廢舊滌棉混紡織物稀酸法分離工藝研究

李 麗，楊中開(kāi)，唐世君，趙國(guó)樑*

(1.北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100029;2.總后軍需裝備研究所，北京100088)

純滌綸廢舊紡織品可通過(guò)醇解﹑再聚合等方法回收利用［1－3］，而滌棉混紡織物的回收則必須先進(jìn)行滌棉分離后再進(jìn)行滌綸的化學(xué)回收。近年來(lái)，我國(guó)在單一組分的廢舊棉織物或廢舊滌綸織物回收利用方面取得了一些進(jìn)展，而在廢舊滌棉混紡織物組分高效分離和高值化利用方面的科研和工業(yè)化進(jìn)展較慢，極大地影響了滌棉紡織品的回收和再利用。根據(jù)滌棉混紡織物中滌綸與棉配比的不同，目前滌棉分離主要采用兩種方法:一種方法是采用酸、離子液體或生物酶等將棉纖維去除，保留滌綸組分［4－5］;另一種則相反［6］。由于成本優(yōu)勢(shì)，在前一種方法中尤以稀酸法最具發(fā)展前景。在稀酸法中，酸性溶液中的氫離子和棉中纖維素或者半纖維素分子鏈上的氧原子相結(jié)合，使得纖維素或半纖維素分子失去穩(wěn)定性，與水反應(yīng)，纖維素或半纖維素長(zhǎng)鏈在氫離子和氧原子結(jié)合處斷裂發(fā)生解聚并逐步被分解生成單糖［7］。

作者以廢舊滌棉軍裝為原料，以鹽酸為分解劑，通過(guò)改變反應(yīng)條件研究了稀酸法的分離效果，同時(shí)考察了反應(yīng)后棉纖維和滌綸的性能變化，以期為滌棉廢舊紡織品工業(yè)化分離回收工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

廢舊滌棉軍裝:滌綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.5%，棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%;鹽酸:分析純，北京化工廠制;3，5-二硝基水楊酸:天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所產(chǎn);氫氧化鈉:分析純，北京化工廠產(chǎn);丙三醇:天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所產(chǎn);四氯乙烷:分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn);苯酚:分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所產(chǎn);Anke TDL-40B型離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠制;Model Evolutioin 60S型紫外分光光度計(jì):Thermo Scientific公司制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在裝有冷凝管、攪拌器、溫度計(jì)的圓底三口燒瓶中，投入一定量的廢舊滌棉軍裝混紡織物，并加入一定濃度的稀鹽酸溶液，加熱反應(yīng)。到指定時(shí)間后，分離反應(yīng)液和剩余織物，用自來(lái)水清洗剩余織物直至洗滌液沒(méi)有明顯變化，用DNS法［8］測(cè)量反應(yīng)液中棉降解為還原糖的含量。過(guò)濾洗滌液，收集剩余織物，對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行離心，收集固體粉末，剩余織物和粉末在50℃烘箱中干燥至恒重。

1.3 測(cè)試與表征

棉纖維去除率(R):按式(1)計(jì)算R。

式中:m0為原試樣干重;m1為分離后回收纖維的干重。

特性黏數(shù)(［η］):將質(zhì)量比為1∶1的苯酚/四氯乙烷配制成相對(duì)密度為1.280 g/mL(25℃)的混合溶劑。將反應(yīng)剩余的滌綸紗線配置質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液，于(25±0.1)℃的水浴中，用烏氏黏度計(jì)(直徑0.8 mm)測(cè)定其［η］。

還原糖濃度:采用DNS法測(cè)定［8］。

凝膠色譜(GPC)分析:Waters 2000，凝膠柱Waters Styragel@HTD MF 7.8 ×300 mm Column，溫度100 ℃，流速0.7 mL/min。

差示掃描量熱(DSC)分析:采用Seiko Instruments Inc公司DSC6200型差示掃描量熱儀測(cè)試，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，升溫速率為20℃/min。

X射線衍射(XRD)分析:采用日本理學(xué)dmax-b型廣角 X射線衍射儀測(cè)試，2θ為6°～36°，掃描速度 6(°)/min，步長(zhǎng) 0.1°。

掃描電鏡(SEM)分析:采用日本電子公司JEM-6360型掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察。

力學(xué)性能:用Instron 5969電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，拉伸速度40 mm/min，夾持距離20 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 分離工藝對(duì)R及還原糖濃度的影響

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間

從圖1可知:隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，R逐漸增加，原因是隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，氫離子與糖苷鍵接觸的時(shí)間增加，反應(yīng)程度增大，至90 min后R的增加趨勢(shì)變緩;隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，還原糖濃度先增加后減小，在80 min時(shí)還原糖濃度達(dá)到最大。分析原因可能是在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，還原糖的生成速率大于其降解速率，所以隨著反應(yīng)時(shí)間增加，還原糖的濃度增加，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)生成還原糖的速率小于還原糖降解速率，當(dāng)繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，還原糖的糖濃度反而下降。因此，綜合考慮，反應(yīng)時(shí)間選擇90 min為宜。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)R及還原糖濃度的影響Fig.1 Effect of reaction time on R and reducing sugar concentration

2.1.2 反應(yīng)溫度

從圖2可知:隨著反應(yīng)溫度的增加，R增加，這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，氫離子熱運(yùn)動(dòng)加劇，同時(shí)纖維素鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，因此纖維素反應(yīng)速率提高，R增加［9］;當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到95℃后，R反而下降，這是因?yàn)樵跍囟壬吆篼}酸的揮發(fā)加大，致使參與反應(yīng)的鹽酸量減少;隨著反應(yīng)溫度增加，生成的還原糖濃度增加，因?yàn)闇囟仍黾樱磻?yīng)速率增加，生成的還原糖濃度增加。這是因?yàn)楫?dāng)鹽酸濃度增加時(shí)，氫離子濃度提高，其與糖苷鍵結(jié)合概率加大，反應(yīng)速度加快，棉纖維被破壞程度提高，R增加，而當(dāng)鹽酸達(dá)到一定濃度后，可結(jié)合的糖苷鍵數(shù)目逐漸減少，故酸解反應(yīng)變緩。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)R及還原糖濃度的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on R and reducing sugar concentration

2.1.3 鹽酸濃度

從圖3可以看出，隨著鹽酸濃度的增加，R逐漸提高，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至9%后，上述趨勢(shì)逐漸變緩。

圖3 鹽酸濃度對(duì)R及還原糖濃度的影響Fig.3 Effect of hydrochloric acid concentration on R and reducing sugar concentration

從圖3還可知，隨著鹽酸濃度增加，反應(yīng)生成的還原糖濃度增加。鹽酸濃度越大，參與反應(yīng)的氫離子濃度增加，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)生成的還原糖濃度增加。綜合考慮滌棉分離效率、原料成本及設(shè)備防腐等因素，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜控制小于10%。

2.2 廢舊滌棉軍裝鹽酸分離前后的形貌

從圖4可以看出，在鹽酸分離反應(yīng)前，有很明顯的中空腎型的橫截面，即棉纖維的橫截面，而處理后視野內(nèi)上述橫截面消失，僅剩不規(guī)則多邊形滌綸橫截面，說(shuō)明棉組分已被去除。

圖4 廢舊滌棉混紡軍裝鹽酸分離前后SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of polyester cotton blended yarn waste for army uniforms before and after treating with hydrochloric acid

2.3 分離后棉纖維結(jié)構(gòu)

2.3.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

從圖5可以看出，棉纖維反應(yīng)前后在譜帶位置和吸收峰強(qiáng)度上相差無(wú)幾，表現(xiàn)為3 419 cm－1(—OH 的伸縮振動(dòng)峰)，2 923 cm－1和2 854 cm－1的(C—H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰)處的吸收峰峰形基本一致。這可以看出是纖維素的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明棉纖維反應(yīng)后生成的棉渣粉末化學(xué)結(jié)構(gòu)依然為纖維素。

圖5 棉纖維反應(yīng)前后紅外光譜Fig.5 Infrared spectra of cotton fiber before and after treatment

2.3.2 棉纖維形貌

從圖6可以看出，反應(yīng)后棉纖維已經(jīng)被分解為碎片狀物質(zhì)，棉纖維的中空結(jié)構(gòu)幾乎不存在。這是因?yàn)樵邴}酸的作用下，纖維素發(fā)生水解反應(yīng)，分子鏈發(fā)生斷裂，棉纖維的中空結(jié)構(gòu)被破壞，一部分降解為小分子的還原性糖，另一部分則被降解變成了細(xì)小碎片的結(jié)構(gòu)。從圖6還可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，棉纖維破壞的程度越嚴(yán)重，生成的碎片越小。

圖6 經(jīng)鹽酸反應(yīng)后棉纖維的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of cotton fiber treated with hydrochloric acid

2.3.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

從圖7可知，反應(yīng)前后的棉纖維的XRD譜圖基本相同，在衍射角 2θ為 15.4°，16.2°，22.6°處均為纖維素的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于101晶面、101晶面和002晶面，其中和101晶面產(chǎn)生交迭，表明其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為典型的纖維素Ι結(jié)構(gòu)，這也說(shuō)明反應(yīng)產(chǎn)物仍為纖維素。另外，反應(yīng)前棉纖維的結(jié)晶度為 61.9%，反應(yīng)后產(chǎn)物的結(jié)晶度為73.7%，結(jié)晶度有明顯的提高，其原因可能為經(jīng)過(guò)鹽酸體系的處理，附著在纖維素表面部分半纖維素的脫除，以及部分無(wú)定形纖維素的降解，無(wú)定形區(qū)大大減少，結(jié)晶區(qū)比例相對(duì)增大;另一方面，由于無(wú)定形區(qū)的減少，使得結(jié)晶區(qū)的分子鏈排列緊密，分子間結(jié)合力增大，使結(jié)構(gòu)變得更為規(guī)整，因此，纖維素的結(jié)晶度增大。

圖7 反應(yīng)前后棉纖維的XRD圖譜Fig.7 XRD spectra of cotton fiber before and after treatment

2.4 分離后滌綸的結(jié)構(gòu)與性能

2.4.1 滌綸形貌

從圖8可以看出，在反應(yīng)前后滌綸的表面形貌基本無(wú)變化。從圖8還可以看出，處理后滌綸的表面殘留一些碎片的物質(zhì)，該物質(zhì)為棉纖維反應(yīng)生成的棉渣粉末。

圖8 反應(yīng)前后滌綸的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of polyester fiber before and after treatment

2.4.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)

從圖9可以看出，反應(yīng)前后的滌綸在譜帶位置和吸收峰強(qiáng)度上相差無(wú)幾，表現(xiàn)為在1 730 cm－1處表明酯類的羰基強(qiáng)吸收峰，1 250，1 100 cm－1處為—COOC上 C—O的伸縮振動(dòng)峰，1 450～1 350 cm－1區(qū)域—CH振動(dòng)引起的譜帶以及730 cm－1處由面外彎曲振動(dòng)吸收引起的譜帶位置均沒(méi)有發(fā)生明顯的移動(dòng)，峰形基本一致，說(shuō)明處理前后滌綸的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本無(wú)變化。

圖9 處理前后滌綸紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of polyester fiber before and after treatment

2.4.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

從圖10可知，處理前后滌綸的XRD譜圖基本相同，在2θ為 16.5°，22.5°，26.0°處均出現(xiàn)了明顯的衍射峰，與處理前PET的(010)，(110)和(100)3個(gè)晶面的衍射峰出現(xiàn)的位置一致，說(shuō)明雖然經(jīng)過(guò)鹽酸體系的處理，但聚集態(tài)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化。結(jié)晶度卻從處理前的46.7%提高到處理后的50.7%，結(jié)晶度略微提高。分析原因可能是滌綸在反應(yīng)的過(guò)程中反應(yīng)溫度為90℃，該溫度高于滌綸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得介于結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的分子發(fā)生重排生成了結(jié)晶。

圖10 反應(yīng)前后滌綸的XRD圖譜Fig.10 XRD spectra of polyester fiber before and after treatment

2.4.4 熱性能變化

從圖11可以看出，滌綸處理后熔點(diǎn)基本不變，經(jīng)過(guò)鹽酸體系處理后，熔融峰變寬。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)溫度90℃下，滌綸結(jié)晶不完善程度變大，熔限變寬［10］。

圖11 反應(yīng)前后滌綸的DSC曲線Fig.11 DSC curves of polyester fiber before and after treatment

2.4.5 ［η］和力學(xué)性能

從表1可以看出:處理前后滌綸的［η］均為0.62 dL/g，相對(duì)分子質(zhì)量分布(Mw/Mn)基本也沒(méi)有變化，這說(shuō)明酸性體系對(duì)滌綸的相對(duì)分子質(zhì)量和Mw/Mn基本無(wú)影響;處理后滌綸的初始模量有明顯下降，從處理前33.50 cN/dtex下降到17.25 cN/dtex，斷裂強(qiáng)度基本無(wú)變化，斷裂伸長(zhǎng)率有所增加，從處理前的 35.54%增加到42.54%。其原因是滌綸在90℃反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生了類似濕熱松弛熱定型［11］，使分子鏈排布的規(guī)整性下降，所以該過(guò)程導(dǎo)致滌綸模量下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加。

表1 處理前后滌綸的［η］和力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties and［η］of polyester fiber before and after treatment

3 結(jié)論

a.在本實(shí)驗(yàn)條件下，稀酸法分離滌棉的最佳工藝為溫度90℃，時(shí)間90 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%。廢舊滌棉混紡軍裝中的特殊顏料、染料和其他添加劑的存在對(duì)分離工藝影響不大。

b.反應(yīng)后棉纖維小部分降解為還原性糖，大部分被降解為棉渣粉末，反應(yīng)后粉末依然為纖維素結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶度有所提高。

c.處理前后滌綸的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布以及分子結(jié)構(gòu)基本無(wú)變化，模量有所下降，纖維強(qiáng)度基本不變。

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