廢舊毛巾增強熱固性復合材料的制備及拉伸性能研究

孫 嬌 王新厚

(1.東華大學紡織學院，上海，201620；2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

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廢舊毛巾增強熱固性復合材料的制備及拉伸性能研究

孫 嬌1,2王新厚1,2

(1.東華大學紡織學院，上海，201620；2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

為尋求一種流程更短、可操作性更強的廢舊毛巾回收再利用方法，以不同面密度的廢舊毛巾，使用手糊成型法制備了廢舊毛巾/不飽和聚酯樹脂復合材料薄板，并對復合材料的拉伸性能進行測試。結果表明：廢舊毛巾/不飽和聚酯樹脂復合材料薄板成型良好，結構均勻，并具有較優的拉伸力學性能，可滿足汽車內飾材料等的應用要求。

廢舊毛巾，不飽和聚酯樹脂，復合材料，回收利用，拉伸性能

在人們生活消費水平日益提高的今天，對紡織品的需求量迅速增加，然而紡織品的使用周期卻大大縮短，大量完好的織物、服裝以垃圾的形式存在于人們生活的地球，紡織服裝已經成為地球上增長最快的固體垃圾[1-2]。例如：北卡羅萊那查羅特南部的紡織再循環中心調查結果顯示，每年有超過2 500萬t的廢舊服裝在美洲被實施垃圾掩埋；在英國每人每年丟棄30 kg的廢舊紡織品和服裝，但只有1/8的服裝被回收利用；在日本每年約有100萬t的服裝被作為垃圾扔掉，僅10%被再利用；而在中國，每年消耗掉的各類紡織纖維原材料高達3 500萬t，但只有約5%得到循環再利用，其他都作為垃圾進行填埋[3-7]。

2008年國際回收局在進行了相關研究后得出結論：每使用1 kg的廢舊紡織品，就可以降低3.6 kg的CO2排放，節約6 000 L的水，減少使用0.2 kg的農藥[8]。由此可見，廢舊紡織品的回收再利用對資源利用、能源節約以及環境保護都有著深遠的意義。

自上世紀80年代以來，一些紡織業發達的國家已開始重視廢舊紡織品的回收再利用，與廢舊織物回收再利用相配套的機械設備的制造水平提升，廢舊紡織品回收再利用的種類和廣度增加。廢舊織物的回收方法大致可分為物理回收、化學回收和能量回收三類，如機械分解、水解回收、熔融回收、高溫分解和燃燒利用熱能。但上述回收工藝普遍流程較長，對成本和技術要求較高，對廢舊織物進行大量的機械或化學處理也會對其力學性能造成影響。本研究欲通過織物直接制成復合材料的方法，達到在較短的工藝流程下實現廢舊織物再利用的目的。

毛巾是日常生活中最常見的織物。在家庭、賓館和理發店中，毛巾的使用量都很大，且健康的毛巾使用要求是每3個月更新一次，因此廢舊毛巾的數量龐大。毛巾絕大多數都以天然棉纖維為原料，具有成本低、可降解等優點，且表面毛圈密集，吸水儲水性好，能很好地與樹脂浸潤，有利于復合材料的成型。

不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂中最常用的一種，具有黏度低、流動性好、與纖維的浸潤性好、固化溫度低等優點。用該樹脂固化成型制成的復合材料具有很好的力學性能，還具有工藝性能優和成本低等特點。

本研究是將廢舊毛巾經前處理，以不飽和聚酯樹脂為基體，通過手糊成型法制備復合材料薄板。該工藝能達到廢舊織物再利用的要求，其成品具有質輕、強力高、不易變形、成本低等特點。廢舊毛巾/不飽和聚酯樹脂復合材料可以用于汽車的門內護板、側圍、后圍護板、車頂棚、地板覆蓋層、遮陽板等其他任何室內裝飾性襯板，能滿足強力要求，還能減少汽車自身質量，節約能源，符合低碳環保的發展趨勢。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

三種不同面密度的三緯雙面毛巾；不飽和聚酯樹脂HS-1102S ，常州華科樹脂有限公司；過氧化甲乙酮、凝膠延遲劑HS-906、丙酮；膠衣薄膜。

1.2 儀器與設備

WDW-20微機控制萬能材料試驗機、HD026N電子織物強力儀、TM3000掃描電子顯微鏡和天平等儀器；DZG-6020型真空干燥箱、切割機、砂輪機、不銹鋼勺、塑料燒杯、一次性滴管、氣泡輥、鏡面不銹鋼板、鐵板、重物砝碼和銅制壓棍等設備和器具。

1.3 試驗方法

1.3.1 預制件前處理

廢舊毛巾通過預洗、滅菌消毒和柔軟處理等工序進行前處理，而后裁剪成30 cm×30 cm的樣品，裝入密封袋備用。毛巾的滅菌消毒方法主要有蒸煮消毒法、微波消毒法和高溫蒸汽消毒法等。本研究使用高壓蒸汽消毒法，在壓力100 kPa、溫度120 ℃條件下，維持15～20 min，可達到消毒目的。

1.3.2 預制件基本性能測試

本研究選用三種不同規格的純棉毛巾作為復合材料增強體，分析其組織、經緯密等結構參數。依據標準GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》，測試毛巾的拉伸性能。

1.3.3 復合材料薄板的制備

復合材料薄板采用手糊成型法加工，所用樹脂為HS-1102S型不飽和聚酯樹脂，其澆注體性能典型，拉伸斷裂強度、拉伸模量和拉伸延伸率分別為67 MPa、3 700 MPa和2.0%。按樹脂特點選用過氧化甲乙酮作為固化劑，因樹脂選用預促進型，故使用HS-906型凝膠延遲劑調節凝膠時間，以保證有足夠的時間來完成整個復合材料的成型制作。經多次凝膠試驗，得出最佳樹脂固化配比值為：m(樹脂)∶m(固化劑)∶m(凝膠延遲劑)=500∶4∶1,凝膠時間為50 min左右。整個手糊成型流程如下：

圖1 手糊成型法工藝流程[9]

在復合材料成型操作過程中，要保證模板放置平穩，且模板與樹脂的接觸面光滑無突起，以使其在后續碾壓制板的過程中，模板不會移動，不會對復合材料成型造成影響。

配制樹脂溶液時需要注意：①先在樹脂中加入引發劑，充分混合后再加促進劑，兩者不能同時混合，以免發生爆炸；②樹脂配制好后，要進行抽真空處理，最大程度地減少膠液中的氣泡，以獲得最后制成材料的低空隙率；③需保證在樹脂凝膠前完成復合材料手糊成型的所有工序，使樹脂與織物充分浸潤。

復合材料中的氣泡對復合材料的質量和性能有很大的影響，因此在加工過程中應盡量減少和消除氣泡。本研究采用樹脂溶液抽真空處理和手壓輥碾壓除氣泡兩種措施去除氣泡。將配制好的樹脂置于真空干燥箱中抽真空15 min，以達到去除氣泡的效果；銅質手壓輥隔著膠衣薄膜從試樣的中間向四周進行碾壓，促進樹脂與毛巾的浸潤，在去掉氣泡的同時碾壓出多余樹脂。

固化成型的時間與固化劑、凝膠延遲劑的用量以及環境條件(如溫度)有關，本研究的固化時間為24 h左右。

1.3.4 復合材料薄板拉伸性能測試

本研究依照標準GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》對復合材料試樣進行拉伸性能測試。

由于制得的復合材料薄板厚度基本在1.5 mm左右(均<2 mm)，故選用Ⅱ型試樣形式，具體形狀和尺寸見圖2 。使用切割機按照標準試樣尺寸對制備好的復合材料薄板進行切割，并用砂帶機對其切割面進行打磨，以保證試樣邊緣規整，不影響拉伸測試結果。為防止測試過程中儀器夾頭與拉伸試樣間滑移或斷裂破壞發生在試樣端部，在試樣兩端夾頭加持處用AB環氧樹脂膠粘上鋁質加強片，其規格為50 mm×25 mm×1 mm。試驗在WDW-20微機控制萬能材料試驗機上進行，拉伸速度為5 mm/min，夾頭間距保持170 mm。經向拉伸和緯向拉伸試樣各5塊。試驗結果取其平均值。

L1——試樣總長，250 mm； L2——夾具間距，150 mm； L3——加強片長度，(50±0.5)mm； b——試樣寬度，25 mm； d——試樣厚度，2～10 mm

2 結果與分析

2.1 預制件的結構參數及拉伸性能

本試驗中所采用的增強體為三種不同規格的純棉毛巾。經組織分析可知，三種毛巾的地組織和毛圈組織皆為2上1下變化經重平，且都為三緯雙面毛巾，組織圖見圖3。毛巾B與其他兩種毛巾略有不同，其上還分布有不規則的提花圖案。

毛巾的面密度、厚度和密度等結構參數見表1，可見A、B、C三種毛巾的面密度、厚度和緯紗密度依次增加，但毛圈經紗密度和地經紗密度相同，都為120根/10 cm。三種毛巾經向和緯向的拉伸性能測試結果見表2。

由表1和表2數據可知，毛巾A和毛巾C的拉伸斷裂強度是隨著其本身的面密度、厚度的增加而增大，且經向拉伸斷裂強度大于緯向拉伸斷裂強度，而毛巾B的拉伸斷裂強度并不符合上述規律。這是因為毛巾B組織圖中含有不規則的提花圖案，在拉伸測試過程中也可以觀察到，斷裂往往是發生在提花處。由于提花的位置和大小相較于試樣選取的位置是不固定的，因而對拉伸斷裂強度的測試結果有很大的影響。

圖3 毛巾的地組織、毛組織和全組織圖

表1 毛巾的結構參數

表2 毛巾拉伸性能測試結果

2.2 復合材料的纖維體積含量[10]

復合材料纖維體積含量作為衡量纖維增強復合材料的重要參數，對復合材料的力學性能(如強度、剛度等)有很大的影響。在本試驗中，預制件結構參數不同，手糊成型法制備的薄板厚度亦不可控，故致使復合材料的纖維體積含量略有差異。不同纖維體積含量的復合材料性能是沒有可比性的，需求得各試樣纖維體積含量，將其測試結果轉化為

相同纖維體積含量下的值，再進行比較。

由于在試驗中沒有測量纖維密度，但樹脂與固化劑、延遲劑的配比是固定的，即樹脂固化后的密度一定，據此可以按下式求出樹脂體積含量Vr：

式中：Vr——復合材料中樹脂的體積含量；

Mc——固化成型后試樣總質量；

Mf——預制件質量(毛巾)；

dr——固化成型后樹脂的密度；

Vc——固化成型后復合材料總體積。

再按下式計算纖維的體積含量Vf：

根據測得的復合材料薄板的質量和體積，以及固化前稱得的毛巾質量，可以求得各復合材料的纖維體積含量。復合材料薄板的纖維體積含量數據見表3。可以看出，單層毛巾增強熱固性復合材料薄板的纖維體積含量基本在15%～20%。

表3 復合材料薄板的纖維體積含量

2.3 復合材料的拉伸性能

2.3.1 拉伸性能測試數據分析[11]

為了使拉伸試驗測得的數據具有可比性，根據計算得到的纖維體積含量分別求出復合材料的比強度和比模量。測試所得試樣的拉伸斷裂強度和拉伸模量分別除以其對應試樣的纖維體積含量，得到單位纖維體積含量的拉伸斷裂強度和拉伸模量，即比強度和比模量。

圖4和圖5分別為三種毛巾增強復合材料的經、緯向比強度和比模量。

圖4 復合材料的比強度

圖5 復合材料的比模量

由圖4可知：三種毛巾的經向比強度基本相同，而毛巾A、B、C的緯向比強度依次增大(毛巾B比毛巾A增大5.6%，毛巾C比毛巾B增大11.1%)；同一類型毛巾復合材料的經向比強度都大于緯向比強度，毛巾A、B、C的經向比強度分別比緯向比強度高23.9%、14.4%、7.8%。 經組織分析可知，A、B、C三種毛巾織物的經密都是240根/10 cm，而緯密依次是138、174、192根/10 cm。由此可見，增強織物的密度會影響復合材料的拉伸斷裂強度。經密大于緯密，所以經向比強度都大于緯向比強度，而緯密增加也使得緯向比強度增加。

由圖5可知：毛巾A、B、C的經向比模量逐漸降低(毛巾B比毛巾A降低6.3%，毛巾C比毛巾B降低6.7%)，而緯向比模量依次增大(毛巾B比毛巾A增大15.5%，毛巾C比毛巾B增大7.3%)；同一類型毛巾復合材料的經向比模量都大于緯向比模量。經向比模量的降低是由于緯密的增加使得經紗的屈曲程度提高，在拉伸測試過程中，經紗有更大的形變可能，導致經向拉伸模量下降；而緯向比模量也是因緯密的增加而增大。同類型毛巾復合材料經向比模量大于緯向比模量，也是因增強毛巾自身的組織結構是經密大于緯密。

2.3.2 拉伸載荷-位移曲線分析[12-13]

三種類型毛巾織物的組織結構相近，因此其拉伸載荷-伸長曲線趨勢基本一致。

圖6是復合材料試樣的拉伸載荷-伸長曲線。由圖6可以看出，在初始階段，曲線基本呈現二次關系，隨后曲線出現明顯拐點。曲線在初始段表現為較高的初始模量，其本質是增強體與樹脂基體之間具有很好的結合力，樹脂包覆纖維而達到傳遞載荷和保護纖維不受損傷的作用，并且拉伸載荷方向與纖維取向相同，有利于纖維受力，故呈現出較高的初始模量；隨著拉伸繼續，纖維和樹脂基體之間的界面發生破壞，故模量有所降低；在拉伸載荷達到最大值時，復合材料薄板發生突然斷裂，即脆性斷裂，故曲線出現拐點。由于毛巾織物的經密大于緯密，經向上的承紗根數大于緯向，故復合材料試樣的經向拉伸性能優于緯向拉伸性能。

圖6 復合材料薄板拉伸載荷-伸長曲線

2.4 復合材料拉伸斷面形貌

圖7是毛巾增強熱固性復合材料薄板拉伸斷面SEM形貌照片。可以看出，纖維和樹脂結合較均勻，在薄板的整個厚度范圍內都有增強纖維分布，且樹脂基體充滿纖維間的所有空隙。該結果說明薄板成型良好，有利于獲得較高的力學性能，制備方法適用可行。

圖7 復合材料薄板拉伸斷面SEM照片

觀察圖7照片，可見大多數纖維都呈現斷裂狀，但也有少部分纖維伸出斷口。這說明在拉伸斷裂過程中，絕大多數纖維承擔向周圍樹脂傳遞拉力的作用，并在受力達到一定值時，表現為與周圍樹脂同時斷裂破壞，即脆性斷裂；而少部分纖維在承力過程中，與樹脂產生剝離，表現為纖維的斷裂并伸出斷口。

3 結論

(1)手糊成型法可制備出廢舊毛巾/不飽和聚酯樹脂復合材料薄板，且薄板成型良好，結構均勻，樹脂與毛巾浸潤充分，纖維與樹脂結合均勻，樹脂充斥纖維間的所有空隙,表面光滑無氣泡。

(2)制成的復合材料薄板與其增強體廢舊毛巾相比，經向拉伸斷裂強度和緯向拉伸斷裂強度都有大幅度提高。

(3)廢舊毛巾增強熱固性復合材料的經緯向拉伸性能受其紗線密度影響，表現為拉伸斷裂強度和模量隨紗線密度的增加而增大。

(4)廢舊毛巾增強熱固性復合材料經緯向拉伸曲線都存在拐點，即拉伸斷裂形式為脆性斷裂。

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The preparation of waste towel reinforced thermosetting composite materials and its tensile properties

SunJiao1,2,WangXinhou1,2

(1. College of Textiles, Donghua University； 2. Key Laboratory of textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University)

In order to seek a recycling method of waste towel with shorter process and better operability, the composite sheets were made by hand lay-up method using different weight of waste towels and unsaturated polyester resin. And the tensile property of the composites was tested. The results show that waste towels/unsaturated polyester composite sheet was good shape, uniform structure, and has a better tensile mechanical properties, can meet the application requirements of automotive interior materials, etc..

waste towels, unsaturated polyester, composite material, recycling, tensile property

2014-11-03；修改稿：2015-05-11

孫嬌，女，1989年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是廢舊織物增強復合材料的制備工藝和性能研究。

TB332

A

1004-7093(2015)07-0022-06