EG對服裝用廢舊滌棉織物炭化性能及產率的影響

段 婷

（江西服裝學院，江西南昌 330029）

我國化纖行業主要受原料制約，紡織原材料進口比例增至60%以上，特別是乙二醇（EG）進口比例接近70%，給我國滌綸（PET）工業發展帶來許多不穩定因素［1-4］。實驗發現，在中性環境中處理PET 可將其分解為EG 與對苯二甲酸等小分子，180 ℃時，PET 發生水解得到EG，在250 ℃后獲得最高的EG 回收比，通過聚合把EG 形成聚酯，再對棉纖維進行亞臨界水處理可使其降解得到碳微球［5-9］。

堿類物質不會破壞棉纖維結構，但酸類物質可以分解棉纖維，采用NaOH 分離滌棉混紡織物可以提取棉纖維，實現對PET 以及EG 的重復利用［10-13］。M Goto 等［14］用10%的稀鹽酸在80 ℃下浸泡滌棉混紡織物1.5 h，實現PET 和棉纖維的高效分離，織物內一些棉纖維發生降解并轉變成還原性糖，在降解過程中變成以纖維素為主的棉渣，具備更高的結晶度［14］，PET 的化學成分與力學特性保持基本穩定的狀態，初始模量明顯減小。由于酸會腐蝕破壞設備，有學者選擇黏膠法與銅氨反應，再過濾去除聚酯纖維固體顆粒。段旭琴等［15］選擇EG 醇解工藝處理廢棄衣物，以實現原料回收，對分解后形成的棉纖維組織進行性能測試，結果顯示PET∶EG=1∶3（質量比）可獲得最優效果。控制催化劑用量為0.26%（對PET 質量），升溫至195 ℃后再醇解1 h生成BHET 單體，形成更粗糙的棉纖維，力學強度顯著降低。

為實現廢舊滌棉回收，目前多采用溶解PET 保留棉纖維，但并沒有采用水熱工藝以降解回收的研究報道。本文以棉纖維為原料，研究水熱法降解滌棉混紡織物制備EG，對各項工藝參數進行優化，對比EG 質量分數對棉纖維反應過程的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：滌棉、PET 初生絲、乙二醇、對苯二甲酸、無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸（分析純）。

儀器：KS-120AL 型數控超聲清洗器，SZCL-2 型磁力攪拌器，SHB-Ⅲ型真空泵，BGZ 型鼓風干燥箱，SHA-C 型離心機，FA1400B 型電子天平。

1.2 試樣制備

水洗滌棉，高溫消毒后充分干燥，裁剪成2 mm×2 mm 塊狀，將其與EG 一起加入蒸餾水，攪拌10 min使其混合均勻，放入高壓釜（500 ℃，30 MPa），250～300 ℃保溫8 h，空冷至室溫后，取出試樣分離產物（吸附排出液體，NaOH 溶液溶解固體），再攪拌10 min，真空下實現固液分離，用乙醇清洗抽濾形成的黑色固體，然后放入離心機離心10 min 以去除產物表面的小分子物質，蒸餾水清洗2 次，80 ℃烘干6 h，研磨后得到粉末試樣。

1.3 設計方案

根據滌棉混紡比控制EG 質量分數，具體見表1。

表1 滌棉混紡比與EG 質量分數

1.4 測試

SEM：用JSM-6700F 型掃描電鏡觀察。

C、H、O 質量分數：用varioEL cube 型元素含量測試儀測試。

XRD：用TD-3700型X 射線衍射儀測試。

TG/DTG：用TGA-4000 型熱重測試儀測試。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 SEM

由圖1 可知，未加入EG 時，顆粒形態不均勻，還有一些球形產物。加入EG 后形成具有不同微觀結構的炭化物，提高EG 質量分數，球形產物數量減少。30%時，已看不到球形碳產物，形成不規則分布的顆粒。繼續提高EG 質量分數引起明顯的碳產物聯結。水熱反應恒溫時，加入EG 會降低反應釜內部壓力，整個系統能量更低，溶液內的H+數量減少。棉纖維分子鏈在水溶液中無法完全水解，大部分發生斷裂后形成多糖等結構，炭化物形成尺寸更大的顆粒。加入更多EG 后，表面張力更大，溶液黏度更高，阻礙各成分的遷移，水解階段形成的低聚糖以及小分子擴散難度增大，只能發生脫水炭化反應，出現明顯團聚與粘連，生成許多顆粒較大的炭化物。

圖1 不同EG 質量分數下棉纖維炭化的SEM 圖

2.1.2 XRD

由圖2 可看出，纖維素橫向上形成了(101)和(002)2 個晶面衍射峰，縱向上形成了(040)晶面衍射峰。EG質量分數小于10%時，棉纖維未產生特征衍射峰，只在34°處形成低強度饅頭峰，可以推斷把棉纖維浸入EG 水溶液內260 ℃高溫反應6 h 后，組織結構已經發生變化，存在明顯的炭化反應，形成的水熱焦炭也未達到很高程度的結晶狀態，大部分都形成無定形碳；EG 質量分數大于30%時，棉纖維形成明顯的特征衍射峰，說明未完全炭化，結晶度降低；50%時，高壓釜中的壓力小于2 MPa，整個系統以低能量狀態存在，黏度較大，不會對棉纖維分子結構造成明顯的破壞，阻礙水解炭化過程，可大部分保留其原有的晶體結構。

圖2 不同EG 質量分數下棉纖維炭化的XRD 圖

2.1.3 TG/DTG

由圖3 可以看出，當EG 質量分數為0%、30%時，棉纖維水熱焦炭的TG 變化趨勢相近，均發生3 個失重過程。其中，在最初階段（30～168 ℃），碳產物中部分水分揮發，只出現少量失重（失重率約為1%）；168～320 ℃時，碳產物出現揮發分脫除。在棉纖維中加入EG 得到的水熱焦炭獲得了更高的分解溫度（接近540 ℃），遠超純棉纖維水熱碳產物的最高分解溫度（485 ℃），但固體殘留率比純棉碳產物低。加入EG 后水熱炭化，熱解結束后依然有近50%的固體殘留，碳產物具有良好的熱穩定性。

圖3 不同EG 質量分數下的TG/DTG 曲線

2.2 C、O 質量比

由表2 和圖4 可以看出，當EG 質量分數增加時，C、O 質量比出現拋物線增長。EG 質量分數較低時，隨著EG 質量分數提高，C 質量分數也升高，而O 質量分數則相反，其中，EG 質量分數為30%時，碳產物中出現最高質量分數的C 元素（81.2%）。這是由于棉纖維在水熱環境中脫水炭化，同時還有一些EG 通過脫水在碳產物表面接枝，使水熱焦炭中形成更高質量分數的C。超過30%時，進一步提高EG 的質量分數，C質量分數減小，O 質量分數反而增大。隨著EG 質量分數提高到50%時，C 質量分數迅速減小為66.3%，表明棉纖維未全部炭化，與XRD 結果一致。EG 質量分數太高時，整個體系黏度更高，能量降低。

表2 不同EG 質量分數下的元素分布

圖4 不同EG 質量分數下C、O 質量比

2.3 熱值

由圖5 可知，當EG 質量分數增加時，焦炭熱值增大；30%時焦炭熱值達到最大（32.1 MJ/kg）；50%時焦炭熱值最小。這是因為EG 質量分數提高時，體系中的水質量分數降低，自生壓力減小，溶液黏度更高，棉纖維更難脫水炭化，C質量分數降低，熱值降低。

圖5 不同EG 質量分數下焦炭熱值

2.4 產率

由表3 可知，溫度上升時，碳產率先降低后略微增大再降低。原因是220～230 ℃時，棉纖維主要以水解形式形成可溶性有機物，只有少部分脫水炭化，大部分含氧官能團依然存在，即使產物數量減少，但質量很高；240～280 ℃時，棉纖維以脫水炭化為主，整體質量降低；繼續升高溫度，含氧官能團不斷往周邊擴散，以獲得更高的質量；280 ℃后整個體系能量狀態很高，一些不穩定小分子裂解后脫離，質量降低。

表3 不同反應溫度下EG/棉炭化體系碳產率

3 結論

（1）加入EG 的廢舊棉纖維形成不同微觀結構的炭化物。EG 質量分數增加，球形產物數量減少，碳產物出現聯結，C、O 質量比出現拋物線增長。

（2）加入EG 的廢舊棉纖維形成更高的焦炭熱值，當EG 質量分數為30%時，對應最大焦炭熱值為32.1 MJ/kg。熱解結束后，碳產物的熱穩定性良好。

（3）溫度上升時，碳產率先降低后增大再降低；280 ℃后整個體系達到很高的能量狀態，一些不穩定小分子裂解后脫離，質量降低。