廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈的質量比優化及其保溫性分析

李 楨，張 勇，陸琳玲，張陸賢

(1.安徽職業技術學院 紡織服裝學院，安徽 合肥 230011；2.廣德天運新技術股份有限公司, 安徽 宣城 242200)

我國是紡織品生產和消費大國，隨著紡織品生產量的劇增，其使用周期被大大縮短，導致廢舊紡織品呈“幾何式”增長[1]。2018年，我國已累計產生廢舊紡織品超2億t，化學纖維類占50%左右[2]。廢舊紡織品主要來源于衣物和其他產業用紡織品，紡織工業的快速發展導致生產原料嚴重匱乏，廢舊紡織品增多使環境問題更加嚴重。據報道[3-4]，我國廢舊紡織品綜合利用率不足5 %。除極少量的廢舊紡織品被回收重新利用外，普遍采取的處理方法是焚燒和填埋。因此需要對廢舊紡織品加以充分利用，使其產生更大的社會經濟價值和綠色效應。目前廢舊紡織品有能量回收、物理回收和化學回收等方法[5-7]，能量回收是將廢舊紡織品焚燒產生熱能，主要針對無法再循環利用和無價值的廢舊紡織品?；瘜W回收是將廢舊紡織品降解為合成原料，加以重新開發利用，當前該方法成本較高、工藝復雜。物理回收是對廢舊紡織品分離后重新利用，或改變其形態制備成初級原材料的回收再利用方法，此方法節能、環保，目前在紡織行業應用最普遍。物理廢舊技術開發的纖維原料可用于紡長絲、填充、非織造等，開發產品主要用于紡織服裝、吸附材料、纖維氈墊等領域。纖維氈墊材料具有質輕、孔隙率高、韌性好和形變可裁剪性能優異等熱點，被廣泛應用于汽車內飾、隔音隔熱和工程用保溫材料等[8]。保溫紡織品材料的發展趨勢是纖維的輕量化和環?；?，開發一種綠色、環保、輕質的高效保溫材料可緩解地球能源危機和環境污染問題。研究[9]發現，楊樹絨毛纖維，即楊絮纖維類似天然棉花纖維，其中徑向中空面積約占其橫截面的80%～90%，被稱為地球上最好的中空纖維之一，由于其特殊的中空結構使纖維的孔隙率比其他天然纖維大很多，是一種理想的保溫纖維。楊絮纖維在與其他化學纖維少量共混的情況下，具有更好的保溫效果[10]。

本文為得到一種綠色、環保的輕質保溫材料，利用廢舊滌綸短纖維和楊絮纖維共混，通過針刺工藝制備高效保溫的纖維氈材料。首先分析楊絮纖維的成分和微觀形貌，再采用正交試驗分析纖維質量比、廢舊滌綸短纖維截面孔數和纖維氈面密度對纖維氈保暖性能的影響，得到保暖性較佳時廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維的質量比，為開發保溫紡織品材料提供一種新方法。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和儀器

試驗材料：楊絮纖維，線密度為(1.85±0.20)dtex，長度4～5 cm(安徽合肥市植物園5年楊樹)；截面為4、5、6和7孔的廢舊滌綸短纖維，長度7～8 cm，線密度(2.66±0.27)dtex(安徽信德化纖有限公司)；棉纖維，線密度2.1 dtex(安徽亮亮紡織有限公司)。

試驗儀器：YG(B)606D型平板式保溫儀(溫州大榮儀器有限公司)，S-4800型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，HX101-5型電熱鼓風烘干箱(上海一恒科技有限公司)，ZC-1020型針刺小樣機(臨沂悅龍無紡設備有限公司)。

1.2 廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈的制備

將不同用量的廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維共混得到纖維氈原料，采用針刺密度150刺/m2，針刺深度6 mm的固定針刺工藝，試驗保持統一的工藝參數，經開松、梳理、交叉鋪網、預針刺、主針刺等工藝流程后，制備出廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈。

1.3 性能測試

1.3.1 纖維形貌測試

將纖維樣品黏在導電膠上，噴金，置于電鏡設備中觀察纖維表面和截面，電壓為3 kV，溫度20 ℃，相對濕度65%。

1.3.2 纖維氈保溫性能測試

將制好的試驗樣品置于YG(B)606D型平板式保溫儀內，試驗板及底板和周圍的保護板均控制相同的溫度，測試時使試驗板的熱量只能通過試樣方向散發，由電腦測定試驗板在一定時間內保持恒溫所需要的加熱時間，并計算保溫率、傳熱系數和克羅值[9]。

式中：Q為樣品保溫率，%；Q1為試驗板無試樣散熱量，W/℃；Q2為試驗板有試樣散熱量，W/℃；Ubp為無試樣時試驗板傳熱系數，W/(m2·℃)；U1為有試樣時試驗板傳熱系數，W/(m2·℃)。

2 試驗結果與討論

2.1 纖維形貌分析

楊絮纖維和棉纖維的形貌觀察結果見圖1。經過對比觀察可以看出，2種纖維橫截面、縱向形態存在一定差異。圖1(a)可以看出，棉纖維呈天然中空結構，纖維內部可充滿大量導熱系數較低的空氣，從而使得纖維保溫性能提升。研究已證實棉纖維的中空結構使其具有很好的保溫、保暖效果[11]。圖1(b)中楊絮纖維具有比棉纖維更高的中空結構，從而賦予其更好的保溫性能。同時在縱向結構圖1(c)(d)中，可以看出棉纖維較為細長，具有不規則轉曲的帶狀結構，而楊絮纖維呈現光滑的圓柱形結構，該結構更有利于纖維中存儲大量空氣，從而使得楊絮纖維高效保溫性能更持久穩定[12-13]。

圖1 棉纖維與楊絮纖維橫截面、表面電鏡照片

2.2 纖維氈制備單因素試驗

2.2.1 滌綸短纖維/楊絮纖維質量比對纖維氈保溫性能的影響

取6孔廢舊滌綸纖維與楊絮纖維按所設計的質量配比進行共混，通過針刺工藝制作纖維氈，對纖維氈的保溫指標進行測試，纖維氈面密度恒定為80 g/m2，測試數據如表1所示?？梢园l現，纖維氈中楊絮纖維占比越高，纖維氈的保溫性能越好。這主要是因為楊絮纖維具有較高的中空度，可以使纖維中儲存大量靜止的空氣，從而使纖維具有優異的保暖性，當共混纖維中楊絮纖維含量不斷增加，其纖維氈的保溫效果也在不斷提升[14-15]。但當滌綸短纖維/楊絮纖維質量比為6∶4時，繼續增加楊絮纖維含量，此時纖維氈保溫性能變化不大。因此后續正交試驗以滌綸短纖維/楊絮纖維質量比為6∶4附近進行。

表1 滌綸短纖維/楊絮纖維不同質量比對保溫性能的影響

2.2.2 纖維氈面密度對纖維氈保溫性能的影響

取6孔滌綸與楊絮混合，保持滌綸短纖維/楊絮纖維質量比為6∶4，改變纖維氈的面密度，對纖維氈的保溫指標進行測試，試驗結果如表2所示。可以看出，在一定范圍內，隨著纖維氈面密度的增加，其保溫率不斷提高。當纖維氈面密度達到80 g/m2時，其保溫性能達到較佳水平，保溫性能不再發生較大變化。因此后續正交試驗以80 g/m2附近進行面密度的水平設置。

表2 纖維氈面密度對保溫性能的影響

2.2.3 滌綸纖維截面孔數對保溫性能的影響

取不同截面孔數的廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維混合，使制成纖維氈樣品的面密度為80 g/m2，滌綸短纖維與楊絮纖維質量比為6∶4，對纖維氈制品的保溫指標進行測試，滌綸短纖維截面孔數對纖維氈保溫性能影響結果如表3所示?？梢钥闯?，在一定范圍內，隨著廢舊滌綸纖維截面孔數的增加，纖維氈保溫率不斷提高。當廢舊滌綸纖維截面孔數達到6個時，其纖維氈保暖性能幾乎不再變化。這可能是由于當共混纖維中滌綸纖維孔數增加到一定程度時，整個纖維的孔隙率基本保持穩定，當繼續增加纖維孔數時，對整個纖維氈的保溫效果影響不大[16]。因此后續正交試驗以“6個”數值附近進行纖維截面孔數水平設置。

2.3 纖維氈制備正交試驗設置

為進一步優化纖維氈性能，選擇滌綸短纖維/楊絮纖維共混質量比、纖維氈面密度和滌綸纖維截面孔數作為變化因子，采用正交試驗對纖維氈制備工藝和性能進行分析，正交試驗設計見表4，正交試驗結果見表5。

表4 正交試驗的因素與水平表

表5 正交試驗結果

對正交試驗結果進行極差分析，從極差分析結果可以看出，纖維氈面密度對其保溫性能影響最大，其次是滌綸短纖維與楊絮纖維質量比，廢舊滌綸短纖維的截面孔數影響最小。為進一步分析各因素對纖維氈性能的影響機制，試驗討論了該3因素對纖維氈的克羅值、保溫率、傳熱系數的影響水平。本文試驗中廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈的最優制備工藝為：廢舊滌綸短纖維截面孔數為6個、滌綸短纖維與楊絮纖維質量比為5.8∶4.2、纖維氈面密度為80 g/m2，此時從克羅值、保溫率和傳熱系數3個因素考慮，得到的纖維氈保溫效果最優。

3 結 論

①通過纖維形貌和截面觀察可以看出，楊絮纖維的結構具有類似棉纖維的天然中空結構，纖維的中空度高于棉纖維，使其具有比棉纖維更優異的保溫性能。

②通過正交試驗設計對針刺工藝參數分析，研究發現纖維氈面密度對其保溫性能影響最大，其次是纖維質量比，廢舊滌綸短纖維的截面孔數影響最小。通過正交試驗優化得出保溫效果最優的廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈制備工藝條件為：廢舊滌綸短纖維截面孔數為6個、滌綸短纖維與楊絮纖維質量比為5.8∶4.2、纖維氈面密度為80 g/m2。