单因素法优化废旧涤棉面料组分溶解分离工艺

2017-07-19孟家光门明峰

纺织科学与工程学报 2017年3期

关键词：溶质纤维素面料

李欣，孟家光，门明峰

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

单因素法优化废旧涤棉面料组分溶解分离工艺

李欣，孟家光，门明峰

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

采用离子液体[Amim]Cl对废旧涤棉混纺面料中含棉成分进行溶解分离。通过单因素分析法研究温度、[Amim]Cl质量分数、时间、溶质与溶剂比例等因素对溶解过程的影响，得到优化的溶解工艺条件，同时研究溶剂对涤纶的影响。优化的溶解工艺参数：溶解温度90 ℃，溶解时间5 h，[Amim]Cl质量分数99%，溶质与溶剂质量比为0.2:4。

废旧涤棉面料溶解分离离子液体单因素分析法

根据国家发展改革委员会公布的《中国资源综合利用年度报告(2014)》可知，2013年我国纺织行业纤维加工总量为4850万吨，废旧纺织品产生量约2000万吨。若以纺织品分离率为50%来计算，全年废旧纺织品中可分离的纤维含量将达到1000万吨左右，约为同年全国棉花产量(629.9万吨)的1.6倍。2013年全国废旧纺织品综合利用量约为300万吨，综合利用率仅为15%，剩余的纺织品废料被当作垃圾进行填埋处理。我国纺织类原材料缺乏，近年来大部分原材料如羊毛、棉花、石化原料等要靠进口，极大地增加了国民成本[1-2]。

当前国内处理废旧纺织品的方法为焚烧或填埋处理，但填埋处理要占用大量土地且废旧纺织品中含有的大量化学纤维无法在自然中自行降解，而焚烧处理方式会产生大量的有毒气体和烟尘。以上两种传统方法都会造成资源的大量浪费，并且严重破坏生态环境[3]。为实现我国经济可持续发展的战略目标，让废旧资源循环利用是建设“环境友好型、资源节约型社会”的重要措施之一。本文采用离子液体1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑([Amim]Cl)对涤棉混纺面料中含棉成分进行回收，通过单因素分析法优化溶解工艺，同时研究溶剂对涤纶的影响，为有效的回收利用废旧涤棉纺织品提供一定的理论基础。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

经洗漂活化处理后的废旧涤棉混纺面料；1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑([Amim]Cl)(99%)，上海笛柏化学品技术有限公司。

W201恒温水浴锅，上海申生科技有限公司；JA3003N电子天平，上海精密科学仪器有限公司；16PCFRIR傅立叶变换红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司；DZ-1BC型电热真空干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；KQ3200E型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；QuanRa-450-FEG+X-MAX50场发射扫描电镜(SEM)，美国FEI公司。

1.2 溶解原理

1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑([Amim]Cl)是目前发现的溶解纤维素效果最好的离子液体之一。离子液体溶解纤维素的基本原理是离子液体中的阳离子作为电子接受体,而阴离子作为电子给予体，通过离子液体阴离子与纤维素羟基中氧原子和氢原子的相互作用破坏纤维素大分子间的氢键,从而实现纤维素的溶解[4]。SwaRloski等[5]认为Cl-电负性强,作为电子给予体中心,而咪唑阳离子作为电子接受体中心,两个中心在合适的空间位置与羟基的氧原子和氢原子相互作用,削弱和破坏纤维素分子间氢键,从而实现纤维素的溶解。纤维素在[Amim]Cl中的溶解机理如图1所示：

图1 [Amim]Cl溶解纤维素的基本原理图

由于采用的废旧面料是涤棉混纺，所以在利用离子液体[Amim]Cl溶解棉纤维之前，还要考虑[Amim]Cl对涤纶的影响。吴琼等[6]人通过研究不同的温度及时间对PET在离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐[Amim]Cl中溶解度的影响,发现在170℃以下,不管反应时间为多久,PET基本都不和离子液体发生反应,溶解度为0；当反应温度在170℃以上,反应时间为4h及以上时，有少量PET碎片开始溶解,且随着反应时间的延长,PET在离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐[Amim]Cl中溶解度逐渐增大。因而在170℃以下，离子液体[Amim]Cl不会对涤纶溶解或破坏[7]，可以直接对涤棉面料中的棉进行溶解处理。

1.3 单因素分析法

1.3.1 温度

称取0.2 g混纺面料，将面料拆成纱线进行溶解。溶解时间4 h；[Amim]Cl质量分数99%；溶质与溶剂质量比为0.2:4。

1.3.2 [Amim]Cl质量分数

称取0.2 g混纺面料，将面料拆成纱线进行溶解。溶解时间4 h；溶质与溶剂质量比为0.2:5；溶解温度为75 ℃。

1.3.3 时间

称取0.2 g混纺面料，将面料拆成纱线进行溶解。溶解温度为90 ℃；溶质与溶剂质量比为0.2:4；[Amim]Cl质量分数99%。

1.3.4 溶质与溶剂质量比

称取0.2 g混纺面料，将面料拆成纱线进行溶解。溶解温度为80 ℃；溶解时间4 h；[Amim]Cl质量分数99%。

2 结果与讨论

2.1 单因素分析法分析溶解效果

2.1.1 温度

实验结果如图2所示：

图2 温度对溶解效果的影响趋势

从图2中可以看到在70 ℃之前，溶剂对棉纤溶解效果不大，这是因为溶解过程一般是吸热的，70 ℃之前的温度达不到让溶剂中的离子及纤维分子链活化的要求，溶解缓慢。70 ℃之后，温度的升高促使离子液体中离子热运动的加剧，有利于纤维素分子链与离子之间的碰撞，温度高促使纤维素分子间的氢键吸收能量后更加容易断裂，从而促进了纤维素在离子液体中的溶解。所以，70 ℃之后棉纤的溶解非常明显，在90 ℃左右效果最好，90 ℃之后残余纱线质量没有了下降趋势，这是因为溶解温度过高时，纤维素发生了降解反应所致。

2.1.2 [Amim]Cl质量分数

实验结果如图3所示：

图3 [Amim]Cl质量分数对溶解效果的影响趋势

从图3中可以看到在质量分数低于70%时，溶剂对棉纤溶解效果不大，这是因为有机溶剂质量分数低致使离子浓度不够，离子与纤维素分子链碰撞机率不高，无法充分破坏纤维素分子间的氢键，但在质量分数高于70%之后棉纤的溶解非常明显，离子与纤维素分子链碰撞机率极大地提高，质量分数99%左右时溶解效果最好。

2.1.3 时间

实验结果如图4所示：

图4 溶解时间对溶解效果的影响趋势

从图4中可以看到在2h之前，溶剂对棉纤溶解效果不大，在2h之后棉纤的溶解非常明显，在5h左右效果最好。这是因为棉纤维在离子液体中的溶解是个由外到内的过程，由于棉纤维中有其他杂质成分且纤维素的分子结构比较复杂，溶解时间的延长能保证溶剂充分进入纤维素内部，使得纤维素的溶解、分散更加充分。但如果溶解时间过长，溶解的纤维素分子会发生一定程度的降解，因此需要找到合适的时间段。

2.1.4 溶质与溶剂质量比

实验结果如图5所示：

图5 溶质与溶剂质量比对溶解效果的影响趋势

从图5中可以看到随着溶剂比重的增大，纱线中棉纤维的溶解效果逐渐明显，溶质与溶剂比例在0.2:4时，棉纤维溶解效果最好，之后溶剂比重增大，溶解效果不再明显。这是因为纱线比重较大时，纤维素分子链间的氢键数量与离子液体中Cl-数量的相对比例降低，致使部分羟基无法充分与离子接触，因而溶解效果不明显。随着溶剂比重增加，溶解效果逐渐明显，溶质与溶剂比例控制在0.2:4左右最好。