再生聚酯針刺阻燃地毯性能

王玉曉，王 丹，李 晶，張 磊，徐玉康，靳向煜，莊躍進

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620; 2.諾奧環保家居用品有限公司，福建 漳州 363900)

聚對苯二甲酸乙二醇酯簡稱聚酯(PET)，是一種重要的熱塑性樹脂。其具有良好的耐磨性、耐熱性、耐化學腐蝕以及電絕緣性，同時還具有易于加工成型，可熔融回收利用以及良好的抗蠕變性能等特點，被廣泛應用于服裝、家居用品、醫療衛生、工程塑料、電子電器、汽車工業等領域。然而，隨著PET使用量的迅速增加，其因不可降解而產生的固體物所引發的污染問題也越來越嚴重，因而對廢棄聚酯的回收再利用逐漸發展成為一個重要研究方向[1-4]。PET的極限氧指數為20～22[5]，屬于易燃材料，因此，在對其回收利用時有必要進行阻燃改性處理。本文對織物再生阻燃聚酯顆粒和纖維的基本性能進行研究，并對用此類再生阻燃聚酯纖維生產的針刺汽車地毯的阻燃性能進行探討與分析。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及生產流程

試驗材料包括4種試樣以及不同規格和顏色的針刺地毯，其中，試樣1為織物再生聚酯顆粒，試樣2為白色常規滌綸短纖(儀征化纖股份有限公司)，試樣3為藍色織物再生聚酯短纖，試樣4為紅色織物再生聚酯短纖。以上樣品除試樣2外，其余均來自諾奧環保家居用品有限公司。其中，藍色和紅色織物再生聚酯短纖由樣品1經熔融紡絲制備而成，兩種短纖制備時采用不同的紡絲工藝并添加不同的色母粒。織物再生聚酯材料生產及循環利用示意圖如圖1所示。

圖1 試驗材料生產流程Fig.1 Production process of experimental materials

1.2 試驗儀器

BE10N M318型全自動顯微鏡，上海北昂醫療技術有限公司; XQ-1型纖維強伸度儀，上海利浦應用科學公司; 振動式纖維細度儀，上海新纖儀器有限公司; D/max-2550 PC型X 射線衍射儀，日本理學公司; Nicolet 6700型傅里葉變換紅外拉曼光譜儀(FTIR)，美國尼高力儀器公司; 電子天平，德國賽多利斯公司; YG401E型織物平磨儀，寧波紡織儀器公司; 織物厚度儀，南通宏大儀器公司; RH7型高壓毛細管流變儀，英國馬爾文公司; PL-GPC220型高溫凝膠色譜儀，英國Polymer Laboratories公司。

1.3 織物再生聚酯顆粒性能測試

1.3.1 顆粒的相對分子質量測試

將織物再生聚酯顆粒試樣溶于三氯苯溶液中，用注射器吸取適量溶液，加過濾頭過濾到測試瓶中，然后用高溫凝膠色譜儀以三氯苯做流動相，在160 ℃下進行相對分子質量測試。

1.3.2 顆粒的流動性能測試

將織物再生聚酯顆粒試樣在55 ℃下烘干，設定高壓毛細管流變儀測試程序，并將熔體槽溫度設置為235 ℃，剪切速率范圍設為20～2 000 s-1，待溫度穩定后，啟動程序進行試驗。

1.4 織物再生聚酯纖維性能測試

1.4.1 纖維線密度和直徑測試

將纖維放置在恒溫恒濕室(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)預調濕24 h后，使用振動式纖維細度儀對纖維線密度進行測量，使用全自動顯微鏡對纖維直徑進行測量。

1.4.2 纖維力學性能測試

在標準環境(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下，使用XQ-1型纖維強伸度儀對纖維的力學性能進行測試，拉伸隔距為10 mm，預加張力為2 cN，拉伸速度為20 mm/min。

1.4.3 纖維大分子結構測試

采用Nicolet 6700型傅里葉變換紅外拉曼光譜儀(FTIR)對常規滌綸短纖、織物再生聚酯短纖的大分子結構進行測試，測試方法為衰減全反射法(ATR)，光譜范圍為4 000～600 cm-1。

1.4.4 纖維結晶度和取向度測試

(1) 結晶度測試。采用D/max-2550 PC型X射線衍射儀對織物再生聚酯纖維的結晶性能進行測試。測試條件：Cu靶Kα射線，波長為1.540 56×10-8cm，電壓為40 kV，電流為300 mA，掃描速率為10(°)/min，測試的角度范圍為5°～6°。

測試前將再生聚酯纖維樣品充分剪碎，以消除試樣中存在的取向，按照上述測試條件對其結晶性能進行測量，得到X射線衍射譜圖。通過對X射線衍射譜圖進行分峰擬合，并根據式(1)計算結晶度(X)。

(1)

式中：∑Ic為結晶部分的總衍射積分強度；∑Ia為非結晶部分的散射積分強度。

(2) 取向度測試。將纖維梳理成長大于30 mm和寬大于2 mm的試樣，放入試樣架中，并通過X射線衍射儀進行取向度的測試，通過測試纖維軸平行于子午線的譜圖(即方位角為0°的譜圖)及纖維軸平行于赤道線的譜圖(即方位角為90°的譜圖)并確定試樣存在取向后，將探測器固定在最強衍射峰的位置上，試樣作360°旋轉，測試得到試樣的衍射譜圖。通過計算機程序對譜圖進行平滑處理，然后根據式(2)計算得到試樣的取向度(Y)。

(2)

式中：Hi為第i峰的半高峰寬。

1.5 再生聚酯針刺地毯性能測試

1.5.1 針刺地毯耐磨性測試

采用YG 401E型織物平磨儀對不同型號的織物再生聚酯針刺汽車地毯的耐磨性進行研究，并采用質量損失率對不同型號的針刺汽車地毯耐磨性進行比較。質量損失率計算式為

質量損失率=(m-m0)/m1×100%

式中：m為摩擦前的地毯質量(g)；m0為摩擦后的地毯質量(g)；m1為摩擦前地毯與對磨材料接觸部分的質量(g)。

1.5.2 針刺地毯阻燃性測試

織物再生聚酯針刺地毯的燃燒長度測試參照文獻[6]，臨界輻射通量和產煙量測試參照文獻[7]，產煙毒性測試參照文獻[8]。

2 結果與討論

2.1 織物再生聚酯顆粒性能

2.1.1 再生聚酯顆粒相對分子質量

試驗測得織物再生聚酯顆粒的數均相對分子質量為97 668，要遠大于生產中常用的成纖聚酯的數均相對分子質量(19 000～21 000[9])，這可歸因于高相對分子質量阻燃劑的加入。再生聚酯顆粒的相對分子質量分布指數為3.75，相對分子質量分布寬度較大，這是由于廢棄聚酯織物中可能夾雜有雜質、水分以及高相對分子質量阻燃劑。

2.1.2 再生聚酯顆粒熔融流動性能

采用RH7型高壓毛細管流變儀在235 ℃下對再生聚酯顆粒的熔融特性進行研究，其熔融流動曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著剪切速率的增加，再生聚酯顆粒的剪切黏度逐漸減小，其熔體屬于典型的假塑性非牛頓流體，有明顯的切力變稀特性。這是由于高聚物分子鏈間存在著相互纏結點以及分子鏈間因相互作用力而形成的物理交接點[10-11]，在分子熱運動下，纏結點處于不斷的解體與重建的動態平衡中。在剪切速率較低的情況下，大分子鏈雜亂無序且緊密纏結，分子間作用力很大，因而流動性差。當剪切速率增加時，纏結點解除的數量大于重建的數量，分子間作用力減弱，大分子鏈沿流動方向取向排列，流動阻力變小，因而剪切黏度變小。此外，對比文獻[12]中對常規聚酯切片流變行為的研究可以發現，相同剪切速率下，235 ℃下織物再生聚酯顆粒的熔融剪切黏度要比295 ℃下常規聚酯切片低很多。黏度的降低會對后續的成纖性能以及紡程的工藝控制產生重要的影響，因而在后續阻燃聚酯纖維的制備過程中需要對其進行增黏改性處理。

圖2 再生聚酯顆粒的熔融流動曲線Fig.2 Melt-flow curve of recycled polyester chips

2.2 織物再生聚酯纖維性能

2.2.1 纖維物理性能

不同纖維的物理性能如表1所示。由表1可知，織物再生聚酯短纖的伸直長度與常規滌綸短纖相比，增加了約1.1倍。長度的增加可以使針刺過程中纖維的纏結程度增加，纖維間的相互作用加強，針刺地毯的強力得到提高。同時，纖維長度的增加可以在保持地毯強力的條件下制得毛圈更高的條紋地毯，從而提高地毯使用時的舒適性。織物再生聚酯短纖的直徑和線密度較常規滌綸短纖也有大幅度提高，從而使針刺條紋地毯的毛圈結構得到較好的保持以及良好的回彈性和立體感。地毯不容易變形失效，既增加了使用者的舒適性，又能延長地毯的使用壽命。

表1 不同纖維的物理性能Table 1 Physical properties of different fibers

聚酯纖維應力-應變曲線如圖3所示。由表1及圖3可知，經阻燃改性后的織物再生聚酯短纖的斷裂伸長率有大幅提高，但是其斷裂強度與常規滌綸相比則明顯降低。這是由于在紡絲過程中拉伸比是影響纖維斷裂強度的一個重要因素，再生聚酯纖維制備過程中的拉伸比要比常規滌綸低。因此，再生聚酯大分子鏈取向程度低，造成分子鏈排列不規整，分子間作用力減小，并且拉伸時分子鏈張力在纖維軸向的有效分力小，從而使得纖維斷裂強度降低。

圖3 聚酯纖維應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of polyester fibers

不同纖維的結晶度與取向度如表2所示。由表2可知，結晶度的減小也是藍色織物再生聚酯短纖強度下降的一個重要原因。此外，再生聚酯顆粒的相對分子質量分布較寬，也將造成分子間作用力的減小，導致分子間更容易滑脫、扯離，從而使再生聚酯短纖的斷裂伸長率增加。

表2 不同纖維的結晶度與取向度Table 2 Crystallinity and orientation degree of different fibers

2.2.2 纖維的大分子結構

圖4 不同纖維的紅外光譜圖 Fig.4 Infrared spectra of different fibers

2.2.3 纖維的X射線衍射光譜特征

常規滌綸短纖和織物再生聚酯短纖的X射線衍射譜圖如圖5所示。

(a) 結晶度

Fig.5X-raydiffractionpatternofdifferentfibers

由圖5(a)可知，藍色織物再生聚酯短纖在衍射角為17.5°、 22.7°和25.9°的位置出現衍射峰，晶面間距分別為0.507 8、 0.393 8和0.364 8 nm，其結晶峰與另外兩種纖維的衍射峰相比不是很明顯，衍射峰的面積也較小。白色常規滌綸短纖在衍射角為17.5°、 22.7°和25.9°的位置出現3個比較強的衍射峰，紅色織物再生聚酯短纖在衍射角為17.8°、 22.9°和25.5°的位置出現3個比較強的衍射峰，其晶面間距如圖5(a)所示。白色常規滌綸短纖和紅色織物再生聚酯短纖的衍射峰的形狀、位置基本一致，且衍射峰的面積相近，因而兩種纖維的結晶度相差不是很大。

由圖5(b)可知，織物再生聚酯的半高峰寬與常規滌綸相比要寬很多，因而通過計算得到的纖維取向度相應較小。經計算機分峰擬合后計算得到的纖維的結晶度和取向度如表2所示。與常規滌綸短纖相比，織物再生阻燃聚酯短纖的取向度較低。這是因為再生聚酯纖維生產時，為了保證紡況良好以及避免毛圈絲的產生而選用較低的拉伸比，從而造成取向度下降。藍色再生聚酯短纖結晶度與常規滌綸短纖相比明顯較低，而紅色再生聚酯短纖結晶度略微增大。這種變化的不同除了受拉伸比差異的影響外，還與再生聚酯顆粒中存在的雜質有關，雜質作為成核劑促進結晶，而較低的拉伸比使得分子鏈規整性降低，分子間作用力變小，不利于結晶的形成，兩種因素共同作用，造成了織物再生聚酯短纖的結晶度與常規滌綸短纖的差異。其中，藍色織物再生聚酯短纖的結晶度下降明顯，因為其生產時拉伸比更低，拉伸比對結晶度的影響要大于雜質的影響。

2.3 織物再生聚酯針刺地毯性能

2.3.1 針刺地毯耐磨性能

針刺地毯在使用過程中必然要受到外界的各種摩擦作用，因此耐磨損性是衡量針刺地毯性能的一個重要的指標。本文以再生聚酯短纖為原料，采用針刺工藝制備不同型號針刺地毯(R代表紅色再生聚酯纖維，B代表藍色再生聚酯纖維，N代表平紋針刺，S代表條紋針刺，G代表單面背膠涂層，T代表簇絨地毯)用于研究。試驗選用表面粗糙并經燒毛處理的聚苯硫醚針刺非織造布(面密度為555.18 g/m2，厚度為2.86 mm，透氣量為196.21 L/(m2·s-1))和鷹牌砂紙(目數為600)作為對磨材料，在不同摩擦次數下對再生聚酯針刺地毯的耐磨性能進行研究，結果如表3所示。

表3 織物再生聚酯針刺地毯的耐磨性能Table 3 Abrasion resistance property of recycled polyester needle-punched carpets

其中：質量損失率(1)表示再生聚酯針刺地毯與聚苯硫醚針刺非織造布在12 kPa的壓力下，以李莎茹曲線為運動軌跡摩擦10 000次后的質量損失率；質量損失率(2)表示再生聚酯針刺地毯與鷹牌砂紙在12 kPa的壓力下，以李莎茹曲線為運動軌跡摩擦1 000次后的質量損失率。

由表3可知，織物再生聚酯針刺地毯的耐磨性優良，所有地毯在與聚苯硫醚針刺非織造布對磨10 000 次后質量損失率均低于10%，即使與砂紙摩擦1 000次后，大部分型號的地毯質量損失率也比較低。RN型地毯在與砂紙摩擦1 000次后，與砂紙接觸的部分全部磨損掉，質量損失率達到100%。這是因為該地毯為普通平紋針刺地毯，沒有進行背膠涂層處理，因此在與砂紙這種強力磨料摩擦時，纖維容易從地毯中抽拔出來掉落或者磨損斷裂，因而質量損失率大。經過背膠涂層處理的條紋再生聚酯針刺地毯耐磨性能要好于只進行背膠處理的地毯，一方面是因為毛圈中的纖維在經過背膠處理后被牢牢固定不容易在摩擦過程中被抽拔出來，另一方面是因為凸起的毛圈降低了摩擦時地毯與磨料間的接觸面積，因而耐磨性能好。BNGT型地毯耐摩擦性能最好，即使在與砂紙摩擦1 000次后，其質量損失率僅為1.01%。這是因為毛絨被膠料牢牢固定在針刺地毯上，有效避免了摩擦時松散或抽拔，同時緊密排列且高度較高的毛絨回彈性好，毛絨隨著摩擦可以產生形變從而對摩擦起到緩沖的作用，且摩擦時可有效避免應力集中，減少了對纖維的損傷，因而耐磨性能優良。

2.3.2 針刺地毯的阻燃性能

按照國家標準對織物再生聚酯針刺地毯的阻燃性能進行測試，結果如表4所示。

表4 織物再生聚酯針刺地毯的的阻燃性能Table 4 Retardant property of recycled polyester needle-punched carpets

由表4可知，織物再生聚酯纖維生產的針刺地毯具有良好的阻燃性能，均能滿足相關國家標準規定的燃燒長度≤150 mm，臨界輻射通量≥8.0 kW/m2，產煙量≤750 %·min，產煙毒性達到ZA3級等要求。針刺地毯燃燒長度較短，產煙量大幅降低，可以有效降低因地毯燃燒產生大量煙霧造成窒息的風險。用再生阻燃聚酯纖維生產的針刺地毯具有較高的臨界熱輻射通量，可以克服采用尼龍66、羊毛為原料或進行阻燃后整理等方法來提高臨界輻射通量時所產生的發煙量高，易產生有毒有害物質，洗后阻燃效果變差甚至消失等缺點。此外，各種針刺地毯的阻燃性能符合文獻[15]規定的B1(B-S1，t1)級的要求，同時由文獻[15]可以判定，針刺地毯的燃燒性能符合公共場所使用的阻燃建筑制品的規定要求。

3 結 論

(1) 織物再生聚酯顆粒的相對分子質量較大且分布較寬，其熔體屬于典型的假塑性非牛頓流體，有明顯的切力變稀特性;

(2) 織物再生聚酯短纖的長度、線密度、直徑、斷裂伸長率要高于常規滌綸短纖，但斷裂強度明顯較低;

(3) 紅色織物再生聚酯短纖的結晶度與常規滌綸短纖相比，略微增大，而藍色織物再生聚酯短纖的結晶度明顯減少，兩種再生聚酯短纖的取向度均低于常規滌綸短纖;

(4) 織物再生阻燃聚酯短纖生產的針刺地毯具有良好的耐磨性，與聚苯硫醚針刺非織造布摩擦10 000 次后質量損失率均低于10%，即使與砂紙摩擦1 000次后，大部分型號的地毯質量損失率也比較低，其中，BNGT型號地毯的耐磨性能最好;

(5) 針刺地毯的阻燃性能優良，阻燃性能可達到B1(B-S1，t1)級，燃燒性能符合公共場所使用的阻燃建筑制品的規定要求。

參 考 文 獻

[1] 程海東，陳雙俊.功能化離子液體在聚酯PET降解與合成中的應用[J].化學進展，2017，29(4): 443-449.

[2] SHUKLA S R，HARAD A M，JAWALE L S. Chemical recycling of PET waste into hydrophobic textile dyestuffs[J].Polymer Degradation & Stability，2009，94(4): 604-609.

[3] DUARTE I S，TAVARES A A，LIMA P S，et al. Chain extension of virgin and recycled poly(ethylene terephthalate): Effect of processing conditions and reprocessing[J].Polymer Degradation & Stability，2016，124: 26-34.

[4] AWAJA F，PAVEL D. Recycling of PET [J].European Polymer Journal，2005，41(7): 1453-1477.

[5] 孫昊，王銳，朱志國，等.阻燃共聚醚酯的制備及性能研究[J].北京服裝學院學報(自然科學版)，2014，34(4): 13-19.

[6] 公安部四川消防研究所，上海阿姆斯壯建筑制品有限公司.建筑材料可燃性試驗方法：GB/T 8626—2007[S].北京: 中國標準出版社，2008.

[7] 公安部四川消防研究所.鋪地材料的燃燒性能測定輻射熱源法：GB/T11785—2005[S]. 北京: 中國標準出版社，2006.

[8] 公安部四川消防研究所.材料產煙毒性危險分級：GB/T 20285—2006[S] . 北京: 中國標準出版社，2006.

[9] 柯勤飛，靳向煜.非織造學[M].上海: 東華大學出版社，2016: 215.

[10] 沈新元．高分子材料加工原理[M].北京: 中國紡織出版社，2000: 137-148.

[11] 郭增革，李健，程博聞，等．壓力對PET/PA6共聚物流變行為的影響[J].高分子材料科學與工程，2014，30(1): 53-57.

[12] 崔寧，原玲，王玥，等.對聚酯切片流變行為的研究[J].紡織科學研究，2002(3): 36-40.

[13] 謝晶曦，常俊標，王緒明．紅外光譜在有機化學和藥物化學中的應用[M]．北京: 科學出版社，2001：79-88.

[14] 胡皆漢，鄭學仿.實用紅外光譜學[M]．北京: 科學出版社，2011: 342-351

[15] 公安部四川消防研究所，中國阻燃學會，中國紡織科學研究院，等. 公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識: GB 20286—2006 [S]. 北京: 中國標準出版社，2006.