孫 嬌 王新厚

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

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廢舊毛巾增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的制備及拉伸性能研究

孫 嬌1,2王新厚1,2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

為尋求一種流程更短、可操作性更強(qiáng)的廢舊毛巾回收再利用方法，以不同面密度的廢舊毛巾，使用手糊成型法制備了廢舊毛巾/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料薄板，并對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：廢舊毛巾/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料薄板成型良好，結(jié)構(gòu)均勻，并具有較優(yōu)的拉伸力學(xué)性能，可滿足汽車(chē)內(nèi)飾材料等的應(yīng)用要求。

廢舊毛巾，不飽和聚酯樹(shù)脂，復(fù)合材料，回收利用，拉伸性能

在人們生活消費(fèi)水平日益提高的今天，對(duì)紡織品的需求量迅速增加，然而紡織品的使用周期卻大大縮短，大量完好的織物、服裝以垃圾的形式存在于人們生活的地球，紡織服裝已經(jīng)成為地球上增長(zhǎng)最快的固體垃圾[1-2]。例如：北卡羅萊那查羅特南部的紡織再循環(huán)中心調(diào)查結(jié)果顯示，每年有超過(guò)2 500萬(wàn)t的廢舊服裝在美洲被實(shí)施垃圾掩埋；在英國(guó)每人每年丟棄30 kg的廢舊紡織品和服裝，但只有1/8的服裝被回收利用；在日本每年約有100萬(wàn)t的服裝被作為垃圾扔掉，僅10%被再利用；而在中國(guó)，每年消耗掉的各類紡織纖維原材料高達(dá)3 500萬(wàn)t，但只有約5%得到循環(huán)再利用，其他都作為垃圾進(jìn)行填埋[3-7]。

2008年國(guó)際回收局在進(jìn)行了相關(guān)研究后得出結(jié)論：每使用1 kg的廢舊紡織品，就可以降低3.6 kg的CO2排放，節(jié)約6 000 L的水，減少使用0.2 kg的農(nóng)藥[8]。由此可見(jiàn)，廢舊紡織品的回收再利用對(duì)資源利用、能源節(jié)約以及環(huán)境保護(hù)都有著深遠(yuǎn)的意義。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，一些紡織業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已開(kāi)始重視廢舊紡織品的回收再利用，與廢舊織物回收再利用相配套的機(jī)械設(shè)備的制造水平提升，廢舊紡織品回收再利用的種類和廣度增加。廢舊織物的回收方法大致可分為物理回收、化學(xué)回收和能量回收三類，如機(jī)械分解、水解回收、熔融回收、高溫分解和燃燒利用熱能。但上述回收工藝普遍流程較長(zhǎng)，對(duì)成本和技術(shù)要求較高，對(duì)廢舊織物進(jìn)行大量的機(jī)械或化學(xué)處理也會(huì)對(duì)其力學(xué)性能造成影響。本研究欲通過(guò)織物直接制成復(fù)合材料的方法，達(dá)到在較短的工藝流程下實(shí)現(xiàn)廢舊織物再利用的目的。

毛巾是日常生活中最常見(jiàn)的織物。在家庭、賓館和理發(fā)店中，毛巾的使用量都很大，且健康的毛巾使用要求是每3個(gè)月更新一次，因此廢舊毛巾的數(shù)量龐大。毛巾絕大多數(shù)都以天然棉纖維為原料，具有成本低、可降解等優(yōu)點(diǎn)，且表面毛圈密集，吸水儲(chǔ)水性好，能很好地與樹(shù)脂浸潤(rùn)，有利于復(fù)合材料的成型。

不飽和聚酯樹(shù)脂是熱固性樹(shù)脂中最常用的一種，具有黏度低、流動(dòng)性好、與纖維的浸潤(rùn)性好、固化溫度低等優(yōu)點(diǎn)。用該樹(shù)脂固化成型制成的復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能，還具有工藝性能優(yōu)和成本低等特點(diǎn)。

本研究是將廢舊毛巾經(jīng)前處理，以不飽和聚酯樹(shù)脂為基體，通過(guò)手糊成型法制備復(fù)合材料薄板。該工藝能達(dá)到廢舊織物再利用的要求，其成品具有質(zhì)輕、強(qiáng)力高、不易變形、成本低等特點(diǎn)。廢舊毛巾/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料可以用于汽車(chē)的門(mén)內(nèi)護(hù)板、側(cè)圍、后圍護(hù)板、車(chē)頂棚、地板覆蓋層、遮陽(yáng)板等其他任何室內(nèi)裝飾性襯板，能滿足強(qiáng)力要求，還能減少汽車(chē)自身質(zhì)量，節(jié)約能源，符合低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

三種不同面密度的三緯雙面毛巾；不飽和聚酯樹(shù)脂HS-1102S ，常州華科樹(shù)脂有限公司；過(guò)氧化甲乙酮、凝膠延遲劑HS-906、丙酮；膠衣薄膜。

1.2 儀器與設(shè)備

WDW-20微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、HD026N電子織物強(qiáng)力儀、TM3000掃描電子顯微鏡和天平等儀器；DZG-6020型真空干燥箱、切割機(jī)、砂輪機(jī)、不銹鋼勺、塑料燒杯、一次性滴管、氣泡輥、鏡面不銹鋼板、鐵板、重物砝碼和銅制壓棍等設(shè)備和器具。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 預(yù)制件前處理

廢舊毛巾通過(guò)預(yù)洗、滅菌消毒和柔軟處理等工序進(jìn)行前處理，而后裁剪成30 cm×30 cm的樣品，裝入密封袋備用。毛巾的滅菌消毒方法主要有蒸煮消毒法、微波消毒法和高溫蒸汽消毒法等。本研究使用高壓蒸汽消毒法，在壓力100 kPa、溫度120 ℃條件下，維持15～20 min，可達(dá)到消毒目的。

1.3.2 預(yù)制件基本性能測(cè)試

本研究選用三種不同規(guī)格的純棉毛巾作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，分析其組織、經(jīng)緯密等結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》，測(cè)試毛巾的拉伸性能。

1.3.3 復(fù)合材料薄板的制備

復(fù)合材料薄板采用手糊成型法加工，所用樹(shù)脂為HS-1102S型不飽和聚酯樹(shù)脂，其澆注體性能典型，拉伸斷裂強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸延伸率分別為67 MPa、3 700 MPa和2.0%。按樹(shù)脂特點(diǎn)選用過(guò)氧化甲乙酮作為固化劑，因樹(shù)脂選用預(yù)促進(jìn)型，故使用HS-906型凝膠延遲劑調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間，以保證有足夠的時(shí)間來(lái)完成整個(gè)復(fù)合材料的成型制作。經(jīng)多次凝膠試驗(yàn)，得出最佳樹(shù)脂固化配比值為：m(樹(shù)脂)∶m(固化劑)∶m(凝膠延遲劑)=500∶4∶1,凝膠時(shí)間為50 min左右。整個(gè)手糊成型流程如下：

圖1 手糊成型法工藝流程[9]

在復(fù)合材料成型操作過(guò)程中，要保證模板放置平穩(wěn)，且模板與樹(shù)脂的接觸面光滑無(wú)突起，以使其在后續(xù)碾壓制板的過(guò)程中，模板不會(huì)移動(dòng)，不會(huì)對(duì)復(fù)合材料成型造成影響。

配制樹(shù)脂溶液時(shí)需要注意：①先在樹(shù)脂中加入引發(fā)劑，充分混合后再加促進(jìn)劑，兩者不能同時(shí)混合，以免發(fā)生爆炸；②樹(shù)脂配制好后，要進(jìn)行抽真空處理，最大程度地減少膠液中的氣泡，以獲得最后制成材料的低空隙率；③需保證在樹(shù)脂凝膠前完成復(fù)合材料手糊成型的所有工序，使樹(shù)脂與織物充分浸潤(rùn)。

復(fù)合材料中的氣泡對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量和性能有很大的影響，因此在加工過(guò)程中應(yīng)盡量減少和消除氣泡。本研究采用樹(shù)脂溶液抽真空處理和手壓輥碾壓除氣泡兩種措施去除氣泡。將配制好的樹(shù)脂置于真空干燥箱中抽真空15 min，以達(dá)到去除氣泡的效果；銅質(zhì)手壓輥隔著膠衣薄膜從試樣的中間向四周進(jìn)行碾壓，促進(jìn)樹(shù)脂與毛巾的浸潤(rùn)，在去掉氣泡的同時(shí)碾壓出多余樹(shù)脂。

固化成型的時(shí)間與固化劑、凝膠延遲劑的用量以及環(huán)境條件(如溫度)有關(guān)，本研究的固化時(shí)間為24 h左右。

1.3.4 復(fù)合材料薄板拉伸性能測(cè)試

本研究依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》和GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》對(duì)復(fù)合材料試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。

由于制得的復(fù)合材料薄板厚度基本在1.5 mm左右(均<2 mm)，故選用Ⅱ型試樣形式，具體形狀和尺寸見(jiàn)圖2 。使用切割機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸對(duì)制備好的復(fù)合材料薄板進(jìn)行切割，并用砂帶機(jī)對(duì)其切割面進(jìn)行打磨，以保證試樣邊緣規(guī)整，不影響拉伸測(cè)試結(jié)果。為防止測(cè)試過(guò)程中儀器夾頭與拉伸試樣間滑移或斷裂破壞發(fā)生在試樣端部，在試樣兩端夾頭加持處用AB環(huán)氧樹(shù)脂膠粘上鋁質(zhì)加強(qiáng)片，其規(guī)格為50 mm×25 mm×1 mm。試驗(yàn)在WDW-20微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為5 mm/min，夾頭間距保持170 mm。經(jīng)向拉伸和緯向拉伸試樣各5塊。試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

L1——試樣總長(zhǎng)，250 mm； L2——夾具間距，150 mm； L3——加強(qiáng)片長(zhǎng)度，(50±0.5)mm； b——試樣寬度，25 mm； d——試樣厚度，2～10 mm

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及拉伸性能

本試驗(yàn)中所采用的增強(qiáng)體為三種不同規(guī)格的純棉毛巾。經(jīng)組織分析可知，三種毛巾的地組織和毛圈組織皆為2上1下變化經(jīng)重平，且都為三緯雙面毛巾，組織圖見(jiàn)圖3。毛巾B與其他兩種毛巾略有不同，其上還分布有不規(guī)則的提花圖案。

毛巾的面密度、厚度和密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，可見(jiàn)A、B、C三種毛巾的面密度、厚度和緯紗密度依次增加，但毛圈經(jīng)紗密度和地經(jīng)紗密度相同，都為120根/10 cm。三種毛巾經(jīng)向和緯向的拉伸性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1和表2數(shù)據(jù)可知，毛巾A和毛巾C的拉伸斷裂強(qiáng)度是隨著其本身的面密度、厚度的增加而增大，且經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度大于緯向拉伸斷裂強(qiáng)度，而毛巾B的拉伸斷裂強(qiáng)度并不符合上述規(guī)律。這是因?yàn)槊鞡組織圖中含有不規(guī)則的提花圖案，在拉伸測(cè)試過(guò)程中也可以觀察到，斷裂往往是發(fā)生在提花處。由于提花的位置和大小相較于試樣選取的位置是不固定的，因而對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果有很大的影響。

圖3 毛巾的地組織、毛組織和全組織圖

表1 毛巾的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 毛巾拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.2 復(fù)合材料的纖維體積含量[10]

復(fù)合材料纖維體積含量作為衡量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要參數(shù)，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、剛度等)有很大的影響。在本試驗(yàn)中，預(yù)制件結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，手糊成型法制備的薄板厚度亦不可控，故致使復(fù)合材料的纖維體積含量略有差異。不同纖維體積含量的復(fù)合材料性能是沒(méi)有可比性的，需求得各試樣纖維體積含量，將其測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為

相同纖維體積含量下的值，再進(jìn)行比較。

由于在試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量纖維密度，但樹(shù)脂與固化劑、延遲劑的配比是固定的，即樹(shù)脂固化后的密度一定，據(jù)此可以按下式求出樹(shù)脂體積含量Vr：

式中：Vr——復(fù)合材料中樹(shù)脂的體積含量；

Mc——固化成型后試樣總質(zhì)量；

Mf——預(yù)制件質(zhì)量(毛巾)；

dr——固化成型后樹(shù)脂的密度；

Vc——固化成型后復(fù)合材料總體積。

再按下式計(jì)算纖維的體積含量Vf：

根據(jù)測(cè)得的復(fù)合材料薄板的質(zhì)量和體積，以及固化前稱得的毛巾質(zhì)量，可以求得各復(fù)合材料的纖維體積含量。復(fù)合材料薄板的纖維體積含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3?？梢钥闯觯瑔螌用碓鰪?qiáng)熱固性復(fù)合材料薄板的纖維體積含量基本在15%～20%。

表3 復(fù)合材料薄板的纖維體積含量

2.3 復(fù)合材料的拉伸性能

2.3.1 拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析[11]

為了使拉伸試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)具有可比性，根據(jù)計(jì)算得到的纖維體積含量分別求出復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量。測(cè)試所得試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸模量分別除以其對(duì)應(yīng)試樣的纖維體積含量，得到單位纖維體積含量的拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸模量，即比強(qiáng)度和比模量。

圖4和圖5分別為三種毛巾增強(qiáng)復(fù)合材料的經(jīng)、緯向比強(qiáng)度和比模量。

圖4 復(fù)合材料的比強(qiáng)度

圖5 復(fù)合材料的比模量

由圖4可知：三種毛巾的經(jīng)向比強(qiáng)度基本相同，而毛巾A、B、C的緯向比強(qiáng)度依次增大(毛巾B比毛巾A增大5.6%，毛巾C比毛巾B增大11.1%)；同一類型毛巾復(fù)合材料的經(jīng)向比強(qiáng)度都大于緯向比強(qiáng)度，毛巾A、B、C的經(jīng)向比強(qiáng)度分別比緯向比強(qiáng)度高23.9%、14.4%、7.8%。 經(jīng)組織分析可知，A、B、C三種毛巾織物的經(jīng)密都是240根/10 cm，而緯密依次是138、174、192根/10 cm。由此可見(jiàn)，增強(qiáng)織物的密度會(huì)影響復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度。經(jīng)密大于緯密，所以經(jīng)向比強(qiáng)度都大于緯向比強(qiáng)度，而緯密增加也使得緯向比強(qiáng)度增加。

由圖5可知：毛巾A、B、C的經(jīng)向比模量逐漸降低(毛巾B比毛巾A降低6.3%，毛巾C比毛巾B降低6.7%)，而緯向比模量依次增大(毛巾B比毛巾A增大15.5%，毛巾C比毛巾B增大7.3%)；同一類型毛巾復(fù)合材料的經(jīng)向比模量都大于緯向比模量。經(jīng)向比模量的降低是由于緯密的增加使得經(jīng)紗的屈曲程度提高，在拉伸測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)紗有更大的形變可能，導(dǎo)致經(jīng)向拉伸模量下降；而緯向比模量也是因緯密的增加而增大。同類型毛巾復(fù)合材料經(jīng)向比模量大于緯向比模量，也是因增強(qiáng)毛巾自身的組織結(jié)構(gòu)是經(jīng)密大于緯密。

2.3.2 拉伸載荷-位移曲線分析[12-13]

三種類型毛巾織物的組織結(jié)構(gòu)相近，因此其拉伸載荷-伸長(zhǎng)曲線趨勢(shì)基本一致。

圖6是復(fù)合材料試樣的拉伸載荷-伸長(zhǎng)曲線。由圖6可以看出，在初始階段，曲線基本呈現(xiàn)二次關(guān)系，隨后曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。曲線在初始段表現(xiàn)為較高的初始模量，其本質(zhì)是增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體之間具有很好的結(jié)合力，樹(shù)脂包覆纖維而達(dá)到傳遞載荷和保護(hù)纖維不受損傷的作用，并且拉伸載荷方向與纖維取向相同，有利于纖維受力，故呈現(xiàn)出較高的初始模量；隨著拉伸繼續(xù)，纖維和樹(shù)脂基體之間的界面發(fā)生破壞，故模量有所降低；在拉伸載荷達(dá)到最大值時(shí)，復(fù)合材料薄板發(fā)生突然斷裂，即脆性斷裂，故曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。由于毛巾織物的經(jīng)密大于緯密，經(jīng)向上的承紗根數(shù)大于緯向，故復(fù)合材料試樣的經(jīng)向拉伸性能優(yōu)于緯向拉伸性能。

圖6 復(fù)合材料薄板拉伸載荷-伸長(zhǎng)曲線

2.4 復(fù)合材料拉伸斷面形貌

圖7是毛巾增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料薄板拉伸斷面SEM形貌照片。可以看出，纖維和樹(shù)脂結(jié)合較均勻，在薄板的整個(gè)厚度范圍內(nèi)都有增強(qiáng)纖維分布，且樹(shù)脂基體充滿纖維間的所有空隙。該結(jié)果說(shuō)明薄板成型良好，有利于獲得較高的力學(xué)性能，制備方法適用可行。

圖7 復(fù)合材料薄板拉伸斷面SEM照片

觀察圖7照片，可見(jiàn)大多數(shù)纖維都呈現(xiàn)斷裂狀，但也有少部分纖維伸出斷口。這說(shuō)明在拉伸斷裂過(guò)程中，絕大多數(shù)纖維承擔(dān)向周?chē)鷺?shù)脂傳遞拉力的作用，并在受力達(dá)到一定值時(shí)，表現(xiàn)為與周?chē)鷺?shù)脂同時(shí)斷裂破壞，即脆性斷裂；而少部分纖維在承力過(guò)程中，與樹(shù)脂產(chǎn)生剝離，表現(xiàn)為纖維的斷裂并伸出斷口。

3 結(jié)論

(1)手糊成型法可制備出廢舊毛巾/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料薄板，且薄板成型良好，結(jié)構(gòu)均勻，樹(shù)脂與毛巾浸潤(rùn)充分，纖維與樹(shù)脂結(jié)合均勻，樹(shù)脂充斥纖維間的所有空隙,表面光滑無(wú)氣泡。

(2)制成的復(fù)合材料薄板與其增強(qiáng)體廢舊毛巾相比，經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度和緯向拉伸斷裂強(qiáng)度都有大幅度提高。

(3)廢舊毛巾增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸性能受其紗線密度影響，表現(xiàn)為拉伸斷裂強(qiáng)度和模量隨紗線密度的增加而增大。

(4)廢舊毛巾增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸曲線都存在拐點(diǎn)，即拉伸斷裂形式為脆性斷裂。

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The preparation of waste towel reinforced thermosetting composite materials and its tensile properties

SunJiao1,2,WangXinhou1,2

(1. College of Textiles, Donghua University； 2. Key Laboratory of textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University)

In order to seek a recycling method of waste towel with shorter process and better operability, the composite sheets were made by hand lay-up method using different weight of waste towels and unsaturated polyester resin. And the tensile property of the composites was tested. The results show that waste towels/unsaturated polyester composite sheet was good shape, uniform structure, and has a better tensile mechanical properties, can meet the application requirements of automotive interior materials, etc..

waste towels, unsaturated polyester, composite material, recycling, tensile property

2014-11-03；修改稿：2015-05-11

孫嬌，女，1989年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是廢舊織物增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝和性能研究。

TB332

A

1004-7093(2015)07-0022-06