涂料尾料的高值化利用

尤士華 藍鵬飛 馬建偉

1.青島奧洛思新材料有限公司(中國) 2.青島大學 紡織服裝學院(中國)

涂層加工是紡織品加工中的常見工藝，主要用于改變和提高紡織品的性能。涂層加工也是遮陽材料企業(yè)常用的且工藝較成熟的一種加工方式[1]。涂層尾料是指對織物進行涂層加工后剩余的少量涂層材料。

WDL公司成立于2003年，是一家集開發(fā)、生產、遮陽材料銷售于一體的外商獨資企業(yè)，公司產品出口到歐美、日本等國家和地區(qū)，享有良好的信譽，產品具有廣闊的市場發(fā)展前景。其中，涂層遮陽材料是該公司的主要產品，涂層的目的在于賦予材料遮陽、抗老化、阻燃和不褪色等特性[2]。目前，WDL公司的涂層尾料主要是以丙烯酸酯黏合劑為主要組分的水分散性漿狀料，分為發(fā)泡型和無泡型兩種，尾料量約為3 t/月。

目前，生產涂層紡織品的企業(yè)很多。涂層加工中，企業(yè)通常不可能將調制好的涂料全部用完，每批次涂層加工結束后，總會剩余少量涂層尾料。長期以來，多數(shù)企業(yè)都是將這些剩余的涂層尾料視作廢棄物處理。然而，隨著環(huán)保要求的提高，對涂層廢棄物的處理要求也日趨嚴苛，涂層尾料的處理不宜再采用“一廢了之”的方式，通常需進行填埋處理，或輸送至污水處理廠處理。

WDL公司是一家具有社會責任感的企業(yè)，自投產之日起就高度重視涂層尾料的處理，并將涂層尾料單獨存放。同時，WDL公司先后與北京、上海、青島等地知名污水與廢棄物處理單位或企業(yè)接洽，探討涂層尾料的處理方式。

對WDL公司的涂層尾料成分進行分析后發(fā)現(xiàn)，涂層尾料的主要成分與原涂層材料一致，主要為水、丙烯酸酯類黏合劑、鈦白漿、引發(fā)劑、發(fā)泡劑、消泡劑、增稠劑和色漿等。WDL公司涂層尾料的原始配方和涂層工藝均來自于對環(huán)保要求較高的澳大利亞，生產過程已通過歐盟的CE認證，涂層設備為國際尖端設備，涂層產品也早已通過歐盟的CE認證，廣泛出口國際高端市場。經涂層處理的遮陽材料可制作窗簾、遮陽蓬等，能在暴曬條件下長期使用，且沒有異味[3-4]。基于此，可認為該涂層尾料同樣不會對人體健康產生危害。因此，可以設想，若采用該涂層尾料為基材開發(fā)相關產品，并且使用過程中不添加對人體有害的物質，將可以安全使用，不會對人體造成危害。

基于上述認識，本文未將該涂層尾料視為“垃圾”或“危廢物”，而是將其視作“放錯了位置的資源”。由此，嘗試將涂層尾料用作阻燃地毯背涂膠的原料，以實現(xiàn)這種涂層尾料的高值化應用。

1 阻燃地毯背涂膠配方與工藝設計

1.1 可膨脹石墨的合理應用

可膨脹石墨(EG)是由天然鱗片石墨經化學氧化法或電化學氧化法處理得到的一種石墨層間化合物。就結構而言，EG屬于一種納米級復合材料。普通H2SO4氧化制得的EG在受200 ℃以上高溫作用時，H2SO4與石墨碳原子間發(fā)生氧化還原反應，產生大量的SO2、CO2和水蒸氣，使EG發(fā)生膨脹，并在受1 100 ℃高溫作用時達到最大體積，其最終體積可達初始時的280倍[5]。這一特性使得EG能在火災發(fā)生時通過體積的瞬間增大將火焰熄滅[6-7]。

EG是通過延緩或中斷固態(tài)物質產生的可燃性物質來達到阻燃目的的。EG屬于一種無鹵環(huán)保型阻燃劑，其優(yōu)點是：無毒，受熱時不會生成有毒和腐蝕性氣體，產生的煙霧很少；環(huán)境適應性強，無遷移現(xiàn)象；紫外線穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性好。因此，EG已廣泛應用于各種阻燃防火材料中[8]。

膨脹炭層只有具備一定的剛性，才能發(fā)揮阻燃作用。炭層越厚，結構強度越高，炭層之間越緊密，則炭層的屏蔽作用和阻燃效果越好。然而，普通EG主要靠自身體積膨脹形成的膨脹絕熱層來延緩或抑制聚合物的燃燒，與被阻燃聚合物之間不發(fā)生或很少發(fā)生化學作用，因此，可膨脹石墨在阻燃機理上屬于典型的凝固相阻燃[9]。單獨使用普通EG時，阻燃效果不顯著。近年來，人們嘗試使用協(xié)效劑來提高普通EG的阻燃性能。基于此，充分發(fā)揮涂料尾料中原有阻燃劑的協(xié)同效應對本文的研究而言非常重要。

可膨脹石墨的表面改性與其阻燃性能有著密切的關系，對可膨脹石墨鱗片進行表面改性，能夠克服其本身遇熱燃燒形成松散的“蠕蟲”狀碳層，對于提高抑煙性有著重要的意義。

1.2 膨脹石墨的用量設計

材料的阻燃性能通常與極限氧指數(shù)(LOI)相關，極限氧指數(shù)越低，表示材料越容易燃燒。一般認為，極限氧指數(shù)小于22的材料屬于易燃材料；極限氧指數(shù)為22～27的材料屬于可燃材料，極限氧指數(shù)大于27的材料屬于難燃材料。

通常，在材料中單獨使用普通EG且質量分數(shù)低于25%時，材料的極限氧指數(shù)達不到阻燃性能要求。

材料的阻燃性能除對極限氧指數(shù)有要求之外，還要求燃燒長度小于150 mm，臨界熱輻射通量(CHF)小于8.0 kW/m2。

1.3 配方與工藝設計

鑒于涂層尾料的主要成分為水、丙烯酸酯類黏合劑[10]、鈦白漿、引發(fā)劑、發(fā)泡劑、消泡劑、增稠劑和色漿等，是常用且安全的涂層材料，不含對人體有害的揮發(fā)性物質。以這種涂層尾料為基體，開發(fā)相關產品，理應不會對人體產生危害。為響應國家固體廢物減量化、資源化和無害化利用的倡議，同時實現(xiàn)對工業(yè)固體廢物的全面控制，促進經濟社會和環(huán)境的全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展，本文將涂層尾料用作阻燃地毯背涂料的原料，設計了4種不同的阻燃地毯背涂料工藝配方，如表1所示。

表1 阻燃地毯背涂料配方

1.4 阻燃地毯背涂料的復配工藝

——將水、涂層尾料、發(fā)泡劑和交聯(lián)劑依次加入攪拌罐中，攪拌均勻；

——在攪拌狀態(tài)下加入可膨脹石墨，攪拌均勻；

——在攪拌狀態(tài)下，依次加入流平劑、增稠劑，攪拌均勻，待用。

2 阻燃地毯背涂料的應用工藝

2.1 原料的選用

——發(fā)泡劑：磺酸類鈉鹽；

——交聯(lián)劑：硅改性聚氨酯水性分散液；

——可膨脹石墨：由天然鱗片石墨經化學氧化法或電化學氧化法處理得到的一種石墨層間化合物；

——流平劑：水溶性高分子化合物；

——增稠劑：改性淀粉。

2.2 涂膠工藝流程

2.3 注意事項

發(fā)泡比過大，阻燃膠的黏結牢度不好，刮涂易產生色花或不勻；發(fā)泡比過低，阻燃膠易滲透到地毯正面，影響美觀。因此，需根據(jù)地毯面密度和材質的不同選擇不同的發(fā)泡比，以滿足實際生產要求。

2.4 發(fā)泡涂層的特點

2.4.1 發(fā)泡型涂層尾料的成分

發(fā)泡型涂層尾料的主要成分為水、丙烯酸酯類黏合劑、鈦白漿、引發(fā)劑、發(fā)泡劑、阻燃劑、增稠劑和色漿等，其發(fā)泡比為100%～1 000%。由于發(fā)泡劑的存在，再加上強力攪拌，形成的氣泡牢度很好，普通消泡劑很難對其消泡。因此，帶泡利用這部分尾料是最佳的選擇。

2.4.2 發(fā)泡型涂層尾料的性能

發(fā)泡型涂層尾料成膜后，由于泡沫破裂，會形成若干細小的孔洞，因此形成的膜為多孔膜，具有良好的透氣性和吸聲效果。

2.4.3 發(fā)泡型涂層尾料的標準化

由于每次剩余尾料的顏色、固含量和發(fā)泡比存在差異，因此有必要對其進行標準化。針對合成纖維針刺地毯阻燃背涂料的應用，發(fā)泡型涂層尾料較適宜的標準化顏色為黑灰色，發(fā)泡比為200%，固含量為35%。

3 地毯上膠量與阻燃性能測試

3.1 上膠量測試

地毯的上膠量對織物阻燃性能有較大影響，上膠量計算式如式(1)所示。

(1)

分別采用表1中4種不同的阻燃地毯背涂料工藝配方，制備阻燃地毯試樣，并對試樣進行上膠量測試，結果如表2所示。

由表2可以看出，4組配方處理后地毯的上膠量為31%～37 %，差異較小,可認為上膠量對后續(xù)阻燃測試不會造成較大的影響。

表2 地毯上膠量測試

3.2 阻燃性能測試

根據(jù)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》測試方法和測試標準對阻燃處理后的地毯試樣進行阻燃性能測試，結果見表3。

表3 阻燃處理后地毯試樣的阻燃性能測試結果

由表3可知，在4種配方制備的阻燃地毯上膠量接近的情況下，采用配方A和配方B處理的地毯的阻燃效果較好，損毀長度均小于10 mm。表明在本文試驗測試范圍內，涂料尾料用量對地毯的阻燃性能幾乎沒有影響，可在配方中盡可能多地添加涂料尾料，以實現(xiàn)最大化、高值化利用。配方C提高了交聯(lián)劑用量，這對地毯的阻燃效果及滴落物的形成產生影響。配方D降低了可膨脹石墨的用量，對阻燃地毯的極限氧指數(shù)和損毀長度產生影響。綜合而言，4種配方中，采用配方A制備的地毯的阻燃性能較好，可實現(xiàn)涂料尾料的高值化利用。

4 結語

本文以對人體健康無害的涂層尾料作為原料，配制了4種不同配方的阻燃地毯背涂膠，分別用其對地毯進行阻燃處理，并測試了地毯的上膠量及阻燃處理后地毯的阻燃性能。

涂層尾料中阻燃劑與可膨脹石墨、硅改性聚氨酯水分散劑、發(fā)泡劑、增稠劑配方的直接協(xié)同作用，既可達到阻燃要求，又能確保涂層背膠的耐刮擦牢度。若硅改性聚氨酯水分散劑用量過多，會產生煙毒性且阻燃性能下降；若硅改性聚氨酯水分散劑用量不足，則無法包覆住可膨脹石墨顆粒，造成顆粒易脫落，膠層牢度不好。研究表明，采用合理的工藝，不僅可使地毯材料燃燒時無煙毒性，而且阻燃效果也較好。

使用涂層尾料制備阻燃地毯背涂膠工藝，不僅可使WDL公司的涂層尾料得以高值化應用，而且可在同類企業(yè)中推廣應用。所得地毯產品各項性能優(yōu)良，滿足日益增長的國內外市場需求，并且順應可持續(xù)發(fā)展的要求，能夠提高產品的附加值和競爭力。