廢舊麻氨混紡面料的溶解工藝研究及回收再利用

張婷婷，孟家光，2，何小祎，張 蘭，魏志偉，朱 海

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室，陜西 西安 710048)

0 引言

黨的十九大報告強調要堅持人與自然和諧共生[1]，這表明可持續(xù)發(fā)展與綠色發(fā)展是我們前進的方向；同時消費者也渴望能夠采購到安全、無毒、符合生態(tài)環(huán)保要求的紡織品。如何使紡織行業(yè)向生態(tài)循環(huán)、綠色、可持續(xù)及滿足人們需求的方向發(fā)展，需要進行深入研究。對于廢舊紡織品進行回收再利用處理，可以得到再生資源，節(jié)約土地資源和石油資源等，達到生態(tài)循環(huán)；回收產物可以用于紡織、建筑、醫(yī)療等領域，提高資源再用率，并推動行業(yè)進步；可以降低焚燒和填滿所占比例，以改善環(huán)境[2]。對于廢舊紡織品進行回收利用，可以達到生態(tài)循環(huán)、保護環(huán)境、節(jié)約資源，推動行業(yè)及社會進步等目的。因此，本課題的研究具有較大的市場前景。

氨綸的學名是聚氨基甲酸酯彈性纖維，一般所說的彈性纖維是指“由至少85%(重量)聚氨酯鏈段組成的合成線型大分子”，“拉長至3倍后能快速回復到原來長度”的纖維。在美國這種纖維被稱為Spandex纖維，在歐洲，更普遍稱為Elastane纖維。從世界氨綸生產來看，氨綸的生產發(fā)展最迅速，目前已是供大于求，各生產廠競爭激烈，為此一些大公司不斷開發(fā)氨綸的新品種。聚氨酯纖維是有似橡膠伸縮性能的特殊纖維，它的發(fā)展過程與其他纖維也不同，它是隨著紡織新產品不斷開發(fā)而迅速發(fā)展起來的。在適當?shù)墓に嚄l件下，將廢舊氨綸纖維轉化為可持續(xù)回收利用的氨綸纖維，重新制備的產品性能也能夠基本滿足使用要求，對氨綸廢絲回收再利用是一個變廢為寶的過程，值得眾多氨綸廠商和研究機構對此領域開展進一步深入的研究，繼續(xù)優(yōu)化工藝并不斷拓展其應用領域，具有較好的研究價值和經濟價值。

本文主要是通過化學溶解法對廢舊麻氨復合面料進行溶解，采用DMAc對廢舊麻氨復合面料中的氨綸組分進行溶解，觀察溶解氨綸組分是否對麻纖維有影響，研究氨綸纖維在DMAc試劑中的溶解工藝，并將氨綸組分溶解液制成氨綸薄膜，測試了再生產物紅外光譜、XRD、接觸角和熱學性能。與原氨綸相比，結構和結晶度沒有大的改變，表明氨綸經過DMAc溶液溶解再生后化學組分并沒有發(fā)生變化。

1 實驗部分

1.1 實驗原料、試劑與儀器

試驗原料:試驗所使用的材料包括廢舊麻氨復合紡織面料。

化學試劑:N，N-二甲基乙酰胺(分析純)，去離子水。

實驗儀器:JA3003N型電子天平(上海精密科學儀器有限公司)，85-2型磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司)，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司)，SHZ-D(III)型循環(huán)水式多用真空泵(河南省予華儀器有限公司)，101-1A型電熱鼓風干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)，Motic B Series型光學顯微鏡(北京普瑞賽司儀器有限公司)，Quanta-450-FEG型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)(美國FEI公司)，F(xiàn)TIR-7600型傅里葉紅外光譜儀(澳大利亞Lambda Scientific公司)，X＇Pert PRO型X射線衍射分析儀(荷蘭帕納科公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 面料的預處理

在進行溶解回收之前，對廢舊麻氨面料混紡面料進行紗線化/剪碎處理，便于后續(xù)實驗的進行；再對面料進行皂/水洗，煮沸水洗40 min，以去除微生物等雜質和起到消毒的作用；最后使用烘箱進行干燥處理，用于后續(xù)溶解—回收的原料即已準備完成。經預處理后氨綸纖維的SEM圖如圖1所示，可以看到氨綸纖維細柔平滑。

圖1 經預處理后氨綸纖維的SEM圖

1.2.2 氨綸溶解機理

氨綸是一種合成纖維，又稱聚氨酯纖維，其結構式是如圖2所示。其良好的強度和彈性[3]，被廣泛應用于各類服裝中，尤其是緊身服飾。對于服裝來說，氨綸通常與其他纖維混合，占最終面料的一小部分，在彈性良好的前提下保留了其他纖維的大部分外觀和手感。

圖2 氨綸結構式

對于氨綸的化學溶解回收[4]可采用醇解法、水解法、胺解法等方法。通常采用的試劑為DMF[5-6]和DMAc[7-8]。

DMAc[9]相較與DMF更為綠色環(huán)保，本文氨綸的溶解選DMF為試劑。氨綸在DMAc中的溶解就是有機溶劑溶解溶質的普遍原理—相似相容原理，即極性分子形成的物質易溶于極性分子所形成的溶劑，非極性分子形成的物質易溶于非極性分子所形成的溶劑。其中氨綸是非極性分子，DMAc為強極性非質子化溶劑。

1.3 性能測試

1.3.1 表面形貌

為了研究溶解廢舊混紡面料中的氨綸組分對于麻組分的影響，對于溶解氨綸組分后剩余麻纖維使用Quanta-450-FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進行表面形貌的表征。測試方法為:將纖維放于貼有導電膠的樣品臺上，然后進行噴金處理以賦予纖維導電性，再于電鏡臺上對纖維的表面形態(tài)結構進行觀察。

1.3.2 紅外光譜分析

使用FTIR-7600型傅里葉紅外光譜儀對回收產物進行紅外光譜測試，對氨綸組分溶解再生產物進行結構分析。

1.3.3 X射線衍射分析

采用XPert PRO型X射線衍射儀(XRD)對溶解產物的晶體結構進行分析。掃描范圍(2θ角)為10°～80°，掃描速度為10°/min。

1.3.4 接觸角

采用SDC-100型接觸角測量儀對溶解—回收所得產物進行測試，判斷其是否具有疏水性能，以確定回收產物的適用環(huán)境。

1.3.5 熱學性能

采用SDC-100型接觸角測量儀對氨綸組分溶解—回收所得產物進行測試，判斷其是否具有疏水性能，以確定回收產物的適用環(huán)境。熱重分析是用來研究待測樣品熱穩(wěn)定性和組份的一種熱分析手段。本文采用STA7300型熱重/差熱綜合分析儀對回收產物的熱學性能進行測試與分析。其中升溫速率為10.0K/min，測試溫度范圍是40℃～560℃。

2 結果與分析

2.1 單因素優(yōu)化溶解工藝

2.1.1 溶解時間對回收率的影響

DMAc作為溶劑，溶解溫度為70℃，氨綸與溶劑的浴比為1∶30。研究溶解時間對于氨綸溶解回收的影響。溶解時間對氨綸溶解回收影響如表1所示，不同溶解時間時氨綸溶解狀態(tài)如圖3所示。

表1 溶解時間對氨綸溶解回收影響

圖3 不同溶解時間時氨綸溶解狀態(tài)

當DMAc作為溶劑，浴比為1∶30，溶解溫度為70℃時，溶解60 min時可觀察到燒杯中無肉眼可見的纖維存在。由圖3(a)可知，此時氨綸未溶解完成，隨著溶解時間的增加，氨綸未溶物在逐漸減少。由圖3(c)可知，當溶解時間為120 min時，氨綸溶解完全，此時的溶解回收率可達91.3%。

2.1.2 浴比對回收率的影響

DMAc作為溶劑，溶解溫度為70℃，溶解時間為120 min。研究浴比對于氨綸溶解回收的影響，實驗結果如表2和圖4所示。

表2 浴比對絲溶解回收影響

圖4 不同浴比時氨綸溶解狀態(tài)

氨綸的溶解狀態(tài)可溶解回收率和氨綸與DMAc試劑的浴比有關。這是因為當浴比過低時，可用于氨綸溶解的DMAc不足，致使氨綸不能完全溶解，最終的獲得低的回收率。當氨綸與DMAc試劑浴比為1∶30時，氨綸可完全溶解，同時得到高的溶解回收率。

2.1.3 溶解溫度對回收率的影響

DMAc作為溶劑，氨綸與溶劑的浴比為1∶30，溶解時間為120 min。研究溶解溫度對于氨綸溶解回收的影響。實驗結果如表3和圖5所示。

表3 溶解溫度對氨綸溶解回收影響

圖5 不同溶解溫度時氨綸溶解狀態(tài)

隨著溶解溫度的增加，氨綸未溶物在逐漸減少，這是因為溫度的上升，增加了DMAc試劑對于氨綸的作用，可以在一定程度上縮減完全溶解所需時間；當增加過度時，對于氨綸的最終溶解狀態(tài)和溶解回收率沒有改善作用。正如溶解溫度為70℃和80℃，表現(xiàn)出類似的溶解狀態(tài)和相近的溶解回收率。

綜合考慮溶解效果和經濟環(huán)境，確定最優(yōu)溶解工藝為:100%DMAc作為溶劑，氨綸與DMAc的浴比為1∶30，溶解溫度為70℃，溶解時間為120 min。

2.2 優(yōu)先溶解回收氨綸組分

100 %DMAc作為溶劑，氨綸與DMAc的浴比為1∶30，70℃溶解120min；溶解后過濾，對剩余物質進行多次水洗，烘干。以SEM下剩余組分的狀態(tài)確定復合面料中氨綸的溶解對于麻組分的影響，廢舊麻氨面料中氨綸組分溶解后剩余麻組分的SEM圖如圖6所示。

圖6 廢舊復合面料中氨綸組分溶解后麻組分SEM圖

與純麻相比沒有明顯的溶解/損壞現(xiàn)象，表明在此溶解工藝下氯化鈣—乙醇—水體系對于麻沒有溶解作用。使用100%DMAc作為溶劑，氨綸組分與DMAc的浴比為1∶30，70℃溶解120 min后過濾收集氨綸溶解液；溶解液置于培養(yǎng)皿中70℃烘干可得氨綸薄膜。

圖7 氨綸組分的溶解外觀圖

2.4 氨綸組分溶解—回收產物性能

2.4.1 紅外光譜分析

下頁圖8是不同處理后氨綸的紅外光譜曲線，從紅外光譜圖中可以得到原氨綸與氨綸再生產物的出峰位置一致，其中3310 cm-1處出現(xiàn)NH吸收，1700 cm-1處有羰基吸收，在1600 cm-1處有苯環(huán)的吸收，1530 cm-1處有酰胺Ⅱ峰，而2940 cm-1與2860 cm-1處為CH2的對稱與反對稱伸縮振動，1730 cm-1處的氨酯鍵中游離的C＝O伸縮振動，1633 cm-1處的脲羰基伸縮振動，1100 cm-1處的CO-C基伸縮振動，這表明氨綸經過DMAc溶液溶解再生后化學組分并沒有發(fā)生變化。

圖8 紅外光譜圖

2.4.2 XRD

圖9不同處理后氨綸的XRD曲線，從紅外圖和XRD圖可以看出氨綸回收產物與原氨綸相比，結晶度也沒有大的改變，兩種狀態(tài)下的氨綸都是在2θ＝17.3°處有一個強的衍射峰，2θ＝29.9°處有一個相對較弱的衍射峰。

圖9 XRD圖

2.4.3 接觸角

接觸角是衡量液體對材料表面潤濕性能的重要參數(shù)，接觸角測試結果如圖10所示，其中氨綸回收產物的接觸角約為105.8°，這個結果表明氨綸的回收產物是一種疏水性物質。

圖10 接觸角

2.4.4 熱學性能

復合面料中氨綸回收產物的熱重圖如圖11所示。從圖11中可以得到回收產物的質量隨著溫度的增加而減少；在100℃復合面料中回收氨綸產物質量基本上保持不變，可能是由于樣品比較干燥，且其原素構成產生的水分幾乎沒有；復合面料中氨綸回收產物在310.7℃處開始降解；在448.9℃處有一拐點可能是因為樣品不純的原因，在560℃時失重率大約為94.22%。對于厚度為0.5 mm的氨綸回收產物力學性能測試結果為氨綸回收產物的斷裂伸長率為358.5%，斷裂強力為17.2 N，頂破強力為158.6 N，結果表明對于廢舊麻氨復合面料的溶解—回收所得到的回收產物，在伸長與耐破壞等方面是優(yōu)異的。

圖11 熱重圖

3 結論

通過單因素分析確定廢舊復合面料中氨綸的最優(yōu)溶解工藝，氨綸的最優(yōu)溶解工藝為:100%DMAc作為溶劑，氨綸與DMAc的浴比為1∶30，70℃溶解120min；溶解所得溶解液在烘箱中烘干即可得到氨綸回收產物—氨綸薄膜。復合面料中氨綸回收產物與原氨綸相比，結構和結晶度沒有大的改變，表明氨綸經過DMAc溶液溶解再生后化學組分并沒有發(fā)生變化；且接觸角測試表明復合面料中氨綸回收產物和氨綸回收產物都是疏水性材料。