近些年，水生生态系统中油和有机溶剂引起的污染受到人们的广泛关注，开发一种环保、经济、高效的油水混合物分离方法具有重要意义[1]。超疏油材料具有优异的性能，可用于对油/水混合物的分离。棉花因吸收能力高、成本低等优点，是研究广泛的材料[2]。但普通棉纤维由于含有大量的羟基，使其具有良好的亲水性能，限制其在一些疏水领域的应用，因此需要进行改性处理，以达到相应的应用需求[3]。日常生活中，废弃聚乙烯(PE)产品较多，对PE废物材料进行再回收利用，不仅可以减少环境污染，而且有助于制造低成本且具有特殊可润湿表面的材料[4]。本实验通过浸涂工艺，制备具有疏水性和亲油性能的废弃PE滴管改性棉纤维。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构、特定官能团和元素进行分析。通过测量制备材料的水接触角，分析PE修饰棉纤维(PE-CC)的润湿行为。研究PE-CC对各种油和有机溶剂的吸油效率和选择性。1实验部分1.1主要原料棉纤维，从废弃的服装材料中提取；聚乙烯(PE)滴管，实验室回收；盐酸、分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲苯、氯仿、二氯乙烷、环己烷，分析纯，天津市康科德科技有限公司；柴油，中国石油加油站；硅油，北京伊诺凯科技有限公司；花生油，益海嘉里金龙鱼粮油食品有限公司；橄榄油，欧丽薇兰公司；氯化钠，纯度99.5%、氢氧化钠，纯度96%，百灵威科技有限公司。1.2仪器与设备场发射扫描电镜(FESEM)，supra-40VP，德国Zeiss公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Excalibur 3100，美国varian公司；X射线光电子能谱仪(XPS)，PHI 5000 Versa Prob II，美国FEI公司；接触角测量仪，OCA20，德国data physics公司。1.3样品制备采用PE材质的一次性滴管作为疏水剂。将废弃PE滴管清洗并切成小块，将一定量的PE小块置于100 mL甲苯溶剂的烧杯中。将混合物在100 ℃加热下搅拌30 min。从混合物中去除未溶解的杂质，得到透明溶液。将用蒸馏水和乙醇超声波清洗和干燥过的棉纤维浸入透明溶液几秒钟，室温下吹干得到PE-CC。1.4性能测试与表征SEM分析：样品上镀薄金膜，观察样品表面形貌。FTIR测试：波数范围500~4 000 cm-1。XPS测试：室温下，Al Kα射线（能量为1 486.6 eV）。水接触角测试：室温下，采用固着液滴法测量水的接触角。水的注入量约为5 μL。同一样品表面的5个不同点测量接触角的值，取接触角的平均值，并采集图像。2结果与讨论2.1浸润行为、表面形貌和化学成分表征图1为水滴（用酚磺酞染色）在普通棉纤维和PE-CC的光学图像及PE-CC的水接触角。从图1可以看出，利用酚磺酞染料染色的水滴立即被吸附在普通棉纤维的表面，证实普通棉纤维是亲水性，该表面上的水接触角不可测量。而PE-CC表面呈现疏水特性，PE-CC的水接触角为(140±1)°。PE-CC表面的水接触角显著增强，表明PE涂层方法可以实现棉纤维从亲水性到疏水性的改变。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F001图1水滴（酚磺酞染色）在普通棉纤维和PE-CC的光学图像及PE-CC的水接触角Fig.1Optical images of water droplets （stained with phenolsulfonphthalein） on ordinary cotton fiber and PE-CC and the water contact angle of PE-CC相关报道表明，多级结构和化学结构的构建是提高表面粗糙度的重要因素，导致表面水接触角的增加[5]。为了解PE改性前后棉纤维表面形貌的变化，采用扫描电镜(SEM)进行结构表征，图2为普通棉纤维和PE-CC的SEM照片。从图2可以看出，普通棉纤维为一维的线状结构，具有相对光滑的表面。与普通棉纤维相比，PE-CC的表面相对粗糙，具有大量的凹槽和原纤维。由于浸覆处理后，大量PE纳米颗粒沉积在棉纤维表面。因此，表面粗糙度的改变使其亲疏水性能发生变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F002图2普通棉纤维和PE-CC的低倍和高倍SEM照片Fig.2Low and high magnification SEM images of ordinary cotton fiber and PE-CC为了评估修饰前后特定官能团，采用FTIR对普通棉纤维和PE-CC进行表征。图3为普通棉纤维和PE-CC的FTIR谱图。从图3可以看出，两者的FTIR谱图相似，证明表面修饰并未对原有材料的化学键合方式产生影响。PE-CC中可能是由于两者优异的相容特性而产生表面物理吸附。棉纤维表面引入PE，分别在2 918 cm-1和2 850 cm-1处观察C—H不对称和对称伸缩振动峰[6]。FTIR分析结果证实棉纤维表面具有PE涂层。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F003图3普通棉纤维和PE-CC的FTIR谱图Fig.3FTIR spectra of ordinary cotton fiber and PE-CC采用XPS方法对PE-CC中的化学成分进行表征，以了解其结构-性能关系。图4为普通棉纤维、PE-CC和PE-CC中C 1s峰的高分辨率XPS谱图。从图4a可以看出，普通棉纤维主要由碳元素和氧元素组成，并且碳元素的峰强度低于氧元素的峰强度。由于纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，葡萄糖中主要包含碳元素和氧元素。从图4b可以看出，PE-CC也由C 1s峰和O 1s峰组成，在283.2 eV处出现强烈的C 1s峰并且碳元素的峰强要高于氧元素的峰强，表明成功引入PE涂层[7]。从图4c可以看出，C 1s峰在283.2 eV时的高分辨率结合能是PE的C=C双键造成的。结果表明：PE被成功涂覆在棉纤维。图4普通棉纤维、PE-CC和PE-CC中C 1s峰高分辨率XPS谱图Fig.4XPS spectra of ordinary cotton fibers， PE-CC and high resolution of the C 1s peak in PE-CC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F4a1（a）普通棉纤维10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F4a2（b）PE-CC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F4a3（c）PE-CC中C 1s峰高分辨率2.2油水分离和吸油能力涂层纤维对各种油和有机溶剂的吸收效率可以通过质量的变化评估，即吸收的质量与涂覆纤维的初始质量之比。然而，疏水吸附剂的吸附能力受油和有机溶剂各种性能（如密度、表面张力和黏度）的影响[8]。评估普通棉纤维和PE-CC对油类（柴油、硅油、花生油和橄榄油）和有机溶剂（氯仿、甲苯、二氯乙烷和环己烷）的吸收能力。图5为普通棉纤维和PE-CC对不同油和有机溶剂的吸收能力。从图5可以看出，PE-CC的油吸附容量分别为59.8（氯仿）、46.8（甲苯）、36.5（二氯乙烷）、32.3（环己烷）、58.2（柴油）、61.6（硅油）、63.6（花生油）和53.2（橄榄油）。PE-CC对油类和有机溶剂的吸收能力较好。对于普通棉纤维，相同的油类化合物中，其油吸附容量值均低于PE-CC。与普通棉纤维相比，PE-CC具有更好的油吸附容量(16.50%~60.20%)。由于疏水PE-CC的毛细管效应增加，导致油/有机溶剂与棉纤维的PE涂层之间的相互作用增强。实验结果还表明，对于不同的溶剂和油类而言，相比普通棉纤维，PE-CC的吸附容量提升幅度并不相同，这可能受到溶剂不同密度、黏度影响的吸附过程复杂性，和涂层材料(PE)均匀的超亲油表面性质的影响。此外，也有使用PE涂层PU海绵、聚苯乙烯涂层无纺布和十八烷基三氯硅烷改性棉对氯仿和二氯甲烷的吸收的类似报道与上述提出的机制相吻合[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F005图5普通棉纤维和PE-CC对不同油和有机溶剂的吸收能力Fig.5Absorption capacity of ordinary cotton fibers and PE-CC to different oils and organic solvents2.3涂层棉纤维的疏水稳定性涂层棉纤维表面疏水涂层的稳定性是其在不同油水混合物环境条件下实际应用的关键要求之一。油性污染水的pH值在4~9之间。将PE-CC分别浸入不同pH值的水介质（4、7和9）、乙醇和甲苯中12 h，评估其疏水涂层的稳定性。通过砂纸耐磨试验，进一步评价疏水涂层的机械耐久性。图6为PE-CC在不同条件试验后的水接触角。从图6可以看出，PE-CC的水接触角均高于140°，说明棉纤维表面PE疏水涂层在复杂的环境条件下具有良好的稳定性。同样，将PE-CC浸泡在乙醇和甲苯中浸泡12 h后，水的接触角值也保持在140°以上。经过10次重复研磨试验，PE涂层修饰的棉纤维的水接触角也大于135°，进一步证明棉纤维表面疏水涂层的稳定性[10]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F006图6PE-CC在不同条件试验后的水接触角Fig.6Water contact angle of PE-CC under different conditions通过紫外光的持续照射试验，研究PE-CC的疏水涂层的稳定性。PE-CC置于紫外线室内24 h，配备一个紫外线灯(λ=365 nm、8 W)。在紫外线室内，涂层表面与紫外灯之间的距离大约为6 cm。每隔6 h测试一次被紫外线照射纤维的水接触角。图7为紫外线照射时间对PE-CC水接触角的影响。从图7可以看出，紫外线照射24 h内，水的接触角未发生明显变化，均在145º左右。结果证明：PE-CC具有较好的抗紫外线辐射的能力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F007图7紫外照射时间对PE-CC水接触角的影响Fig.7Effect of UV irradiation time on water contact angle of PE-CC2.4涂层棉纤维的循环稳定性通过重复吸附和解吸过程评价涂层棉纤维PE-CC的可回收性。将一定质量的PE-CC浸在柴油/水混合物中，搅拌1 min对柴油进行吸附。涂层棉纤维吸附柴油，测量其增加质量，通过3 000 r/min离心5 min简单挤压解吸。图8为PE-CC的吸油能力随循环次数的变化曲线。从图8可以看出，经过10次重复循环后，PE-CC的柴油吸附能力下降约6.8%。随着吸附-解吸循环的增加，吸附能力的下降可能是由于棉纤维中的油残留。结果表明：PE-CC在分离中具有良好的可回收性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.021.F008图8PE-CC的吸油能力随循环次数的变化曲线Fig.8Variation curve of oil absorption capacity of PE-CC with number of cycles3结论（1）PE-CC相较普通棉纤维，表面粗糙度增加，使其表现良好的疏水性，水接触角达到140°。（2）PE-CC中PE与棉纤维之间的结合方式是物理吸附，呈现优异的性能，降低生产成本。（3）改性后棉纤维具有较好的吸油效率和回收能力。PE-CC对多种油和有机溶剂均具有吸附效果，吸收能力较好，油吸附容量为16.50%~60.20%。该材料在不同的环境中具有优异的疏水稳定性和良好的循环性能，并且在紫外线的照射下仍具有优异的稳定性能。