基于释放负离子红麻纤维汽车内饰材料研究

何婷婷,郑来久

（大连工业大学 辽宁省清洁化纺织重点实验室，大连 116034）

引言

近年来，汽车室内污染问题愈来愈引起人们的关注[1-4]。汽车内饰材料包括门板、装饰布、地垫、座椅等多种高分子材料，这种材料多采用化学纤维为原料进行生产，部分含有甲醛、丙酮、二甲苯等有害气体释放，影响到汽车内部有限空间的空气质量，进而影响人们身体健康。为改善汽车室内空气质量，本文提出一种以红麻和低熔点聚酯为原料，添加负离子整理剂，制成可释放负离子的功能型红麻纤维汽车内饰材料。同时，通过二次回归正交组合设计，探讨热轧工艺对负离子释放量的影响因素并确定最优工艺，使汽车内饰材料具有稳定的力学性能，并可稳定的释放出可对空气中的悬浮颗粒有吸附、聚集和沉降作用的负离子，使汽车室内空气得到净化。

1 材料与方法

1.1 实验材料

红麻汽车内饰材料：红麻／低熔点聚酯(ES)纤维混合比60：40，面密度为800 g／m2。其中，红麻纤维细度3.23 tex～1.66 tex，长度3.5 mm～290 mm。ES低熔点纤维长度40 mm，纤维细度1.5 tex，密度0.92 g／cm，熔点167℃，单强489 cN／tex。电气石粉体6.5 um。

1.2 测试方法

1.2.1 负离子释放量测试

取5 cm×5 cm试样，经整理后，在环境温度(20±2)℃，相对湿度45%-75%条件下，使用日本COM-3010PRO负离子测试器进行测试，引用的标准为GB/T18809-2002和GB/T8170-1987。

1.2.2 电气石粉体测试

1.2.2.1 FTIR测试

测试仪器：SpectrumOne-B型傅立叶变换红外光谱仪。测试条件：扫描范围：4000-400cm-1，频率：50-60 Hz，工作电压：220-240 V，功率：250 W。

1.2.2.2 扫描电镜测试

测试仪器：JEOLJSM-6460LV型扫描电子显微镜，测试条件：电压20KV，电流：100μA。

2 结果与讨论

2.1 电气石粉的表征

采用傅立叶变换红外光谱仪对电气石粉进行表征，特征吸收峰均属于电气石结构中O—H、Si—O、B—O及复三方环的振动吸收峰，如图1所示。采用JEOLJSM-6460LV型扫描电子显微镜（日本电子株式会社）观察电气石粉表面形态如图2所示。

图1 电气石粉红外光谱Fig.1 Infrared spectrogramoftourmaline

图2 电气石粉扫描电镜图Fig.2 SEMphotooftourmaline

2.2 负离子整理剂影响因素分析

2.2.1 分散剂的选择

将制备好的分散剂静置一周后外观如图3所示，其中可看出选用聚丙烯酸钠为分散剂的整理剂没有明显的分层，而选用十二烷基苯磺酸钠为分散剂的整理剂中，超细电气石粉体沉降严重。

图3 不同分散剂制备的整理剂静置后效果Fig.3 Stewingeffect ofarrangement bydifferent dispersant

分层严重是因为具有大分子长链分子结构的聚丙烯酸钠，其分子长链在电气石颗粒之间产生了交联作用，这种桥接的作用使整理剂形成不规则网状结构。将电气石粉体分散在去离子水中后，加入聚丙烯酸钠，因聚丙烯酸钠中含有大量强亲水性基团—COOH—,—COO—，所以亲水性很强，使水分子被吸附在化学吸附层周围，形成一层水化膜，从而使电气石粉体更好的分散。在这个过程中，大量负电荷存在于粒子周围，显著增强了粒子间的静电排斥力；其次，由于聚丙烯酸钠的大分子结构，具有较大的尺寸，给粒子提供了更大的空间排斥力，所以选择聚丙烯酸钠的整理剂中电气石粉体的分散稳定性好且沉降时间长。

2.2.2 负离子释放量的影响因素分析

影响负离子整理剂负离子释放量的因素主要有：分散剂用量、电气石的含量、电气石粉体细度。各因素对负离子释放量的影响如图4所示。

图4 负离子释放量的影响因素分析Fig.4 Impact ofvarious factors on the release ofnegative ions

由单因素实验可知，图4（A）所示，随着分散剂用量的逐渐增加，负离子释放量也在不断升高，当到达0.6 g/100 ml时并非拐点，因为单因素实验本身存在误差，分散作用趋于平缓并增长缓慢，分散剂加入量达到0.8 g/100 ml时，负离子释放量达到最高点。电气石粉体表面完全被聚丙烯酸钠包覆，随着包覆层的加厚，空间阻力增大，减弱了粉体之间的毛细管力，因此阻碍了电气石粉体与水结合并释放负离子的能力。图4（B）可知随着电气石粉体浓度的逐渐增加，负离子释放量逐渐升高，但增加到一定值时增长缓慢，从成本分析的角度出发选择电气石粉体浓度为500 g/100 ml为最佳。由图4（C）可知电气石粉体含量越高，细度越细，产生的负离子越多，但当电气石粉体目数越高其团聚现象也越严重。

2.3 浸轧工艺对负离子释放量的影响

在浸轧负离子整理剂的工艺中，浸轧次数、浸轧时间以及负离子整理剂质量浓度是影响负离子释放量的主要因素，本文通过单因素实验探讨工艺参数。参照图5及表1。

表1 浸轧次数对实验结果的影响Table 1 Influence ofdippingtimes on experiment result

图5 浸轧工艺单因素实验Fig5 The result ofdippingprocess with single factor method

对于负离子释放量来说，负离子整理剂质量浓度是最为重要的影响因素，其次是浸轧次数和浸渍时间。随着负离子整理剂浓度的逐渐升高，负离子释放量也在不断升高，当到达500g/100ml时，负离子释放量增长速度开始变缓慢，在同等条件下从人体舒适度分析选择整理剂浓度为500 g/100 ml即可；浸轧时间为40 min、浸轧次数选择2次为较优。

2.4 热轧工艺对负离子释放量的影响

采用二次回归正交旋转组合设计对热轧工艺进行分析，三个关键影响因素为：热轧时间，热轧温度，热轧压强。首先，选择3因素的上下限值（Z1j,Z2j）。计算各影响因素的零水平Z0j和变化间隔△j，并根据公式：

Z0j=（Z1j+Z2j）/2，△j=（Z1j-Z2j）/γ，γ=1.1618，编制因素水平编码表：

表2 优化各因素水平与变化间隔表Table 2 The formofoptimization ofvarious factors level and various spacing

根据三因子二次通用旋转组合设计的要求，排出三因子二次通用旋转组合设计的结果矩阵表进行试验，对试验各考察指标进行测量，经过异常值的检验与剔除，各方案内指标数据均在一定程度上满足正态分布，方案间相应指标数据也在一定程度上满足方差一致[8]。

表3 三因素二次正交旋转组合设计Table 3 Quadratic orthogonal rotation combination design

2.5 模型建立及回归分析

实验以随机次序进行，采用SPSS软件进行分析，对试验结果进行分析，得到温度（X1）、时间（X2）、压强（X3）与负离子释放量（Y）的数学模型，经回归拟合后求得响应函数的回归方程表达式为：

由此得出，回归分析结果(表4)和响应面图以及对应等高线图(图6)。

表4 回归系数显著性检验Table 4 Significance test ofregression coefficient

根据各指标的有效回归方程分析不同因子对目标的影响。运用有效回归方程绘出目标与因子间关系的三维等高图。

图6 响应面三维图和对应等高线图Fig.6 Response surface graphic model and correspondingcontour map

由图6可知，随着热轧温度、压强、时间的不断增加，负离子释放量先增加后缓慢减小。随着热轧温度和压强的升高，电气石粉体因其压电性和热电性，在温度、压力变化的情况下,电气石晶体的电势差使周围的空气发生电离,被击中的电子附着于邻近的水和氧分子并使它转化为空气负离子，空气负离子释放量升高。随着温度和时间的进一步增加，聚丙烯基体开始热裂解，集体熔融完全，包覆住部分电气石粉体，阻碍了负离子释放。为了研究各因素的最佳点，对已回归的非线性模型方程求一阶偏导，并令其等于零，可以得到曲面的最低点，求导方程整理得：

在回归方程中求得：X1=0.161534231406，X2=-0.14583902435和X3=0.0305432088。优化后最优工艺参数为：热轧温度168.9℃，热轧时间5.3 min，热轧压强5.5 MPa。采用此参数制得红麻汽车内饰材料，经负离子测试器检测，负离子释放量为1480～1690个/cm3。与人体在草坪中可吸收的负离子数1000～2000相当[9]，对人体健康有益。同时由于电气石粉压电性和热释电性效应，在空气中存在水分的条件下，其负离子可持续循环释放，改善车内空气质量，达到了GB/T18809-2002和GB/T8170-1987的相关标准。

3 结论

3.1 以红麻/低熔点聚酯纤维复合材料（60/40）为基质，采用自制负离子整理剂对复合材料进行后整理，利用单因素试验方法优化较佳释放负离子工艺参数：负离子整理剂质量浓度为500 g／L，浸渍时间为40 min，浸轧次数为2次，再通过热轧烘干得到可持续释放负离子的红麻汽车内饰材料。

3.2 通过SPSS统计分析软件进行二次正交旋转组合设计，建立二次回归模型，对其热轧工艺条件进行优化与验证检验，寻优结果为：热轧温度168.9℃，热轧时间5.3 min，热轧压强5.5 MPa。采用上述工艺制得的红麻汽车内饰材料负离子释放量为1480～1690个/cm3，在相对湿度45%以上的条件下，负离子可持续循环释放，符合GB/T18809-2002、GB/T8170-1987的相关标准。

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