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紡織廢料纖維板力學(xué)性能影響因素分析

文檔作者：焦慧揚(yáng) 潘匯張海泉文檔來源：江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年04月07日
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28 第201431年卷4，第月 4期 工 程 塑 料 應(yīng) 用
ENGINEERING PLASTICS APPLICATION
Vo1．41．No．4
Apr．2013
doi：lO．3969~．issn．1001-3539．2013．04．007
紡織廢料纖維板力學(xué)性能影響因素分析古
焦慧揚(yáng)，潘匯，張海泉
(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122)
摘要：對(duì)廢舊棉纖維、聚酯廢絲和聚丙烯廢絲三種原料進(jìn)行開松、混合、梳理，并最終形成纖維網(wǎng)。通過正交試驗(yàn)
及相應(yīng)的補(bǔ)充試驗(yàn)，確定纖維網(wǎng)的最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。并用此工藝參數(shù)對(duì)含有不同比例棉纖維的纖維網(wǎng)進(jìn)行熱壓。
研究了棉纖維含量對(duì)廢舊棉／聚酯／聚丙烯混合纖維板力學(xué)性能的影響。對(duì)板材的拉伸性能和彎曲性能的測(cè)試及分
析表明，隨著棉纖維含量的增加，板材的力學(xué)性能隨之下降。
關(guān)鍵詞：紡織廢料；纖維板；廢舊棉纖維；聚酯廢絲；聚丙烯廢絲；熱壓
中圖分類號(hào)：TQ327．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001．3539(2013)04．0028．04
Impact Factor Analysis of M echanical Properties of Textile W aste Fiberboard
Jiao Huiyang，Pan Hui，Zhang Haiquan
(Key Laboratory ofEco—Textile ofEducation，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
Abstract：The waste coRon fiber，polyester fiber and polypropylene fiber were opened，blended，carded，and eventually
the fiber net was formed．The optimal hot pressing parameters of the fiber net were determined through orthogonal tests and
corresponding additional tests．The fiber nets of different co~on fiber proportion were hot pressed under the optimal parameters．The
influence of cotton fiber content on the mechanical properties of waste coton ／polyester／ polypropylene hybrid fiberboard was
studied．Test and analysis of tensile and flexural properties of waste fiberboard show that mechanical properties of fiber plate decrease
with the increase of cotton fiber content．
Keywords：textile waste；fiber board；waste co~on fiber；waste polyester fiber；waste polypropylene fiber；hot processing
2011年，中國(guó)紡織工業(yè)纖維加工總量達(dá)到
4 31O萬t，其中化學(xué)纖維為2960萬t，占總產(chǎn)量的
68．7％，而聚酯纖維是實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)量最多的化學(xué)
纖維，約占化學(xué)纖維總量的70％，聚丙烯纖維的產(chǎn)
量也處于前列，僅次于聚酯纖維。而在天然纖維中，
棉纖維產(chǎn)量最多，占纖維加工總量的25．7％[1 ，因
此，其廢舊纖維的產(chǎn)量也多。因而，選擇聚酯纖維、
聚丙烯纖維和棉纖維這三種具有代表性的纖維作為
廢舊纖維板的原料。
隨著時(shí)代的發(fā)展，目前滌棉織物的混紡比例
已由原先的65：35發(fā)展成65：35，55：45，50：50，
20：80等各種不同比例[3-4]o而含有多種纖維的混
紡織物，其比例更加復(fù)雜。因此，在處理廢料時(shí)，很
難控制其各種纖維的比例[5--6]o所以，筆者研究在廢
紡纖維的利用過程中，纖維之間比例的變化對(duì)最終
的纖維板性能影響的規(guī)律。前人的研究著重點(diǎn)在聚
丙烯纖維的比例上，且研究較為成熟 】。因此根據(jù)
前人的研究成果，固定聚丙烯纖維的比例，來研究棉
纖維比例的變化對(duì)纖維板性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1．1 原材料
原料來源：化纖廠廢絲。
原料性能：對(duì)三種廢絲原料進(jìn)行性能測(cè)試 ，
結(jié)果如表1所示。
表1 廢舊棉纖維、聚酯纖維與聚丙烯纖維的性能
1．2 設(shè)備和儀器
開清棉機(jī)：HYFU 218 D型，江陰恒遠(yuǎn)機(jī)械制造
有限公司；
梳棉機(jī)：AS181型，上海東華大學(xué)；
熱壓機(jī)：Carver4128型，美國(guó)Carver公司；
萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)：Instron 3385H型，美國(guó)Instron公
司
江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2010140)
聯(lián)系人：焦慧揚(yáng)，碩士，主要從事紡織廢料及其復(fù)合材料研究
收稿日期：2013—02．05
焦慧揚(yáng)，等：紡織廢料纖維板力學(xué)性能影響因素分析 29
1．3 廢舊纖維板的制備
廢舊纖維板的制備過程如下：
廢絲原料一混合一梳理_+纖維網(wǎng) 壓機(jī)預(yù)熱
恒溫加壓_÷冷卻定型 脫模 標(biāo)準(zhǔn)制樣 性能測(cè)
試㈣。
1．4 性能測(cè)試
拉伸強(qiáng)度按GB／T 1040-2008測(cè)試。
彎曲強(qiáng)度按GB／T 1449-2005測(cè)試。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)分三步進(jìn)行，其中兩次正交試驗(yàn)時(shí)，各纖
維比例沒有改動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，纖維比例
為單一變量。選定聚丙烯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，這
樣既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又有利于對(duì)另外兩種纖維含
量進(jìn)行分析。其它纖維的具體比例如表2所示。
表2 廢I13纖維板的纖維組成 ％
2．1 正交實(shí)驗(yàn)
首先進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過方差分析法來確定棉
纖維含量(A)、熱壓溫度(B)、熱壓壓力(C)、熱壓時(shí)
間(D)及棉纖維含量與溫度的交互作用(A×B)、熱
壓溫度與熱壓時(shí)間的交互作用(B×D)、棉纖維含量
與熱壓時(shí)間的交互作用(A×D)這幾個(gè)因素對(duì)纖維
板的影響程度。正交試驗(yàn)水平如表3所示。
表3 實(shí)驗(yàn)因素與水平
1 10 190 14 5
2 5 195 12 6
3 1 5 1 85 10 4
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。表4、表5分別為拉伸
強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的方差分析表。
通過表4及表5的分析可以得到因素A、D和
交互作用B×D對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。因此，結(jié)合
(3¨)正交表的水平值，選用 。(3 )正交表做補(bǔ)充
試驗(yàn)來確定最優(yōu)參數(shù)。
表4 L27(3”)拉伸強(qiáng)度方差分析表
注：1)由，分布表查得F00 (2，6)=5．14，F(xiàn)o (2，6)=3．46，F(xiàn)o。 (4，6)=4．53，F(xiàn)o (4，6)=3．18。
2．2 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)
補(bǔ)充試驗(yàn)是為了進(jìn)一步確定纖維板的最優(yōu)工
藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)因素與水平如表6所示。
表6 實(shí)驗(yàn)因素與水平
l l0 200 8 7
2 l5 2l0 10 8
3 5 19O l2 6
通過實(shí)驗(yàn)分析，熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時(shí)
間對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響分別如圖
1，2，3所示。
由圖1可以看出，在190℃ 時(shí)，纖維板力學(xué)性
能較差，這是由于聚丙烯的熔點(diǎn)為198℃，低于此溫
度，聚丙烯未完全熔融，不能較好地粘結(jié)另外兩種纖
維，而當(dāng)溫度達(dá)到210~(2時(shí)，雖然彎曲強(qiáng)度較好，但
是拉伸強(qiáng)度大幅度下降，這是由于在較高的溫度下，
基體開始裂解，聚丙烯握持能力下降，因此最佳熱壓
溫度為200cI二。由圖2可以得到，隨著壓力的增加，
纖維板的力學(xué)性能隨之增加，這是由于較高的成型
壓力可以促進(jìn)粘結(jié)纖維的流動(dòng)，增加纖維的接觸面
積，提高纖維板的力學(xué)性能。由圖3可以看出，在
熱壓時(shí)間為7 min時(shí)纖維板的力學(xué)性能最優(yōu)，這是
由于熱壓時(shí)間短，聚丙烯纖維熔融不充分，而時(shí)間
過長(zhǎng)，基體易裂解。再結(jié)合上一步正交實(shí)驗(yàn)，可以
得到纖維板力學(xué)性能最優(yōu)時(shí)的工藝參數(shù)：熱壓溫度
200℃ ，熱壓壓力12 MPa，熱壓時(shí)間7 min。圖4為
棉纖維含量對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響。
由圖4可知，隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖
維板的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都隨著下降，這主要
是兩方面的原因：首先，棉的單纖維強(qiáng)度為1．19
cN／dtex，而聚酯纖維的單纖維強(qiáng)度2．68 cN／dtex，
30 工程塑料應(yīng)用 2013年，第41卷，第4期
因此，隨著棉纖維的增加和聚酯纖維的減少，
承受拉伸及彎曲載荷的纖維強(qiáng)力降低，纖維板的力
學(xué)性能隨之下降；其次，聚酯纖維的耐熱性較好，優(yōu)
于棉纖維，在同一溫度一定時(shí)間作用后，聚酯纖維的
剩余強(qiáng)度高于棉纖維。實(shí)測(cè)棉纖維和聚酯纖維在
130?！径陆?jīng)過20 d后的剩余強(qiáng)度，棉纖維的剩余強(qiáng)
度為初始強(qiáng)度的38％，而聚酯纖維為95％L1”。因此，
在纖維網(wǎng)進(jìn)行熱壓工藝時(shí)，棉纖維的含量越多，纖維
板的力學(xué)性能越差。尤其是其質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10％增
加到30％ 時(shí)，力學(xué)性能下降非常大。
l90 200 210
66
64
62 窆
60警
58幕
56
溫度／0C
圖l 熱壓溫度對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響
皇
＼
皤
魯
撲
壓力／MPa
圖2 熱壓壓力對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響
圖
宴
＼
憩
坦
靜
時(shí)間／min
熱壓時(shí)間對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響
10 2O 30 40
棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％
圖4 棉纖維含量對(duì)纖維板拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響
3 結(jié)論
(1)棉纖維在纖維板中所占比例的大小對(duì)纖維
板的力學(xué)性能影響較大。這是由于棉纖維本身的強(qiáng)
度及耐熱性都不及聚酯纖維。所以，隨著纖維網(wǎng)中
棉纖維的增加，聚酯纖維不斷減少，纖維板的力學(xué)性
能也就不斷下降。
(2)通過正交試驗(yàn)及補(bǔ)充試驗(yàn)，得到廢舊棉／
聚酯／聚丙烯纖維板的最優(yōu)熱壓工藝為：熱壓溫度
2o0℃，熱壓壓力12 MPa，熱壓時(shí)間7 min。在此條
件下，纖維板的力學(xué)性能最優(yōu)。
(3)在廢舊棉／聚酯／聚丙烯纖維板的熱壓過程
中，纖維的比例對(duì)纖維板的力學(xué)性能影響較大，而纖
維的比例和溫度、纖維的比例和時(shí)間及溫度和時(shí)間
這三個(gè)交互作用對(duì)纖維板的影響可以忽略。
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∞ 鰓 弱
Bd ＼ 慧鼉輟 窆＼ 嘿暈覃豐
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焦慧揚(yáng)，等：紡織廢料纖維板力學(xué)性能影響因素分析 3 1
日本率先開發(fā)可燃冰，能源格局又添變數(shù)
日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省近日公布，已成功從近海地層蘊(yùn)藏的甲
烷水合物(一般稱天然氣水合物，俗稱“可燃冰”)中分離出
天然氣，這一消息讓非常規(guī)天然氣再度趨熱。
相比過去兩年全球熱炒的頁巖氣，可燃冰蘊(yùn)藏的天然氣
資源量還要多出很多倍。可燃冰，是否會(huì)繼頁巖氣之后再度
引發(fā)新一輪能源革命?
可燃冰，從中能分離出甲烷，即天然氣，是替代傳統(tǒng)能源
的一種清潔能源，國(guó)內(nèi)通常將之納入非常規(guī)天然氣種類。
公開資料顯示，全球可燃冰蘊(yùn)藏的天然氣資源總量，相
當(dāng)于全球已探明傳統(tǒng)化石燃料碳總量的2倍，一些估算甚至
更高。
日本曾估算，周邊海域可燃冰的天然氣潛在蘊(yùn)藏量相當(dāng)
于日本100年的天然氣消費(fèi)量。除日本之外，世界各國(guó)都在
積極進(jìn)行可燃冰的科研工作。中國(guó)南海和青藏高原也有豐
富的可燃冰資源，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開展了可燃冰前期研究和調(diào)查
工作。
在可燃冰的舞臺(tái)上，各國(guó)已經(jīng)展開競(jìng)逐。
20世紀(jì)60年代到70年代，蘇聯(lián)和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家就
開始了陸地凍土區(qū)和海洋的可燃冰資源調(diào)查。加拿大取得
了陸地凍土帶中可燃冰的實(shí)物樣品，美國(guó)在深海鉆探巖心中
發(fā)現(xiàn)了海洋可燃冰。蘇聯(lián)也在其遠(yuǎn)東地區(qū)發(fā)現(xiàn)可燃冰礦藏
后，開發(fā)了世界上第一座可燃冰礦田。
此后的8O年代，許多國(guó)家都制定了國(guó)家計(jì)劃以評(píng)估本
國(guó)的可燃冰資源。參與的國(guó)家不完全統(tǒng)計(jì)，涉及美國(guó)、加拿
大、日本、印度、俄羅斯、德國(guó)等。
評(píng)估調(diào)查之外，各國(guó)在此時(shí)期還開展技術(shù)研發(fā)，為可燃
冰試開采做技術(shù)儲(chǔ)備。進(jìn)入21世紀(jì)后，已經(jīng)有國(guó)家進(jìn)行試
開采，不過試開采的數(shù)據(jù)都沒有公布。
日本此次在海洋可燃冰領(lǐng)域的突破正是這種潮流之一，
廣州及青島海洋地質(zhì)調(diào)查局一位高級(jí)工程師稱，日本乃是全
球從海洋可燃冰中分離出天然氣的首個(gè)國(guó)家。廣州海洋地
質(zhì)調(diào)查局，以及中科院廣州能源所是國(guó)內(nèi)目前參與可燃冰研
究的主要機(jī)構(gòu)。
上述高級(jí)工程師分析說，目前日本進(jìn)行的是試開采，效
果如何尚待分析。需要連續(xù)觀察天然氣產(chǎn)量，持續(xù)日產(chǎn)量穩(wěn)
定在幾千立方米才能進(jìn)一步評(píng)估經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，是否能持續(xù)
長(zhǎng)期開采，也是評(píng)估可燃冰礦藏的一個(gè)指標(biāo)。
按照中國(guó)工程院院士金慶煥的判斷，現(xiàn)在可燃冰總體還
處于試開采階段。這意味著商業(yè)化到來尚需時(shí)日。目前各
國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域主要還體現(xiàn)在科技攻關(guān)、調(diào)查評(píng)估上。
各國(guó)在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初制定了可燃冰調(diào)查
研究和開發(fā)計(jì)劃。
美國(guó)1997年啟動(dòng)的計(jì)劃是準(zhǔn)備投入10億美元，在
2015年實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采。
日本則在1995年啟動(dòng)投入6億美元的計(jì)劃，希望在
2018年實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采。
德國(guó)在2001年投入2．3億歐元用于相關(guān)研究。
我國(guó)對(duì)可燃冰調(diào)查研究起步較晚。
1999年，國(guó)土資源部下屬的中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)“西沙
海槽區(qū)天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，初步確認(rèn)西沙
海域中可燃冰資源的存在。隨后的2002年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)
立“我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)”國(guó)家專項(xiàng)，在
南海北部陸坡西沙海槽、神狐、東沙及瓊東南等海域開展調(diào)
查評(píng)價(jià)。2007年，在南海北部神狐海域鉆探獲取了含可燃
冰巖心樣品。此外，陸地永久凍土區(qū)可燃冰調(diào)查研究也開始
啟動(dòng)。2008年，國(guó)土部在青海祁連山南緣取得可燃冰實(shí)物
樣品。在陸地可燃冰上取得突破。
資源調(diào)查之外，國(guó)內(nèi)更多精力放在基礎(chǔ)理論研究、實(shí)驗(yàn)
模擬以及勘探開發(fā)工程技術(shù)研發(fā)。金慶煥團(tuán)隊(duì)說，目前他們
建立了小型測(cè)試裝置，進(jìn)行了開采技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)研究。
中國(guó)對(duì)戰(zhàn)略替代能源可燃冰勘探開發(fā)技術(shù)的新一輪系
統(tǒng)性研究也已啟動(dòng)，被科技部批準(zhǔn)納入國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)
目實(shí)施，執(zhí)行期為4年。
該項(xiàng)目首席科學(xué)家王宏斌公開稱，該項(xiàng)目執(zhí)行年度為
2013～2016年，下設(shè)“可燃冰地球物理立體探測(cè)技術(shù)”、“可
燃冰流體地球化學(xué)精密探測(cè)技術(shù)”和“可燃冰樣品保壓轉(zhuǎn)移
及處理技術(shù)”等三個(gè)課題。
除此，國(guó)內(nèi)的可燃冰開采目前還在尋找試開采點(diǎn)的過程
中。頁巖氣革命后，能源格局已經(jīng)從中東向北美傾斜。研究
人員稱，如果未來可燃冰開采成功，能源格局將重新洗牌，能
源生產(chǎn)也更為分散，現(xiàn)存的世界能源市場(chǎng)格局將完全改變。
不過，可燃冰商業(yè)開采的前景，誰也沒有時(shí)間表，何時(shí)能
有大的突破也是未知的。

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