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纳米二氧化钛在经纱上浆中的作用机制
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纳米材料/工业陶瓷展厅
空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ...
摘要:为了改善淀粉的上浆性能,减少PVA浆料的用量,可在淀粉浆液中加入纳米二氧化钛(同VK-T25F)。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和傅里叶变换衰减全反射红外光谱对纳米级无机浆料添加剂的作用机制进行了研究。结果表明:纳米二氧化钛(同VK-T25F)能显著改善淀粉浆膜表面和断裂截面以及浆纱表面的平滑性和均匀性;纳米二氧化钛(同VK-T25F)和淀粉之间存在较强的氢键作用,这一作用可能与纳米二氧化钛(同VK-T25F)表面丰富的羟基有关。

纳米二氧化钛(同VK-T25F)能在某些纯棉织物的经纱上浆中全部取代PVA浆料,在涤、棉织物的经纱上浆中部分取代PVA浆料这类浆料添加剂已引起了浆料、浆纱企业的广泛关注。纳米二氧化钛(同VK-T25F)添不会与淀粉发生化学反应,对淀粉浆液的黏度和黏度热稳定性基本无影响,能在一定程度上提高变性淀粉浆液对纯棉和涤/棉粗纱的粘附力,对淀粉的浆膜性能也有一定程度的改善 。本文采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和傅里叶变换衰减全反射红外光谱(F'F-IR ATR)进一步研究了纳米二氧化钛(同VK-T25F)改善淀粉浆液上浆性能的作用机制。

1 实验部分

1.1 材料

将纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散成的乳白色纳米二氧化钛分散液,含固量15%(质量分数),pH值8.5;酸变性淀粉;纯变性淀粉浆膜;添加2%纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液的变性淀粉浆膜;14.5 tex纯棉原纱;纯变性淀粉上浆的14.5 tex纯棉纱(上浆率9.5%);2%纳米二氧化钛分散液/98% 变性淀粉上浆的14.5 tex纯棉纱(上浆率9.8%)。

1.2 仪 器

Zwick万能材料试验机;Nexus傅里叶变换红外光谱仪;Quanta.200扫描电子显微镜;CSPM3300原子力显微镜。

1.3 方 法

1.3.1 扫描电子显微镜观察

将纯变性淀粉浆膜和含2%纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液的变性淀粉浆膜在Zwick万能材料试验机上拉伸至断裂,然后在扫描电子显微镜下观察其拉伸断裂截面。在扫描电子显微镜下观察14.5 tex纯棉纱、纯变性淀粉上浆的纯棉纱以及含2%纳米二氧化钛分散液的淀粉浆上浆的纯棉纱的表面形态。

1.3.2 原子力显微镜观察

在原子力显微镜下观察纯变性淀粉浆膜和含2%纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液的变性淀粉浆膜的表面形貌。

1.3.3 衰减全反射红外光谱分析

测试纯变性淀粉浆膜、含1.5%和2%纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液的变性淀粉浆膜的衰减全反射红外光谱。

2 结果与讨论

2.1 纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液对浆膜断裂截面形态的影响,在12万倍扫描电子显微镜下观察到的纯变性淀粉浆膜和2%纳米二氧化钛分散液/98%变性淀粉混合浆膜的拉伸断裂截面。

从浆膜断裂截面的电镜照片可以看到,纯变性淀粉浆膜的断裂截面粗糙、凹凸不平。添加2%纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液后的变性淀粉浆膜断裂截面整齐、光滑。这可能是纯变性淀粉浆液成膜时不够均匀,浆膜存在缺陷或薄弱之处,受到外力作用时,浆膜会在这些地方断裂。添加纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液后,由于纳米粒子的比表面积大,纳米粒子与淀粉基体之间的接触面积很大,使得淀粉高分子链之间的相互作用得到加强,使成膜光滑、均匀,减少了浆膜的薄弱点,当浆膜受到外力作用时,能缓解这些地方的应力集中现象,使浆膜的韧性得到提高,浆膜的断裂强度比纯变性淀粉浆膜高。

2.2 纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液对浆膜表面形态的影响

浆膜表面原子力显微镜照片可以看出,纯变性淀粉浆膜的表面较粗糙,颗粒较大,表面凹凸明显。而加入纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液后,浆膜表面的颗粒明显变小,凹凸程度也明显减小。在摩擦力的作用下,前者膜的表面受到的磨损较大,后者膜的表面受到的磨损相对较小,因此加入纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液后,淀粉浆膜的耐磨性能将有所提高。

2.3 纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液对上浆纱表面形态的影响

经过上浆后,纱线表面的毛羽几乎没有了,但上浆纱表面很光滑、均匀,这可能是因为在变性淀粉中添加了纳米颗粒后,使得浆料更容易渗透到纱线内部,从而贴服毛羽,使表面变得光滑。这表明添加了纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液后,提高了淀粉浆液对纱线的被覆效果。

2.4 浆膜的衰减全反射红外光谱分析

纳米氧化物表面含有丰富的羟基,而且活性很高。一般纳米氧化物表面的羟基都在20% 以上,最高的可达40% 。

为了探讨纳米氧化物与变性淀粉之间的作用机制,考察羟基是否在它们之间起了关键作用,本文对纯变性淀粉浆膜和添加了纳米级浆料添加剂的变性淀粉浆膜进行了衰减全反射红外光谱分析。

纯变性淀粉浆膜在3351.46 cmI1处有一很强的O—H伸缩振动峰,纳米二氧化钛:质量分数为1.5%时,该峰位向低波数方向移动,移至3344.71 cm 处,移动了7个波数。而当纳米二氧化钛质量分数为2%时,该峰位又向高波数方向移动了3个波数,移至3 347.45 cm 处,但与纯淀粉浆膜的峰位相比,波数还是减少了4 cm。这说明纳米粒子表面富含的羟基(-OH)和淀粉之间确实存在着强烈的氢键作用,使该峰向低波数方向移动,但是在纳米二氧化钛(同VK-T25F)分散液含量较高时,此峰位又移动的不够明显,这说明纳米颗粒增多了反而可能与淀粉之间的氢键作用减弱。

另外,纯淀粉浆膜在1 019.33 cm 处有一很强的.c—O伸缩振动峰,纳米二氧化钛(同VK-T25F)质量分数为1.5%时该峰仍然在1 019.33 cm 处,没有任何移动,而纳米二氧化钛质量分数为2% 时该峰移至1 017.07 cm" 处,有2个波数的移动。这也说明纳米粒子和淀粉之间存在着相互作用使该峰向低波数方向移动。 从上述现象,可初步认为,在纳米氧化物粒子和淀粉之间、纳米氧化物粒子和棉纤维之间都存在着或强或弱的氢键作用。这些氢键作用可能来自纳米氧化物粒子表面富含的活性羟基(-OH)与棉纤维和淀粉所含羟基之间的结合。纳米氧化物粒子的加入,使上浆棉纤维体系的氢键作用有所加强。纳米氧化物粒子表面羟基与棉纤维羟基的结合,使得在棉纤维之间产生类似“焊点”的作用,从而增加了棉纤维之间的滑移阻力,提高了纱线的强力,此处还可“修复”纤维的临界缺陷点。纳米氧化物粒子表面羟基与淀粉羟基的结合,增加了淀粉分子间的作用力,提高了淀粉浆膜的致密性,从而使淀粉浆膜的断裂强度显著增强。纳米氧化物粒子对淀粉分子的作用还可能与其对淀粉分子链中的树枝状支链起到“梳理”作用,形成类似直链的“假直链”结构有关。

3 结 论

纳米二氧化钛(VK-T25F)能改善淀粉浆料的上浆性能。减少PVA浆料用量是由于该添加剂能加强淀粉分子链之间的相互作用,使成膜均匀,浆膜薄弱点减少;使淀粉浆膜表面光滑,耐磨性提高;还能提高淀粉浆液对纱线的被覆效果。此外还可能与纳米二氧化钛(VK-T25F)表面富含活性羟基,和淀粉及棉纤维上的羟基之间存在或强或弱的氢键作用有关。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/1/2010)
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