強(qiáng)靜電吸附分離滌綸與粘膠混合纖維的研究

巫瑩柱，楊鳳錦，楊子航，何益宏，梁雅瑤

（1.五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.廣東省紡織新材料及產(chǎn)品協(xié)同創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣東 中山 528445；3.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

據(jù)國際先鋒報報道，全球在服裝與紡織品上的總支出已超過一萬億美元，每年產(chǎn)生了大量的廢舊紡織品，僅2012年就已達(dá)4 000萬噸[1].大量的廢舊紡織品大部分被當(dāng)作垃圾掩埋、焚燒，由此產(chǎn)生的有害氣體和難降解物質(zhì)既污染了環(huán)境，又造成了資源浪費(fèi).紡織品原料緊缺導(dǎo)致的價格上漲和廢舊紡織品的處理問題成為當(dāng)今世界紡織工業(yè)面臨的兩大問題.世界各國都紛紛出臺有效、持久的政策措施，我國在“十二五規(guī)劃中”提出“建立廢舊紡織品回收體系，研發(fā)廢舊紡織品綜合利用共性關(guān)鍵技術(shù)”的目標(biāo)，但目前化學(xué)分解降解法分離回收效率低、成本高[2-6]，本文首次提出采用強(qiáng)靜電吸附的物理方法分離粘膠/滌綸混合纖維，以期為混紡產(chǎn)品的使用、處理尋找除圖像處理法[7-9]外的另一種綠色環(huán)保方法，并為混紡織物的分離回收再利用產(chǎn)業(yè)化提供參考.

根據(jù)靜電吸附相關(guān)理論與研究[10-13]，由于粘膠纖維和滌綸纖維的回潮率相差很大（滌綸0.4%，粘膠13%），故它們在電場中的介電常數(shù)差異也大（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、電場頻率1 000 Hz時，滌綸為2.3，粘膠為8.4）.這將導(dǎo)致在靜電場中粘膠纖維和滌綸纖維被極化的程度、速度和強(qiáng)度差異大，兩種纖維在電場中受力飛升的難易程度不同，據(jù)此實(shí)現(xiàn)粘膠纖維和滌綸纖維的物理分離與回收.基于此，本文通過實(shí)驗(yàn)，獲得了單組分滌綸纖維和粘膠纖維飛升電壓、極板距離和通電時間等最佳分離效率的工藝參數(shù)，再對二者的混合纖維樣品進(jìn)行分離回收驗(yàn)證.

1 實(shí)驗(yàn)器材

1.1 儀器設(shè)備

靜電植絨機(jī)(L2000W，中山市金眾靜電設(shè)備有限公司)、自制的亞克力板纖維分離箱、萬分之一電子天平（AL-204，梅特勒-托利多儀器公司）、體視鏡（KFN-018A，江門市夸福納米儀器研究院有限公司）.

1.2 材料

滌綸（白色）纖維和粘膠（黑色）纖維若干克，纖維長度均為0.6 mm，經(jīng)過處理后，滌綸回潮率為1%，粘膠回潮率為10%，粘膠纖維的導(dǎo)電性等指標(biāo)需符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（FZ/T 64013—2008，靜電植絨毛絨）.

本實(shí)驗(yàn)所用纖維以及其電著處理配方由江門市融心毛絨有限公司提供.

2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

2.1 纖維的電著處理

電著處理是絨毛生產(chǎn)的一道關(guān)鍵工序，絨毛的分散性、導(dǎo)電性和在靜電場中的飛升性能將直接影響植絨成品的外觀、密度和植絨強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)所用工藝配方及條件如下：

1）配方：氯化鈉（8%）、分散劑S（4%）、 硅酸鈉（15%）、誘電劑A（3%）.為了有利于粘膠纖維的飛升和混合纖維的同時處理，對滌綸纖維的處理與粘膠一樣[14].

2）電著處理工藝：處理溫度60°C，浴比40：1，時間30 min.

2.2 單組分纖維飛升工藝參數(shù)優(yōu)化

1）工藝參數(shù)：分離電壓從25 V到75 V，極板距離從15 cm到45 cm，通電時間從15 s到45 s.

2）纖維樣品：粘膠纖維和滌綸纖維樣品各1g.

3）實(shí)驗(yàn)過程：稱取1g纖維樣品，稱表面貼有雙面膠的回收板的空板質(zhì)量M0；用40目篩網(wǎng)篩分，將纖維分散均勻、薄薄鋪在底端電極板上；調(diào)節(jié)電場電壓和極板距離，接通電源，控制通電時間，纖維兩端極化帶電，在電場中受到向上的電場力而轉(zhuǎn)向排列、起飛，最終纖維垂直有序粘附到表面貼有雙面膠的回收板；稱量回收板和纖維共同質(zhì)量M1，計算單纖維的回收量：ΔM=M1-M0.

2.3 滌/粘混合纖維的分離

1）如圖1所示的裝置，底端電極接靜電發(fā)射器的正極，頂端電極接地作為負(fù)極，在頂端電極板下方并與之平行放置的1塊表面涂有粘附膠的回收板.混合纖維鋪撒在底端電極板上被快速極化感應(yīng)帶電.由于粘膠的回潮率比滌綸的大很多，經(jīng)電著處理后，粘膠表面所帶離子多，在電場中的介電常數(shù)更大，導(dǎo)致粘膠纖維在靜電場中的感應(yīng)電荷分布到纖維兩端的極化程度、速度和強(qiáng)度大，受電場力大，飛升更容易，從而實(shí)現(xiàn)了和滌綸纖維的物理分離.

2）纖維樣品：粘膠和滌綸的纖維各0.5g，混合纖維樣品共重1g.

3）實(shí)驗(yàn)過程：稱回收板和混合纖維共同質(zhì)量M1的操作和前面單組分纖維實(shí)驗(yàn)相同，計算部分有差異.將回收板移至體視鏡下，放大250倍進(jìn)行觀測，根據(jù)“S”型逐行巡回觀測回收板，用小鑷子將白色的滌綸纖維仔細(xì)剔除并收集，稱重得到滌綸纖維回收量ΔM1，再稱回收板和剩余纖維的共同質(zhì)量M2，計算粘膠纖維回收量：ΔM2=M2-M0.

3 結(jié)果與討論

3.1 電壓對單組分纖維飛升量的影響

保持電場極板間距離為15 cm，通電時間為30 s，電壓控制為25 V、37.5 V、50 V、62.5 V和75 V，分別測定粘膠纖維和滌綸纖維的飛升量，測試結(jié)果如圖2所示.

圖2 電場電壓對單組分粘膠纖維和滌綸纖維飛升量的影響

實(shí)驗(yàn)顯示，接通電源后，踩下腳踏控制器，粘膠能迅速極化帶電，從下極板迅速飛升并被吸附到回收板上；而滌綸纖維難以飛升，其飛升量極少.從圖2看出，電壓為25 V時，粘膠纖維和滌綸纖維的飛升量都很低；當(dāng)電壓升高到50 V時，粘膠纖維的飛升量快速增加；電壓增加到75 V時，粘膠纖維飛升量繼續(xù)增加，但是增加比較平緩；而滌綸纖維飛升量一直很低.本實(shí)驗(yàn)中樣品切取平均長度為0.6 mm，但有少部分纖維比該長度長（根據(jù)現(xiàn)有理論：纖維越長，需施加的電壓越大），為確保盡可能多的粘膠纖維能順利飛升分離，本文優(yōu)選電場電壓50 V.

出現(xiàn)粘膠纖維和滌綸纖維飛升差異大的原因是：經(jīng)過電著處理的粘膠纖維，回潮率高、表面導(dǎo)電性好，且粘膠橫截面是鋸齒狀，表面積大、帶電量多，粘膠纖維很快在電極板上實(shí)現(xiàn)極化；相反，滌綸纖維表面電阻大、極化緩慢、電荷遷移難.因此，粘膠纖維受到的電場作用力遠(yuǎn)大于滌綸纖維，在靜電場中，粘膠纖維快速起飛并飛升到回收板.

3.2 極板距離對單組分纖維飛升量的影響

保持電場電壓為50 V，通電時間為30 s，調(diào)節(jié)電場極板距離分別為15 cm、22.5 cm、30 cm、37.5 cm和45 cm，測定粘膠纖維和滌綸纖維的飛升量，測試結(jié)果如圖3所示.

從圖3看出，電場電壓50 V、通電時間30 s時，極板距離的變化對滌綸飛升量影響不大；而極板距離為15 cm時，粘膠的飛升量最大，達(dá)到很高的分離度；隨著極板距離增加，粘膠飛升量快速下降；故優(yōu)選極板距離為15 cm.從圖3還可看出，當(dāng)極板距離為30 cm時，飛升分離出現(xiàn)拐點(diǎn)（此時電場強(qiáng)度為2.5 V/cm），僅少部分處于表層、沒有受到其他纖維疊壓的粘膠在電場力作用下能克服纖維重力而飛升；大部分處于底層的粘膠，由于受到上層纖維的疊壓，且電場力小不足以克服壓力和重力使其豎直并飛升.

圖3 電場極板距離對單組分粘膠纖維和滌綸纖維飛升量的影響

3.3 通電時間對單組分纖維飛升量的影響

保持電場電壓50 V、電場極板距離15 cm，控制通電時間分別為15 s、22.5 s、30 s、37.5 s和45 s，測定粘膠纖維和滌綸纖維的飛升量，測試結(jié)果如圖4所示.

從圖4看出，只要電場強(qiáng)度足夠、極板距離適合，粘膠纖維即可實(shí)現(xiàn)快速飛升，此時延長通電時間已經(jīng)無效；而滌綸纖維由于表面電阻大、電荷遷移緩慢、極化緩慢，故電場作用力小，無法克服重力作用和扭轉(zhuǎn)作用，其飛升量一直很少；所以優(yōu)選通電時間為15 s.出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：在底端極板上鋪放的粘膠纖維分散而且量少，層壓堆疊程度不嚴(yán)重，在較大電場下，粘膠纖維表面濕度大、導(dǎo)電性好、電荷遷移極快能快速實(shí)現(xiàn)極化，故幾乎所有纖維都快速從平躺狀態(tài)變成豎直狀態(tài)，并快速飛離底端電極板.

3.4 較優(yōu)工藝下混合纖維的分離

通過前面單組分纖維的分離回收實(shí)驗(yàn)，得出較優(yōu)的分離工藝：電壓50 V、極板距離15 cm和通電時間15 s.為了進(jìn)一步驗(yàn)證該工藝對粘膠纖維和滌綸纖維混合樣品的分離回收效果，本實(shí)驗(yàn)分別稱取2個試樣，每個試樣中粘膠纖維0.5 g、滌綸纖維0.5 g；對該粘膠和滌綸的纖維混合樣品進(jìn)行分離回收；采用體視鏡對粘附到回收板上的纖維進(jìn)行觀測，放大倍數(shù)為2000倍，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可清晰看出，由于雙面膠的含膠層很薄，原來垂直粘附的纖維在蓋玻片擠壓下，都倒伏在粘附膠膜上；在回收板上纖維分散均勻，且絕大部分是黑色的粘膠，白色的滌綸纖維所占比例極低.這表明滌綸和粘膠纖維分離效果良好.

測定各纖維的回收量，并計算分離度.分離度用粘膠纖維的回收質(zhì)量除以滌綸纖維的回收質(zhì)量計算得到，分離度越大，表示分離效果越好.測試結(jié)果如表1所示.

表1 粘膠和滌綸纖維靜電分離回收效果

從表1可知：粘膠纖維質(zhì)量占比98.8%，滌綸纖維質(zhì)量占比1.2%，滌綸和粘膠的分離效果達(dá)到了預(yù)期值.

為提高粘膠纖維和滌綸纖維在電場中的分離度，本實(shí)驗(yàn)特意設(shè)計以粘膠處理工藝同樣處理滌綸，使其電著程度弱、飛升效果差.

從表1看出，單組分纖維飛升回收后，粘膠纖維質(zhì)量占粘膠與滌綸質(zhì)量總和的98.6%；混合纖維樣品分離回收后，粘膠纖維質(zhì)量占兩者質(zhì)量總和的98.8%，這與單組分纖維分離效果很接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面單組分纖維分離回收實(shí)驗(yàn)是成功的，實(shí)驗(yàn)設(shè)想是可行的，達(dá)到了預(yù)期效果.由于分離箱體積較大，在靜電場中，底端電極板上的粘膠纖維大部分飛升到回收板上的粘附層，但仍有極少部分還漂浮在分離箱的其他空間，未能全部粘附到回收板上；而滌綸纖維絕大部分還停在電極板上，少部分粘附在回收板上或漂浮在分離箱的空間中，這是造成分離回收過程中一部分纖維丟失的原因.

4 結(jié)論

本文中，滌綸和粘膠混合纖維的靜電吸附分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果和單組分纖維靜電吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，粘膠纖維和滌綸纖維的分離度高，達(dá)到了預(yù)期分離效果，該方法為各種廢舊混紡紡織品的物理分離提供了一條新穎、環(huán)保、高效的途徑，可應(yīng)用該方法對混紡產(chǎn)品的成分進(jìn)行定量分析.未來還需考察纖維長度、環(huán)境濕度對纖維飛升量的影響，并需對纖維在靜電場中的充放電動力學(xué)和飛行規(guī)律進(jìn)行深入研究.