廢紡再生氈基材料的制備及其性能

劉春麗， 陳慰來， 梁佳琦

(浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院、 絲綢學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

隨著社會的發(fā)展，紡織品的使用周期越來越短，除少量的廢舊紡織品用于捐贈外，大部分被丟棄、掩埋和焚燒，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1-2]。如果對這些廢舊紡織品資源進(jìn)行妥善處理，不僅節(jié)能環(huán)保，而且還可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，緩解就業(yè)壓力，同時(shí)也符合我國在“十三五”規(guī)劃中關(guān)于要加快廢舊紡織品資源化利用的要求[3]。

美國、德國、英國、日本、瑞士等國家比較重視廢舊紡織品的再利用[4-6]，而我國關(guān)于廢舊紡織品再利用的研究起步較晚，且主要集中在以下幾個方面：1)粉碎機(jī)[7]；2)制備再生滌綸絲[8]；3)紡紗再織造；4)制作毛氈[9]；5)制作纖維板[10]；6)作為混凝土的增強(qiáng)纖維[11-12]。關(guān)于利用梳理成網(wǎng)與熱風(fēng)黏合工藝制備再生氈基材料的研究卻很少。

本文以低熔點(diǎn)滌綸短纖、回收的廢舊滌綸衣物和廢舊麻纖維為原料，利用梳理成網(wǎng)與熱風(fēng)黏合工藝制備了再生氈基材料[13]，同時(shí)利用正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)，并對再生氈基材料的性能進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

廢舊麻纖維，杭州華貝納毛紡染整有限公司；廢舊滌綸類衣物，杭州鼎緣紡織品科技有限公司；低熔點(diǎn)滌綸短纖，韓國東麗化工公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

36W型紫外消毒燈(徐州康福爾電子科技有限公司)；FA2104型電子天平(上海方瑞儀器有限公司)；VALVAN型快速分揀機(jī)、CORMATEX型切割機(jī)、DELL ORCO & VILLANI型開松線(杭州鼎緣紡織品科技有限公司)；DGG-9240B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥烘箱(上海森信實(shí)驗(yàn)有限公司)；非織造復(fù)合實(shí)驗(yàn)線(常州市豪峰機(jī)械有限公司)；Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀(美國熱電公司)；DSC8000型差示掃描量熱儀(美國珀金埃爾默公司)；YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)；YG606G型熱阻濕阻測試儀(寧波紡織儀器廠)；YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(寧波紡織儀器廠)。

1.3 材料的制備

1.3.1再生氈基材料的制備

再生氈基材料制備的工藝流程為：回收→清洗消毒→分揀→切割→撕破開松→除雜→給濕→開松混合→梳理成網(wǎng)→熱風(fēng)黏合→加壓→冷卻→成型。

1.3.1.1 原材料前處理 原材料經(jīng)過清洗、紫外線消毒后進(jìn)入快速分揀環(huán)節(jié)，采用VALVAN快速分揀機(jī)，主要利用近紅外光譜對廢舊紡織品進(jìn)行分揀，該技術(shù)不僅具有高效精準(zhǔn)的特點(diǎn)，還可避免人工分揀時(shí)出現(xiàn)錯誤，提高利用率。

切割環(huán)節(jié)采用CORMATEX切割機(jī)，切割方式為縱橫切割，不僅可有效減少撕裂過程中對纖維的損傷，且具有大批量處理、切割均勻的優(yōu)點(diǎn)。

撕破開松采用全封閉的DELL ORCO & VILLANI開松線，首先對樣品進(jìn)行加油、加濕預(yù)處理，再將小布片送到撕破機(jī)構(gòu)，通過一系列機(jī)械作用將其變?yōu)榧喚€狀，最后經(jīng)過粗開松和精細(xì)開松工序?qū)U舊紡織品由紗線狀梳理成纖維狀，獲得再生纖維。粗開松過程中利用金屬探測器和除異物氣旋組件去除雜物。

1.3.1.2 機(jī)械梳理成網(wǎng)和熱風(fēng)黏合 考慮到原材料的性能，如可紡性差、纖維比較雜及安全環(huán)保等問題，采用機(jī)械梳理成網(wǎng)和熱風(fēng)黏合加固方法制備再生氈基材料，該方法全程無污染且可實(shí)現(xiàn)對廢舊紡織品的高效循環(huán)利用。

首先進(jìn)行配料計(jì)算、油劑添加，然后進(jìn)行開松混合梳理，通過梳理作用使纖維呈現(xiàn)單根纖維伸直狀態(tài)。隨后進(jìn)行交叉鋪網(wǎng)，形成一定厚度的纖維網(wǎng)。然后采用熱風(fēng)穿透式黏合技術(shù)對纖維網(wǎng)加熱，使低熔點(diǎn)滌綸短纖皮層融化黏合的同時(shí)，芯層仍保持原狀，最后對纖維網(wǎng)進(jìn)行加壓控制其密度、厚度以及改善其平整度，在冷卻后便可得到具有一定強(qiáng)度、蓬松度、厚度的再生纖維氈。

1.3.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制備過程中通過正交試驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化。根據(jù)前期多次摸索試驗(yàn)、低熔點(diǎn)滌綸短纖的熔融狀態(tài)及相關(guān)研究[14-15]，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中因子B(溫度)的設(shè)置范圍為160～180 ℃，因子C(時(shí)間)設(shè)置范圍為5～11 min，因子D(壓力)設(shè)置范圍為100～300 N，這3個因子均采用3水平。由于溫度、時(shí)間、壓力對氈基材料的性能影響較大，試驗(yàn)過程中需嚴(yán)格控制其大小。另外，考慮到該氈基材料的實(shí)際應(yīng)用情況，低熔點(diǎn)滌綸短纖的含量最好在30%～50%之間，如果低熔點(diǎn)滌綸短纖含量較低，纖維之間會黏結(jié)不牢，而含量過高又會增加成本，因此，因子A(回收麻纖維/回收滌綸/低熔點(diǎn)滌綸短纖的質(zhì)量比)選取2水平，分別為15∶55∶30、15∶40∶45。對于2×33四因子試驗(yàn)，若選用混合正交表L18(2×37)，需要進(jìn)行18次試驗(yàn)，且空白列較多，試驗(yàn)效率低，因此，對因子A虛擬了1個水平，采用了L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.3化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用傅里葉紅外光譜儀對低熔點(diǎn)滌綸短纖吸收峰進(jìn)行分析，掃描范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.3.4熱性能測試

采用差示掃描量熱儀對低熔點(diǎn)滌綸短纖進(jìn)行測試，升溫速度為5 ℃/min，測量溫度為30～350 ℃。

1.3.5表面形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對低熔點(diǎn)滌綸短纖的黏合形態(tài)進(jìn)行觀察，測試前需對樣品進(jìn)行鍍金處理。

1.3.6厚度、面密度、蓬松度測試

采用數(shù)字式織物厚度儀測試織物的厚度，每個樣品的不同位置測試10次，取平均值；依據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》對織物的面密度進(jìn)行測試；依據(jù)FZ/T 64003—2011《噴膠棉絮片》對織物的蓬松度進(jìn)行測試[13]。

1.3.7力學(xué)性能測試

采用YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，樣品尺寸為50 mm ×300 mm，預(yù)加張力為5 N，拉伸速度為100 mm/min，每個試樣測試5 次，取平均值。

1.3.8保溫性能測試

采用YG606G型熱阻濕阻測試儀，對再生氈基材料進(jìn)行保溫性能測試，樣品尺寸為350 mm ×350 mm。

1.3.9透氣性能測試

采用YG461E透氣性測試儀對再生氈基材料的透氣性能進(jìn)行測試，試樣面積為20 cm2，壓差為200 Pa，自動選擇噴嘴，每個試樣測試10 次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 低熔點(diǎn)滌綸短纖性能分析

圖1 普通滌綸與低熔點(diǎn)滌綸短纖的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of conventional and low melting point polyester staple fiber

2.2 低熔點(diǎn)滌綸短纖熱性能分析

圖2示出低熔點(diǎn)滌綸短纖的DSC曲線。曲線上有2個波峰：63～75 ℃之間的峰值為表層玻璃化轉(zhuǎn)變溫度峰；在239～258 ℃之間的峰值為芯層熔融峰。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[16]可知，低熔點(diǎn)滌綸短纖的皮層熔融溫度應(yīng)在90～200 ℃之間，但此曲線上并沒有該波峰，這與低熔點(diǎn)滌綸短纖表層的低熔點(diǎn)改性劑含量有關(guān)。綜上，本文選擇在150～180 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行工藝探究。

圖2 低熔點(diǎn)滌綸短纖的DSC曲線Fig.2 DSC curve of low melting polyester staple fiber

2.3 再生氈基材料形貌分析

在150、160、170、180 ℃條件下，低熔點(diǎn)滌綸短纖熔融狀態(tài)及纖維之間的黏結(jié)情況如圖3所示。

圖3 不同溫度下低熔點(diǎn)滌綸短纖的黏結(jié)情況(×500)Fig.3 Adhesive morphologies of low melting point polyester staple fibers at different temperatures(×500)

由圖3可知，隨著加工溫度的升高，低熔點(diǎn)滌綸短纖的熔融程度不斷增大，各纖維間黏合的越來越牢固，具體黏結(jié)狀態(tài)變化過程為：黏結(jié)不明顯→點(diǎn)狀黏合→塊狀黏合→片狀黏合。在150 ℃條件下，低熔點(diǎn)滌綸短纖的表面呈竹節(jié)狀；在160 ℃條件下，竹節(jié)消失，纖維表面變得光滑；在170 ℃時(shí)，黏結(jié)的纖維明顯增多；在180 ℃時(shí)，纖維與纖維之間黏合得最牢固，皮層融化而芯層仍可保持原有性能，起到骨架支撐作用。鑒于此，本文試驗(yàn)選擇以160、170、180 ℃作為熱熔溫度進(jìn)行工藝優(yōu)化。

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表1 正交試驗(yàn)因子水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.2 Results of orthogonal test and range analysis

當(dāng)以拉伸斷裂強(qiáng)力作為考核指標(biāo)時(shí)，得出的最優(yōu)組合為A2B2D3C1，即回收麻纖維、回收滌綸、低熔點(diǎn)滌綸短纖質(zhì)量比為15∶40∶45，溫度為170 ℃，壓力為300 N，時(shí)間為5 min。在本文討論范圍內(nèi)，纖維配比對再生氈基材料的拉伸性能影響較大，熱熔時(shí)間影響最小。

對于織物的保溫性，其熱阻越大，保溫性能越好，反之，保溫性越差。以熱阻為考核指標(biāo)時(shí)，得出的最優(yōu)組合為C2D1B3A1，即時(shí)間為8 min，壓力為100 N，溫度為180 ℃，回收麻纖維、回收滌綸、低熔點(diǎn)滌綸短纖質(zhì)量比為15∶55∶30，各因素對保溫性能影響的主次順序?yàn)椋簳r(shí)間>壓力>溫度>纖維配比，在討論范圍內(nèi)，熱熔時(shí)間對再生氈基材料的保溫性能影響較大。

本文正交試驗(yàn)共有2個考察指標(biāo)，但由表2可知，每個指標(biāo)所得到的最優(yōu)組合并不完全相同，所以要采用綜合平衡法對各因素再次進(jìn)行綜合分析。如果將其作為汽車內(nèi)飾用氈基材料，需具有良好的力學(xué)性能；而纖維質(zhì)量比對其力學(xué)性能影響最大，因此，對于A因素選擇水平2作為優(yōu)指標(biāo)。對于保溫性能，熱熔時(shí)間對其影響較大，因此，C因素選取水平2作為優(yōu)指標(biāo)。

綜合以上各因素最優(yōu)組合為：A2B3C2D2，即回收麻纖維、回收滌綸、低熔點(diǎn)滌綸短纖質(zhì)量比為15∶40∶45，溫度為180 ℃，時(shí)間為8 min，壓力為200 N。

2.5 再生氈基厚度、面密度、蓬松度分析

再生氈基材料的厚度、面密度、蓬松度見表3?？梢钥闯觯涸偕鷼只牧系暮穸仍?～10 mm之間；面密度在300～450 g/m2之間；蓬松度在15～30 cm3/g之間。產(chǎn)品的性能良好，可考慮將其用作汽車內(nèi)飾。

表3 再生氈基材料的厚度、面密度、蓬松度Tab.3 Thickness, mass per unit area, bulkiness, of regenerated felt based materials

2.6 再生氈基透氣性能分析

透氣率是評定氈基材料舒適性的另一個關(guān)鍵因素，該再生氈基材料的透氣率在900～1 100 mm/s之間，其蓬松度與透氣率的散點(diǎn)關(guān)系見圖4，擬合的線性回歸方程為y=662.040 58+15.638 79x，R2=0.908 39。可知在一定范圍內(nèi)蓬松度與透氣性呈正相關(guān)。另外，由于該材料具有一定的透氣性，在微環(huán)境中可將人體產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳遞出去，改善悶熱感，能為人體營造一個舒適的小環(huán)境；因此，可考慮將該材料應(yīng)用于汽車坐墊、靠背等。

圖4 蓬松度與透氣率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between bulkiness and permeability

3 結(jié) 論

1)制備得到的再生氈基材料厚度為7～10 mm，面密度為300～450 g/m2，蓬松度為15～30 cm3/g。該再生氈基材料具有良好的性能，可滿足汽車內(nèi)飾的相關(guān)要求。

2)通過正交試驗(yàn)得出最佳工藝：回收麻纖維、回收滌綸、低熔點(diǎn)滌綸短纖質(zhì)量比為15∶40∶45，溫度為180 ℃，時(shí)間為8 min，壓力為200 N，在該條件下制備的再生氈基材料的綜合性能較好。

3)通過正交試驗(yàn)制備的再生氈基材料的透氣率在900～1 100 mm/s之間，在一定范圍內(nèi)蓬松度與透氣率呈正相關(guān)。

4)本文研究可為再生氈基材料在汽車內(nèi)飾方面的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，對再生氈基材料進(jìn)行深加工可制得功能性材料，如保溫材料、減壓材料、隔音吸聲材料、阻燃材料等。

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