基于碳減排的廢舊棉紡織品增強復合材料研究進展

許 迪，覃 蕊，繆星宇，房寬峻，石 振

(1.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071；2.青島大學 省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國家重點實驗室，山東 青島 266071；3.青島大學 生態(tài)紡織技術(shù)創(chuàng)新研究院，山東 青島 266071；4.青島大學 生態(tài)紡織省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266071)

隨著全球氣候變暖，環(huán)境日益惡化，CO2等溫室氣體的排放量必須減少以緩解氣候問題，“碳減排”即減少CO2等溫室氣體的排放，是我國能源戰(zhàn)略發(fā)展重點。現(xiàn)今人們生活水平的提高，快時尚服飾的興起，紡織服裝產(chǎn)品更新迭代的速度加快，加之中國人口基數(shù)龐大，勢必產(chǎn)生大量廢棄服裝[1]。調(diào)查顯示，有超過75%的消費者更傾向于選擇純棉服裝[2]，因此廢舊純棉紡織品的數(shù)量巨大，如果不加以回收利用，必然導致廢棄紡織品資源的浪費。

據(jù)估算，一年廢舊紡織品數(shù)量達到3 500萬t，其中廢舊棉紡織品占了30%，回收利用率卻不足20%[3]。目前使用較多的處理方法是焚燒法和填埋法(二者約占83%)[3]。若廢舊紡織品被焚燒，則會產(chǎn)生大量溫室氣體或有毒氣體，若廢舊紡織品被填埋，則會對土壤、水資源等造成極大危害，也會加劇溫室效應(yīng)。廢舊紡織品的回收利用與“碳減排”息息相關(guān)，對廢舊紡織品進行回收利用、減少資源浪費是減少碳排放以達到保護保護環(huán)境目的的重要一步，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

將廢舊棉紡織品回收做增強體制備纖維增強復合材料，不僅有效回收了廢舊紡織品，緩解污染問題，減少碳排放，且制備的復合材料也擁有諸多優(yōu)點，如價格便宜、來源豐富、可再生與降解、高比性能等[4-6]，而且棉纖維具有可降解、抗高溫的特點，這使得廢舊棉增強復合材料可以被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，包括建筑、交通、包裝等[7-9]。因此已有不少學者利用廢舊棉紡織品回收做增強體制備復合材料。

本文歸納總結(jié)了廢舊棉紡織品的處理利用方式、纖維增強復合材料的優(yōu)異性能以及廢舊棉增強復合材料的性能和技術(shù)現(xiàn)狀，簡述了廢舊純棉紡織品的各種處理方式的優(yōu)劣勢，分析了廢舊棉紡織品做增強體的技術(shù)壁壘，梳理總結(jié)了改進方法，并對其未來發(fā)展趨勢進行展望，以期為廢舊棉紡織品的回收拓寬思路，增加回收純棉紡織品以及回收廢舊棉做增強體制備復合材料的途徑與方法，提高廢舊棉利用率。

1 廢舊純棉紡織品的處理

目前，廢舊純棉紡織品的處理方式一般是直接填埋或者回收再利用。現(xiàn)有處理方式尚不完善，工藝技術(shù)也需進一步優(yōu)化。

1.1 直接填埋

直接填埋法是將廢舊紡織品直接填埋在土壤中(約占50%)[10]。相較于其他纖維的紡織品，純棉紡織品降解相對較快[11]，但也需要大量時間，而且會造成水污染、土地污染，還會產(chǎn)生CO2，加劇溫室效應(yīng)，不利于可持續(xù)發(fā)展[12-14]。

1.2 回收再利用

廢舊純棉紡織品的回收再利用，主要包括以下5種方法：①二手利用，比如舊衣物捐獻、舊服裝二次銷售等，即將還有使用價值的舊服裝進行清潔、消毒，捐贈或售賣給需要的群體[15]，一般多見于貧困地區(qū)[16]。純棉服裝存在易起皺、易黏毛、易變形等缺點，所以處理起來較為困難，進行抗皺處理后棉制服裝的強力也會嚴重下降[17]，價值相對降低。②焚燒法，通過焚燒紡織品產(chǎn)生熱能，再通過能量轉(zhuǎn)化得到所需要的機械能與電能，該法會消耗大量資源，產(chǎn)生溫室氣體與有毒氣體，污染較為嚴重，因此不宜大范圍使用。③機械法，把廢舊紡織品通過簡單的機械加工得到新的紡織品，比如將廢舊紡織品制成隔熱手套的保溫層、抹布、拖布等清潔用品，該方法簡單實用，且無污染。④化學法，利用化學試劑將廢舊紡織品的高分子纖維進行溶解或降解，將其轉(zhuǎn)化為纖維原材料或其他工業(yè)用原材料，如用廢舊棉再生漿粕制備再生纖維。目前制備再生漿粕的方法包括直接溶解[18]和蒸煮制漿法[19]，直接溶解法雜質(zhì)含量較高、回收成本較高，再利用時限制也較多，蒸煮法的雜質(zhì)容易分離、成本低且過程可控，但由于存在聚合度調(diào)控問題、金屬離子較高等問題仍在研究階段。化學法對廢舊棉紡織品回收利用率高，但技術(shù)困難且不符合綠色環(huán)保理念，仍需繼續(xù)研究發(fā)展。⑤物理法，在不破壞紡織品成分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過機械粉碎，進行分類凈化干燥等多道工序后再加工生產(chǎn)新紡織品，但該法較難以提升紡織品品質(zhì)，可能存在二次污染[20-21]。

除上述舉例方法外，廢舊純棉紡織品回收還可以用作復合材料的增強體，比較完好的廢舊純棉紡織品只需經(jīng)機械法處理，去除裝飾，剪裁成尺寸合適的布片后可直接作為增強材料使用[22]；或者將廢舊純棉紡織品經(jīng)物理法處理成纖維，進而紡成紗線，紗線再經(jīng)過機織、針織、編織等制成預成件織物作復合材料中的增強體[23]。將回收的廢舊純棉紡織品制備復合材料，是一種充分利用廢棄資源的環(huán)保形式，變廢為寶，有較高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，也是近年來相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者不斷探索的課題。

2 纖維增強復合材料

2.1 復合材料

復合材料是利用一定的技術(shù)工藝將2種或多種具有不相同物理或化學性質(zhì)的材料分別優(yōu)化再進行組合設(shè)計產(chǎn)生的一種新材料。進行組合的材料分別為增強體和基體，且增強體與基體之間存在明顯的界面。復合材料的綜合性能是由增強材料、基體與界面層決定的。一般來說，基體的作用在于黏結(jié)和固定增強體，分散載荷，保護增強體免于環(huán)境影響，增強體主導了復合材料的拉伸、抗彎強度和模量[24]。復合材料又因基體材料的不同分為2大類，金屬和非金屬[25]。常用的金屬基體有鋁、鎂、銅、鈦及其合金，非金屬則有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。常用的增強材料有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等物質(zhì)。

2.2 纖維增強復合材料

纖維增強復合材料是以纖維作為增強體，附于基體之中，纖維與基體組合而成的復合材料。纖維的強度、基體對纖維的浸潤情況等因素對于復合材料性能的影響都至關(guān)重要。纖維增強復合材料種類豐富，常用作增強材料的纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等[26]。

有研究證明，摻雜適量的纖維對于復合材料的性能有明顯的改善效果，尤其是天然纖維[27]。由于天然纖維增強復合材料污染小、比強度高、力學性能良好，需求量正在快速增長。天然纖維和熱塑性基體的輕質(zhì)特性有利于降低運輸領(lǐng)域的能耗。Ishak等[28]的研究表明，在混合復合材料中加入天然纖維可以顯著減輕汽車的質(zhì)量，而汽車質(zhì)量的減輕可以減少燃油的消耗。同時由于天然纖維增強復合材料能夠在機械強度沒有顯著降低的情況下進行再加工，因此可以持續(xù)使用。天然纖維復合材料的發(fā)展不僅減輕了質(zhì)量、有效地降低了制造產(chǎn)品的成本，而且低碳環(huán)保。而棉纖維作為最常見的天然纖維，數(shù)量多，因此使用棉纖維做增強體制備的復合材料發(fā)展?jié)摿薮?，具有實際應(yīng)用價值。

3 廢舊棉增強復合材料

隨著科學技術(shù)的發(fā)展與節(jié)能減排意識的提高，已有不少研究將廢舊的棉紡織品通過一定的加工處理做增強體制備復合材料[29-30]，并在各個領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值。Kamble等[31]利用從廢舊棉紡織品中提取的棉纖維作為增強材料，以環(huán)氧樹脂為基體開發(fā)了復合材料，結(jié)果表明，所開發(fā)的該種復合材料是一種很有潛力的家具材料。Kamble等[32]使用在消費前紡織廢料(紡織品制造過程中的紡織廢料)中收集的棉和聚酯纖維作為增強材料，以環(huán)氧樹脂為基體，采用模壓成型技術(shù)制備復合材料。實驗結(jié)果表明，所開發(fā)的該種復合材料是具有潛在應(yīng)用價值的建筑材料。Gedif等[33]利用純棉織物廢料，以不飽和聚酯為基體，通過人工混合工藝和壓縮成型方法制備復合材料，用于生產(chǎn)天花板，結(jié)果表明所制備的復合材料的力學性能與現(xiàn)有的商用天花板相當?？梢姀U舊棉紡織品回收作為增強體制備的復合材料可應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并且都有比較不錯的性能[34]。

3.1 廢棉增強隔熱復合材料

隔熱復合材料應(yīng)具有一定的強力，同時實際應(yīng)用也應(yīng)考慮成本問題，使用廢舊純棉紡織品做增強體，不僅可以增加隔熱性，提高其強力，實現(xiàn)廢物回收利用，還可降低其成本，以提高其實際應(yīng)用的可行性。

李叢灘等[35]使用廢棄棉、麻纖維作為增強材料,廢棄的聚氨酯為基體材料,采用共混塑煉—熱壓法制備阻燃纖維板，并通過正交試驗和極差分析獲得了制備阻燃復合板的優(yōu)化工藝條件，結(jié)果表明，此板材具有良好的阻燃性能、力學性能和保溫性能。

Binici等[36]使用向日葵莖桿、棉紡織廢料、殘茬纖維作為增強材料，以環(huán)氧樹脂和石膏為基體，制成隔熱隔聲板，此種方法開發(fā)的復合板材具有較好的隔音和隔熱性能。

3.2 廢棉增強材料的力學性能

一般回收的廢舊棉纖維會有不同程度的磨損，且增強纖維與樹脂基體之間的結(jié)合強度較弱，因此需要著重考慮廢棉纖維增強復合材料的力學性能是否可以達到相關(guān)要求。

Mishra等[37]將收集的棉紡織廢料采用切割梳理等工藝開散成纖維作為增強材料，以聚丙烯樹脂為基體，采用壓縮成型技術(shù)制備復合材料，并對該復合材料的各項性能進行表征，發(fā)現(xiàn)使用廢棉與原棉做增強體的復合材料在力學與熱性能方面并沒有顯著差異，這說明廢舊棉經(jīng)過一定的處理后可以用作復合材料的增強體，并且綠色環(huán)保。

Piekarsk等[38]使用廢棉纖維作為聚乳酸的填料制備復合材料，并發(fā)現(xiàn)與100%聚乳酸相比，廢棉纖維含量為30%的復合材料明顯表現(xiàn)出更高的儲能模量和損耗模量，且該復合材料綠色可降解。

3.3 廢棉增強復合材料的技術(shù)現(xiàn)狀

廢棉增強復合材料的性能主要取決于處理廢棉的各種參數(shù)，如纖維的編織模式、纖維取向、化學處理方法等。在制備復合材料時，通過多次實驗選取出最佳的工藝參數(shù)，以使復合材料的力學性能達到最佳。一般來說，當纖維平行于加載方向排列時，復合材料具有較高的拉伸和疲勞性能。且廢棉增強復合材料的機械性能隨著纖維體積分數(shù)的增加而增強，直至達到臨界極限，一旦體積分數(shù)超過臨界極限，機械性能便開始下降[39]。

此外，對廢舊棉纖維進行化學處理可以提高纖維與基體的結(jié)合程度，從而改善復合材料的力學性能，即解決由于廢棉纖維親水性和極性導致的與樹脂基體之間的相容性問題。已有不少學者進行了探索研究。

廖俊杰[40]廢舊棉紡織品中獲取棉短纖維作為增強材料，在棉短纖維高速攪拌過程中，以噴灑形式添加偶聯(lián)劑和分散劑，使得棉短纖維較容易地在三元乙丙橡膠和氯丁橡膠基質(zhì)里分散，提高了其界面黏合性，制備出了綜合性能良好，符合環(huán)保要求的棉短纖維/橡膠復合材料，并有望廣泛用于輪胎、膠管、膠帶等橡膠制品中。支朝暉等[41]總結(jié)了作為復合材料增強體的天然纖維的改性方法，包括堿處理、偶聯(lián)劑處理、酶改性、?；男缘?，使得纖維吸濕性降低，提高纖維與樹脂基體之間的相容性。Chen等[42]采用共沉積聚乙烯亞胺和鄰苯二酚的方法對聚對苯二甲酸乙二醇酯/棉紡織品進行改性，以改善界面結(jié)合問題，結(jié)果表明，聚乙烯亞胺和鄰苯二酚共沉積聚集體通過分子間氫鍵和π-π堆積的協(xié)同作用修飾了纖維表面，提高了界面結(jié)合性。Bodur等[43]使用廢舊棉纖維作為增強材料，以回收聚乙烯為基體制成復合材料，并使用馬來酸酐改善棉纖維和聚乙烯的相容性。

通過對廢舊棉纖維進行改性整理并盡可能減少其強力損失，增強其與樹脂基體之間的界面黏合性，制備出具有一定應(yīng)用價值的復合材料，不僅是一種具有廣闊前景的廢棄資源利用形式，同時對作為基體的樹脂來講也是一種增強應(yīng)用性能、擴展應(yīng)用范圍的有效方式。

4 結(jié)束語

本文通過對廢舊棉紡織品做增強體制備復合材料的工藝、技術(shù)、性能等相關(guān)問題的研究進展進行綜述，歸納得出以下結(jié)論：

①對廢舊純棉紡織品回收后進行改性整理可以減少復合材料的強力損失、增強其與基體之間的界面結(jié)合性，且制得的復合材料在眾多領(lǐng)域有一定應(yīng)用價值。

②從環(huán)境角度來看，使用廢棄純棉紡織品經(jīng)過各種處理制備成符合工藝條件的增強體，綠色環(huán)保無污染，是減少碳排放的重要項目，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和國家低碳經(jīng)濟相關(guān)政策。

③從科技角度來看，使用廢棄棉制備復合材料，回收成本低，具有良好的性能，可以廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域，符合國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，具有廣闊的發(fā)展前景。

在未來，隨著技術(shù)的不斷革新與進步，在減少碳排放的基礎(chǔ)上，廢棄棉纖維增強復合材料可繼續(xù)向高性能、多功能、輕量化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展?？梢酝ㄟ^添加納米和微粒等填料進一步富集。在機械強度要求不高的情況下，通過引入電氣和聲學特性，制成多功能材料。此外，需對廢舊棉纖維增強復合材料進行質(zhì)量評估和經(jīng)濟分析，以確保可以產(chǎn)業(yè)化，使回收利用廢舊紡織品達到碳減排目的的技術(shù)更加成熟。