李 楨，張 勇，陸琳玲，張陸賢

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，安徽 合肥 230011；2.廣德天運(yùn)新技術(shù)股份有限公司, 安徽 宣城 242200)

我國(guó)是紡織品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著紡織品生產(chǎn)量的劇增，其使用周期被大大縮短，導(dǎo)致廢舊紡織品呈“幾何式”增長(zhǎng)[1]。2018年，我國(guó)已累計(jì)產(chǎn)生廢舊紡織品超2億t，化學(xué)纖維類占50%左右[2]。廢舊紡織品主要來(lái)源于衣物和其他產(chǎn)業(yè)用紡織品，紡織工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致生產(chǎn)原料嚴(yán)重匱乏，廢舊紡織品增多使環(huán)境問(wèn)題更加嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道[3-4]，我國(guó)廢舊紡織品綜合利用率不足5 %。除極少量的廢舊紡織品被回收重新利用外，普遍采取的處理方法是焚燒和填埋。因此需要對(duì)廢舊紡織品加以充分利用，使其產(chǎn)生更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和綠色效應(yīng)。目前廢舊紡織品有能量回收、物理回收和化學(xué)回收等方法[5-7]，能量回收是將廢舊紡織品焚燒產(chǎn)生熱能，主要針對(duì)無(wú)法再循環(huán)利用和無(wú)價(jià)值的廢舊紡織品?；瘜W(xué)回收是將廢舊紡織品降解為合成原料，加以重新開(kāi)發(fā)利用，當(dāng)前該方法成本較高、工藝復(fù)雜。物理回收是對(duì)廢舊紡織品分離后重新利用，或改變其形態(tài)制備成初級(jí)原材料的回收再利用方法，此方法節(jié)能、環(huán)保，目前在紡織行業(yè)應(yīng)用最普遍。物理廢舊技術(shù)開(kāi)發(fā)的纖維原料可用于紡長(zhǎng)絲、填充、非織造等，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品主要用于紡織服裝、吸附材料、纖維氈墊等領(lǐng)域。纖維氈墊材料具有質(zhì)輕、孔隙率高、韌性好和形變可裁剪性能優(yōu)異等熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾、隔音隔熱和工程用保溫材料等[8]。保溫紡織品材料的發(fā)展趨勢(shì)是纖維的輕量化和環(huán)?；_(kāi)發(fā)一種綠色、環(huán)保、輕質(zhì)的高效保溫材料可緩解地球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。研究[9]發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)絨毛纖維，即楊絮纖維類似天然棉花纖維，其中徑向中空面積約占其橫截面的80%～90%，被稱為地球上最好的中空纖維之一，由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)使纖維的孔隙率比其他天然纖維大很多，是一種理想的保溫纖維。楊絮纖維在與其他化學(xué)纖維少量共混的情況下，具有更好的保溫效果[10]。

本文為得到一種綠色、環(huán)保的輕質(zhì)保溫材料，利用廢舊滌綸短纖維和楊絮纖維共混，通過(guò)針刺工藝制備高效保溫的纖維氈材料。首先分析楊絮纖維的成分和微觀形貌，再采用正交試驗(yàn)分析纖維質(zhì)量比、廢舊滌綸短纖維截面孔數(shù)和纖維氈面密度對(duì)纖維氈保暖性能的影響，得到保暖性較佳時(shí)廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維的質(zhì)量比，為開(kāi)發(fā)保溫紡織品材料提供一種新方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

試驗(yàn)材料：楊絮纖維，線密度為(1.85±0.20)dtex，長(zhǎng)度4～5 cm(安徽合肥市植物園5年楊樹(shù))；截面為4、5、6和7孔的廢舊滌綸短纖維，長(zhǎng)度7～8 cm，線密度(2.66±0.27)dtex(安徽信德化纖有限公司)；棉纖維，線密度2.1 dtex(安徽亮亮紡織有限公司)。

試驗(yàn)儀器：YG(B)606D型平板式保溫儀(溫州大榮儀器有限公司)，S-4800型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，HX101-5型電熱鼓風(fēng)烘干箱(上海一恒科技有限公司)，ZC-1020型針刺小樣機(jī)(臨沂悅龍無(wú)紡設(shè)備有限公司)。

1.2 廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈的制備

將不同用量的廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維共混得到纖維氈原料，采用針刺密度150刺/m2，針刺深度6 mm的固定針刺工藝，試驗(yàn)保持統(tǒng)一的工藝參數(shù)，經(jīng)開(kāi)松、梳理、交叉鋪網(wǎng)、預(yù)針刺、主針刺等工藝流程后，制備出廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 纖維形貌測(cè)試

將纖維樣品黏在導(dǎo)電膠上，噴金，置于電鏡設(shè)備中觀察纖維表面和截面，電壓為3 kV，溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%。

1.3.2 纖維氈保溫性能測(cè)試

將制好的試驗(yàn)樣品置于YG(B)606D型平板式保溫儀內(nèi)，試驗(yàn)板及底板和周圍的保護(hù)板均控制相同的溫度，測(cè)試時(shí)使試驗(yàn)板的熱量只能通過(guò)試樣方向散發(fā)，由電腦測(cè)定試驗(yàn)板在一定時(shí)間內(nèi)保持恒溫所需要的加熱時(shí)間，并計(jì)算保溫率、傳熱系數(shù)和克羅值[9]。

式中：Q為樣品保溫率，%；Q1為試驗(yàn)板無(wú)試樣散熱量，W/℃；Q2為試驗(yàn)板有試樣散熱量，W/℃；Ubp為無(wú)試樣時(shí)試驗(yàn)板傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；U1為有試樣時(shí)試驗(yàn)板傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 纖維形貌分析

楊絮纖維和棉纖維的形貌觀察結(jié)果見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)對(duì)比觀察可以看出，2種纖維橫截面、縱向形態(tài)存在一定差異。圖1(a)可以看出，棉纖維呈天然中空結(jié)構(gòu)，纖維內(nèi)部可充滿大量導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣，從而使得纖維保溫性能提升。研究已證實(shí)棉纖維的中空結(jié)構(gòu)使其具有很好的保溫、保暖效果[11]。圖1(b)中楊絮纖維具有比棉纖維更高的中空結(jié)構(gòu)，從而賦予其更好的保溫性能。同時(shí)在縱向結(jié)構(gòu)圖1(c)(d)中，可以看出棉纖維較為細(xì)長(zhǎng)，具有不規(guī)則轉(zhuǎn)曲的帶狀結(jié)構(gòu)，而楊絮纖維呈現(xiàn)光滑的圓柱形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)更有利于纖維中存儲(chǔ)大量空氣，從而使得楊絮纖維高效保溫性能更持久穩(wěn)定[12-13]。

圖1 棉纖維與楊絮纖維橫截面、表面電鏡照片

2.2 纖維氈制備單因素試驗(yàn)

2.2.1 滌綸短纖維/楊絮纖維質(zhì)量比對(duì)纖維氈保溫性能的影響

取6孔廢舊滌綸纖維與楊絮纖維按所設(shè)計(jì)的質(zhì)量配比進(jìn)行共混，通過(guò)針刺工藝制作纖維氈，對(duì)纖維氈的保溫指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，纖維氈面密度恒定為80 g/m2，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，纖維氈中楊絮纖維占比越高，纖維氈的保溫性能越好。這主要是因?yàn)闂钚趵w維具有較高的中空度，可以使纖維中儲(chǔ)存大量靜止的空氣，從而使纖維具有優(yōu)異的保暖性，當(dāng)共混纖維中楊絮纖維含量不斷增加，其纖維氈的保溫效果也在不斷提升[14-15]。但當(dāng)滌綸短纖維/楊絮纖維質(zhì)量比為6∶4時(shí)，繼續(xù)增加楊絮纖維含量，此時(shí)纖維氈保溫性能變化不大。因此后續(xù)正交試驗(yàn)以滌綸短纖維/楊絮纖維質(zhì)量比為6∶4附近進(jìn)行。

表1 滌綸短纖維/楊絮纖維不同質(zhì)量比對(duì)保溫性能的影響

2.2.2 纖維氈面密度對(duì)纖維氈保溫性能的影響

取6孔滌綸與楊絮混合，保持滌綸短纖維/楊絮纖維質(zhì)量比為6∶4，改變纖維氈的面密度，對(duì)纖維氈的保溫指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維氈面密度的增加，其保溫率不斷提高。當(dāng)纖維氈面密度達(dá)到80 g/m2時(shí)，其保溫性能達(dá)到較佳水平，保溫性能不再發(fā)生較大變化。因此后續(xù)正交試驗(yàn)以80 g/m2附近進(jìn)行面密度的水平設(shè)置。

表2 纖維氈面密度對(duì)保溫性能的影響

2.2.3 滌綸纖維截面孔數(shù)對(duì)保溫性能的影響

取不同截面孔數(shù)的廢舊滌綸短纖維與楊絮纖維混合，使制成纖維氈樣品的面密度為80 g/m2，滌綸短纖維與楊絮纖維質(zhì)量比為6∶4，對(duì)纖維氈制品的保溫指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，滌綸短纖維截面孔數(shù)對(duì)纖維氈保溫性能影響結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，隨著廢舊滌綸纖維截面孔數(shù)的增加，纖維氈保溫率不斷提高。當(dāng)廢舊滌綸纖維截面孔數(shù)達(dá)到6個(gè)時(shí)，其纖維氈保暖性能幾乎不再變化。這可能是由于當(dāng)共混纖維中滌綸纖維孔數(shù)增加到一定程度時(shí)，整個(gè)纖維的孔隙率基本保持穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)增加纖維孔數(shù)時(shí)，對(duì)整個(gè)纖維氈的保溫效果影響不大[16]。因此后續(xù)正交試驗(yàn)以“6個(gè)”數(shù)值附近進(jìn)行纖維截面孔數(shù)水平設(shè)置。

2.3 纖維氈制備正交試驗(yàn)設(shè)置

為進(jìn)一步優(yōu)化纖維氈性能，選擇滌綸短纖維/楊絮纖維共混質(zhì)量比、纖維氈面密度和滌綸纖維截面孔數(shù)作為變化因子，采用正交試驗(yàn)對(duì)纖維氈制備工藝和性能進(jìn)行分析，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)的因素與水平表

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，從極差分析結(jié)果可以看出，纖維氈面密度對(duì)其保溫性能影響最大，其次是滌綸短纖維與楊絮纖維質(zhì)量比，廢舊滌綸短纖維的截面孔數(shù)影響最小。為進(jìn)一步分析各因素對(duì)纖維氈性能的影響機(jī)制，試驗(yàn)討論了該3因素對(duì)纖維氈的克羅值、保溫率、傳熱系數(shù)的影響水平。本文試驗(yàn)中廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈的最優(yōu)制備工藝為：廢舊滌綸短纖維截面孔數(shù)為6個(gè)、滌綸短纖維與楊絮纖維質(zhì)量比為5.8∶4.2、纖維氈面密度為80 g/m2，此時(shí)從克羅值、保溫率和傳熱系數(shù)3個(gè)因素考慮，得到的纖維氈保溫效果最優(yōu)。

3 結(jié) 論

①通過(guò)纖維形貌和截面觀察可以看出，楊絮纖維的結(jié)構(gòu)具有類似棉纖維的天然中空結(jié)構(gòu)，纖維的中空度高于棉纖維，使其具有比棉纖維更優(yōu)異的保溫性能。

②通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)針刺工藝參數(shù)分析，研究發(fā)現(xiàn)纖維氈面密度對(duì)其保溫性能影響最大，其次是纖維質(zhì)量比，廢舊滌綸短纖維的截面孔數(shù)影響最小。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得出保溫效果最優(yōu)的廢舊滌綸短纖維/楊絮纖維氈制備工藝條件為：廢舊滌綸短纖維截面孔數(shù)為6個(gè)、滌綸短纖維與楊絮纖維質(zhì)量比為5.8∶4.2、纖維氈面密度為80 g/m2。