廢棄非織造布再利用的前處理及應(yīng)用研究

石素宇 王利娜 辛長征 王杰 宋會(huì)芬

摘 要：鋼鐵、食品等領(lǐng)域廢棄的非織造布逐年增多，這些非織造布大多不可自然降解，這不僅給相關(guān)企業(yè)帶來巨大壓力，也造成了環(huán)境污染。針對這一現(xiàn)象，以鋁帶生產(chǎn)中過濾用的廢棄非織造布為對象，分析了回收再利用的可行性。確定了非織造布的最佳清潔方式，并利用示差掃描量熱測試（DSC）和紅外光譜（FTIR）分析確定其成分。通過二甲苯溶液溶解的方法制備得到再生聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維，并將再生PET纖維與線性低密度聚乙烯（LLDPE）通過熱壓成型技術(shù)制備了PET/LLDPE復(fù)合膜。研究表明，再生PET纖維粗細(xì)均勻，表面光滑，純度較高。與純LLDPE相比，PET/LLDPE復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和模量得到顯著提高。該研究不僅為建材用復(fù)合板材的制備提供理論指導(dǎo)，也為廢棄非織造布再利用提供一條途徑。

關(guān)鍵詞：廢棄非織造布；再生PET纖維；循環(huán)再利用；復(fù)合膜

中圖分類號(hào)：TS174；TQ341

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2018）06-0029-05

Abstract：Recently， the wasted non-woven fabrics from metal， food and other fields have increased greatly. Most of the non-woven fabrics cannot be degraded naturally， which not only brings urgent stress to the related companies but also leads to environmental pollution. In this thesis， the wasted non-woven fabrics used in production of aluminium strip for filtering were utilized to study the feasibility of recycling. The optimum cleaning way was determined and the components of the wasted non-woven fabrics were identified by differential scanning calorimeter （DSC） and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）. The recycled polyethylene terephthalate （PET） fiber was prepared by dissolving in xylene solution， and then used to prepare PET/linear low density polyethylene （LLDPE） composite membranes by the hot compression molding technique. The research showed that the recycled PET fiber is uniform with smooth surface and high purity. The tensile strength and modulus of the PET/LLDPE composite membranes increase significantly compared with those of neat LLDPE. This study not only provides theoretical guidance for the preparation of composite panels for building materials， but also offers a way for reuse of the wasted non-woven fabrics.

Key words：wasted non-woven fabrics； recycled PET fiber； recycling； composite membrane

伴隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，非織造布的生產(chǎn)與消耗也與日俱增，鋼鐵、食品等行業(yè)廢棄的非織造布逐漸增加，廢棄非織造布的回收再利用已經(jīng)是化纖行業(yè)和環(huán)境保護(hù)部門亟待解決的問題。然而，廢棄非織造布并未獲得有效地回收和再利用。這些非織造布少部分經(jīng)過開纖制成隔音氈、汽車內(nèi)飾、大棚保溫棉等，而其中大部分實(shí)施了焚燒作業(yè)或者采用填埋方法，不僅造成大氣污染，占用了大量土地資源，也給相關(guān)企業(yè)和部門帶來壓力。

近年來，廢舊非織造材料和廢舊紡織品的回收再利用已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱門課題[1-5]，一些研究人員針對廢棄非織造布的再生問題進(jìn)行了研究。廢棄非織造布回收再生的辦法主要分為3種，包括物理回收法[6]、化學(xué)回收法[7]和能量回收法[8]。周發(fā)明等[9]將乙二醇（EG）與廢棄的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）紡織品混合，在相應(yīng)催化劑的作用下，利用醇解反應(yīng)原理，制備出PET再生切片。沈經(jīng)緯等[10]、徐祥華等[11]以廢棄的PET瓶片為原料，通過重新聚合、再紡絲的方法制得再生PET纖維。

纖維/樹脂復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、成本低、高強(qiáng)耐磨、抗沖擊、抗腐蝕、耐候、防水、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛地重視和應(yīng)用。本文以鋁帶生產(chǎn)中的廢棄非織造布為研究對象，討論這種廢棄非織造布的最佳清潔方式，并對非織造布成分及不同成分所占比例進(jìn)行分析。通過二甲苯溶解的方法制備了再生PET纖維，并將再生PET纖維與線性低密度聚乙烯（LLDPE）通過熱壓成型技術(shù)制備了不同纖維含量的PET/LLDPE復(fù)合薄膜。與純LLDPE相比，PET/LLDPE復(fù)合薄膜的力學(xué)性能得到顯著提高。這不僅為廢棄非織造布的回收再利用工藝提供理論基礎(chǔ)，也為廢棄非織造布的再利用打開一條途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

鋁帶生產(chǎn)中過濾用的廢棄非織造布（河南鈺達(dá)鋁業(yè)有限公司）；線性低密度聚乙烯（LLDPE）（型號(hào)7042，中國石化股份有限公司）；無水乙醇、二甲苯、氫氧化鈉（NaOH）、鹽酸（HCl），均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

為了得到可靠的測試結(jié)果，制備純度較高的再生纖維，廢棄非織造布分別經(jīng)高壓水洗1 h、先高壓水洗10 min再超聲水洗1 h、先高壓水洗10 min再洗潔精洗10 min、先高壓水洗10 min再超聲酸（2～10 mol/L HCl溶液）洗10 min和先高壓水洗10 min再超聲堿（2～10 mol/L NaOH溶液）洗10 min 5種不同的清洗方式進(jìn)行清潔。

清洗后放于130 ℃烘箱中真空干燥5 h，并通過示差掃描量熱分析（DSC）和紅外光譜測試（FT-IR）鑒定非織造布的成分；基于鑒定結(jié)果，采用二甲苯溶液溶解的方法進(jìn)行非織造布的再生，對再生PET纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和純度進(jìn)行表征；最后，將再生PET纖維與LLDPE通過熱壓成型技術(shù)制備PET/LLDPE復(fù)合膜，研究了再生PET纖維再利用的可行性。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

1.3 DSC測試

采用Q20型示差掃描量熱儀對清洗干凈的廢棄非織造布進(jìn)行測試。稱取5～10 mg樣品于鋁坩堝中，在N2保護(hù)下，以10 ℃/min的升溫速度測試40 ℃到280 ℃的升溫曲線。

1.4 FT-IR測試

采用Nicolet-Is5型紅外光譜儀分析廢棄非織造布的成分。取少量樣品與KBr粉末置于瑪瑙研缽內(nèi)研磨均勻，壓片后進(jìn)行紅外測試。在4 cm-1的分辨率下，掃描32次，測試范圍是400～4 000 cm-1。

1.5 XRD測試

采用D8 ADVANCE型X-射線衍射儀（XRD）測試潔凈廢棄非織造布和再生纖維的晶體結(jié)構(gòu)。工作參數(shù)為：電壓40 kV，電流0.04 A，衍射范圍5°～40°。

1.6 SEM測試

采用Quanta 250型（捷克FEI公司）掃描電子顯微鏡（SEM）在5 kV工作電壓下觀察廢棄非織造布清洗前后的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化和再生PET纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄非織造布的清洗

圖2為廢棄非織造布經(jīng)5種不同清洗方式清洗前后的電子照片。清洗前，廢棄非織造布表面有較多污漬和黑色附著物。經(jīng)高壓水洗1 h后，非織造布表面附著物明顯減少，但是依然有較多污漬；先高壓水沖洗10 min再蒸餾水超聲洗1 h后，非織造布表面與高壓水洗1 h相比，污點(diǎn)減少，但是仍有污漬；采用先高壓水沖洗10 min再洗潔精清洗10 min后的效果與在蒸餾水中超聲洗1 h沒有太大差別；由不同濃度HCl溶液（2～10 mol/L）超聲洗滌10 min后的電子照片可以看出，隨著HCl濃度升高，非織造布表面越來越潔凈，當(dāng)濃度高于6 mol/L，非織造布的清洗效果變化不大，此時(shí)，非織造布表面較為潔凈，與高壓水、蒸餾水、洗潔精3種清洗方式相比清洗效果較好；由不同濃度NaOH溶液（2～10 mol/L）超聲洗滌10 min的電子照片可知，當(dāng)NaOH溶液的濃度達(dá)到6 mol/L時(shí)，非織造布的表面較為潔凈，隨NaOH溶液濃度增大，非織造布的清洗效果變化不大。

綜上，考慮到經(jīng)濟(jì)因素和清潔效果，確定了最佳的清潔方式：先用高壓水洗10 min，沖去表面的浮塵和固體污物，再采用6 mol/L HCl或6 mol/LNaOH溶液超聲波清洗10 min。主要原因在于酸或堿液具有較高的化學(xué)活性，可以與非織造布中的一些雜質(zhì)反應(yīng)，而利用超聲波在液體中的空化作用和加速度作用又促進(jìn)了污物的剝離。

2.2 廢棄非織造布成分的鑒定

圖3為分別采用6 mol/L HCl和6 mol/LNaOH溶液超聲波清洗10 min后廢棄非織造布的DSC升溫曲線，以鑒定非織造布的成分[12]。由圖3可知，兩種不同方式清洗后的非織造布均在165 ℃和250 ℃左右出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的熔融峰，說明廢棄非織造布至少由兩種纖維組成。而PP纖維的熔點(diǎn)范圍為165～173 ℃，PET纖維的熔點(diǎn)范圍為250～260 ℃，可以初步推測，所測廢棄非織造布的成分可能是由PP纖維和PET纖維兩種纖維構(gòu)成。

為進(jìn)一步確定廢棄非織造布的纖維成分，進(jìn)行了FTIR測試[13]，測得的紅外光譜如圖4所示。通過對比圖譜可知，6 mol/L HCl和6 mol/L NaOH清洗后非織造布譜圖均在725 cm-1、1 100 cm-1、1 250 cm-1和1 720 cm-1左右出現(xiàn)4個(gè)較強(qiáng)的特征峰，分別對應(yīng)于苯環(huán)的對二取代、醇或酚中的C—O鍵、醚鍵的C—O、酮或酯中CO的吸收峰。PET紅外光譜的特征峰位置分別在725 cm-1、1 100 cm-1、1 250 cm-1和1 740 cm-1附近，由此可推斷非織造布含有PET纖維，與DSC分析結(jié)果一致。

除了上述4個(gè)特征吸收峰以外，在2 895 cm-1位置附近又出現(xiàn)了一個(gè)比較明顯的伸縮振動(dòng)特征峰，對應(yīng)于—CH3、—CH2—中C—H的振動(dòng)吸收。與PP紅外光譜圖中對應(yīng)的特征峰位置基本相符，結(jié)合DSC測試結(jié)果，推斷另一種纖維成分是PP纖維。

紅外光譜曲線除了PET、PP的特征吸收峰外未出現(xiàn)新的峰，因此，本文采用的廢棄非織造布由PET纖維和PP纖維兩種成分組成。

2.3 再生PET纖維的制備及純度分析

利用二甲苯溶解的方法制備再生PET纖維，具體工藝如下：稱取30 g經(jīng)6 mol/LNaOH溶液清洗后的非織造布于250 mL三頸燒瓶中，加入100 mL二甲苯溶液，于130 ℃回流3 h?；亓鹘Y(jié)束，采用無水乙醇洗滌樣品，并于130 ℃真空干燥5 h即可得到再生PET纖維。通過稱量再生PET纖維的質(zhì)量和溶解前無紡布的質(zhì)量，計(jì)算PET纖維在非織造布中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68.3%。

采用FTIR對再生PET纖維進(jìn)行定性分析。再生PET纖維的紅外光譜只出現(xiàn)PET的特征峰，未觀察到PP的特征峰。為進(jìn)一步確定廢棄非織造布再生纖維的成分和純度，對再生纖維進(jìn)行了XRD測試。圖5為非織造布再生纖維的XRD圖。由圖5，非織造布再生纖維的圖譜分別在17.52°、22.55°、26°附近出現(xiàn)了3個(gè)特征衍射峰，分別對應(yīng)于PET的特征峰衍射，未觀察到PP的衍射峰。由此可知，經(jīng)二甲苯溶解的方法制備的PET纖維純度較高。

2.4 非織造布及再生PET纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

為研究清洗后廢棄非織造布和再生PET纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了SEM測試，見圖6。圖6（a）為6 mol/LNaOH溶液清洗后非織造布的SEM圖，由圖6（a）可知，非織造布由不同粗細(xì)（13 μm和15 μm）的兩種纖維交錯(cuò)排列構(gòu)成，對應(yīng)于PET纖維和PP纖維，纖維呈圓柱狀或扁平狀，纖維表面較光滑，但有一些團(tuán)聚物質(zhì)，這是非織造布中的附著物。由圖6（b）可知，再生PET纖維粗細(xì)均勻，表面光滑，纖維表面團(tuán)聚的雜質(zhì)明顯減少，纖維的直徑約13 μm。這說明采用二甲苯溶液溶解的方法可以將廢棄非織造布中的PP纖維溶解除去，制備得到再生PET纖維，纖維結(jié)構(gòu)沒有損害，所得纖維純度較高可以進(jìn)行再次利用。

2.5 再生PET纖維/LLDPE復(fù)合膜的制備及性能

為了分析再生PET纖維再利用的可行性，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%，0.5%，1%）的再生PET纖維與LLDPE復(fù)合，通過熱壓成型技術(shù)制備厚度為0.2 mm的PET/LLDPE復(fù)合膜。首先，將LLDPE粒料進(jìn)行熱壓成型制備LLDPE薄膜；其次，將再生PET纖維均勻鋪在兩層LLDPE薄膜中間；最后，將LLDPE薄膜和纖維層進(jìn)行熱壓成型制備類似“三明治結(jié)構(gòu)”的PET/LLDPE復(fù)合膜。圖7為再生PET纖維和PET/LLDPE復(fù)合膜的電子照片。為了簡便，不同含量的復(fù)合膜標(biāo)記為x-PET/LLDPE。

圖8為不同纖維含量PET/LLDPE復(fù)合材料典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖8可知，再生PET纖維的加入顯著提高了材料的拉伸性能。PET/LLDPE的拉伸強(qiáng)度和模量得到較大提高，并且隨纖維含量的增加逐漸增加。其中，1-PET/LLDPE的拉伸強(qiáng)度和模量與純LLDPE制品相比分別增加了58.67%和40.97%。將再生PET纖維與熱塑性聚合物復(fù)合可制備一些應(yīng)用于裝飾、建筑、生活中的薄膜或板材。

3 結(jié) 論

本課題以鋁帶生產(chǎn)中廢棄的過濾用非織造布為原料，通過對比5種不同清洗方式，確定廢棄非織造布的最佳清洗工藝是采用6 mol/L HCl溶液或6 mol/L NaOH溶液超聲洗滌10 min。DSC和FTIR測試結(jié)果表明廢棄非織造布由PET纖維和PP纖維組成，PET纖維在非織造布中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.3%。采用二甲苯溶解溶液方法制備了再生PET纖維，纖維粗細(xì)均勻，表面光滑，纖維的直徑約13 μm，純度較高。PET纖維與LLDPE通過熱壓成型制備PET/LLDPE復(fù)合薄膜，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和模量都得到提高。

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