利用废弃涤棉混纺纤维回收涤纶

孔 伟, 于 永 玲, 吕 丽 华

( 大连工业大学 绿色纤维材料应用技术研究所, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

全球每年产生的上千万吨纺织纤维类废弃物中占很大比例的是涤棉混纺类纺织品,由于废弃涤棉混纺制品不可降解,掩埋、燃烧等处理方式不仅造成资源的浪费,还会对环境产生恶劣的影响[1]。据报道[2],回收再生的涤纶纤维与用石油制备涤纶原料相比较,可以减少77%的二氧化碳排放量,节约84%的能源,所以考虑从废弃涤棉混纺制品中回收涤纶是必要的。常用的方法有溶剂法[3]、酸水解法[4]和酶水解法[5]等。有机溶剂毒性大、昂贵使得该方法逐渐被淘汰；酶水解时间较长且成本高；使用较多的是浓硫酸法,但由于浓硫酸需要回收,反应条件要求高,制约了该方法的发展[6]。目前国内外报道较多的是酸法水解木质纤维素制糖,而对混纺纤维中棉纤维的降解研究则鲜见报道。

本试验对从废弃涤棉混纺纤维中回收涤纶工艺进行了探讨,试验中采用的稀盐酸浓度较低,不用回收,可以作为纤维素水解液继续使用。

1 试 验

1.1 材 料

涤棉混纺纤维(大连新迪纺织厂废弃物,混纺比65/35)；盐酸(36%,分析纯)；真空抽吸泵。

1.2 方 法

取定量的涤棉混纺纤维,加入到一定质量分数和温度的100 mL稀盐酸溶液中,在恒温水浴锅中反应一定时间。清洗反应后的纤维,直至洗涤液没有明显变化。过滤洗涤液,收集剩余纤维及固体残渣,纤维状物质添加到剩余纤维中。烘干纤维及固体残渣,在干燥器中冷却后称取干重。

1.3 测试与表征

参照GB/T 2910.11—2009《纺织品定量化学分析第11部分:纤维素纤维与聚酯纤维的混合物(硫酸法)》,测定试样中棉纤维质量分数为35.1%(干重)。测定混纺纤维中棉纤维去除率衡量涤纶回收效果。棉纤维去除率越高,回收的涤纶纤维纯度越高。

Rr=(m0-m1)/0.351m0

式中,Rr,棉纤维去除率,%；m0,原试样干重,g；m1,分离后回收纤维的干重,g。

2 结果与讨论

2.1 极差分析

以棉纤维去除率为检测指标,选取盐酸质量分数、反应时间、反应温度及固液比等4个因素,每个因素赋予3个水平,建立L9(34)正交试验表,结果与极差分析见表1。

表1 正交试验结果及极差分析

通过表1可知,影响棉纤维去除率的因素显著性主次顺序为:反应时间>盐酸质量分数>反应温度>固液比。最优的水平组合为:A3B3C3D2,即采用10%的盐酸、固液比为40 g/L、在95 ℃下反应90 min棉纤维去除率最高,回收的涤纶纯度高。在最优水平组合下重复试验得到棉纤维去除率99.84%,混纺纤维中涤纶纯度接近100%。

2.2 方差分析

为了验证极差分析结果,对正交试验数据进行方差分析,结果见表2。

表2 正交试验结果方差分析

由表2知,影响棉纤维去除率因素显著性:盐酸质量分数FA>F0.25(2,2)=3,反应时间FB>F0.10(2,2)=9,反应温度FC

2.3 单因素分析

2.3.1 反应时间对棉纤维去除率的影响

从图1知,随着反应时间的增加,棉纤维的去除率逐渐增加。棉纤维素反应属于多相水解反应,在反应初期,酸首先攻击的是无定形区的葡萄糖苷键,因而反应迅速,棉纤维的去除率增加也较快；后期为一级水解反应,主要发生在纤维的结晶区域,反应速度较慢；反应进行至90 min基本停止,所以最佳的时间选择为90 min。

图1 时间对棉纤维去除率的影响

2.3.2 盐酸质量分数对棉纤维去除率的影响

由图2知,随着酸质量分数的增加,纤维的去除率呈增加的趋势。当氢离子浓度较高时,其与糖苷键结合的速度及概率也越大,棉纤维被破坏的程度也越高,纤维去除率不断增加,分离效果明显。综合考虑,本试验选用10%的盐酸。

图2 盐酸质量分数对棉纤维去除率的影响

Fig.2 Effect of mass fraction of HCl on the removal rate of cotton

2.3.3 温度对棉纤维去除率的影响

由图3可知,在反应前期,温度适中,较多的氢离子与棉纤维的表面及无定形区结合,水解迅速；在较高的温度下,酸主要在棉纤维的结晶区反应,反应阻力大速度变缓；温度继续升高,氢离子热运动加剧,纤维结构变得疏松,纤维素水解速率快。研究报道[7],在95 ℃以后盐酸的挥发性较大,考虑到时间与效率的关系,反应温度选在95 ℃ 较为适宜。

图3 温度对棉纤维去除率的影响

Fig.3 Effect of temperature on the removal rate of cotton

2.3.4 固液比对棉纤维去除率的影响

由图4知,随着固液比的增加纤维去除率逐渐增加,在40 g/L时达到最大；再提高固液比,纤维去除率反而下降。因为在较低的固液比时,作为反应物的棉纤维较少,大部分氢离子不参与糖苷键的破坏；当固液比适中时,棉纤维结构破坏剧烈,水解也较为迅速；固液比较大时,纤维过度纠缠,阻碍了棉纤维与酸氢离子的接触,造成纤维去除率下降。所以本试验采取40 g/L的固液比。

图4 固液比对棉纤维去除率的影响

Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the removal rate of cotton

3 结 论

通过正交试验得出废弃涤棉混纺纤维中棉纤维去除率影响因素的主次顺序为:反应时间>盐酸质量分数>反应温度>固液比。最优的工艺条件为:反应时间90 min、盐酸质量分数10%、温度95 ℃、固液比为40 g/L,在此条件下棉纤维被完全去除,回收的涤纶纯度最高。反应时间的延长、酸浓度的提高及温度的增加对棉纤维去除率有促进作用,适当的固液比有利于反应进行充分。

[1] 胡雪敏,张海燕. 废弃纺织品的回收和再利用现状[J]. 纺织导报, 2006(7):52-53.

[2] 中华服装网. 日本帝人公司推广涤纶再生先进循环再利用流程装置[EB/OL]. (2007-01-10). http://www.51fashion.com.cn/BusinessNews/2007-1-10/145652.html.

[3] SERAD L S. Polyester dissolution for polyester/cotton blend recycle: USA, 5342854[P/OL]. 1994-08-30. http://www.freepatentsonline.com/5342854.html.

[4] AKIHIKO O, SUBRAMANIAN K, JINICHIRO K. A new methodology to recycle polyester from fabric blends with cellulose[J]. Cellulose, 2010, 17(1):215-222.

[5] VASCONCELOS A, CAVACO-PAULO A. Enzymatic removal of cellulose from cotton/polyester fabric blends[J]. Cellulose, 2006, 13(5):611-618.

[6] 杨洋,张玉仓,何连芳,等. 纤维素类生物质废弃物水解方法的研究进展[J]. 酿酒科技, 2009(10):82-86.

[7] 杭志喜,崔海丽. 稀酸降解植物纤维素研究[J]. 安徽工程科技学院学报, 2007, 28(9):967-970.