超短廢棄羊毛纖維濕法非織造布的制備

李 艷,張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,以資源、能源消耗為主的工業(yè)發(fā)展迅速,然而高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1].因此,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注于解決工業(yè)化生產(chǎn)所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題[2].廢棄羊毛紡織品的來(lái)源包括[3]:來(lái)自紡紗、織造和成品生產(chǎn)加工的各道工序;來(lái)自廢舊的紡織品[4].殷強(qiáng)鋒等[5]用化學(xué)降解法將廢棄羊毛分解成多肽,充分利用了蛋白質(zhì)資源.李聞欣等[6]在前者基礎(chǔ)上用水解法從廢棄羊毛中提取了寶貴的胱氨酸.彭路路等[7]用單因素法使廢棄羊毛充分吸附水中六價(jià)鉻離子,以廢治廢,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙贏.劉造芳等[8]用針刺法將山羊毛和其他纖維混合制備出性能較好的針刺地毯.劉可欣等[2]、陽(yáng)葉等[9]用濕法非織造工藝分別將玄武巖纖維、玻璃纖維制成非織造產(chǎn)品,拓寬了二者的應(yīng)用領(lǐng)域.錢程[10]、孫聆芳[11-12]、王中珍[13]、鄭來(lái)久[14]用濕法非織造工藝分別將超短純滌綸纖維、亞麻、黃麻、紅麻制成非織造布,測(cè)試性能均優(yōu)良.而利用濕法非織造生產(chǎn)方法將廢棄羊毛制成非織造布的研究和報(bào)道罕見.

濕法非織造布是把分散、打漿過(guò)的纖維經(jīng)過(guò)沉積、濾水等工藝制成纖維網(wǎng),經(jīng)烘干等一系列生產(chǎn)工藝,加工而成的一種紙狀的非織造布,具有成本低、生產(chǎn)工藝流程短,生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[15-16].可用于食品工業(yè)用濾材、醫(yī)療衛(wèi)生、過(guò)濾行業(yè)等[17].超短廢棄羊毛在長(zhǎng)度上符合濕法非織造工藝的要求,所用纖維特征也符合濕法對(duì)原料的要求,所以文中嘗試用濕法非織造生產(chǎn)技術(shù)將超短廢棄羊毛制成非織造布,不僅可以節(jié)約寶貴的羊毛資源,還能物盡其用、解決污染環(huán)境問(wèn)題.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料 超短廢棄羊毛纖維(長(zhǎng)度1～4 mm左右,直徑18 μm,來(lái)源于紡織羊毛品加工過(guò)程中產(chǎn)生的飛花、落花、超短纖維).

1.1.2 試劑 分散劑(聚氧化乙烯,分子量800萬(wàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%);增稠劑(羧甲基纖維素鈉,質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%);稀鹽酸(調(diào)節(jié)pH值為3);黏合劑(聚乙烯醇,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，3%，4%,50 mL).

1.1.3 儀器 902201型濕法纖網(wǎng)快速成型儀(德國(guó)HG公司);202-3A型烘箱(中國(guó)萊州市電子儀器有限公司)；BG-200A電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；YG141D式織物厚度儀(溫州方圓儀器有限公司);YG4612型全自動(dòng)透氣性能測(cè)試劑(萊州市電子儀器有限公司)；YG026D-1000電子強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)；PSMH65孔徑儀(德國(guó)TOPAS公司).

表 1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level

1.2 制備

1.2.1 纖維懸浮液最優(yōu)方案的確定 纖維懸浮液的制備是非織造濕法加工過(guò)程中最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié),而懸浮液中纖維的均勻分散又是懸浮液制備的關(guān)鍵因素．采用正交試驗(yàn)[18]確定懸浮液的最佳方案.分散劑、增稠劑、pH值是影響超短廢棄羊毛纖維懸浮液的重要因素,因此以其為三因素,每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，方案見表1.

1.2.2 超短廢棄羊毛纖維濕法非織造布的制備 利用正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)方案來(lái)配置纖維懸浮液.取1 L的去離子水于容器中,加入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的聚氧乙烯溶液和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的羧甲基纖維素鈉溶液,用玻璃棒攪拌使其在容器中與去離子水充分混合.然后稱量處理好的超短廢棄羊毛3 g,加入容器中,用玻璃棒攪拌使其充分潤(rùn)濕,最后用稀鹽酸調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至4,懸浮液配置完成.在濕法纖網(wǎng)快速成型儀上制備纖維網(wǎng),手動(dòng)操作表盤完成操作,然后對(duì)形成的多個(gè)纖維網(wǎng)進(jìn)行不同濃度黏合劑的粘合,烘干(80 ℃,1.5 h)得到濕法非織造布樣品黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，3%，4%時(shí)所得樣品分別為D1,D2,D3,D4.

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 表觀質(zhì)量測(cè)試 根據(jù)GB/T24218.1—2009紡織品 非織造布試驗(yàn)方法第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定,在電子天平上測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黏合劑所得樣品的平方米克重，樣品直徑為200 mm.

根據(jù)GB/T24218.2—2009紡織品 非織造布試驗(yàn)方法第2部分:厚度的測(cè)定，在厚度儀上測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黏合劑所得樣品的厚度，樣品直徑為200 mm的樣品.每組測(cè)量10組數(shù)據(jù),求平均值.

表 2 因素水平正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理Table 2 Factor horizontal orthogonal experimental data processing

表 3 極差分析表Table 3 Range analysis

1.3.2 透氣性測(cè)試 根據(jù)GB/T5453—1997紡織品 織物透氣性的測(cè)定,分別測(cè)試10塊不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黏合劑所得樣品的透氣率,樣品直徑為200 mm,求平均值.

1.3.3 拉伸強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率測(cè)定 根據(jù)FZ/T60005—1991非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定,測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黏合劑所得樣品的拉伸性能,試樣尺寸為50 mm×200 mm.設(shè)置強(qiáng)力機(jī)的夾持距離為 100 mm,拉伸速度為 100 mm/min,求平均值.

1.3.4 孔徑測(cè)定 根據(jù)ASTME1294—89,測(cè)定不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下半徑為1 cm的圓形試樣的孔徑.在計(jì)算機(jī)上按流程冒泡點(diǎn)→濕態(tài)流動(dòng)→干態(tài)流動(dòng)完成測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維懸浮液最佳方案的確定

評(píng)價(jià)纖維懸浮液分散效果主要依靠產(chǎn)品觀察法、懸浮液觀察法、沉降時(shí)間法3種方法,其中沉降時(shí)間法因簡(jiǎn)便、易于判斷而被廣泛使用[19],因此本文采用此種方法.纖維沉降時(shí)間越長(zhǎng),說(shuō)明纖維絮聚情況越少,纖維分散性越好[20],越有利于均勻成網(wǎng).

表2為因素水平正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,表3為極差分析表.極差R的大小反應(yīng)相應(yīng)因素作用的大小．極差越大,說(shuō)明該因素的變化對(duì)指標(biāo)所造成的影響較大,為主要因素;反之，則為次要因素[19]．從表3可以看出,極差TA>TC>TB,因此分散劑的濃度為影響懸浮液分散性的主要因素,pH值為較次要因素,增稠劑的濃度為次要因素.產(chǎn)品的最佳工藝組合方案為A3B1C2,即分散劑聚氧乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,增稠劑羧甲基纖維素鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%,pH值為4.

圖1為未加任何助劑的羊毛纖維懸浮液即空白方案和最優(yōu)方案配置的懸浮液對(duì)比圖.可以看出空白方案纖維分散不均勻,互相纏結(jié),分散性差;最優(yōu)方案纖維分散成了單根狀態(tài),之間無(wú)任何糾纏且相互交織成網(wǎng)狀態(tài),分散性極好.

2.2 超短廢棄羊毛纖維濕法非織造布的性能測(cè)試

2.2.1 表觀質(zhì)量測(cè)試 測(cè)試數(shù)據(jù)見表4.由表4可以看出,隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,產(chǎn)品的平方米克重增加,但增加幅度不大．這是由于在噴灑等量黏合劑的情況下,黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,產(chǎn)品的質(zhì)量越大,隨之克重增大．

隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,產(chǎn)品的厚度先增大后減小,但整體相對(duì)于D1來(lái)說(shuō)是增大的．一般情況下黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,纖網(wǎng)之間黏結(jié)力越大,纖網(wǎng)越緊密,從而厚度會(huì)減?。瓺1厚度最小,可能是由于黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低,對(duì)纖維粘合不好,部分纖維被粘在了烘燥板上,造成樣品厚度偏薄．隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,厚度逐漸減?。?/p>

2.2.2 透氣性能 由表4可以看出, 隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大, 試樣的透氣率整體在減小.一般情況下, 纖網(wǎng)越緊密,透氣性越差,透氣率也越來(lái)越小.而當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%, 4%時(shí),兩者的透氣率差不多甚至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的更大一些, 這是因?yàn)樵陴ず蟿┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%左右時(shí), 對(duì)纖網(wǎng)來(lái)說(shuō)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和用量已趨于飽和, 當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)再增大時(shí),對(duì)纖網(wǎng)的影響并不明顯, 所以會(huì)出現(xiàn)二者透氣率差不多的現(xiàn)象.

(a) 空白(正) (b) 最優(yōu) (正) (c) 空白(側(cè)) (d) 最優(yōu)(側(cè))圖 1 空白方案與最優(yōu)方案對(duì)比Fig.1 The comparison between the dispersion of blank scheme and the optimal scheme

試樣平方米克重/(g·m-2)厚度/mm透氣率/(mm·s-1)拉伸強(qiáng)力/N伸長(zhǎng)率/% D1106.451.052 66329.93.9 D2112.181.742 52636.84.0 D3126.681.672 00748.25.3 D4140.531.392 01956.65.7

表 5 孔徑測(cè)量結(jié)果Table 5 The results of aperture measurement μm

2.2.3 拉伸性能 由表4可以看出隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,拉伸強(qiáng)力也隨之增大． 這是因?yàn)轲ず蟿┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)越大, 纖網(wǎng)之間的黏結(jié)力越大, 纖網(wǎng)拉伸強(qiáng)力也就越大． 另外還可看出伸長(zhǎng)率的變化與拉伸強(qiáng)力的變化一致, 但是變化范圍很小.

2.2.4 孔徑 測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示.由表5可以看出不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的冒泡點(diǎn), 產(chǎn)品D1的冒泡點(diǎn)最大.平均流量孔徑、 中值孔徑、 模態(tài)孔徑均隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小.主要是因?yàn)殡S著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大, 織物越來(lái)越緊密, 孔徑會(huì)逐漸減小.標(biāo)準(zhǔn)差由大到小為D1>D4>D3>D2,當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí), 孔徑分布最集中, 說(shuō)明試樣的大多數(shù)孔徑值與平均值最接近; 當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%及4%時(shí),孔徑分布最分散,說(shuō)明試樣的大多數(shù)孔徑值與平均值相差很大.

3 結(jié) 論

(1) 利用濕法非織造工藝,可制成性能優(yōu)良的超短廢棄羊毛非織造布.既廢物利用,又避免了污染環(huán)境,還降低了成本.

(2) 通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),得出影響懸浮液分散性的主要因素依次是分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、增稠劑的濃度.配置纖維懸浮液最佳方案為：分散劑聚氧乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%,增稠劑CMC-Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%,pH為4.

(3) 性能測(cè)試結(jié)果顯示,平方米克重、拉伸強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率隨著黏合劑質(zhì)量濃度的增大而增大;厚度、透氣率、模態(tài)孔徑隨其增大而減小.