基于废弃棉纺织品再利用的新型高性能复合材料的构建与性能研究

发布时间：2020-07-10 16:47

【摘要】：棉纤维是产量最高的天然纤维和最重要的纺织原料之一,随着人们生活水平的不断提升,棉纺织品的使用周期被极大的缩短,因而产生的废弃棉纺织品也与日俱增。目前,处理它们的方式仍停留在当做抹布或者被直接丢弃、掩埋、焚烧等,利用价值极低,同时也造成了环境的污染和极大的资源浪费。针对这一问题,本研究以废弃的碎棉布为原材料,首先,通过纤维解离工艺将其解离为纤维形态;然后,以解离棉纤维为基体,异氰酸酯类胶黏剂PM-50为胶黏组分,利用自行设计的施胶系统、预压模具和热压模具,采用热压成型的加工工艺制备了高性能的高密度棉纤维基复合材料。该复合材料的棉纤维含量高达80 wt%以上,各项物理机械性能均达到GB-T 31765-2015中的最高要求,内结合强度和耐水性均远超市售的进口奥松板,为废弃棉纺织品的高值化利用提供了全新的思路和坚实的实验基础。研究的主要内容和结果如下所述:(1)以废弃的碎棉布为原料,采用碱性过氧化氢机械制浆法对碎棉布进行解离,研究了蒸煮温度、蒸煮时间、NaOH浓度、H_2O_2浓度对解离过程的影响,并对解离棉纤维的长度、宽度、纤维筛分值、纤维形态、细胞壁厚、细胞腔径、化学成分以及表面活性基团进行了研究。研究表明:当NaOH用量为12 wt%,H_2O_2用量为3 wt%,蒸煮温度为130℃,蒸煮时间为5 h时,可以获得良好解离的棉纤维,其重均长度为1.01 mm,平均宽度为12.72μm,纤维长度分布比较合理,纤维表面拥有大量羟基等活性基团,理论上是作为高密度植物纤维基复合材料的良好基体。(2)以解离棉纤维为基材,自制的胶黏剂PM-50作为胶黏组分,采用自行设计的施胶系统、预压模具和热压模具,通过热压成型工艺构建了高密度棉纤维基复合材料。然后,使用正交实验法,研究了纤维含水率、热压时间、热压温度、复合材料密度和施胶量等工艺参数对复合材料的静曲强度、弹性模量、内结合强度、24小时吸水厚度膨胀率以及湿静曲强度等物理机械性能的影响。研究表明:当纤维含水率为8 wt%、复合材料密度为1.08 g/cm~3、施胶量为20 wt%、热压温度为160℃,热压时间为2 min时,所制备的复合材料的物理机械性能最优,其静曲强度为47.2 MPa,弹性模量为4040.6 MPa,内结合强度为3.6 MPa,吸水厚度膨胀率为11.1%,湿静曲强度为20.6 MPa。(3)制备了氯化石蜡防水剂和反应型有机硅防水剂,进一步研究了施胶量、氯化石蜡添加量、后期热处理条件、在反应型有机硅防水剂中的浸渍时间对复合材料的吸水厚度膨胀率和静曲强度的影响。研究表明,改善高密度棉纤维基复合材料耐水性的有效方式分别为:增加施胶量至50 wt%、在200℃下对复合材料热处理4 h以及采用反应型有机硅防水剂对复合材料浸渍处理4 h,其吸水厚度膨胀率可分别减少至5.8%、7.4%、7.3%。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

质量分布图,棉纤维,解离,质量分布

材料的物理机械性能具有更好的均一性。但是，第三组实验中的蒸煮温度和过氧化氢浓度均偏高，会使实际生产过程中功耗更大、成本更高。因此，在第四组实验的基础上，保持其它蒸煮条件不变，尝试少量增加过氧化氢含量至 3 wt%，进一步进行试验，其实验结果如表 2-4 中第 10 组实验所示。由表中数据可知，在 NaOH 用量为 12 wt%，H2O2用量为 3 wt%，蒸煮温度为 130 ℃，蒸煮时间为 5 h 时，可初步获得解离较好的纤维，但仍需对其性质进行进一步研究。2.3.2 解离棉纤维结构的研究2.3.2.1 解离棉纤维的物理形态和结构分析用卡亚尼纤维分析仪研究了在 NaOH 用量为 12 wt%，H2O2用量为 3 wt%，蒸煮温度为 130 ℃，蒸煮时间为 5 h 的实验条件下制备的解离棉纤维（后述解离棉纤维均指在此条件下制备的解离棉纤维）的长度、宽度及其分布，实验结果如图 2-2 和图 2-3 所示。

长度分布,棉纤维,解离,宽度

图 2-3 解离棉纤维的宽度分布.Figure 2-3 The width distribution of defibrated fibers.由图可知，解离棉纤维的重均长度为 1.01 mm，平均宽度为 12.72 μm，在 0.2-1.5 mm长度区间内分布的纤维比例达到了 99 %。然后，通过测定纤维筛分值进一步研究了解离棉纤维的长度分布状况，实验结果如表 2-5 所示。表 2-5 解离棉纤维的纤维筛分值.Table 2-5 The fibers screening distribution of defibrated fibers.纤维目数（目） 0-30 30-50 50-100 100-200 >200纤维筛分值（wt%） 4.7 20.5 32.0 13.0 29.8由于高密度植物纤维基复合材料是以植物纤维为基体，因此，植物纤维必须有一定的比表面积和交织性能，才能为复合材料提供基础的物理机械性能，这需要纤维得到较

显微镜图像,放大倍数,棉纤维,下解

华南理工大学硕士学位论文30图2-4 不同放大倍数下解离棉纤维的显微镜图像.(a)放大倍数40×; (b) 放大倍数100×; (c)放大倍数 200×; (d) 放大倍数 400×.Figure 2-4 the microscope images of defibrated fibers in different magnification. (a)40×magnification; (b)100×magnification; (c)200×magnification; (d)400×magnification.表 2-6 解离棉纤维与其它植物纤维的长度、宽度对比[65].Table 2-6 The comparison of length and width among defibrated fibers and other plant fibers.纤维种类纤维长度（mm）纤维宽度（μm）长径比平均*最大最小一般平均*最大最小一般解离棉纤维 0.54 1

【参考文献】