废弃非织造布再利用的前处理及应用研究

石素宇 王利娜 辛长征 王杰 宋会芬

摘 要：钢铁、食品等领域废弃的非织造布逐年增多，这些非织造布大多不可自然降解，这不仅给相关企业带来巨大压力，也造成了环境污染。针对这一现象，以铝带生产中过滤用的废弃非织造布为对象，分析了回收再利用的可行性。确定了非织造布的最佳清洁方式，并利用示差扫描量热测试（DSC）和红外光谱（FTIR）分析确定其成分。通过二甲苯溶液溶解的方法制备得到再生聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维，并将再生PET纤维与线性低密度聚乙烯（LLDPE）通過热压成型技术制备了PET/LLDPE复合膜。研究表明，再生PET纤维粗细均匀，表面光滑，纯度较高。与纯LLDPE相比，PET/LLDPE复合膜的拉伸强度和模量得到显著提高。该研究不仅为建材用复合板材的制备提供理论指导，也为废弃非织造布再利用提供一条途径。

关键词：废弃非织造布；再生PET纤维；循环再利用；复合膜

中图分类号：TS174；TQ341

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）06-0029-05

Abstract：Recently， the wasted non-woven fabrics from metal， food and other fields have increased greatly. Most of the non-woven fabrics cannot be degraded naturally， which not only brings urgent stress to the related companies but also leads to environmental pollution. In this thesis， the wasted non-woven fabrics used in production of aluminium strip for filtering were utilized to study the feasibility of recycling. The optimum cleaning way was determined and the components of the wasted non-woven fabrics were identified by differential scanning calorimeter （DSC） and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）. The recycled polyethylene terephthalate （PET） fiber was prepared by dissolving in xylene solution， and then used to prepare PET/linear low density polyethylene （LLDPE） composite membranes by the hot compression molding technique. The research showed that the recycled PET fiber is uniform with smooth surface and high purity. The tensile strength and modulus of the PET/LLDPE composite membranes increase significantly compared with those of neat LLDPE. This study not only provides theoretical guidance for the preparation of composite panels for building materials， but also offers a way for reuse of the wasted non-woven fabrics.

Key words：wasted non-woven fabrics； recycled PET fiber； recycling； composite membrane

伴随着科技的发展和人民生活水平的提高，非织造布的生产与消耗也与日俱增，钢铁、食品等行业废弃的非织造布逐渐增加，废弃非织造布的回收再利用已经是化纤行业和环境保护部门亟待解决的问题。然而，废弃非织造布并未获得有效地回收和再利用。这些非织造布少部分经过开纤制成隔音毡、汽车内饰、大棚保温棉等，而其中大部分实施了焚烧作业或者采用填埋方法，不仅造成大气污染，占用了大量土地资源，也给相关企业和部门带来压力。

近年来，废旧非织造材料和废旧纺织品的回收再利用已经成为人们关注的热门课题[1-5]，一些研究人员针对废弃非织造布的再生问题进行了研究。废弃非织造布回收再生的办法主要分为3种，包括物理回收法[6]、化学回收法[7]和能量回收法[8]。周发明等[9]将乙二醇（EG）与废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纺织品混合，在相应催化剂的作用下，利用醇解反应原理，制备出PET再生切片。沈经纬等[10]、徐祥华等[11]以废弃的PET瓶片为原料，通过重新聚合、再纺丝的方法制得再生PET纤维。

纤维/树脂复合材料具有质量轻、成本低、高强耐磨、抗冲击、抗腐蚀、耐候、防水、施工方便等优点，在理论研究和生产实践中得到了广泛地重视和应用。本文以铝带生产中的废弃非织造布为研究对象，讨论这种废弃非织造布的最佳清洁方式，并对非织造布成分及不同成分所占比例进行分析。通过二甲苯溶解的方法制备了再生PET纤维，并将再生PET纤维与线性低密度聚乙烯（LLDPE）通过热压成型技术制备了不同纤维含量的PET/LLDPE复合薄膜。与纯LLDPE相比，PET/LLDPE复合薄膜的力学性能得到显著提高。这不仅为废弃非织造布的回收再利用工艺提供理论基础，也为废弃非织造布的再利用打开一条途径。

1 实 验

1.1 实验原料

铝带生产中过滤用的废弃非织造布（河南钰达铝业有限公司）；线性低密度聚乙烯（LLDPE）（型号7042，中国石化股份有限公司）；无水乙醇、二甲苯、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl），均为分析纯。

1.2 实验过程

为了得到可靠的测试结果，制备纯度较高的再生纤维，废弃非织造布分别经高压水洗1 h、先高压水洗10 min再超声水洗1 h、先高压水洗10 min再洗洁精洗10 min、先高压水洗10 min再超声酸（2～10 mol/L HCl溶液）洗10 min和先高压水洗10 min再超声碱（2～10 mol/L NaOH溶液）洗10 min 5种不同的清洗方式进行清洁。

清洗后放于130 ℃烘箱中真空干燥5 h，并通过示差扫描量热分析（DSC）和红外光谱测试（FT-IR）鉴定非织造布的成分；基于鉴定结果，采用二甲苯溶液溶解的方法进行非织造布的再生，对再生PET纤维的形态结构和纯度进行表征；最后，将再生PET纤维与LLDPE通过热压成型技术制备PET/LLDPE复合膜，研究了再生PET纤维再利用的可行性。实验流程如图1所示。

1.3 DSC测试

采用Q20型示差扫描量热仪对清洗干净的废弃非织造布进行测试。称取5～10 mg样品于铝坩埚中，在N2保护下，以10 ℃/min的升温速度测试40 ℃到280 ℃的升温曲线。

1.4 FT-IR测试

采用Nicolet-Is5型红外光谱仪分析废弃非织造布的成分。取少量样品与KBr粉末置于玛瑙研钵内研磨均匀，压片后进行红外测试。在4 cm-1的分辨率下，扫描32次，测试范围是400～4 000 cm-1。

1.5 XRD测试

采用D8 ADVANCE型X-射线衍射仪（XRD）测试洁净废弃非织造布和再生纤维的晶体结构。工作参数为：电压40 kV，电流0.04 A，衍射范围5°～40°。

1.6 SEM测试

采用Quanta 250型（捷克FEI公司）扫描电子显微镜（SEM）在5 kV工作电压下观察废弃非织造布清洗前后的形态结构变化和再生PET纤维的结构形态。

2 结果与讨论

2.1 废弃非织造布的清洗

图2为废弃非织造布经5种不同清洗方式清洗前后的电子照片。清洗前，废弃非织造布表面有较多污渍和黑色附着物。经高压水洗1 h后，非织造布表面附着物明显减少，但是依然有较多污渍；先高压水冲洗10 min再蒸馏水超声洗1 h后，非織造布表面与高压水洗1 h相比，污点减少，但是仍有污渍；采用先高压水冲洗10 min再洗洁精清洗10 min后的效果与在蒸馏水中超声洗1 h没有太大差别；由不同浓度HCl溶液（2～10 mol/L）超声洗涤10 min后的电子照片可以看出，随着HCl浓度升高，非织造布表面越来越洁净，当浓度高于6 mol/L，非织造布的清洗效果变化不大，此时，非织造布表面较为洁净，与高压水、蒸馏水、洗洁精3种清洗方式相比清洗效果较好；由不同浓度NaOH溶液（2～10 mol/L）超声洗涤10 min的电子照片可知，当NaOH溶液的浓度达到6 mol/L时，非织造布的表面较为洁净，随NaOH溶液浓度增大，非织造布的清洗效果变化不大。

综上，考虑到经济因素和清洁效果，确定了最佳的清洁方式：先用高压水洗10 min，冲去表面的浮尘和固体污物，再采用6 mol/L HCl或6 mol/LNaOH溶液超声波清洗10 min。主要原因在于酸或碱液具有较高的化学活性，可以与非织造布中的一些杂质反应，而利用超声波在液体中的空化作用和加速度作用又促进了污物的剥离。

2.2 废弃非织造布成分的鉴定

图3为分别采用6 mol/L HCl和6 mol/LNaOH溶液超声波清洗10 min后废弃非织造布的DSC升温曲线，以鉴定非织造布的成分[12]。由图3可知，两种不同方式清洗后的非织造布均在165 ℃和250 ℃左右出现了两个明显的熔融峰，说明废弃非织造布至少由两种纤维组成。而PP纤维的熔点范围为165～173 ℃，PET纤维的熔点范围为250～260 ℃，可以初步推测，所测废弃非织造布的成分可能是由PP纤维和PET纤维两种纤维构成。

为进一步确定废弃非织造布的纤维成分，进行了FTIR测试[13]，测得的红外光谱如图4所示。通过对比图谱可知，6 mol/L HCl和6 mol/L NaOH清洗后非织造布谱图均在725 cm-1、1 100 cm-1、1 250 cm-1和1 720 cm-1左右出现4个较强的特征峰，分别对应于苯环的对二取代、醇或酚中的C—O键、醚键的C—O、酮或酯中CO的吸收峰。PET红外光谱的特征峰位置分别在725 cm-1、1 100 cm-1、1 250 cm-1和1 740 cm-1附近，由此可推断非织造布含有PET纤维，与DSC分析结果一致。

除了上述4个特征吸收峰以外，在2 895 cm-1位置附近又出现了一个比较明显的伸缩振动特征峰，对应于—CH3、—CH2—中C—H的振动吸收。与PP红外光谱图中对应的特征峰位置基本相符，结合DSC测试结果，推断另一种纤维成分是PP纤维。

红外光谱曲线除了PET、PP的特征吸收峰外未出现新的峰，因此，本文采用的废弃非织造布由PET纤维和PP纤维两种成分组成。

2.3 再生PET纤维的制备及纯度分析

利用二甲苯溶解的方法制备再生PET纤维，具体工艺如下：称取30 g经6 mol/LNaOH溶液清洗后的非织造布于250 mL三颈烧瓶中，加入100 mL二甲苯溶液，于130 ℃回流3 h。回流结束，采用无水乙醇洗涤样品，并于130 ℃真空干燥5 h即可得到再生PET纤维。通过称量再生PET纤维的质量和溶解前无纺布的质量，计算PET纤维在非织造布中的质量分数约为68.3%。

采用FTIR对再生PET纤维进行定性分析。再生PET纤维的红外光谱只出现PET的特征峰，未观察到PP的特征峰。为进一步确定废弃非织造布再生纤维的成分和纯度，对再生纤维进行了XRD测试。图5为非织造布再生纤维的XRD图。由图5，非织造布再生纤维的图谱分别在17.52°、22.55°、26°附近出现了3个特征衍射峰，分别对应于PET的特征峰衍射，未观察到PP的衍射峰。由此可知，经二甲苯溶解的方法制备的PET纤维纯度较高。

2.4 非织造布及再生PET纤维的形态结构

为研究清洗后废弃非织造布和再生PET纤维的形态结构，进行了SEM测试，见图6。图6（a）为6 mol/LNaOH溶液清洗后非织造布的SEM图，由图6（a）可知，非织造布由不同粗细（13 μm和15 μm）的两种纤维交错排列构成，对应于PET纤维和PP纤维，纤维呈圆柱状或扁平状，纤维表面较光滑，但有一些团聚物质，这是非织造布中的附着物。由图6（b）可知，再生PET纤维粗细均匀，表面光滑，纤维表面团聚的杂质明显减少，纤维的直径约13 μm。这说明采用二甲苯溶液溶解的方法可以将废弃非织造布中的PP纤维溶解除去，制备得到再生PET纤维，纤维结构没有损害，所得纤维纯度较高可以进行再次利用。

2.5 再生PET纤维/LLDPE复合膜的制备及性能

为了分析再生PET纤维再利用的可行性，将不同质量分数（0.1%，0.5%，1%）的再生PET纤维与LLDPE复合，通过热压成型技术制备厚度为0.2 mm的PET/LLDPE复合膜。首先，将LLDPE粒料进行热压成型制备LLDPE薄膜；其次，将再生PET纤维均匀铺在两层LLDPE薄膜中间；最后，将LLDPE薄膜和纤维层进行热压成型制备类似“三明治结构”的PET/LLDPE复合膜。图7为再生PET纤维和PET/LLDPE复合膜的电子照片。为了简便，不同含量的复合膜标记为x-PET/LLDPE。

图8为不同纤维含量PET/LLDPE复合材料典型的应力-应变曲线。由图8可知，再生PET纤维的加入显著提高了材料的拉伸性能。PET/LLDPE的拉伸强度和模量得到较大提高，并且随纤维含量的增加逐渐增加。其中，1-PET/LLDPE的拉伸强度和模量与纯LLDPE制品相比分别增加了58.67%和40.97%。将再生PET纤维与热塑性聚合物复合可制备一些应用于装饰、建筑、生活中的薄膜或板材。

3 结 论

本课题以铝带生产中废弃的过滤用非织造布为原料，通过对比5种不同清洗方式，确定废弃非织造布的最佳清洗工艺是采用6 mol/L HCl溶液或6 mol/L NaOH溶液超声洗涤10 min。DSC和FTIR测试结果表明废弃非织造布由PET纤维和PP纤维组成，PET纤维在非织造布中的质量分数为68.3%。采用二甲苯溶解溶液方法制备了再生PET纤维，纤维粗细均匀，表面光滑，纤维的直径约13 μm，纯度较高。PET纤维与LLDPE通过热压成型制备PET/LLDPE复合薄膜，复合膜的拉伸强度和模量都得到提高。

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