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原子力顯微鏡(AFM)膠體探針技術測量油墨之間摩擦力

欄目:行業新聞 發布時間:2020-06-19

在回收的廢紙中,關系到最終白度的最重要的一步是脫墨。在制漿期間,纖維被剪切和化學處理,剪切以及表面活性劑的加入有助于油墨的去除。有些人嘗試測量在碎漿機中摩擦力如何影響紙漿的脫墨。剪切因子,也就是牛頓流體的粘度,需要相同功率所消耗的紙漿懸浮液,其中的能源總量應該是摩擦力所消耗,用于表征在碎漿機中的摩擦的效果,結果表明,較低的剪切因子,得到較少的油墨顆粒和較慢的油墨再沉積。

常用的表面活性劑是脂肪酸類捕收劑和非離子表面活性劑。為了更好地了解纖維素和油墨之間的相互作用,可以用原子力顯微鏡(AFM)膠體探針技術測量纖維素與油墨、纖維素與纖維素之間的摩擦力。膠體探針技術在十幾年前被開發出來,直到若干年后,當拉特蘭等研究在KBr水溶液中兩個纖維素表面間作用力時,在AFM中使用了纖維素珠才產生了第一份報告。

結果表明,摩擦是從纖維素纖維中去除油墨的一個重要因素。本實驗使用了模型墨,纖維素和云母三種不同的表面。纖維素是球形的,而另外兩個是平直的。模型墨表面是由能印刷油墨的醇酸樹脂制備的。醇酸樹脂(亞麻籽油基,SetalinV496,阿克蘇諾貝爾樹脂)混合5%(重量)的鈷催干劑(OctaSoligenR141ZBORCHERS),和新鮮裂解的云母粘到AFM存根表面,在烘箱中于70℃下15分鐘,從而快速硬化得到一個平滑的表面。

在顯微鏡下,把纖維素球粘結到新鮮的云母片上。醇酸樹脂、云母和纖維素球的表面粗糙度由AFM成像測定。醇酸樹脂和云母的表面非常光滑,粗糙度(rms)的均方根約1.2和0.6納米(測量掃描尺寸為10μm),而纖維素具有相當高的均方根,值在17和25nm之間(掃描測量尺寸為3μm)。2.3方法MultiMode的納米級AFM微力掃描器與膠體探頭技術被用來測量的橫向力和摩擦力。纖維素球體被用來作為膠體探針。纖維素球是由結晶度在5-35%之間II型纖維素通過粘膠制備的。纖維素球在水中會潤脹,但這種潤脹是很難監測,因為纖維素折射率會變得接近水。然而,我們估計約20%,這也是已知的潤脹。在xyz顯微操作器和光顯微鏡(Nikon)下,半徑為14-20微米(分別測定在百分之幾內)的纖維素球與雙組分環氧樹脂(AralditRapid,Casco)粘結,制作成一個無針尖單一梁懸臂(長130微米,寬35微米)。在反射側涂有鉻和金的懸臂(MicroMasch,西班牙)能更好的把激光束反射到檢測器中。

為了把AFM中的電壓信號轉化成牛頓力,就必須校準懸臂的彈簧常數(扭轉及正常的常數)。用增加重量的方法進行校正。使用這種方法,在懸臂被校準的同時可以測量諧振頻率(ν),之后,鎢球由少量軟膏連接到懸臂的端部,再次測量新的諧振頻率。由附加質量與(2πν)-2繪制出一個線性圖,其中的斜率就是彈簧常數(k)。扭轉校準是用Feiler先生等人所描述的方法進行。其中,玻璃纖維與熱敏感樹脂(Epicot)被粘在懸臂的端部并且在玻璃纖維與表面接觸時懸臂就可以進行測量。摩擦校準因子(γ)的計算方法為γ=kLα?Vvert/?Vlat,其中a的偏轉靈敏度,L是在玻璃纖維的長度,?Vvert和?Vlat是在縱向和橫向的電壓信號的變化。摩擦校準因數也可以對粘倒置在光滑表面上的第二懸臂的前端測量,例如云母或二氧化硅晶片。懸臂的扭曲就可以測量。扭轉的校準是在水中進行,使用的是流體單元。這兩種方法之間的扭轉校準系數得出了一致的結果。每次測量之前,漂洗約8毫升流體單元(體積0.1毫升),并至少平衡60分鐘,(沒有表面活性劑的只平衡30分鐘)。在濃度下,先收集正常力曲線,然后在橫向模式下,測定摩擦力。在醇酸纖維素系統中,唯一能檢測到變化的表面力是一個小的雙層力減少。

在云母纖維素和纖維素的纖維素系統中,表面活性劑的濃度的變化沒有引起表面力的變化。然而,醇酸樹脂和云母表面的橫向摩擦力卻有一個戲劇性的變化,當兩個表面活性劑的濃度增加時,摩擦系數大大的減少。由于在對稱的情況下,纖維素的吸附現象無論從力曲線或摩擦測量都沒有觀察到。因此,我們得出結論為兩個其他情況下,系統的摩擦減少,必須分別與吸附的醇酸樹脂和云母表面有關。由于施加的壓力通常足以擠出吸附膜,它就會出現吸附周圍的接觸區的材料從而影響摩擦特性。然后,如果周圍的接觸區被認為是環形空間,那么由于聚集體的表面上吸附的存在,在環隙區域的局部濃度遠高于散裝。滑動時,因為包含在這個環形帶的材料被吸入到的接觸區,且粘度必然是相當大的,因此它必須比散裝反映的局部的體積分數更大。


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