强静电吸附分离涤纶与粘胶混合纤维的研究

巫莹柱，杨凤锦，杨子航，何益宏，梁雅瑶

（1.五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529020；2.广东省纺织新材料及产品协同创新工程技术研究中心，广东 中山 528445；3.五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529020）

据国际先锋报报道，全球在服装与纺织品上的总支出已超过一万亿美元，每年产生了大量的废旧纺织品，仅2012年就已达4 000万吨[1].大量的废旧纺织品大部分被当作垃圾掩埋、焚烧，由此产生的有害气体和难降解物质既污染了环境，又造成了资源浪费.纺织品原料紧缺导致的价格上涨和废旧纺织品的处理问题成为当今世界纺织工业面临的两大问题.世界各国都纷纷出台有效、持久的政策措施，我国在“十二五规划中”提出“建立废旧纺织品回收体系，研发废旧纺织品综合利用共性关键技术”的目标，但目前化学分解降解法分离回收效率低、成本高[2-6]，本文首次提出采用强静电吸附的物理方法分离粘胶/涤纶混合纤维，以期为混纺产品的使用、处理寻找除图像处理法[7-9]外的另一种绿色环保方法，并为混纺织物的分离回收再利用产业化提供参考.

根据静电吸附相关理论与研究[10-13]，由于粘胶纤维和涤纶纤维的回潮率相差很大（涤纶0.4%，粘胶13%），故它们在电场中的介电常数差异也大（标准大气压、电场频率1 000 Hz时，涤纶为2.3，粘胶为8.4）.这将导致在静电场中粘胶纤维和涤纶纤维被极化的程度、速度和强度差异大，两种纤维在电场中受力飞升的难易程度不同，据此实现粘胶纤维和涤纶纤维的物理分离与回收.基于此，本文通过实验，获得了单组分涤纶纤维和粘胶纤维飞升电压、极板距离和通电时间等最佳分离效率的工艺参数，再对二者的混合纤维样品进行分离回收验证.

1 实验器材

1.1 仪器设备

静电植绒机(L2000W，中山市金众静电设备有限公司)、自制的亚克力板纤维分离箱、万分之一电子天平（AL-204，梅特勒-托利多仪器公司）、体视镜（KFN-018A，江门市夸福纳米仪器研究院有限公司）.

1.2 材料

涤纶（白色）纤维和粘胶（黑色）纤维若干克，纤维长度均为0.6 mm，经过处理后，涤纶回潮率为1%，粘胶回潮率为10%，粘胶纤维的导电性等指标需符合行业标准（FZ/T 64013—2008，静电植绒毛绒）.

本实验所用纤维以及其电着处理配方由江门市融心毛绒有限公司提供.

2 实验方法及过程

2.1 纤维的电着处理

电着处理是绒毛生产的一道关键工序，绒毛的分散性、导电性和在静电场中的飞升性能将直接影响植绒成品的外观、密度和植绒强度，本实验所用工艺配方及条件如下：

1）配方：氯化钠（8%）、分散剂S（4%）、 硅酸钠（15%）、诱电剂A（3%）.为了有利于粘胶纤维的飞升和混合纤维的同时处理，对涤纶纤维的处理与粘胶一样[14].

2）电着处理工艺：处理温度60°C，浴比40：1，时间30 min.

2.2 单组分纤维飞升工艺参数优化

1）工艺参数：分离电压从25 V到75 V，极板距离从15 cm到45 cm，通电时间从15 s到45 s.

2）纤维样品：粘胶纤维和涤纶纤维样品各1g.

3）实验过程：称取1g纤维样品，称表面贴有双面胶的回收板的空板质量M0；用40目筛网筛分，将纤维分散均匀、薄薄铺在底端电极板上；调节电场电压和极板距离，接通电源，控制通电时间，纤维两端极化带电，在电场中受到向上的电场力而转向排列、起飞，最终纤维垂直有序粘附到表面贴有双面胶的回收板；称量回收板和纤维共同质量M1，计算单纤维的回收量：ΔM=M1-M0.

2.3 涤/粘混合纤维的分离

1）如图1所示的装置，底端电极接静电发射器的正极，顶端电极接地作为负极，在顶端电极板下方并与之平行放置的1块表面涂有粘附胶的回收板.混合纤维铺撒在底端电极板上被快速极化感应带电.由于粘胶的回潮率比涤纶的大很多，经电着处理后，粘胶表面所带离子多，在电场中的介电常数更大，导致粘胶纤维在静电场中的感应电荷分布到纤维两端的极化程度、速度和强度大，受电场力大，飞升更容易，从而实现了和涤纶纤维的物理分离.

2）纤维样品：粘胶和涤纶的纤维各0.5g，混合纤维样品共重1g.

3）实验过程：称回收板和混合纤维共同质量M1的操作和前面单组分纤维实验相同，计算部分有差异.将回收板移至体视镜下，放大250倍进行观测，根据“S”型逐行巡回观测回收板，用小镊子将白色的涤纶纤维仔细剔除并收集，称重得到涤纶纤维回收量ΔM1，再称回收板和剩余纤维的共同质量M2，计算粘胶纤维回收量：ΔM2=M2-M0.

3 结果与讨论

3.1 电压对单组分纤维飞升量的影响

保持电场极板间距离为15 cm，通电时间为30 s，电压控制为25 V、37.5 V、50 V、62.5 V和75 V，分别测定粘胶纤维和涤纶纤维的飞升量，测试结果如图2所示.

图2 电场电压对单组分粘胶纤维和涤纶纤维飞升量的影响

实验显示，接通电源后，踩下脚踏控制器，粘胶能迅速极化带电，从下极板迅速飞升并被吸附到回收板上；而涤纶纤维难以飞升，其飞升量极少.从图2看出，电压为25 V时，粘胶纤维和涤纶纤维的飞升量都很低；当电压升高到50 V时，粘胶纤维的飞升量快速增加；电压增加到75 V时，粘胶纤维飞升量继续增加，但是增加比较平缓；而涤纶纤维飞升量一直很低.本实验中样品切取平均长度为0.6 mm，但有少部分纤维比该长度长（根据现有理论：纤维越长，需施加的电压越大），为确保尽可能多的粘胶纤维能顺利飞升分离，本文优选电场电压50 V.

出现粘胶纤维和涤纶纤维飞升差异大的原因是：经过电着处理的粘胶纤维，回潮率高、表面导电性好，且粘胶横截面是锯齿状，表面积大、带电量多，粘胶纤维很快在电极板上实现极化；相反，涤纶纤维表面电阻大、极化缓慢、电荷迁移难.因此，粘胶纤维受到的电场作用力远大于涤纶纤维，在静电场中，粘胶纤维快速起飞并飞升到回收板.

3.2 极板距离对单组分纤维飞升量的影响

保持电场电压为50 V，通电时间为30 s，调节电场极板距离分别为15 cm、22.5 cm、30 cm、37.5 cm和45 cm，测定粘胶纤维和涤纶纤维的飞升量，测试结果如图3所示.

从图3看出，电场电压50 V、通电时间30 s时，极板距离的变化对涤纶飞升量影响不大；而极板距离为15 cm时，粘胶的飞升量最大，达到很高的分离度；随着极板距离增加，粘胶飞升量快速下降；故优选极板距离为15 cm.从图3还可看出，当极板距离为30 cm时，飞升分离出现拐点（此时电场强度为2.5 V/cm），仅少部分处于表层、没有受到其他纤维叠压的粘胶在电场力作用下能克服纤维重力而飞升；大部分处于底层的粘胶，由于受到上层纤维的叠压，且电场力小不足以克服压力和重力使其竖直并飞升.

图3 电场极板距离对单组分粘胶纤维和涤纶纤维飞升量的影响

3.3 通电时间对单组分纤维飞升量的影响

保持电场电压50 V、电场极板距离15 cm，控制通电时间分别为15 s、22.5 s、30 s、37.5 s和45 s，测定粘胶纤维和涤纶纤维的飞升量，测试结果如图4所示.

从图4看出，只要电场强度足够、极板距离适合，粘胶纤维即可实现快速飞升，此时延长通电时间已经无效；而涤纶纤维由于表面电阻大、电荷迁移缓慢、极化缓慢，故电场作用力小，无法克服重力作用和扭转作用，其飞升量一直很少；所以优选通电时间为15 s.出现该现象的原因是：在底端极板上铺放的粘胶纤维分散而且量少，层压堆叠程度不严重，在较大电场下，粘胶纤维表面湿度大、导电性好、电荷迁移极快能快速实现极化，故几乎所有纤维都快速从平躺状态变成竖直状态，并快速飞离底端电极板.

3.4 较优工艺下混合纤维的分离

通过前面单组分纤维的分离回收实验，得出较优的分离工艺：电压50 V、极板距离15 cm和通电时间15 s.为了进一步验证该工艺对粘胶纤维和涤纶纤维混合样品的分离回收效果，本实验分别称取2个试样，每个试样中粘胶纤维0.5 g、涤纶纤维0.5 g；对该粘胶和涤纶的纤维混合样品进行分离回收；采用体视镜对粘附到回收板上的纤维进行观测，放大倍数为2000倍，结果如图5所示.

从图5可清晰看出，由于双面胶的含胶层很薄，原来垂直粘附的纤维在盖玻片挤压下，都倒伏在粘附胶膜上；在回收板上纤维分散均匀，且绝大部分是黑色的粘胶，白色的涤纶纤维所占比例极低.这表明涤纶和粘胶纤维分离效果良好.

测定各纤维的回收量，并计算分离度.分离度用粘胶纤维的回收质量除以涤纶纤维的回收质量计算得到，分离度越大，表示分离效果越好.测试结果如表1所示.

表1 粘胶和涤纶纤维静电分离回收效果

从表1可知：粘胶纤维质量占比98.8%，涤纶纤维质量占比1.2%，涤纶和粘胶的分离效果达到了预期值.

为提高粘胶纤维和涤纶纤维在电场中的分离度，本实验特意设计以粘胶处理工艺同样处理涤纶，使其电着程度弱、飞升效果差.

从表1看出，单组分纤维飞升回收后，粘胶纤维质量占粘胶与涤纶质量总和的98.6%；混合纤维样品分离回收后，粘胶纤维质量占两者质量总和的98.8%，这与单组分纤维分离效果很接近，进一步验证了前面单组分纤维分离回收实验是成功的，实验设想是可行的，达到了预期效果.由于分离箱体积较大，在静电场中，底端电极板上的粘胶纤维大部分飞升到回收板上的粘附层，但仍有极少部分还漂浮在分离箱的其他空间，未能全部粘附到回收板上；而涤纶纤维绝大部分还停在电极板上，少部分粘附在回收板上或漂浮在分离箱的空间中，这是造成分离回收过程中一部分纤维丢失的原因.

4 结论

本文中，涤纶和粘胶混合纤维的静电吸附分离实验结果和单组分纤维静电吸附实验结果吻合，粘胶纤维和涤纶纤维的分离度高，达到了预期分离效果，该方法为各种废旧混纺纺织品的物理分离提供了一条新颖、环保、高效的途径，可应用该方法对混纺产品的成分进行定量分析.未来还需考察纤维长度、环境湿度对纤维飞升量的影响，并需对纤维在静电场中的充放电动力学和飞行规律进行深入研究.