有挑战性，且其形成的多尺度孔隙对液体吸收的贡献也尚未得知。

近期，9428cn太阳集团古天乐副院长薛立新团队、浙江工业大学之江学院蒋国军副教授团队联合在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Porous structures of C-shaped polypropylene fibers and oil-absorbing performance of their spun-bond non-woven fabrics”的研究进展。该工作通过热诱导相分离（TIPS）工艺，采取双组分稀释剂制备了C形多孔纺粘纤维，系统研究了稀释剂的组成和拉伸速度对亚微米纤维孔形态及其对吸油性能的影响。基于Washburn和Escardino的毛细管吸收模型，提出两个新概念来表征它们的吸油能力和吸收动力学过程: 1）等效毛细管孔隙半径R0；2）动力学孔隙扭曲度λ，有助于科学地理解NWF材料的液体吸收行为。

该工作采用了耦合纺粘技术和热诱导相分离技术，通过调控喷丝板类型、稀释剂配比、拉伸速度等方法来控制纤维的异形截面和多孔结构。在纺粘过程中，通过喷丝器挤出熔融聚合物（图1a），经过侧吹风冷却凝固，形成初生纤维并实现相分离（图1b）。然后通过传送带将纤维输送到热轧花辊以获得NWFs。用异丙醇浸泡初生纤维8小时以提取稀释剂，然后在60 ℃ 空气中干燥2小时，得到多孔纤维NWFs。

图1 a 纺粘法纺丝示意图b 纺粘过程中的相分离

通过不同β角喷丝板能够制备具有不同大小轴向开口角度的C形纤维（图2a）。其中具有较小β角的C形纤维可以产生较大的毛细驱动力，能够有效增强液体传输，从而增强对浸润液体的吸收速度（图2b-d）。

图2 喷丝板开槽角β对C形纤维的影响：a喷丝板和C形纤维的横截面；b大豆油在单丝上的水平润湿；c单丝反抗重力垂直吸收大豆油；d毛细管作用示意图

图3显示了不同稀释剂配比对纤维多孔结构的影响。当α为0时，由于邻苯二甲酸二辛酯（DOP）为聚丙烯（PP）的良溶剂，不会影响PP的结晶行为，体系只存在固-液相分离（S-L），最终形成颗粒状孔结构；当α为0.5时，体系中液-液相分离（L-L）和S-L相分离过程同时进行，导致颗粒状和网状结构并存。随着混合稀释剂中邻苯二甲酸二丁酯DBP（α值）的增大，L-L相分离程度越高。当α为0.8或1时，L-L相分离占主导地位，因此在纤维表面或截面的视野内几乎看不到聚合物颗粒，只存在单一的网状孔。当α从0增加到1时，C型纤维的平均横截面孔径和表面亚微米孔径均明显增加。

图3 不同α纤维形貌 (70 wt% PP, 拉伸速度为2000 r min^-1)： a1-a4为表面；b1-b4为横断面。c1-c4为不同α体系的相分离图像

拉伸工艺对纤维材料制备具有重要影响。如图4所示，0α体系中，离开喷丝板的PP熔体经过拉伸成丝，在其表层形成独特的鲨鱼皮状纹理，孔径形状不规则。在拉伸作用下，聚合物晶粒快速冷却和收缩，导致纤维内部固相晶粒之间的缝隙增大。1α体系时，L-L相分离导致富稀释剂液滴相的形成，当聚合物在高拉伸速度下收缩并结合时，液滴进一步变形或融合，形成了更大、更连通的孔隙。

图4 不同拉伸速度下0α和1α纤维的SEM图像

根据图5所示的NWFs的吸油动力学曲线能观察到三个吸油阶段。这些阶段对应分别对应为大孔的丝间间隙、靠近焊点的中等丝间缝隙和丝内亚微米级孔隙的液体吸收。根据各阶段吸收曲线得出的毛管吸收系数（KI，KII，KIII）可以计算孔隙扭曲度值（λI，λII，λIII）从而表征油填充孔隙的阻力水平。在吸附过程中，孔隙扭曲度越高，油吸附阻力越大。对比普通圆形截面（R）纤维，C形结构和微孔结构能够有效降低吸附阻力从而有效减少弯曲度值（λI，λII，λIII） （图5a和5b）。增加α能够形成连通性更好尺寸更大的微孔，从而有效减少弯曲度值λI，λII，和λIII（图5c和5d）。提高拉伸速度降低纤维直径并提高内部亚微米孔连通性和尺寸，从而降低吸附阻力（孔隙曲折值λI，λII，尤其是λIII）（图5e和5f）。

图5 不同NWF的液体吸收动力学和孔隙扭曲度：a-b不同截面形状的NWFs；c-d 不同α的NWFs；e-f不同拉伸速度的NWFs

如图6a所示，商品PP NWF（样品F）的油采收率较低（568 L·m^-2·h^-1），油水选择性中等（4.8）；而1αC3p NWF的原油采收率较高（986 L·m^-2·h^-1），油水选择性提高（6.4），在运行40 s后稳定（图6d）。其中降低α和拉伸速度使孔隙度和孔隙连通性变差，导致孔隙扭曲度（λI，λII，λIII）的增加，NWFs的采收率和选择性降低（图6b-c）。

图6 不同纤维NWFs的采收率和选择性(速度为6 m min^-1时)：a具有不同横截面形状的NWFs；b不同α的NWFs；c不同拉伸速度的NWFs；d 1αC3p NWFs循环的采收率和选择性(每40 s一段)；e模拟溢油回收装置和过程

综上所述，该工作系统研究了稀释剂组成和拉伸速度对纤维孔形态及其对吸油性能的影响。结合等效毛细管孔隙半径（R0）和动力学孔隙扭曲度（λ）概念解释了NWFs的多尺度孔隙对液体吸收的贡献。这些多尺度孔隙的吸油动力学表征为开发先进的溢油回收多孔材料提供了科学的见解和进一步的指导。
      浙江工业大学博士研究生李正为本文第一作者，9428cn太阳集团古天乐副院长薛立新和浙江工业大学之江学院蒋国军副教授为共同通讯作者。

课题组介绍

薛立新，中国科学院特聘研究员、浙江省膜分离与水处理协同创新中心副主任、温州大学化学与材料工程学院瓯江领军人才，9428cn太阳集团古天乐副院长，博士生导师。发表SCI论文130多篇，申请美国和PCT国际授权发明专利58项，中国专利277项（授权164项）。2010年入选浙江省级人才计划，2015年入选国家级人才引进计划和中国科学院特聘研究员，被提名国际ENI奖；2018年获得中国膜工业协会科技进步一等奖，2019年获得中国国家专利优秀奖（2019），2021年获得国际先进材料学会科学金奖（IAAM Science Metal）。
     蒋国军副教授，上海东华大学博士，英国Bristol大学访问学者；浙江工业大学之江学院副教授；硕士生导师；浙江省高校领军人才青年优秀人才。主持国家自然科学基金二类重点项目子课题1项，浙江省自然基金项目1项；主持横向科研项目6项。目前已在Journal of Hazardous Materials、Separation and Purification Technology、Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利10余项。获第二十二届中国专利奖优秀奖和中国纺织行业专利奖优秀奖各一项。

原文信息

       Zheng Li, Guojun Jiang*, Yawen Zhao, Hanyue Kang, Zhiling Chen, Mingyu Zhao, Zhijuan Sun, Congjie Gao, Lixin Xue*. Porous structures of C-shaped polypropylene fibers and oil-absorbing performance of their spun-bond non-woven fabrics. Adv. Fiber Mater., 2024.

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00400-0