李 桢，张 勇，陆琳玲，张陆贤

(1.安徽职业技术学院 纺织服装学院，安徽 合肥 230011；2.广德天运新技术股份有限公司, 安徽 宣城 242200)

我国是纺织品生产和消费大国，随着纺织品生产量的剧增，其使用周期被大大缩短，导致废旧纺织品呈“几何式”增长[1]。2018年，我国已累计产生废旧纺织品超2亿t，化学纤维类占50%左右[2]。废旧纺织品主要来源于衣物和其他产业用纺织品，纺织工业的快速发展导致生产原料严重匮乏，废旧纺织品增多使环境问题更加严重。据报道[3-4]，我国废旧纺织品综合利用率不足5 %。除极少量的废旧纺织品被回收重新利用外，普遍采取的处理方法是焚烧和填埋。因此需要对废旧纺织品加以充分利用，使其产生更大的社会经济价值和绿色效应。目前废旧纺织品有能量回收、物理回收和化学回收等方法[5-7]，能量回收是将废旧纺织品焚烧产生热能，主要针对无法再循环利用和无价值的废旧纺织品。化学回收是将废旧纺织品降解为合成原料，加以重新开发利用，当前该方法成本较高、工艺复杂。物理回收是对废旧纺织品分离后重新利用，或改变其形态制备成初级原材料的回收再利用方法，此方法节能、环保，目前在纺织行业应用最普遍。物理废旧技术开发的纤维原料可用于纺长丝、填充、非织造等，开发产品主要用于纺织服装、吸附材料、纤维毡垫等领域。纤维毡垫材料具有质轻、孔隙率高、韧性好和形变可裁剪性能优异等热点，被广泛应用于汽车内饰、隔音隔热和工程用保温材料等[8]。保温纺织品材料的发展趋势是纤维的轻量化和环保化，开发一种绿色、环保、轻质的高效保温材料可缓解地球能源危机和环境污染问题。研究[9]发现，杨树绒毛纤维，即杨絮纤维类似天然棉花纤维，其中径向中空面积约占其横截面的80%～90%，被称为地球上最好的中空纤维之一，由于其特殊的中空结构使纤维的孔隙率比其他天然纤维大很多，是一种理想的保温纤维。杨絮纤维在与其他化学纤维少量共混的情况下，具有更好的保温效果[10]。

本文为得到一种绿色、环保的轻质保温材料，利用废旧涤纶短纤维和杨絮纤维共混，通过针刺工艺制备高效保温的纤维毡材料。首先分析杨絮纤维的成分和微观形貌，再采用正交试验分析纤维质量比、废旧涤纶短纤维截面孔数和纤维毡面密度对纤维毡保暖性能的影响，得到保暖性较佳时废旧涤纶短纤维与杨絮纤维的质量比，为开发保温纺织品材料提供一种新方法。

1 试验部分

1.1 试验材料和仪器

试验材料：杨絮纤维，线密度为(1.85±0.20)dtex，长度4～5 cm(安徽合肥市植物园5年杨树)；截面为4、5、6和7孔的废旧涤纶短纤维，长度7～8 cm，线密度(2.66±0.27)dtex(安徽信德化纤有限公司)；棉纤维，线密度2.1 dtex(安徽亮亮纺织有限公司)。

试验仪器：YG(B)606D型平板式保温仪(温州大荣仪器有限公司)，S-4800型扫描电子显微镜(日本日立公司)，HX101-5型电热鼓风烘干箱(上海一恒科技有限公司)，ZC-1020型针刺小样机(临沂悦龙无纺设备有限公司)。

1.2 废旧涤纶短纤维/杨絮纤维毡的制备

将不同用量的废旧涤纶短纤维与杨絮纤维共混得到纤维毡原料，采用针刺密度150刺/m2，针刺深度6 mm的固定针刺工艺，试验保持统一的工艺参数，经开松、梳理、交叉铺网、预针刺、主针刺等工艺流程后，制备出废旧涤纶短纤维/杨絮纤维毡。

1.3 性能测试

1.3.1 纤维形貌测试

将纤维样品黏在导电胶上，喷金，置于电镜设备中观察纤维表面和截面，电压为3 kV，温度20 ℃，相对湿度65%。

1.3.2 纤维毡保温性能测试

将制好的试验样品置于YG(B)606D型平板式保温仪内，试验板及底板和周围的保护板均控制相同的温度，测试时使试验板的热量只能通过试样方向散发，由电脑测定试验板在一定时间内保持恒温所需要的加热时间，并计算保温率、传热系数和克罗值[9]。

式中：Q为样品保温率，%；Q1为试验板无试样散热量，W/℃；Q2为试验板有试样散热量，W/℃；Ubp为无试样时试验板传热系数，W/(m2·℃)；U1为有试样时试验板传热系数，W/(m2·℃)。

2 试验结果与讨论

2.1 纤维形貌分析

杨絮纤维和棉纤维的形貌观察结果见图1。经过对比观察可以看出，2种纤维横截面、纵向形态存在一定差异。图1(a)可以看出，棉纤维呈天然中空结构，纤维内部可充满大量导热系数较低的空气，从而使得纤维保温性能提升。研究已证实棉纤维的中空结构使其具有很好的保温、保暖效果[11]。图1(b)中杨絮纤维具有比棉纤维更高的中空结构，从而赋予其更好的保温性能。同时在纵向结构图1(c)(d)中，可以看出棉纤维较为细长，具有不规则转曲的带状结构，而杨絮纤维呈现光滑的圆柱形结构，该结构更有利于纤维中存储大量空气，从而使得杨絮纤维高效保温性能更持久稳定[12-13]。

图1 棉纤维与杨絮纤维横截面、表面电镜照片

2.2 纤维毡制备单因素试验

2.2.1 涤纶短纤维/杨絮纤维质量比对纤维毡保温性能的影响

取6孔废旧涤纶纤维与杨絮纤维按所设计的质量配比进行共混，通过针刺工艺制作纤维毡，对纤维毡的保温指标进行测试，纤维毡面密度恒定为80 g/m2，测试数据如表1所示。可以发现，纤维毡中杨絮纤维占比越高，纤维毡的保温性能越好。这主要是因为杨絮纤维具有较高的中空度，可以使纤维中储存大量静止的空气，从而使纤维具有优异的保暖性，当共混纤维中杨絮纤维含量不断增加，其纤维毡的保温效果也在不断提升[14-15]。但当涤纶短纤维/杨絮纤维质量比为6∶4时，继续增加杨絮纤维含量，此时纤维毡保温性能变化不大。因此后续正交试验以涤纶短纤维/杨絮纤维质量比为6∶4附近进行。

表1 涤纶短纤维/杨絮纤维不同质量比对保温性能的影响

2.2.2 纤维毡面密度对纤维毡保温性能的影响

取6孔涤纶与杨絮混合，保持涤纶短纤维/杨絮纤维质量比为6∶4，改变纤维毡的面密度，对纤维毡的保温指标进行测试，试验结果如表2所示。可以看出，在一定范围内，随着纤维毡面密度的增加，其保温率不断提高。当纤维毡面密度达到80 g/m2时，其保温性能达到较佳水平，保温性能不再发生较大变化。因此后续正交试验以80 g/m2附近进行面密度的水平设置。

表2 纤维毡面密度对保温性能的影响

2.2.3 涤纶纤维截面孔数对保温性能的影响

取不同截面孔数的废旧涤纶短纤维与杨絮纤维混合，使制成纤维毡样品的面密度为80 g/m2，涤纶短纤维与杨絮纤维质量比为6∶4，对纤维毡制品的保温指标进行测试，涤纶短纤维截面孔数对纤维毡保温性能影响结果如表3所示。可以看出，在一定范围内，随着废旧涤纶纤维截面孔数的增加，纤维毡保温率不断提高。当废旧涤纶纤维截面孔数达到6个时，其纤维毡保暖性能几乎不再变化。这可能是由于当共混纤维中涤纶纤维孔数增加到一定程度时，整个纤维的孔隙率基本保持稳定，当继续增加纤维孔数时，对整个纤维毡的保温效果影响不大[16]。因此后续正交试验以“6个”数值附近进行纤维截面孔数水平设置。

2.3 纤维毡制备正交试验设置

为进一步优化纤维毡性能，选择涤纶短纤维/杨絮纤维共混质量比、纤维毡面密度和涤纶纤维截面孔数作为变化因子，采用正交试验对纤维毡制备工艺和性能进行分析，正交试验设计见表4，正交试验结果见表5。

表4 正交试验的因素与水平表

表5 正交试验结果

对正交试验结果进行极差分析，从极差分析结果可以看出，纤维毡面密度对其保温性能影响最大，其次是涤纶短纤维与杨絮纤维质量比，废旧涤纶短纤维的截面孔数影响最小。为进一步分析各因素对纤维毡性能的影响机制，试验讨论了该3因素对纤维毡的克罗值、保温率、传热系数的影响水平。本文试验中废旧涤纶短纤维/杨絮纤维毡的最优制备工艺为：废旧涤纶短纤维截面孔数为6个、涤纶短纤维与杨絮纤维质量比为5.8∶4.2、纤维毡面密度为80 g/m2，此时从克罗值、保温率和传热系数3个因素考虑，得到的纤维毡保温效果最优。

3 结 论

①通过纤维形貌和截面观察可以看出，杨絮纤维的结构具有类似棉纤维的天然中空结构，纤维的中空度高于棉纤维，使其具有比棉纤维更优异的保温性能。

②通过正交试验设计对针刺工艺参数分析，研究发现纤维毡面密度对其保温性能影响最大，其次是纤维质量比，废旧涤纶短纤维的截面孔数影响最小。通过正交试验优化得出保温效果最优的废旧涤纶短纤维/杨絮纤维毡制备工艺条件为：废旧涤纶短纤维截面孔数为6个、涤纶短纤维与杨絮纤维质量比为5.8∶4.2、纤维毡面密度为80 g/m2。