廢紡纖維氈成型工藝的優(yōu)化

龍婷 陳慰來(lái) 余月琳

摘 要：為了更好地利用廢舊紡織品，選用回收的廢舊滌綸纖維、廢棉纖維和再生滌綸短纖，利用低熔點(diǎn)滌綸短纖的熱學(xué)特性，經(jīng)消毒處理、機(jī)械開(kāi)松、混合梳理、氣流成網(wǎng)，及熱風(fēng)黏合工藝制得廢紡纖維氈。設(shè)計(jì)單因素和正交試驗(yàn)探討原料配比、熱烘溫度、熱熔時(shí)間、成型壓力對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，包括拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力，通過(guò)極差分析各因素對(duì)其影響的主次順序，得出當(dāng)再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點(diǎn)滌綸短纖比例為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時(shí)間11 min，成型壓力0.3 MPa時(shí)制得的纖維氈性能最為優(yōu)異，拉伸斷裂強(qiáng)力約為480 N，頂破強(qiáng)力約為1 082 N。

關(guān)鍵詞：熱壓;熱風(fēng)黏合;廢舊滌棉;廢舊紡織品;低熔點(diǎn)滌綸短纖

Abstract：To better utilize waste textiles， waste polyester fiber， cotton fiber and recycled polyester staple fiber were used to prepare waste-spun fiber felt by utilizing thermal characteristics of polyester staple fiber with a low melting point as well as disinfection treatment， mechanical opening， mixing， carding， airlaid and hot air bonding. The single factor experiment and orthogonal test were designed to investigate the influence of raw material mixing ratio， hot baking temperature， hot melting time and molding pressure on the mechanical properties， including tensile breaking strength and bursting strength. The influence order of various factors on the mechanical properties was gained by range analysis.The result shows the fiber felt obtained has the best performance under the following conditions：ratio of the recycled polyester staple fiber： the waste polyester-cotton fiber：the polyester staple fiber with a low melting point 20∶50∶30， hot baking temperature 185 ℃， hot melting time 11 minutes， molding pressure 0.3 MPa. Under such conditions， the tensile breaking strength is about 480 N， and the bursting strength is about 1082 N.

Key words：hot pressing; hot air bonding; waste polyester-cotton; waste textiles; polyester staple fiber with a low melting point

據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年，全球紡織纖維加工量將達(dá)2.53億噸，隨之產(chǎn)生的廢舊紡織品的數(shù)量也在逐年遞增，浪費(fèi)之余對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也不容小覷[1]。資源匱乏、環(huán)境污染是當(dāng)今人類共同面臨的兩大難題，積極做好廢舊紡織品的處理對(duì)緩解資源緊張和節(jié)能減排具有重要意義，也是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。目前廢舊紡織品的來(lái)源多為生產(chǎn)過(guò)程中多余的廢絲邊角料、廢舊過(guò)時(shí)或某些特定行業(yè)的服飾、淘汰的家用紡織品等，其中95%是可重復(fù)使用和回收的[2]。比起焚燒、填埋、堆肥等處理方式，回收再利用更加環(huán)保，主要包括機(jī)械法、物理法、化學(xué)法、熱能法[3-5]。

紡織廢料中的纖維仍具有足夠的機(jī)械性能，與聚丙烯混合后可生產(chǎn)3D編織所用的絞合線[6]。李叢灘等[7]以廢棄棉、麻纖維為增強(qiáng)材料，廢棄聚氨酯為基體材料，采用共混塑煉-熱壓法制備阻燃纖維板。邱金帆等[8-9]將廢棉纖維、滌綸和滌棉纖維，利用真菌培養(yǎng)把廢纖維纏結(jié)在一起，并經(jīng)過(guò)后加工處理制備輕質(zhì)環(huán)保的紡織廢料生物復(fù)合板。陳遊芳[10]主張利用廢舊紡織品生產(chǎn)空調(diào)用隔音隔熱材料，有利于保護(hù)環(huán)境，又產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

為了循環(huán)利用廢舊紡織品及廢棄塑料瓶，本研究以新舊纖維結(jié)合共同使用的理念，選擇由機(jī)械處理回收廢舊牛仔服飾得到的廢舊滌棉，以及由瓶級(jí)聚酯切片回收料制成的再生滌綸短纖，利用具有皮芯結(jié)構(gòu)的低熔點(diǎn)滌綸短纖，經(jīng)機(jī)械梳理及熱壓成型工藝制備廢紡纖維氈，為其在汽車內(nèi)飾、襯墊填充材料等的應(yīng)用提供理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：廢舊滌綸、棉纖維、再生滌綸短纖（杭州鼎緣紡織品科技有限公司），低熔點(diǎn)滌綸短纖（韓國(guó)東麗化工公司）。

試驗(yàn)儀器：針刺熱軋復(fù)合非織造布試驗(yàn)線（常州市豪峰機(jī)械有限公司），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），MTS Landmark 370.10萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（MTS工業(yè)系統(tǒng)有限公司），YG606G熱阻濕阻測(cè)試儀（寧波紡織儀器廠），JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（日本電子JEOL），Pyris Diamond型差示掃描量熱儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）。

1.2 樣品制備

1.2.1 工藝參數(shù)

廢紡氈成型工藝的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，其中原料配比為再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點(diǎn)滌綸短纖的比例。

1.2.2 工藝流程

采用干法成網(wǎng)和熱風(fēng)黏合聯(lián)結(jié)工藝進(jìn)行樣品制備，先將經(jīng)紫外線照射消毒后的3種原料纖維混合后共同喂入到針刺熱軋復(fù)合非織造布試驗(yàn)線，經(jīng)過(guò)如圖1所示的各機(jī)構(gòu)完成機(jī)械開(kāi)松及梳理，最終輸出纖維網(wǎng)。固網(wǎng)方式選擇熱黏合加固，高溫?zé)犸L(fēng)穿透纖維網(wǎng)，低熔點(diǎn)纖維受熱熔融，熔融的聚合物流動(dòng)至纖維的交叉點(diǎn)處形成黏結(jié)狀，在離開(kāi)烘箱后立即對(duì)纖維網(wǎng)均勻地施加一定壓力并待其冷卻，使得各組分纖維之間的黏合狀態(tài)更為牢固，形成的纖維氈結(jié)構(gòu)更加緊密。

1.3 性能測(cè)試

厚度：依據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度測(cè)試》。

面密度：依據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》。

拉伸斷裂強(qiáng)力：依據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》。

頂破強(qiáng)力：依據(jù)GB/T 24218.5—2016《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第5部分：耐機(jī)械穿透性的測(cè)定 鋼球頂破法》。

熱阻、濕阻：依據(jù)GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》。

透氣性：依據(jù)GB/T 24218.5—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分：透氣性的測(cè)定》。

2 結(jié)果與討論

2.1 低熔點(diǎn)滌綸短纖DSC分析

圖2所示為低熔點(diǎn)滌綸短纖的差示掃描量熱分析（DSC）曲線，第一個(gè)峰值為低熔點(diǎn)滌綸短纖的皮層熔融溫度，范圍為154～163 ℃，峰值為158.47 ℃;第二個(gè)峰值為低熔點(diǎn)滌綸短纖的芯層熔融的溫度，范圍為220～232 ℃，峰值為225.01 ℃;當(dāng)溫度高于246 ℃之后纖維開(kāi)始熱分解曲線波動(dòng)。未檢測(cè)出低熔點(diǎn)滌綸皮層的玻璃化溫度Tg、結(jié)晶溫度Tc，可能與測(cè)試時(shí)的升溫速率有關(guān)，或是測(cè)試儀器靈敏度問(wèn)題，據(jù)研究顯示Tg溫度范圍大致在60～80 ℃，根據(jù)這些熱學(xué)溫度特征，試驗(yàn)時(shí)將溫度參數(shù)范圍設(shè)定為170～190 ℃。

2.2 各因素對(duì)廢紡氈力學(xué)性能的影響

2.2.1 原料配比對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力的影響

在熱烘溫度175 ℃，熱熔時(shí)間11 min，成型壓力0.2 MPa條件下，固定再生滌綸短纖的含量為20%，改變低熔點(diǎn)滌綸短纖的含量，選擇不同原料配比制得樣品并測(cè)試其力學(xué)性能。如圖3所示，隨著低熔點(diǎn)滌綸短纖含量從10%增加至50%，材料拉伸斷裂強(qiáng)力及頂破強(qiáng)力都隨之增大。

該廢紡氈所用原料多為廢棄滌綸纖維、棉纖維以及其他可能摻雜著的舊纖維，在進(jìn)行前處理的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)機(jī)械機(jī)件的打擊、開(kāi)松、混合等作用，部分纖維會(huì)有不同程度的損傷，與未使用的新纖維相比力學(xué)性能稍有下降。加上工藝的特殊性，材料的拉伸斷裂強(qiáng)力主要依靠各纖維之間的纏繞、黏結(jié)等加固作用，低熔點(diǎn)滌綸短纖的含量大小就相當(dāng)于“黏合劑”的使用量?？梢?jiàn)當(dāng)其含量為10%時(shí)，材料整體力學(xué)性能較弱。低熔點(diǎn)纖維含量越少，則纖維中能形成黏結(jié)的點(diǎn)分布越少，固結(jié)效果越差，之后隨著低熔點(diǎn)滌綸短纖含量繼續(xù)增加，與其他種類的纖維接觸、包裹起來(lái)的范圍增大，固結(jié)效果加強(qiáng)。但當(dāng)其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體纖維含量時(shí)，融化的皮層更多是被其自身消耗，易造成應(yīng)力集中，在受力過(guò)程中，一旦其中的纖維產(chǎn)生斷裂，纖維之間的抱合力消失，會(huì)進(jìn)一步加快斷裂的速度。

隨著原料中低熔點(diǎn)滌綸短纖含量增加，材料頂破強(qiáng)力也不斷變大。由于纖維網(wǎng)鋪裝時(shí)采用的層層鋪裝，頂破力是沿著材料厚度方向一層層去破壞每一層的結(jié)構(gòu)，逐步使內(nèi)部結(jié)構(gòu)擴(kuò)張分裂，最終出現(xiàn)頂破現(xiàn)象。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)纖維含量較低時(shí)，纖維之間產(chǎn)生的黏結(jié)作用很小，大部分纖維仍舊處于孤立狀態(tài)，彼此之間沒(méi)有產(chǎn)生聯(lián)系，不能夠達(dá)到增強(qiáng)材料頂破強(qiáng)力的作用。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)纖維含量增多時(shí)，熔融產(chǎn)生的流體就越多，形成黏結(jié)處的數(shù)量增加，當(dāng)其所占比例達(dá)到50%時(shí)，材料的表面會(huì)有肉眼可觀測(cè)到的顆粒感，材料整體的手感會(huì)偏硬，當(dāng)其受到頂破強(qiáng)力的破壞時(shí)，所需的力便更大，材料的頂破強(qiáng)力更高。

2.2.2 熱烘溫度對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力的影響

如圖4所示，當(dāng)原料纖維配比為20∶50∶30，成型壓力0.2 MPa，設(shè)定不同的熱烘溫度均焙烘11 min制得的廢紡氈力學(xué)性能有所差異，隨著成型溫度升高，材料拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力都呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。

熱烘溫度為150 ℃左右時(shí)，具有皮芯層結(jié)構(gòu)的低熔點(diǎn)滌綸短纖芯層性能不發(fā)生改變，而皮層逐漸開(kāi)始軟化，纖維的表面結(jié)構(gòu)變得凹凸不平，隨著溫度進(jìn)一步上升，熔融程度更加徹底，纖維表面開(kāi)始變得光滑，直至熔融完全內(nèi)部的芯層結(jié)構(gòu)全部顯露出來(lái)，而皮層受熱形成黏流體在纖維之間流動(dòng)彌漫，由于其覆蓋和包裹纖維的數(shù)量和面積不同，會(huì)形成如圖5所示的不同形態(tài)的黏結(jié)狀，依次為點(diǎn)狀黏結(jié)、塊狀黏結(jié)、片狀黏結(jié)。纖維網(wǎng)受熱的溫度高低決定了黏結(jié)的數(shù)量和形態(tài)，從而影響固結(jié)效果，當(dāng)使用190 ℃的溫度進(jìn)行熱烘時(shí)，廢舊棉纖維受熱發(fā)生分解導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化及強(qiáng)力損失，最終制備得到的廢紡纖維氈力學(xué)性能有所下降。

如圖6所示依次是在170、175、180、185、190 ℃工藝參數(shù)下制得的廢紡氈，使用掃描電鏡觀察不同溫度條件下材料內(nèi)部纖維之間的黏合狀態(tài)。圖6（a）為在170 ℃時(shí)，在兩根纖維交叉重疊處形成的主要是點(diǎn)狀黏結(jié)，且數(shù)量分布還不多，故其力學(xué)性能還不夠;圖6（b）為在175 ℃時(shí)，溫度升高后，在多根纖維互相重疊、相交的區(qū)域開(kāi)始被黏流體填滿，形成塊狀的黏結(jié);圖6（c）為在180 ℃時(shí)，低熔點(diǎn)短纖熔融程度已經(jīng)很大，流動(dòng)的范圍更廣，由塊狀轉(zhuǎn)變成大面積的片狀黏結(jié)，纖維被覆蓋住的區(qū)域更多;圖6（d）為在185 ℃時(shí)，同樣是片狀黏結(jié)，但同一塊黏結(jié)住的纖維數(shù)量和種類更多，材料的整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;圖6（e）為在190 ℃時(shí)多根纖維直接被高溫熔融的黏流體包覆、捆綁在一起，黏結(jié)的面積大、分布的數(shù)量多。雖然此時(shí)的熔融狀態(tài)很好，但一方面高溫可能會(huì)破壞其他原料纖維結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生扭曲變形等，自身力學(xué)性能下降，另一方面長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)犸L(fēng)焙烘，例如在190 ℃溫度熱烘11 min的條件下，發(fā)現(xiàn)表面部分纖維被烘焦，出現(xiàn)褐色的焦?fàn)钗?，影響材料的力學(xué)性能，降低產(chǎn)品的質(zhì)感。

2.2.3 熱熔時(shí)間對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力的影響

如圖7所示，當(dāng)原料配比是20∶50∶30，熱烘溫度180 ℃，成型壓力0.2 MPa的條件下，隨著熱烘時(shí)間增加，廢紡氈的拉伸斷裂強(qiáng)力及頂破強(qiáng)力都先增大再減小。當(dāng)熱烘時(shí)間為7 min時(shí)，即使此時(shí)處于180 ℃的溫度下，但時(shí)間過(guò)短一方面會(huì)導(dǎo)致熔融程度不夠充分，形成的黏結(jié)點(diǎn)不夠牢固，另一方面黏流體流動(dòng)延展的過(guò)程也需要一定時(shí)間，如果覆蓋范圍還不夠廣，則不能很好地發(fā)揮固結(jié)纖維的作用，材料力學(xué)性能較差。當(dāng)熱烘時(shí)間逐漸增加后，熔融態(tài)的“黏合劑”有充分的時(shí)間擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，逐漸分布在纖維之間的交叉和空隙處，對(duì)于材料整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)起著支撐作用，其力學(xué)性能逐漸提高。而長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境，如在180 ℃下熱烘15 min，由于原料中部分纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解力學(xué)性能開(kāi)始下降。在該組試驗(yàn)中熱熔溫度為13 min最為適宜，制備得到的材料拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力最佳。

2.2.4 成型壓力對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力的影響

如圖8所示，在原料配比為20∶50∶30，熱烘溫度180 ℃，熱熔11 min的條件下，成型壓力從0.1 MPa逐級(jí)遞增至0.5 MPa，材料的拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的變化都是先隨著成型壓力的增大而增大，達(dá)到峰值后再減小。成型壓力主要影響的是熱壓過(guò)程中纖維網(wǎng)內(nèi)部熱量的傳遞路徑，適當(dāng)?shù)膲?力能促進(jìn)低熔點(diǎn)纖維的熔體流動(dòng)，增加纖維與纖維之間的接觸點(diǎn)和接觸面積，加快熱定型的速度，讓材料的結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)，因此材料所能承受的強(qiáng)力便會(huì)提高。而當(dāng)成型壓力過(guò)大時(shí)，纖維網(wǎng)被過(guò)度擠壓，纖維之間的孔隙空間被擠壓變小，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)被壓得過(guò)于緊密，反而不利于熔體的流動(dòng)與擴(kuò)散，浸入的難度大大增加，同時(shí)受壓時(shí)邊緣的纖維容易往外延展溢出，不僅會(huì)造成裁剪時(shí)的損耗量，還會(huì)減小廢紡氈的平方米克重，使材料中承受應(yīng)力載荷的主體纖維變少，試驗(yàn)結(jié)果表明成型壓力為0.3 MPa較為適宜。

2.3 成型工藝優(yōu)化

基于單因素試驗(yàn)分析，進(jìn)一步縮小因素水平的范圍，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L9（34）工藝參數(shù)表，制備樣品并測(cè)試其力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果如表2所示，其中因素A表示原料配比，因素B表示熱烘溫度，因素C表示熱熔時(shí)間，因素D表示成型壓力，此4個(gè)因素均為3水平，括號(hào)中的數(shù)字代表相應(yīng)因素所對(duì)應(yīng)的水平數(shù)。

力學(xué)性能是檢驗(yàn)非織造布能否投入正常使用的基本指標(biāo)，材料所能承受的強(qiáng)力大小及受力時(shí)的形變能力會(huì)直接影響產(chǎn)品的使用效果，故本正交試驗(yàn)主要針對(duì)廢紡氈的拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力兩個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)極差分析探究工藝參數(shù)對(duì)廢紡氈力學(xué)性能影響的主次順序，并得到最優(yōu)生產(chǎn)方案，分析結(jié)果如下表3所示。就材料的拉伸性能而言，因素對(duì)其影響主次順序?yàn)樵吓浔?熱烘溫度>成型壓力>熱熔時(shí)間，最優(yōu)方案為A2B3D2C2，與表2中的因素水平相對(duì)應(yīng)，即原料配案為A1B2D1C3，即原料配比為20∶40∶40，熱烘溫度180 ℃，熱熔時(shí)間13 min，成型壓力0.2 MPa。

比為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時(shí)間11 min，成型壓力0.3 MPa。就材料的頂破性能而言，因素對(duì)其影響主次順序同樣為原料配比>熱烘溫度>成型壓力>熱熔時(shí)間，最優(yōu)方針對(duì)材料不同的性能指標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)生產(chǎn)方案有所不同，為了制得綜合性能最優(yōu)的廢紡氈，再結(jié)合單因素對(duì)材料拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的影響，且考慮到低熔點(diǎn)滌綸短纖的生產(chǎn)成本問(wèn)題，決定選擇以拉伸斷裂強(qiáng)力的最優(yōu)生產(chǎn)方案定為最優(yōu)方案，即再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點(diǎn)滌綸短纖的配比為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時(shí)間11 min，成型壓力0.3 MPa，在此條件下生產(chǎn)的廢紡氈各項(xiàng)基本性能如下表4所示，材料的基本物理性能優(yōu)異，拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力都有所提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到優(yōu)化。

3 結(jié) 論

選用廢舊滌綸纖維、廢舊棉纖維和再生滌綸短纖，經(jīng)開(kāi)松、混合、梳理、氣流成網(wǎng)及熱風(fēng)黏合等工藝制作廢紡纖維氈，探究成型工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響，尋求最優(yōu)工藝方案，得出以下結(jié)論：

a）廢紡纖維氈中原料配比是影響材料拉伸斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的最主要因素，隨著低熔點(diǎn)滌綸短纖含量的增加，其能起到的固結(jié)作用越強(qiáng)。

b）熱烘溫度、熱熔時(shí)間、成型壓力也會(huì)對(duì)廢紡纖維氈的力學(xué)性能造成影響，影響的主次順序?yàn)樵吓浔?熱烘溫度>成型壓力>熱熔時(shí)間。

c）在生產(chǎn)中考慮時(shí)間、成本、效率等多方面的因素，確定最優(yōu)生產(chǎn)方案為再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點(diǎn)滌綸短纖的配比為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時(shí)間11 min，成型壓力0.3 MPa時(shí)生產(chǎn)得到的材料各項(xiàng)基本性能較好，力學(xué)性能最佳，其拉伸斷裂強(qiáng)力約為480 N，頂破強(qiáng)力約為1 082 N。

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