基于碳减排的废旧棉纺织品增强复合材料研究进展

许 迪，覃 蕊，缪星宇，房宽峻，石 振

(1.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071；2.青岛大学 省部共建生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室，山东 青岛 266071；3.青岛大学 生态纺织技术创新研究院，山东 青岛 266071；4.青岛大学 生态纺织省部共建协同创新中心，山东 青岛 266071)

随着全球气候变暖，环境日益恶化，CO2等温室气体的排放量必须减少以缓解气候问题，“碳减排”即减少CO2等温室气体的排放，是我国能源战略发展重点。现今人们生活水平的提高，快时尚服饰的兴起，纺织服装产品更新迭代的速度加快，加之中国人口基数庞大，势必产生大量废弃服装[1]。调查显示，有超过75%的消费者更倾向于选择纯棉服装[2]，因此废旧纯棉纺织品的数量巨大，如果不加以回收利用，必然导致废弃纺织品资源的浪费。

据估算，一年废旧纺织品数量达到3 500万t，其中废旧棉纺织品占了30%，回收利用率却不足20%[3]。目前使用较多的处理方法是焚烧法和填埋法(二者约占83%)[3]。若废旧纺织品被焚烧，则会产生大量温室气体或有毒气体，若废旧纺织品被填埋，则会对土壤、水资源等造成极大危害，也会加剧温室效应。废旧纺织品的回收利用与“碳减排”息息相关，对废旧纺织品进行回收利用、减少资源浪费是减少碳排放以达到保护保护环境目的的重要一步，符合国家可持续发展战略。

将废旧棉纺织品回收做增强体制备纤维增强复合材料，不仅有效回收了废旧纺织品，缓解污染问题，减少碳排放，且制备的复合材料也拥有诸多优点，如价格便宜、来源丰富、可再生与降解、高比性能等[4-6]，而且棉纤维具有可降解、抗高温的特点，这使得废旧棉增强复合材料可以被应用到各个领域，包括建筑、交通、包装等[7-9]。因此已有不少学者利用废旧棉纺织品回收做增强体制备复合材料。

本文归纳总结了废旧棉纺织品的处理利用方式、纤维增强复合材料的优异性能以及废旧棉增强复合材料的性能和技术现状，简述了废旧纯棉纺织品的各种处理方式的优劣势，分析了废旧棉纺织品做增强体的技术壁垒，梳理总结了改进方法，并对其未来发展趋势进行展望，以期为废旧棉纺织品的回收拓宽思路，增加回收纯棉纺织品以及回收废旧棉做增强体制备复合材料的途径与方法，提高废旧棉利用率。

1 废旧纯棉纺织品的处理

目前，废旧纯棉纺织品的处理方式一般是直接填埋或者回收再利用。现有处理方式尚不完善，工艺技术也需进一步优化。

1.1 直接填埋

直接填埋法是将废旧纺织品直接填埋在土壤中(约占50%)[10]。相较于其他纤维的纺织品，纯棉纺织品降解相对较快[11]，但也需要大量时间，而且会造成水污染、土地污染，还会产生CO2，加剧温室效应，不利于可持续发展[12-14]。

1.2 回收再利用

废旧纯棉纺织品的回收再利用，主要包括以下5种方法：①二手利用，比如旧衣物捐献、旧服装二次销售等，即将还有使用价值的旧服装进行清洁、消毒，捐赠或售卖给需要的群体[15]，一般多见于贫困地区[16]。纯棉服装存在易起皱、易黏毛、易变形等缺点，所以处理起来较为困难，进行抗皱处理后棉制服装的强力也会严重下降[17]，价值相对降低。②焚烧法，通过焚烧纺织品产生热能，再通过能量转化得到所需要的机械能与电能，该法会消耗大量资源，产生温室气体与有毒气体，污染较为严重，因此不宜大范围使用。③机械法，把废旧纺织品通过简单的机械加工得到新的纺织品，比如将废旧纺织品制成隔热手套的保温层、抹布、拖布等清洁用品，该方法简单实用，且无污染。④化学法，利用化学试剂将废旧纺织品的高分子纤维进行溶解或降解，将其转化为纤维原材料或其他工业用原材料，如用废旧棉再生浆粕制备再生纤维。目前制备再生浆粕的方法包括直接溶解[18]和蒸煮制浆法[19]，直接溶解法杂质含量较高、回收成本较高，再利用时限制也较多，蒸煮法的杂质容易分离、成本低且过程可控，但由于存在聚合度调控问题、金属离子较高等问题仍在研究阶段。化学法对废旧棉纺织品回收利用率高，但技术困难且不符合绿色环保理念，仍需继续研究发展。⑤物理法，在不破坏纺织品成分结构的基础上，通过机械粉碎，进行分类净化干燥等多道工序后再加工生产新纺织品，但该法较难以提升纺织品品质，可能存在二次污染[20-21]。

除上述举例方法外，废旧纯棉纺织品回收还可以用作复合材料的增强体，比较完好的废旧纯棉纺织品只需经机械法处理，去除装饰，剪裁成尺寸合适的布片后可直接作为增强材料使用[22]；或者将废旧纯棉纺织品经物理法处理成纤维，进而纺成纱线，纱线再经过机织、针织、编织等制成预成件织物作复合材料中的增强体[23]。将回收的废旧纯棉纺织品制备复合材料，是一种充分利用废弃资源的环保形式，变废为宝，有较高的经济效益和环境效益，也是近年来相关领域学者不断探索的课题。

2 纤维增强复合材料

2.1 复合材料

复合材料是利用一定的技术工艺将2种或多种具有不相同物理或化学性质的材料分别优化再进行组合设计产生的一种新材料。进行组合的材料分别为增强体和基体，且增强体与基体之间存在明显的界面。复合材料的综合性能是由增强材料、基体与界面层决定的。一般来说，基体的作用在于黏结和固定增强体，分散载荷，保护增强体免于环境影响，增强体主导了复合材料的拉伸、抗弯强度和模量[24]。复合材料又因基体材料的不同分为2大类，金属和非金属[25]。常用的金属基体有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属则有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等物质。

2.2 纤维增强复合材料

纤维增强复合材料是以纤维作为增强体，附于基体之中，纤维与基体组合而成的复合材料。纤维的强度、基体对纤维的浸润情况等因素对于复合材料性能的影响都至关重要。纤维增强复合材料种类丰富，常用作增强材料的纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等[26]。

有研究证明，掺杂适量的纤维对于复合材料的性能有明显的改善效果，尤其是天然纤维[27]。由于天然纤维增强复合材料污染小、比强度高、力学性能良好，需求量正在快速增长。天然纤维和热塑性基体的轻质特性有利于降低运输领域的能耗。Ishak等[28]的研究表明，在混合复合材料中加入天然纤维可以显著减轻汽车的质量，而汽车质量的减轻可以减少燃油的消耗。同时由于天然纤维增强复合材料能够在机械强度没有显著降低的情况下进行再加工，因此可以持续使用。天然纤维复合材料的发展不仅减轻了质量、有效地降低了制造产品的成本，而且低碳环保。而棉纤维作为最常见的天然纤维，数量多，因此使用棉纤维做增强体制备的复合材料发展潜力巨大，具有实际应用价值。

3 废旧棉增强复合材料

随着科学技术的发展与节能减排意识的提高，已有不少研究将废旧的棉纺织品通过一定的加工处理做增强体制备复合材料[29-30]，并在各个领域有一定的应用价值。Kamble等[31]利用从废旧棉纺织品中提取的棉纤维作为增强材料，以环氧树脂为基体开发了复合材料，结果表明，所开发的该种复合材料是一种很有潜力的家具材料。Kamble等[32]使用在消费前纺织废料(纺织品制造过程中的纺织废料)中收集的棉和聚酯纤维作为增强材料，以环氧树脂为基体，采用模压成型技术制备复合材料。实验结果表明，所开发的该种复合材料是具有潜在应用价值的建筑材料。Gedif等[33]利用纯棉织物废料，以不饱和聚酯为基体，通过人工混合工艺和压缩成型方法制备复合材料，用于生产天花板，结果表明所制备的复合材料的力学性能与现有的商用天花板相当。可见废旧棉纺织品回收作为增强体制备的复合材料可应用于各个领域，并且都有比较不错的性能[34]。

3.1 废棉增强隔热复合材料

隔热复合材料应具有一定的强力，同时实际应用也应考虑成本问题，使用废旧纯棉纺织品做增强体，不仅可以增加隔热性，提高其强力，实现废物回收利用，还可降低其成本，以提高其实际应用的可行性。

李丛滩等[35]使用废弃棉、麻纤维作为增强材料,废弃的聚氨酯为基体材料,采用共混塑炼—热压法制备阻燃纤维板，并通过正交试验和极差分析获得了制备阻燃复合板的优化工艺条件，结果表明，此板材具有良好的阻燃性能、力学性能和保温性能。

Binici等[36]使用向日葵茎杆、棉纺织废料、残茬纤维作为增强材料，以环氧树脂和石膏为基体，制成隔热隔声板，此种方法开发的复合板材具有较好的隔音和隔热性能。

3.2 废棉增强材料的力学性能

一般回收的废旧棉纤维会有不同程度的磨损，且增强纤维与树脂基体之间的结合强度较弱，因此需要着重考虑废棉纤维增强复合材料的力学性能是否可以达到相关要求。

Mishra等[37]将收集的棉纺织废料采用切割梳理等工艺开散成纤维作为增强材料，以聚丙烯树脂为基体，采用压缩成型技术制备复合材料，并对该复合材料的各项性能进行表征，发现使用废棉与原棉做增强体的复合材料在力学与热性能方面并没有显著差异，这说明废旧棉经过一定的处理后可以用作复合材料的增强体，并且绿色环保。

Piekarsk等[38]使用废棉纤维作为聚乳酸的填料制备复合材料，并发现与100%聚乳酸相比，废棉纤维含量为30%的复合材料明显表现出更高的储能模量和损耗模量，且该复合材料绿色可降解。

3.3 废棉增强复合材料的技术现状

废棉增强复合材料的性能主要取决于处理废棉的各种参数，如纤维的编织模式、纤维取向、化学处理方法等。在制备复合材料时，通过多次实验选取出最佳的工艺参数，以使复合材料的力学性能达到最佳。一般来说，当纤维平行于加载方向排列时，复合材料具有较高的拉伸和疲劳性能。且废棉增强复合材料的机械性能随着纤维体积分数的增加而增强，直至达到临界极限，一旦体积分数超过临界极限，机械性能便开始下降[39]。

此外，对废旧棉纤维进行化学处理可以提高纤维与基体的结合程度，从而改善复合材料的力学性能，即解决由于废棉纤维亲水性和极性导致的与树脂基体之间的相容性问题。已有不少学者进行了探索研究。

廖俊杰[40]废旧棉纺织品中获取棉短纤维作为增强材料，在棉短纤维高速搅拌过程中，以喷洒形式添加偶联剂和分散剂，使得棉短纤维较容易地在三元乙丙橡胶和氯丁橡胶基质里分散，提高了其界面黏合性，制备出了综合性能良好，符合环保要求的棉短纤维/橡胶复合材料，并有望广泛用于轮胎、胶管、胶带等橡胶制品中。支朝晖等[41]总结了作为复合材料增强体的天然纤维的改性方法，包括碱处理、偶联剂处理、酶改性、酰化改性等，使得纤维吸湿性降低，提高纤维与树脂基体之间的相容性。Chen等[42]采用共沉积聚乙烯亚胺和邻苯二酚的方法对聚对苯二甲酸乙二醇酯/棉纺织品进行改性，以改善界面结合问题，结果表明，聚乙烯亚胺和邻苯二酚共沉积聚集体通过分子间氢键和π-π堆积的协同作用修饰了纤维表面，提高了界面结合性。Bodur等[43]使用废旧棉纤维作为增强材料，以回收聚乙烯为基体制成复合材料，并使用马来酸酐改善棉纤维和聚乙烯的相容性。

通过对废旧棉纤维进行改性整理并尽可能减少其强力损失，增强其与树脂基体之间的界面黏合性，制备出具有一定应用价值的复合材料，不仅是一种具有广阔前景的废弃资源利用形式，同时对作为基体的树脂来讲也是一种增强应用性能、扩展应用范围的有效方式。

4 结束语

本文通过对废旧棉纺织品做增强体制备复合材料的工艺、技术、性能等相关问题的研究进展进行综述，归纳得出以下结论：

①对废旧纯棉纺织品回收后进行改性整理可以减少复合材料的强力损失、增强其与基体之间的界面结合性，且制得的复合材料在众多领域有一定应用价值。

②从环境角度来看，使用废弃纯棉纺织品经过各种处理制备成符合工艺条件的增强体，绿色环保无污染，是减少碳排放的重要项目，符合国家可持续发展战略和国家低碳经济相关政策。

③从科技角度来看，使用废弃棉制备复合材料，回收成本低，具有良好的性能，可以广泛应用在多个领域，符合国家创新驱动发展战略，具有广阔的发展前景。

在未来，随着技术的不断革新与进步，在减少碳排放的基础上，废弃棉纤维增强复合材料可继续向高性能、多功能、轻量化、产业化方向发展。可以通过添加纳米和微粒等填料进一步富集。在机械强度要求不高的情况下，通过引入电气和声学特性，制成多功能材料。此外，需对废旧棉纤维增强复合材料进行质量评估和经济分析，以确保可以产业化，使回收利用废旧纺织品达到碳减排目的的技术更加成熟。