基于釋放負(fù)離子紅麻纖維汽車內(nèi)飾材料研究

何婷婷,鄭來久

（大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省清潔化紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116034）

引言

近年來，汽車室內(nèi)污染問題愈來愈引起人們的關(guān)注[1-4]。汽車內(nèi)飾材料包括門板、裝飾布、地墊、座椅等多種高分子材料，這種材料多采用化學(xué)纖維為原料進(jìn)行生產(chǎn)，部分含有甲醛、丙酮、二甲苯等有害氣體釋放，影響到汽車內(nèi)部有限空間的空氣質(zhì)量，進(jìn)而影響人們身體健康。為改善汽車室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文提出一種以紅麻和低熔點(diǎn)聚酯為原料，添加負(fù)離子整理劑，制成可釋放負(fù)離子的功能型紅麻纖維汽車內(nèi)飾材料。同時(shí)，通過二次回歸正交組合設(shè)計(jì)，探討熱軋工藝對負(fù)離子釋放量的影響因素并確定最優(yōu)工藝，使汽車內(nèi)飾材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，并可穩(wěn)定的釋放出可對空氣中的懸浮顆粒有吸附、聚集和沉降作用的負(fù)離子，使汽車室內(nèi)空氣得到凈化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

紅麻汽車內(nèi)飾材料：紅麻／低熔點(diǎn)聚酯(ES)纖維混合比60：40，面密度為800 g／m2。其中，紅麻纖維細(xì)度3.23 tex～1.66 tex，長度3.5 mm～290 mm。ES低熔點(diǎn)纖維長度40 mm，纖維細(xì)度1.5 tex，密度0.92 g／cm，熔點(diǎn)167℃，單強(qiáng)489 cN／tex。電氣石粉體6.5 um。

1.2 測試方法

1.2.1 負(fù)離子釋放量測試

取5 cm×5 cm試樣，經(jīng)整理后，在環(huán)境溫度(20±2)℃，相對濕度45%-75%條件下，使用日本COM-3010PRO負(fù)離子測試器進(jìn)行測試，引用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18809-2002和GB/T8170-1987。

1.2.2 電氣石粉體測試

1.2.2.1 FTIR測試

測試儀器：SpectrumOne-B型傅立葉變換紅外光譜儀。測試條件：掃描范圍：4000-400cm-1，頻率：50-60 Hz，工作電壓：220-240 V，功率：250 W。

1.2.2.2 掃描電鏡測試

測試儀器：JEOLJSM-6460LV型掃描電子顯微鏡，測試條件：電壓20KV，電流：100μA。

2 結(jié)果與討論

2.1 電氣石粉的表征

采用傅立葉變換紅外光譜儀對電氣石粉進(jìn)行表征，特征吸收峰均屬于電氣石結(jié)構(gòu)中O—H、Si—O、B—O及復(fù)三方環(huán)的振動(dòng)吸收峰，如圖1所示。采用JEOLJSM-6460LV型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）觀察電氣石粉表面形態(tài)如圖2所示。

圖1 電氣石粉紅外光譜Fig.1 Infrared spectrogramoftourmaline

圖2 電氣石粉掃描電鏡圖Fig.2 SEMphotooftourmaline

2.2 負(fù)離子整理劑影響因素分析

2.2.1 分散劑的選擇

將制備好的分散劑靜置一周后外觀如圖3所示，其中可看出選用聚丙烯酸鈉為分散劑的整理劑沒有明顯的分層，而選用十二烷基苯磺酸鈉為分散劑的整理劑中，超細(xì)電氣石粉體沉降嚴(yán)重。

圖3 不同分散劑制備的整理劑靜置后效果Fig.3 Stewingeffect ofarrangement bydifferent dispersant

分層嚴(yán)重是因?yàn)榫哂写蠓肿娱L鏈分子結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉，其分子長鏈在電氣石顆粒之間產(chǎn)生了交聯(lián)作用，這種橋接的作用使整理劑形成不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。將電氣石粉體分散在去離子水中后，加入聚丙烯酸鈉，因聚丙烯酸鈉中含有大量強(qiáng)親水性基團(tuán)—COOH—,—COO—，所以親水性很強(qiáng)，使水分子被吸附在化學(xué)吸附層周圍，形成一層水化膜，從而使電氣石粉體更好的分散。在這個(gè)過程中，大量負(fù)電荷存在于粒子周圍，顯著增強(qiáng)了粒子間的靜電排斥力；其次，由于聚丙烯酸鈉的大分子結(jié)構(gòu)，具有較大的尺寸，給粒子提供了更大的空間排斥力，所以選擇聚丙烯酸鈉的整理劑中電氣石粉體的分散穩(wěn)定性好且沉降時(shí)間長。

2.2.2 負(fù)離子釋放量的影響因素分析

影響負(fù)離子整理劑負(fù)離子釋放量的因素主要有：分散劑用量、電氣石的含量、電氣石粉體細(xì)度。各因素對負(fù)離子釋放量的影響如圖4所示。

圖4 負(fù)離子釋放量的影響因素分析Fig.4 Impact ofvarious factors on the release ofnegative ions

由單因素實(shí)驗(yàn)可知，圖4（A）所示，隨著分散劑用量的逐漸增加，負(fù)離子釋放量也在不斷升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)0.6 g/100 ml時(shí)并非拐點(diǎn)，因?yàn)閱我蛩貙?shí)驗(yàn)本身存在誤差，分散作用趨于平緩并增長緩慢，分散劑加入量達(dá)到0.8 g/100 ml時(shí)，負(fù)離子釋放量達(dá)到最高點(diǎn)。電氣石粉體表面完全被聚丙烯酸鈉包覆，隨著包覆層的加厚，空間阻力增大，減弱了粉體之間的毛細(xì)管力，因此阻礙了電氣石粉體與水結(jié)合并釋放負(fù)離子的能力。圖4（B）可知隨著電氣石粉體濃度的逐漸增加，負(fù)離子釋放量逐漸升高，但增加到一定值時(shí)增長緩慢，從成本分析的角度出發(fā)選擇電氣石粉體濃度為500 g/100 ml為最佳。由圖4（C）可知電氣石粉體含量越高，細(xì)度越細(xì)，產(chǎn)生的負(fù)離子越多，但當(dāng)電氣石粉體目數(shù)越高其團(tuán)聚現(xiàn)象也越嚴(yán)重。

2.3 浸軋工藝對負(fù)離子釋放量的影響

在浸軋負(fù)離子整理劑的工藝中，浸軋次數(shù)、浸軋時(shí)間以及負(fù)離子整理劑質(zhì)量濃度是影響負(fù)離子釋放量的主要因素，本文通過單因素實(shí)驗(yàn)探討工藝參數(shù)。參照圖5及表1。

表1 浸軋次數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響Table 1 Influence ofdippingtimes on experiment result

圖5 浸軋工藝單因素實(shí)驗(yàn)Fig5 The result ofdippingprocess with single factor method

對于負(fù)離子釋放量來說，負(fù)離子整理劑質(zhì)量濃度是最為重要的影響因素，其次是浸軋次數(shù)和浸漬時(shí)間。隨著負(fù)離子整理劑濃度的逐漸升高，負(fù)離子釋放量也在不斷升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)500g/100ml時(shí)，負(fù)離子釋放量增長速度開始變緩慢，在同等條件下從人體舒適度分析選擇整理劑濃度為500 g/100 ml即可；浸軋時(shí)間為40 min、浸軋次數(shù)選擇2次為較優(yōu)。

2.4 熱軋工藝對負(fù)離子釋放量的影響

采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對熱軋工藝進(jìn)行分析，三個(gè)關(guān)鍵影響因素為：熱軋時(shí)間，熱軋溫度，熱軋壓強(qiáng)。首先，選擇3因素的上下限值（Z1j,Z2j）。計(jì)算各影響因素的零水平Z0j和變化間隔△j，并根據(jù)公式：

Z0j=（Z1j+Z2j）/2，△j=（Z1j-Z2j）/γ，γ=1.1618，編制因素水平編碼表：

表2 優(yōu)化各因素水平與變化間隔表Table 2 The formofoptimization ofvarious factors level and various spacing

根據(jù)三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的要求，排出三因子二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的結(jié)果矩陣表進(jìn)行試驗(yàn)，對試驗(yàn)各考察指標(biāo)進(jìn)行測量，經(jīng)過異常值的檢驗(yàn)與剔除，各方案內(nèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)均在一定程度上滿足正態(tài)分布，方案間相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)也在一定程度上滿足方差一致[8]。

表3 三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)Table 3 Quadratic orthogonal rotation combination design

2.5 模型建立及回歸分析

實(shí)驗(yàn)以隨機(jī)次序進(jìn)行，采用SPSS軟件進(jìn)行分析，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到溫度（X1）、時(shí)間（X2）、壓強(qiáng)（X3）與負(fù)離子釋放量（Y）的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)回歸擬合后求得響應(yīng)函數(shù)的回歸方程表達(dá)式為：

由此得出，回歸分析結(jié)果(表4)和響應(yīng)面圖以及對應(yīng)等高線圖(圖6)。

表4 回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test ofregression coefficient

根據(jù)各指標(biāo)的有效回歸方程分析不同因子對目標(biāo)的影響。運(yùn)用有效回歸方程繪出目標(biāo)與因子間關(guān)系的三維等高圖。

圖6 響應(yīng)面三維圖和對應(yīng)等高線圖Fig.6 Response surface graphic model and correspondingcontour map

由圖6可知，隨著熱軋溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間的不斷增加，負(fù)離子釋放量先增加后緩慢減小。隨著熱軋溫度和壓強(qiáng)的升高，電氣石粉體因其壓電性和熱電性，在溫度、壓力變化的情況下,電氣石晶體的電勢差使周圍的空氣發(fā)生電離,被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子并使它轉(zhuǎn)化為空氣負(fù)離子，空氣負(fù)離子釋放量升高。隨著溫度和時(shí)間的進(jìn)一步增加，聚丙烯基體開始熱裂解，集體熔融完全，包覆住部分電氣石粉體，阻礙了負(fù)離子釋放。為了研究各因素的最佳點(diǎn)，對已回歸的非線性模型方程求一階偏導(dǎo)，并令其等于零，可以得到曲面的最低點(diǎn)，求導(dǎo)方程整理得：

在回歸方程中求得：X1=0.161534231406，X2=-0.14583902435和X3=0.0305432088。優(yōu)化后最優(yōu)工藝參數(shù)為：熱軋溫度168.9℃，熱軋時(shí)間5.3 min，熱軋壓強(qiáng)5.5 MPa。采用此參數(shù)制得紅麻汽車內(nèi)飾材料，經(jīng)負(fù)離子測試器檢測，負(fù)離子釋放量為1480～1690個(gè)/cm3。與人體在草坪中可吸收的負(fù)離子數(shù)1000～2000相當(dāng)[9]，對人體健康有益。同時(shí)由于電氣石粉壓電性和熱釋電性效應(yīng)，在空氣中存在水分的條件下，其負(fù)離子可持續(xù)循環(huán)釋放，改善車內(nèi)空氣質(zhì)量，達(dá)到了GB/T18809-2002和GB/T8170-1987的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

3.1 以紅麻/低熔點(diǎn)聚酯纖維復(fù)合材料（60/40）為基質(zhì)，采用自制負(fù)離子整理劑對復(fù)合材料進(jìn)行后整理，利用單因素試驗(yàn)方法優(yōu)化較佳釋放負(fù)離子工藝參數(shù)：負(fù)離子整理劑質(zhì)量濃度為500 g／L，浸漬時(shí)間為40 min，浸軋次數(shù)為2次，再通過熱軋烘干得到可持續(xù)釋放負(fù)離子的紅麻汽車內(nèi)飾材料。

3.2 通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，建立二次回歸模型，對其熱軋工藝條件進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證檢驗(yàn)，尋優(yōu)結(jié)果為：熱軋溫度168.9℃，熱軋時(shí)間5.3 min，熱軋壓強(qiáng)5.5 MPa。采用上述工藝制得的紅麻汽車內(nèi)飾材料負(fù)離子釋放量為1480～1690個(gè)/cm3，在相對濕度45%以上的條件下，負(fù)離子可持續(xù)循環(huán)釋放，符合GB/T18809-2002、GB/T8170-1987的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]Laijiu Zheng,Bing Du,Jun Xing,Shihui Gao.Bio-degumming optimization parameters of kenaf based on neural network model[J].Journal ofTextile Institute,2010,101(12):1075-1079.

[2]曲麗君．麻纖維在汽車用裝飾材料中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2002(2):36-39.

[3]Parikh D.V.汽車用新型綠色復(fù)合材料[J].杜敏,譯.國外紡織技術(shù),2003(10):l5-18.

[4]岳同健,王瑛,沈新元.電氣石超細(xì)粉體表面修飾的研究[J].玻璃與搪瓷,2004(3):19-22.

[5]Laijiu Zheng,BingDu,XiubaoHuang.Research on Pectase secrected byAspergillus Niger DegummingKenafBast Fiber[J].Journal ofDonghua University,2007,3:404-407.

[6]Bi Pengyu.Studyon Negative-ion Generation ofTextiles and The Measurement[C].Proceedings ofAUTEXWorld Conference,USA,2006:313-316.

[7]胡良劍,丁曉東,孫曉君,數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社.2001:110-113.

[8]楊德.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002:239.

[9]楊棟梁,王煥祥.負(fù)離子技術(shù)在紡織品中的應(yīng)用近況[J].印染,2004(20):46-49.