废旧麻氨混纺面料的溶解工艺研究及回收再利用

张婷婷，孟家光，2，何小祎，张 兰，魏志伟，朱 海

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，陕西 西安 710048)

0 引言

党的十九大报告强调要坚持人与自然和谐共生[1]，这表明可持续发展与绿色发展是我们前进的方向；同时消费者也渴望能够采购到安全、无毒、符合生态环保要求的纺织品。如何使纺织行业向生态循环、绿色、可持续及满足人们需求的方向发展，需要进行深入研究。对于废旧纺织品进行回收再利用处理，可以得到再生资源，节约土地资源和石油资源等，达到生态循环；回收产物可以用于纺织、建筑、医疗等领域，提高资源再用率，并推动行业进步；可以降低焚烧和填满所占比例，以改善环境[2]。对于废旧纺织品进行回收利用，可以达到生态循环、保护环境、节约资源，推动行业及社会进步等目的。因此，本课题的研究具有较大的市场前景。

氨纶的学名是聚氨基甲酸酯弹性纤维，一般所说的弹性纤维是指“由至少85%(重量)聚氨酯链段组成的合成线型大分子”，“拉长至3倍后能快速回复到原来长度”的纤维。在美国这种纤维被称为Spandex纤维，在欧洲，更普遍称为Elastane纤维。从世界氨纶生产来看，氨纶的生产发展最迅速，目前已是供大于求，各生产厂竞争激烈，为此一些大公司不断开发氨纶的新品种。聚氨酯纤维是有似橡胶伸缩性能的特殊纤维，它的发展过程与其他纤维也不同，它是随着纺织新产品不断开发而迅速发展起来的。在适当的工艺条件下，将废旧氨纶纤维转化为可持续回收利用的氨纶纤维，重新制备的产品性能也能够基本满足使用要求，对氨纶废丝回收再利用是一个变废为宝的过程，值得众多氨纶厂商和研究机构对此领域开展进一步深入的研究，继续优化工艺并不断拓展其应用领域，具有较好的研究价值和经济价值。

本文主要是通过化学溶解法对废旧麻氨复合面料进行溶解，采用DMAc对废旧麻氨复合面料中的氨纶组分进行溶解，观察溶解氨纶组分是否对麻纤维有影响，研究氨纶纤维在DMAc试剂中的溶解工艺，并将氨纶组分溶解液制成氨纶薄膜，测试了再生产物红外光谱、XRD、接触角和热学性能。与原氨纶相比，结构和结晶度没有大的改变，表明氨纶经过DMAc溶液溶解再生后化学组分并没有发生变化。

1 实验部分

1.1 实验原料、试剂与仪器

试验原料:试验所使用的材料包括废旧麻氨复合纺织面料。

化学试剂:N，N-二甲基乙酰胺(分析纯)，去离子水。

实验仪器:JA3003N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)，85-2型磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)，DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)，SHZ-D(III)型循环水式多用真空泵(河南省予华仪器有限公司)，101-1A型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)，Motic B Series型光学显微镜(北京普瑞赛司仪器有限公司)，Quanta-450-FEG型场发射扫描电镜(SEM)(美国FEI公司)，FTIR-7600型傅里叶红外光谱仪(澳大利亚Lambda Scientific公司)，X＇Pert PRO型X射线衍射分析仪(荷兰帕纳科公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 面料的预处理

在进行溶解回收之前，对废旧麻氨面料混纺面料进行纱线化/剪碎处理，便于后续实验的进行；再对面料进行皂/水洗，煮沸水洗40 min，以去除微生物等杂质和起到消毒的作用；最后使用烘箱进行干燥处理，用于后续溶解—回收的原料即已准备完成。经预处理后氨纶纤维的SEM图如图1所示，可以看到氨纶纤维细柔平滑。

图1 经预处理后氨纶纤维的SEM图

1.2.2 氨纶溶解机理

氨纶是一种合成纤维，又称聚氨酯纤维，其结构式是如图2所示。其良好的强度和弹性[3]，被广泛应用于各类服装中，尤其是紧身服饰。对于服装来说，氨纶通常与其他纤维混合，占最终面料的一小部分，在弹性良好的前提下保留了其他纤维的大部分外观和手感。

图2 氨纶结构式

对于氨纶的化学溶解回收[4]可采用醇解法、水解法、胺解法等方法。通常采用的试剂为DMF[5-6]和DMAc[7-8]。

DMAc[9]相较与DMF更为绿色环保，本文氨纶的溶解选DMF为试剂。氨纶在DMAc中的溶解就是有机溶剂溶解溶质的普遍原理—相似相容原理，即极性分子形成的物质易溶于极性分子所形成的溶剂，非极性分子形成的物质易溶于非极性分子所形成的溶剂。其中氨纶是非极性分子，DMAc为强极性非质子化溶剂。

1.3 性能测试

1.3.1 表面形貌

为了研究溶解废旧混纺面料中的氨纶组分对于麻组分的影响，对于溶解氨纶组分后剩余麻纤维使用Quanta-450-FEG型场发射扫描电子显微镜(SEM)进行表面形貌的表征。测试方法为:将纤维放于贴有导电胶的样品台上，然后进行喷金处理以赋予纤维导电性，再于电镜台上对纤维的表面形态结构进行观察。

1.3.2 红外光谱分析

使用FTIR-7600型傅里叶红外光谱仪对回收产物进行红外光谱测试，对氨纶组分溶解再生产物进行结构分析。

1.3.3 X射线衍射分析

采用XPert PRO型X射线衍射仪(XRD)对溶解产物的晶体结构进行分析。扫描范围(2θ角)为10°～80°，扫描速度为10°/min。

1.3.4 接触角

采用SDC-100型接触角测量仪对溶解—回收所得产物进行测试，判断其是否具有疏水性能，以确定回收产物的适用环境。

1.3.5 热学性能

采用SDC-100型接触角测量仪对氨纶组分溶解—回收所得产物进行测试，判断其是否具有疏水性能，以确定回收产物的适用环境。热重分析是用来研究待测样品热稳定性和组份的一种热分析手段。本文采用STA7300型热重/差热综合分析仪对回收产物的热学性能进行测试与分析。其中升温速率为10.0K/min，测试温度范围是40℃～560℃。

2 结果与分析

2.1 单因素优化溶解工艺

2.1.1 溶解时间对回收率的影响

DMAc作为溶剂，溶解温度为70℃，氨纶与溶剂的浴比为1∶30。研究溶解时间对于氨纶溶解回收的影响。溶解时间对氨纶溶解回收影响如表1所示，不同溶解时间时氨纶溶解状态如图3所示。

表1 溶解时间对氨纶溶解回收影响

图3 不同溶解时间时氨纶溶解状态

当DMAc作为溶剂，浴比为1∶30，溶解温度为70℃时，溶解60 min时可观察到烧杯中无肉眼可见的纤维存在。由图3(a)可知，此时氨纶未溶解完成，随着溶解时间的增加，氨纶未溶物在逐渐减少。由图3(c)可知，当溶解时间为120 min时，氨纶溶解完全，此时的溶解回收率可达91.3%。

2.1.2 浴比对回收率的影响

DMAc作为溶剂，溶解温度为70℃，溶解时间为120 min。研究浴比对于氨纶溶解回收的影响，实验结果如表2和图4所示。

表2 浴比对丝溶解回收影响

图4 不同浴比时氨纶溶解状态

氨纶的溶解状态可溶解回收率和氨纶与DMAc试剂的浴比有关。这是因为当浴比过低时，可用于氨纶溶解的DMAc不足，致使氨纶不能完全溶解，最终的获得低的回收率。当氨纶与DMAc试剂浴比为1∶30时，氨纶可完全溶解，同时得到高的溶解回收率。

2.1.3 溶解温度对回收率的影响

DMAc作为溶剂，氨纶与溶剂的浴比为1∶30，溶解时间为120 min。研究溶解温度对于氨纶溶解回收的影响。实验结果如表3和图5所示。

表3 溶解温度对氨纶溶解回收影响

图5 不同溶解温度时氨纶溶解状态

随着溶解温度的增加，氨纶未溶物在逐渐减少，这是因为温度的上升，增加了DMAc试剂对于氨纶的作用，可以在一定程度上缩减完全溶解所需时间；当增加过度时，对于氨纶的最终溶解状态和溶解回收率没有改善作用。正如溶解温度为70℃和80℃，表现出类似的溶解状态和相近的溶解回收率。

综合考虑溶解效果和经济环境，确定最优溶解工艺为:100%DMAc作为溶剂，氨纶与DMAc的浴比为1∶30，溶解温度为70℃，溶解时间为120 min。

2.2 优先溶解回收氨纶组分

100 %DMAc作为溶剂，氨纶与DMAc的浴比为1∶30，70℃溶解120min；溶解后过滤，对剩余物质进行多次水洗，烘干。以SEM下剩余组分的状态确定复合面料中氨纶的溶解对于麻组分的影响，废旧麻氨面料中氨纶组分溶解后剩余麻组分的SEM图如图6所示。

图6 废旧复合面料中氨纶组分溶解后麻组分SEM图

与纯麻相比没有明显的溶解/损坏现象，表明在此溶解工艺下氯化钙—乙醇—水体系对于麻没有溶解作用。使用100%DMAc作为溶剂，氨纶组分与DMAc的浴比为1∶30，70℃溶解120 min后过滤收集氨纶溶解液；溶解液置于培养皿中70℃烘干可得氨纶薄膜。

图7 氨纶组分的溶解外观图

2.4 氨纶组分溶解—回收产物性能

2.4.1 红外光谱分析

下页图8是不同处理后氨纶的红外光谱曲线，从红外光谱图中可以得到原氨纶与氨纶再生产物的出峰位置一致，其中3310 cm-1处出现NH吸收，1700 cm-1处有羰基吸收，在1600 cm-1处有苯环的吸收，1530 cm-1处有酰胺Ⅱ峰，而2940 cm-1与2860 cm-1处为CH2的对称与反对称伸缩振动，1730 cm-1处的氨酯键中游离的C＝O伸缩振动，1633 cm-1处的脲羰基伸缩振动，1100 cm-1处的CO-C基伸缩振动，这表明氨纶经过DMAc溶液溶解再生后化学组分并没有发生变化。

图8 红外光谱图

2.4.2 XRD

图9不同处理后氨纶的XRD曲线，从红外图和XRD图可以看出氨纶回收产物与原氨纶相比，结晶度也没有大的改变，两种状态下的氨纶都是在2θ＝17.3°处有一个强的衍射峰，2θ＝29.9°处有一个相对较弱的衍射峰。

图9 XRD图

2.4.3 接触角

接触角是衡量液体对材料表面润湿性能的重要参数，接触角测试结果如图10所示，其中氨纶回收产物的接触角约为105.8°，这个结果表明氨纶的回收产物是一种疏水性物质。

图10 接触角

2.4.4 热学性能

复合面料中氨纶回收产物的热重图如图11所示。从图11中可以得到回收产物的质量随着温度的增加而减少；在100℃复合面料中回收氨纶产物质量基本上保持不变，可能是由于样品比较干燥，且其原素构成产生的水分几乎没有；复合面料中氨纶回收产物在310.7℃处开始降解；在448.9℃处有一拐点可能是因为样品不纯的原因，在560℃时失重率大约为94.22%。对于厚度为0.5 mm的氨纶回收产物力学性能测试结果为氨纶回收产物的断裂伸长率为358.5%，断裂强力为17.2 N，顶破强力为158.6 N，结果表明对于废旧麻氨复合面料的溶解—回收所得到的回收产物，在伸长与耐破坏等方面是优异的。

图11 热重图

3 结论

通过单因素分析确定废旧复合面料中氨纶的最优溶解工艺，氨纶的最优溶解工艺为:100%DMAc作为溶剂，氨纶与DMAc的浴比为1∶30，70℃溶解120min；溶解所得溶解液在烘箱中烘干即可得到氨纶回收产物—氨纶薄膜。复合面料中氨纶回收产物与原氨纶相比，结构和结晶度没有大的改变，表明氨纶经过DMAc溶液溶解再生后化学组分并没有发生变化；且接触角测试表明复合面料中氨纶回收产物和氨纶回收产物都是疏水性材料。