廢紡纖維氈成型工藝的優化

龍婷 陳慰來 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，利用低熔點滌綸短纖的熱學特性，經消毒處理、機械開松、混合梳理、氣流成網，及熱風黏合工藝制得廢紡纖維氈。設計單因素和正交試驗探討原料配比、熱烘溫度、熱熔時間、成型壓力對其力學性能的影響規律，包括拉伸斷裂強力和頂破強力，通過極差分析各因素對其影響的主次順序，得出當再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點滌綸短纖比例為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時間11 min，成型壓力0.3 MPa時制得的纖維氈性能最為優異，拉伸斷裂強力約為480 N，頂破強力約為1 082 N。

關鍵詞：熱壓;熱風黏合;廢舊滌棉;廢舊紡織品;低熔點滌綸短纖

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

據預測，到2050年，全球紡織纖維加工量將達2.53億噸，隨之產生的廢舊紡織品的數量也在逐年遞增，浪費之余對環境的負面影響也不容小覷[1]。資源匱乏、環境污染是當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緩解資源緊張和節能減排具有重要意義，也是亟待解決的現實問題。目前廢舊紡織品的來源多為生產過程中多余的廢絲邊角料、廢舊過時或某些特定行業的服飾、淘汰的家用紡織品等，其中95%是可重復使用和回收的[2]。比起焚燒、填埋、堆肥等處理方式，回收再利用更加環保，主要包括機械法、物理法、化學法、熱能法[3-5]。

紡織廢料中的纖維仍具有足夠的機械性能，與聚丙烯混合后可生產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，利用真菌培養把廢纖維纏結在一起，并經過后加工處理制備輕質環保的紡織廢料生物復合板。陳遊芳[10]主張利用廢舊紡織品生產空調用隔音隔熱材料，有利于保護環境，又產生經濟效益。

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

1 試 驗

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：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），低熔點滌綸短纖（韓國東麗化工公司）。

試驗儀器：針刺熱軋復合非織造布試驗線（常州市豪峰機械有限公司），DGG-9240B型電熱恒溫鼓風干燥烘箱（上海森信實驗有限公司），MTS Landmark 370.10萬能試驗機（MTS工業系統有限公司），YG606G熱阻濕阻測試儀（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Perkin Elmer公司）。

1.2 樣品制備

1.2.1 工藝參數

廢紡氈成型工藝的參數設計如表1所示，其中原料配比為再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點滌綸短纖的比例。

1.2.2 工藝流程

采用干法成網和熱風黏合聯結工藝進行樣品制備，先將經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合非織造布試驗線，經過如圖1所示的各機構完成機械開松及梳理，最終輸出纖維網。固網方式選擇熱黏合加固，高溫熱風穿透纖維網，低熔點纖維受熱熔融，熔融的聚合物流動至纖維的交叉點處形成黏結狀，在離開烘箱后立即對纖維網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更為牢固，形成的纖維氈結構更加緊密。

1.3 性能測試

厚度：依據GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度測試》。

面密度：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》。

拉伸斷裂強力：依據GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力及斷裂伸長率的測定 條樣法》。

頂破強力：依據GB/T 24218.5—2016《紡織品 非織造布試驗方法 第5部分：耐機械穿透性的測定 鋼球頂破法》。

熱阻、濕阻：依據GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》。

透氣性：依據GB/T 24218.5—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分：透氣性的測定》。

2 結果與討論

2.1 低熔點滌綸短纖DSC分析

圖2所示為低熔點滌綸短纖的差示掃描量熱分析（DSC）曲線，第一個峰值為低熔點滌綸短纖的皮層熔融溫度，范圍為154～163 ℃，峰值為158.47 ℃;第二個峰值為低熔點滌綸短纖的芯層熔融的溫度，范圍為220～232 ℃，峰值為225.01 ℃;當溫度高于246 ℃之后纖維開始熱分解曲線波動。未檢測出低熔點滌綸皮層的玻璃化溫度Tg、結晶溫度Tc，可能與測試時的升溫速率有關，或是測試儀器靈敏度問題，據研究顯示Tg溫度范圍大致在60～80 ℃，根據這些熱學溫度特征，試驗時將溫度參數范圍設定為170～190 ℃。

2.2 各因素對廢紡氈力學性能的影響

2.2.1 原料配比對拉伸斷裂強力、頂破強力的影響

在熱烘溫度175 ℃，熱熔時間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%，改變低熔點滌綸短纖的含量，選擇不同原料配比制得樣品并測試其力學性能。如圖3所示，隨著低熔點滌綸短纖含量從10%增加至50%，材料拉伸斷裂強力及頂破強力都隨之增大。

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，在進行前處理的過程中，經過機械機件的打擊、開松、混合等作用，部分纖維會有不同程度的損傷，與未使用的新纖維相比力學性能稍有下降。加上工藝的特殊性，材料的拉伸斷裂強力主要依靠各纖維之間的纏繞、黏結等加固作用，低熔點滌綸短纖的含量大小就相當于“黏合劑”的使用量。可見當其含量為10%時，材料整體力學性能較弱。低熔點纖維含量越少，則纖維中能形成黏結的點分布越少，固結效果越差，之后隨著低熔點滌綸短纖含量繼續增加，與其他種類的纖維接觸、包裹起來的范圍增大，固結效果加強。但當其含量遠遠大于基體纖維含量時，融化的皮層更多是被其自身消耗，易造成應力集中，在受力過程中，一旦其中的纖維產生斷裂，纖維之間的抱合力消失，會進一步加快斷裂的速度。

隨著原料中低熔點滌綸短纖含量增加，材料頂破強力也不斷變大。由于纖維網鋪裝時采用的層層鋪裝，頂破力是沿著材料厚度方向一層層去破壞每一層的結構，逐步使內部結構擴張分裂，最終出現頂破現象。當低熔點纖維含量較低時，纖維之間產生的黏結作用很小，大部分纖維仍舊處于孤立狀態，彼此之間沒有產生聯系，不能夠達到增強材料頂破強力的作用。當低熔點纖維含量增多時，熔融產生的流體就越多，形成黏結處的數量增加，當其所占比例達到50%時，材料的表面會有肉眼可觀測到的顆粒感，材料整體的手感會偏硬，當其受到頂破強力的破壞時，所需的力便更大，材料的頂破強力更高。

2.2.2 熱烘溫度對拉伸斷裂強力、頂破強力的影響

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

熱烘溫度為150 ℃左右時，具有皮芯層結構的低熔點滌綸短纖芯層性能不發生改變，而皮層逐漸開始軟化，纖維的表面結構變得凹凸不平，隨著溫度進一步上升，熔融程度更加徹底，纖維表面開始變得光滑，直至熔融完全內部的芯層結構全部顯露出來，而皮層受熱形成黏流體在纖維之間流動彌漫，由于其覆蓋和包裹纖維的數量和面積不同，會形成如圖5所示的不同形態的黏結狀，依次為點狀黏結、塊狀黏結、片狀黏結。纖維網受熱的溫度高低決定了黏結的數量和形態，從而影響固結效果，當使用190 ℃的溫度進行熱烘時，廢舊棉纖維受熱發生分解導致結構變化及強力損失，最終制備得到的廢紡纖維氈力學性能有所下降。

如圖6所示依次是在170、175、180、185、190 ℃工藝參數下制得的廢紡氈，使用掃描電鏡觀察不同溫度條件下材料內部纖維之間的黏合狀態。圖6（a）為在170 ℃時，在兩根纖維交叉重疊處形成的主要是點狀黏結，且數量分布還不多，故其力學性能還不夠;圖6（b）為在175 ℃時，溫度升高后，在多根纖維互相重疊、相交的區域開始被黏流體填滿，形成塊狀的黏結;圖6（c）為在180 ℃時，低熔點短纖熔融程度已經很大，流動的范圍更廣，由塊狀轉變成大面積的片狀黏結，纖維被覆蓋住的區域更多;圖6（d）為在185 ℃時，同樣是片狀黏結，但同一塊黏結住的纖維數量和種類更多，材料的整體結構更加穩定;圖6（e）為在190 ℃時多根纖維直接被高溫熔融的黏流體包覆、捆綁在一起，黏結的面積大、分布的數量多。雖然此時的熔融狀態很好，但一方面高溫可能會破壞其他原料纖維結構，產生扭曲變形等，自身力學性能下降，另一方面長時間的高溫熱風焙烘，例如在190 ℃溫度熱烘11 min的條件下，發現表面部分纖維被烘焦，出現褐色的焦狀物，影響材料的力學性能，降低產品的質感。

2.2.3 熱熔時間對拉伸斷裂強力、頂破強力的影響

如圖7所示，當原料配比是20∶50∶30，熱烘溫度180 ℃，成型壓力0.2 MPa的條件下，隨著熱烘時間增加，廢紡氈的拉伸斷裂強力及頂破強力都先增大再減小。當熱烘時間為7 min時，即使此時處于180 ℃的溫度下，但時間過短一方面會導致熔融程度不夠充分，形成的黏結點不夠牢固，另一方面黏流體流動延展的過程也需要一定時間，如果覆蓋范圍還不夠廣，則不能很好地發揮固結纖維的作用，材料力學性能較差。當熱烘時間逐漸增加后，熔融態的“黏合劑”有充分的時間擴散開來，逐漸分布在纖維之間的交叉和空隙處，對于材料整體內部結構起著支撐作用，其力學性能逐漸提高。而長時間的高溫環境，如在180 ℃下熱烘15 min，由于原料中部分纖維結構發生裂解力學性能開始下降。在該組試驗中熱熔溫度為13 min最為適宜，制備得到的材料拉伸斷裂強力、頂破強力最佳。

2.2.4 成型壓力對拉伸斷裂強力、頂破強力的影響

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逐級遞增至0.5 MPa，材料的拉伸斷裂強力和頂破強力的變化都是先隨著成型壓力的增大而增大，達到峰值后再減小。成型壓力主要影響的是熱壓過程中纖維網內部熱量的傳遞路徑，適當的壓 力能促進低熔點纖維的熔體流動，增加纖維與纖維之間的接觸點和接觸面積，加快熱定型的速度，讓材料的結構更加緊實，因此材料所能承受的強力便會提高。而當成型壓力過大時，纖維網被過度擠壓，纖維之間的孔隙空間被擠壓變小，材料內部結構被壓得過于緊密，反而不利于熔體的流動與擴散，浸入的難度大大增加，同時受壓時邊緣的纖維容易往外延展溢出，不僅會造成裁剪時的損耗量，還會減小廢紡氈的平方米克重，使材料中承受應力載荷的主體纖維變少，試驗結果表明成型壓力為0.3 MPa較為適宜。

2.3 成型工藝優化

基于單因素試驗分析，進一步縮小因素水平的范圍，設計正交試驗L9（34）工藝參數表，制備樣品并測試其力學性能，測試結果如表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表示熱熔時間，因素D表示成型壓力，此4個因素均為3水平，括號中的數字代表相應因素所對應的水平數。

力學性能是檢驗非織造布能否投入正常使用的基本指標，材料所能承受的強力大小及受力時的形變能力會直接影響產品的使用效果，故本正交試驗主要針對廢紡氈的拉伸斷裂強力和頂破強力兩個力學性能指標進行優化。通過極差分析探究工藝參數對廢紡氈力學性能影響的主次順序，并得到最優生產方案，分析結果如下表3所示。就材料的拉伸性能而言，因素對其影響主次順序為原料配比>熱烘溫度>成型壓力>熱熔時間，最優方案為A2B3D2C2，與表2中的因素水平相對應，即原料配案為A1B2D1C3，即原料配比為20∶40∶40，熱烘溫度180 ℃，熱熔時間13 min，成型壓力0.2 MPa。

比為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時間11 min，成型壓力0.3 MPa。就材料的頂破性能而言，因素對其影響主次順序同樣為原料配比>熱烘溫度>成型壓力>熱熔時間，最優方針對材料不同的性能指標，所對應的最優生產方案有所不同，為了制得綜合性能最優的廢紡氈，再結合單因素對材料拉伸斷裂強力和頂破強力的影響，且考慮到低熔點滌綸短纖的生產成本問題，決定選擇以拉伸斷裂強力的最優生產方案定為最優方案，即再生滌綸短纖∶廢舊滌棉纖維∶低熔點滌綸短纖的配比為20∶50∶30，熱烘溫度185 ℃，熱熔時間11 min，成型壓力0.3 MPa，在此條件下生產的廢紡氈各項基本性能如下表4所示，材料的基本物理性能優異，拉伸斷裂強力和頂破強力都有所提高，產品質量得到優化。

3 結 論

選用廢舊滌綸纖維、廢舊棉纖維和再生滌綸短纖，經開松、混合、梳理、氣流成網及熱風黏合等工藝制作廢紡纖維氈，探究成型工藝參數對其力學性能的影響，尋求最優工藝方案，得出以下結論：

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

b）熱烘溫度、熱熔時間、成型壓力也會對廢紡纖維氈的力學性能造成影響，影響的主次順序為原料配比>熱烘溫度>成型壓力>熱熔時間。

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

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