全 文 ：* 佛山市南海区“蓝海人才计划”项目;湖北省自然科学基金
项目 (2013CFB312) ;湖 北 省 教 育 厅 科 学 研 究 计 划 项 目
(Q20141601)
收稿日期:2015 -08 -28
作者简介:刘轲，男，1984 年生，副教授，工程师。研究方向为
功能纤维材料。
蕉麻纤维表面化学沉积纳米镍薄膜的形态研究*
刘 轲1，2 汪 元2 刘琼珍2 李沐芳1，2 王 栋1，2
(1． 佛山市维晨科技有限公司，佛山，528251;
2． 武汉纺织大学材料科学与工程学院，武汉，430200)
摘 要:针对天然植物纤维功能单一及应用领域狭窄问题，通过化学溶液丝光化处理，获得不同形态的蕉麻
纤维，再通过纤维表面硅烷接枝处理及常温化学镀等步骤，在蕉麻纤维表面生长纳米镍薄膜。采用
扫描电子显微镜对纤维及纳米镍薄膜的表面形貌进行观察分析，结果显示，通过化学镀的方法使蕉
麻纤维表面获得了致密的纳米镍薄膜，未处理纤维的表面纳米薄膜比较平整，而丝光化处理的纤维
表面的纳米镍薄膜呈现出明显的微凸结构，说明可以通过化学处理蕉麻纤维基体来实现纳米镍薄膜
微观形态的调控。
关键词:蕉麻纤维，纳米镍，薄膜，化学镀，丝光化处理
中图分类号:TS102． 6 文献标志码:A 文章编号:1004 -7093(2015)10 -0027 -05
功能纤维是指通过物理化学方法改变形态和
结构，使之具有新的或者优良性能的纤维。功能纤
维的研究始于 20 世纪 60 年代，发展至今，其品种
日趋多样化，例如导电纤维、抗菌纤维，以及用于化
学催化的纤维等，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯
(PET)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)等纤维经过导
电化处理后，可作为电子包装材料、催化剂、磁介质
和电磁干扰屏蔽材料等。然而，目前的功能纤维主
要为合成纤维，纤维制备和后期处理过程会对环境
造成污染。因此，以可再生和可降解的天然纤维为
基材，进行功能化处理改性研究是未来的发展趋势。
天然植物纤维具有价廉质轻、强度和比刚度高
等优良特性。麻纤维是一种优质植物纤维，纤维长
径比大(蕉麻纤维束的平均直径约 200 μm，平均长
度约 2． 0 m)、强度高、孔隙率高［1］，并且纤维束形
式的纤维更加容易获取。所以，麻类纤维的定向多
孔结构是开发轻质高强度功能纤维材料值得借鉴
的结构［2］。Lu Yinxiang等通过对竹纤维表面进行
氨基硅烷接枝，表面活性剂 PVP辅助合成 Ag、Au、
Pd、Cu、Ni的活化中心及化学镀 Cu、Ni 的方式，
在竹纤维表面实现了铜及镍的纳米镀层［3-4］。测
试结果显示，这种金属镀层本身以及它与竹纤维之
间皆具有良好的结合力，整个复合纤维表现出优良
的导电性能和电磁屏蔽性能。但针对麻纤维的导
电化处理却鲜有报道。金属镍的机械强度和延展
性好，熔点高，在空气中不氧化，在结构材料、化学
催化等领域具有广泛的应用，其纳米材料表现出更
加优异的性能［5］。例如，Schaedler 等使用光敏聚
合物前驱体，通过调节溶液酸碱度和浓度的方法制
备出了镍的超轻微网格［6］，赋予了金属镍尺度横
跨纳米、微米、毫米及厘米的分级结构，网格的密度
低至 0． 9 mg /cm3，但是依然具有优良的力学性能。
此外，化学镀镍的镀层具有良好的耐蚀性和化学催
化性能。例如，双层 Ni -P 镀层的耐稀硫酸腐蚀能
力超过不锈钢，耐稀盐酸腐蚀能力接近不锈钢;并
且 Ni -P镀层在对硝基酚的降解［7］、碳纳米纤维制
备［8］及析氢反应［9］等方面表现出优异的催化
性能。
综上所述，以麻纤维为基材，通过化学镀的方
式将其与纳米镍颗粒复合，得到不同表面形貌的复
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2015 年第 10 期 产业用纺织品 功能性整理技术与助剂
合功能纤维具有重要意义。本文通过化学试剂对
蕉麻纤维进行处理，研究纤维的形态和结构的演变
过程，并通过改变化学镀条件实现对蕉麻纤维表面
纳米镍薄膜的微观形态调控，为多功能蕉麻纤维 /
镍复合纤维的制备和应用提供指导。
1 试验方法
1． 1 蕉麻纤维的丝光化处理
① 将蕉麻纤维放入质量分数 5%、50 ℃的氢
氧化钠溶液中预处理 5 h，反应完后取出纤维，用去
离子水洗净。②配制 10%的醋酸溶液，用亚氯酸
钠调 pH值，使溶液 pH值为 4． 2 ～ 4． 7，将预处理的
蕉麻纤维放入配制好的溶液中，在 70 ℃下反应
2 h，将去木质素的纤维用去离子水冲洗。③将分
离出木质素的样品浸入质量分数为 17． 5%的氢氧
化钠溶液中，控制温度为 20 ℃，反应 2 h。④将残
余物用水洗涤直至无碱，用质量分数 70%的乙醇
洗 2 次，在 60 ℃下干燥 16 h，即得到所需样品。
1． 2 蕉麻纤维的表面化学镀镍
①将处理后的蕉麻纤维浸入丙酮中超声波清
洗 30 min，将纤维浸入去离子水中超声波清洗
30 min，放入 60 ℃烘箱中干燥 12 h。②将洗净的
纤维浸入质量分数为 0． 05%的氨丙基三甲氧基硅
烷(APTMS)的乙醇溶液中 24 h，分别用乙醇和去
离子水冲洗，再将纤维在 120 ℃油浴锅中加热
30 min，除 去 残 留 的 溶 剂。③ 将 纤 维 浸 入
0． 25 mmol的 NiSO4·6H2O溶液中 30 min，取出样
品，将其浸入 0． 1 mol /L 的硼氢化钠溶液中，在 40
℃的条件下还原 20 min，将得到的活性物用去离子
水彻底清洗。④用氯化镍作为镍源(Ni2 + 4 g /L) ，
柠檬酸钠(25 g /L)作为配位剂，H3BO3(6 g /L)作
为添加剂，二甲氨基甲硼烷(DMAB) (3 g /L)作为
还原剂配制镍浴;用氢氧化铵(质量分数 28%)调
节 pH = 7，将活化的纤维分别放入浴中化学镀
30 min，得到最后的镍涂层。沉积之后，将所得的
镍涂层覆盖物用去离子水和乙醇漂洗，然后在
50 ℃的烘箱中干燥 1 h，得到最终样品。
1． 3 复合纤维的形貌表征
利用扫描电子显微镜(JEOL，JSM -6510L)对
所制备的复合纤维的形态结构进行表征。首先将
纤维用去离子水清洗，然后在烘箱中干燥后密封保
存，待喷金处理后进行扫描电镜观察。
2 结果分析与讨论
2． 1 蕉麻纤维的微观结构及形貌分析
图 1 (a)为未经丝光化处理的蕉麻纤维的微
观结构图，从图中可以看出纤维的直径为 200 μm
左右，呈现的是蕉麻纤维的束状结构，单根纤维紧
密地结合在一起，并且纤维表面比较光滑。图 1
(b)为经过丝光化处理的蕉麻纤维的扫描电镜照
片，直径为 10 μm 左右的单根蕉麻纤维实现了相
互分离，纤维之间未有明显的结合。试验结果显
示，丝光化处理后的蕉麻纤维的单根纤维虽然分
离，但是依旧保持纤维束形态的定向分布特征，如
图 2 (b)所示。此外，单根纤维表面出现明显的纤
维状微凸结构，呈现定向排列的形态，并与单根纤
维的轴向形成一定的夹角，螺旋式缠绕于单根纤维
表面。分析可知，经过丝光化处理的蕉麻纤维可以
实现对单根纤维分布形态的控制，将束状蕉麻纤维
分离成定向排列的单根纤维;同时去除更多的木质
素及半纤维素等非晶态物质，更加突出单根纤维表
面的微纤丝的微凸结构。因此，采用丝光化处理能
够实现对蕉麻纤维微观形貌的调节，为后续纤维表
面纳米镍薄膜的生长提供不同的纤维基体。
(a)未处理 (b)经丝光化处理
图 1 蕉麻纤维的扫描电镜照片
(a)定向排列的纤维 (b)纤维表面的微凸结构
图 2 丝光化处理后分离态的蕉麻纤维微观形貌
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功能性整理技术与助剂 产业用纺织品 总第 323 期
2． 2 蕉麻纤维表面纳米镍薄膜的微观结构及形貌
分析
通过化学镀镍处理，蕉麻纤维表面生长出不同
形态的纳米镍薄膜。如图 3(a)所示，在未经丝光
化处理的蕉麻纤维表面，可以形成覆盖纤维表面的
大面积纳米镍薄膜，并能勾勒出未处理蕉麻纤维表
面较光滑的表面形态。通过局部放大观察发现，所
形成的纳米镍薄膜组织结构致密，纳米颗粒粒度均
匀(＜ 100 nm) ，如图 3(b)所示。此外，从图上可
以清晰地看出，随着化学镀镍反应的进一步深入，
在底层致密纳米镍薄膜的表面，会形成数个大颗粒
纳米镍晶体(约 400 nm)的聚集体，以岛状形态分
散于大面积致密纳米镍薄膜上层。因此，通过本试
验的镀镍条件控制，可以实现蕉麻纤维表面的纳米
镍薄膜的连续生长。
(a)纤维束表面大面积
纳米镍薄膜
(b)大倍数的纳米镍薄膜
图 3 未处理蕉麻纤维表面纳米镍薄膜形态
图 4 为纤维细胞壁破裂的蕉麻纤维表面纳米
镍薄膜形态。从图中可以看出，对于带有破裂细胞
壁的蕉麻纤维，其表面在 30 min 的镀镍处理后，形
成一层致密的纳米镍薄膜，粒径均匀(＜ 100 nm) ，
且薄膜表面平整。不论是在纤维的细胞壁边缘还
是在其中心部位，纳米镍薄膜都具有致密的组织结
构。从图 4(c)可以看出，细胞壁表面的微褶皱轮
廓也表现在纳米镍薄膜上，说明纳米镍薄膜与纤维
表面具有结合力，且纳米颗粒能够连续生长。
(a)纤维束表面的大面积
纳米镍薄膜
(b)纤维细胞壁边缘纳米镍薄膜
(c)中心处纳米镍薄膜
图 4 未处理的细胞壁破裂的蕉麻纤维
表面纳米镍薄膜形态
图 5 为经丝光化处理后蕉麻纤维表面的纳米
镍薄膜形态。从图中可以看出，定向排列的单根纤
维表面均匀地覆盖有致密的纳米镍薄膜，并且整个
纤维表面的薄膜呈现出定向排列的条状凸起结构。
这是由于蕉麻纤维经过丝光化处理后其表面具有
更加突出的微凸结构，从而导致连续生长的纳米镍
薄膜也具有类似的凸起结构。并且纳米镍薄膜凸
起结构的尺寸与纤维表面本身微纤丝导致的微凸
结构的尺寸相当，不同之处在于镀镍后的微凸结构
中的凸起部分和凹陷部分的高度区别更加明显和
突出。因此，相比于未处理蕉麻纤维，丝光化处理
后的纤维表面纳米镍薄膜的结构和形貌发生了较
大变化，形成了更加复杂的微凸结构，增加了纳米
镍薄膜的比表面积，在化学催化等方面具有潜在
应用。
(a)定向独立蕉麻纤维 (b)单根纤维表面
(c)局部放大的单根纤维表面
图 5 经丝光化处理的蕉麻纤维表面
化学镀镍后的微观组织形貌
2． 3 蕉麻纤维表面纳米镍薄膜的生长机理分析
试验结果显示，纳米镍薄膜在连续生长过程
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2015 年第 10 期 产业用纺织品 功能性整理技术与助剂
中，基于不同的纤维表面可以获得不同形态的薄膜
组织。未经丝光化处理的蕉麻纤维间未分离，其表
面较平整，从而能够获得大面积的纳米镍薄膜，其
成形机理如图 6 所示。而相较于纤维束态的蕉麻
纤维，经丝光化处理的蕉麻纤维可以为镍薄膜的生
长提供更大的基体表面，并且以纤维表面的微凸结
构为模板，可以对其进行结构复制，从而得到具有
微凸结构的纳米镍薄膜，其成形机理如图 7 所示。
图 6 未经丝光化处理的蕉麻纤维的纳米镍薄膜成形机理
图 7 经丝光化处理的蕉麻纤维的纳米镍薄膜成形机理
3 结语
本文通过化学镀的方法制备得到了表面镀有
纳米镍薄膜的蕉麻纤维，采用扫描电子显微镜观察
了蕉麻纤维表面不同形态的纳米镍薄膜。得到以
下结论:
(1)采用丝光化处理能够实现对蕉麻纤维微
观形貌的调节，且不同的丝光化处理条件可制备不
同形貌的蕉麻纤维。
(2)相比于未经丝光化处理的蕉麻纤维，处理
后的纤维表面纳米镍薄膜的结构和形貌发生了较
大变化，形成了更加复杂的微凸结构，该结构对提
高纳米镍薄膜的催化活性具有重要意义。
参 考 文 献
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Abstract: For the single function and narrow application of natural plant fibers，the abaca fibers with different mor-
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ted on the surface of abaca fiber and related nanofilm was formed． The surface morphologies of the fibers
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that chemical plating makes the dense nano nickel thin film formed on the abaca fiber surface and sur-
face silanization let the nano nickel thin film appear a clear micro convex structure． It is suggested that
the morphology of nanometer nickel thin film can be controlled by changing the chemical treatment con-
dition for abaca fiber．
Keywords:abaca fiber，nano-nickel，film，chemical plating，mercerized treatment
清爽地球靠大家
低碳走进你我他
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2015 年第 10 期 产业用纺织品 功能性整理技术与助剂