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 材料與紡織學院、 絲綢學院， 浙江 杭州 310018)

隨著社會的發展，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，造成了嚴重的環境污染和資源浪費[1-2]。如果對這些廢舊紡織品資源進行妥善處理，不僅節能環保，而且還可促進經濟增長，緩解就業壓力，同時也符合我國在“十三五”規劃中關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[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)作為混凝土的增強纖維[11-12]。關于利用梳理成網與熱風黏合工藝制備再生氈基材料的研究卻很少。

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

1 試驗部分

1.1 試驗材料

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；低熔點滌綸短纖，韓國東麗化工公司。

1.2 試驗儀器

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、CORMATEX型切割機、DELL ORCO & VILLANI型開松線(杭州鼎緣紡織品科技有限公司)；DGG-9240B型電熱恒溫鼓風干燥烘箱(上海森信實驗有限公司)；非織造復合實驗線(常州市豪峰機械有限公司)；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力機(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→熱風黏合→加壓→冷卻→成型。

1.3.1.1 原材料前處理 原材料經過清洗、紫外線消毒后進入快速分揀環節，采用VALVAN快速分揀機，主要利用近紅外光譜對廢舊紡織品進行分揀，該技術不僅具有高效精準的特點，還可避免人工分揀時出現錯誤，提高利用率。

切割環節采用CORMATEX切割機，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、切割均勻的優點。

撕破開松采用全封閉的DELL ORCO & VILLANI開松線，首先對樣品進行加油、加濕預處理，再將小布片送到撕破機構，通過一系列機械作用將其變為紗線狀，最后經過粗開松和精細開松工序將廢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 機械梳理成網和熱風黏合 考慮到原材料的性能，如可紡性差、纖維比較雜及安全環保等問題，采用機械梳理成網和熱風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現對廢舊紡織品的高效循環利用。

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

1.3.2正交試驗設計

制備過程中通過正交試驗進行工藝優化。根據前期多次摸索試驗、低熔點滌綸短纖的熔融狀態及相關研究[14-15]，正交試驗設計中因子B(溫度)的設置范圍為160～180 ℃，因子C(時間)設置范圍為5～11 min，因子D(壓力)設置范圍為100～300 N，這3個因子均采用3水平。由于溫度、時間、壓力對氈基材料的性能影響較大，試驗過程中需嚴格控制其大小。另外，考慮到該氈基材料的實際應用情況，低熔點滌綸短纖的含量最好在30%～50%之間，如果低熔點滌綸短纖含量較低，纖維之間會黏結不牢，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/低熔點滌綸短纖的質量比)選取2水平，分別為15∶55∶30、15∶40∶45。對于2×33四因子試驗，若選用混合正交表L18(2×37)，需要進行18次試驗，且空白列較多，試驗效率低，因此，對因子A虛擬了1個水平，采用了L9(34)進行試驗。

1.3.3化學結構測試

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

1.3.4熱性能測試

采用差示掃描量熱儀對低熔點滌綸短纖進行測試，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滌綸短纖的黏合形態進行觀察，測試前需對樣品進行鍍金處理。

1.3.6厚度、面密度、蓬松度測試

采用數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GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》對織物的面密度進行測試；依據FZ/T 64003—2011《噴膠棉絮片》對織物的蓬松度進行測試[13]。

1.3.7力學性能測試

采用YG026D型多功能電子織物強力機進行拉伸性能測試，樣品尺寸為50 mm ×300 mm，預加張力為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 結果與討論

2.1 低熔點滌綸短纖性能分析

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

2.2 低熔點滌綸短纖熱性能分析

圖2示出低熔點滌綸短纖的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變溫度峰；在239～258 ℃之間的峰值為芯層熔融峰。經查閱文獻[16]可知，低熔點滌綸短纖的皮層熔融溫度應在90～200 ℃之間，但此曲線上并沒有該波峰，這與低熔點滌綸短纖表層的低熔點改性劑含量有關。綜上，本文選擇在150～180 ℃范圍內進行工藝探究。

圖2 低熔點滌綸短纖的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，低熔點滌綸短纖熔融狀態及纖維之間的黏結情況如圖3所示。

圖3 不同溫度下低熔點滌綸短纖的黏結情況(×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，具體黏結狀態變化過程為：黏結不明顯→點狀黏合→塊狀黏合→片狀黏合。在150 ℃條件下，低熔點滌綸短纖的表面呈竹節狀；在160 ℃條件下，竹節消失，纖維表面變得光滑；在170 ℃時，黏結的纖維明顯增多；在180 ℃時，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，本文試驗選擇以160、170、180 ℃作為熱熔溫度進行工藝優化。

2.4 正交試驗結果分析

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

表2 正交試驗結果與極差分析Tab.2 Results of orthogonal test and range analysis

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

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。以熱阻為考核指標時，得出的最優組合為C2D1B3A1，即時間為8 min，壓力為100 N，溫度為180 ℃，回收麻纖維、回收滌綸、低熔點滌綸短纖質量比為15∶55∶30，各因素對保溫性能影響的主次順序為：時間>壓力>溫度>纖維配比，在討論范圍內，熱熔時間對再生氈基材料的保溫性能影響較大。

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

綜合以上各因素最優組合為：A2B3C2D2，即回收麻纖維、回收滌綸、低熔點滌綸短纖質量比為15∶40∶45，溫度為180 ℃，時間為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。可以看出：再生氈基材料的厚度在7～10 mm之間；面密度在300～450 g/m2之間；蓬松度在15～30 cm3/g之間。產品的性能良好，可考慮將其用作汽車內飾。

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關系見圖4，擬合的線性回歸方程為y=662.040 58+15.638 79x，R2=0.908 39。可知在一定范圍內蓬松度與透氣性呈正相關。另外，由于該材料具有一定的透氣性，在微環境中可將人體產生的熱量及時傳遞出去，改善悶熱感，能為人體營造一個舒適的小環境；因此，可考慮將該材料應用于汽車坐墊、靠背等。

圖4 蓬松度與透氣率之間的關系Fig.4 Relationship between bulkiness and permeability

3 結 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，可滿足汽車內飾的相關要求。

2)通過正交試驗得出最佳工藝：回收麻纖維、回收滌綸、低熔點滌綸短纖質量比為15∶40∶45，溫度為180 ℃，時間為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，在一定范圍內蓬松度與透氣率呈正相關。

4)本文研究可為再生氈基材料在汽車內飾方面的應用提供一定的理論依據，對再生氈基材料進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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