楊 煦，王 洪

（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)

0 引言

在鋼鐵、水泥、煤炭等高污染企業(yè)中，袋式除塵器是應(yīng)用最多、最成熟的除塵設(shè)備，而隨著袋式除塵器的廣泛應(yīng)用，也會(huì)產(chǎn)生大量破損、廢舊濾袋，由于這些濾袋多數(shù)是化纖制造，在自然界中難以降解[1]。目前對(duì)廢舊濾袋的處置方法中，填埋會(huì)占用大量土地資源，如若處理不當(dāng)，廢舊濾袋中的重金屬雜質(zhì)會(huì)污染土壤、地下水體；焚燒雖能實(shí)現(xiàn)能源回收，但會(huì)造成大氣污染、資源浪費(fèi)[2]。將廢舊濾袋深度清洗，重新回爐熔化、拉絲制成纖維循環(huán)使用是最佳回收方法，但此方法回收成本高，不適合于多種纖維混紡濾袋[3]。除此之外，將廢舊濾袋打散、開(kāi)松成短纖維，然后對(duì)短纖維進(jìn)行利用，如進(jìn)行壓制成初級(jí)建材也是目前一種有效回收方式。王洪等[4]、吳一峰[5]在相關(guān)專利中，采用非織造成網(wǎng)方式將短纖維與低熔點(diǎn)纖維均勻混合，經(jīng)過(guò)熱壓制成具有較優(yōu)強(qiáng)度的復(fù)合板材。在再生纖維熱壓成型制得復(fù)合板材的相關(guān)研究中，張一鳳等[6]將滌綸和丙綸混合制得針刺纖維復(fù)合氈，然后熱壓制得滌綸為增強(qiáng)體，丙綸為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合板材。杜兆芳等[7]使用黃麻和丙綸纖維熱壓制得黃麻增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合板材。在這些研究中，復(fù)合板材的拉伸性能、彎曲性能比較小，同時(shí)由于PP（丙綸)樹(shù)脂光、熱性能、低溫沖擊性能較差，如果用于承重、支撐建材則達(dá)不到使用要求。因此可考慮采用性能更優(yōu)的PET（滌綸)樹(shù)脂作為熱壓復(fù)合板材的基體樹(shù)脂材料，但PET樹(shù)脂單獨(dú)使用時(shí)存在脆性大的缺陷，一般使用玻璃纖維作為增強(qiáng)體。姜潤(rùn)喜等[8]研究了注塑成型中玻璃纖維的含量對(duì)PET復(fù)合材料的影響，當(dāng)玻纖含量為50%時(shí)，材料的彎曲性能約增加138%，拉伸強(qiáng)度約增加122%，玻璃纖維的加入對(duì)PET復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常顯著，而且根據(jù)Chang等[9]的研究，玻璃纖維還會(huì)對(duì)PET的結(jié)晶產(chǎn)生應(yīng)變誘導(dǎo)作用，促進(jìn)了結(jié)晶。因此，本實(shí)驗(yàn)將滌綸短纖維與玻璃纖維通過(guò)針刺復(fù)合成非織造布，然后通過(guò)熱壓得到復(fù)合板材。

力學(xué)性能是板材最重要的性能之一，通常用彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度來(lái)衡量它。因此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制熱壓壓力、溫度和時(shí)間，制備出滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材，分別測(cè)試其彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度，并以XRD測(cè)試分析PET結(jié)晶結(jié)構(gòu)，最終探究出復(fù)合板材的最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

滌綸/玻璃纖維針刺布由浙江得威德環(huán)保科技股份有限公司提供，克重650g/m2，玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1。圖2為針刺布結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 滌綸/玻璃纖維針刺布生產(chǎn)工藝流程

圖2 滌綸/玻璃纖維針刺布結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材的制備

將滌綸/玻璃纖維針刺布裁剪為15cm×15cm規(guī)格，依次鋪疊7層放入鋼板模具中，上下分別覆蓋聚酰亞胺薄膜紙、平整鋼板，如圖3所示。在平板硫化機(jī)上25℃、3MPa壓力下加壓-卸壓以排除氣泡，接著分別以表1的熱壓壓力、熱壓溫度、熱壓時(shí)間等工藝參數(shù)熱壓成形，以探究最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。

圖3 熱壓成型模具示意圖

表1 熱壓工藝參數(shù)

1.3 測(cè)試與表征

采用美國(guó)Perkin-Elmer股份有限公司生產(chǎn)的DSC 4000型差示掃描量熱分析儀，掃描溫度范圍30℃～300℃，掃描速度為10℃ /min。

采用深圳蘭博三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的LD26.305型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法測(cè)試滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材矩形試樣的拉伸強(qiáng)度，試樣長(zhǎng)度為150mm，寬度為15mm，厚度為3mm，夾具間距離為102mm，測(cè)試速度為10mm/min。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449-2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法測(cè)試滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材矩形試樣的彎曲強(qiáng)度，試樣長(zhǎng)度為150mm，寬度為25mm，厚度為 3mm，跨距為 48mm，測(cè)試速度為10mm/min。

采用承德市聚緣檢測(cè)設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的XJJD-50擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1451-2005纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法測(cè)試矩形試樣的缺口沖擊強(qiáng)度，試樣長(zhǎng)度為120mm，寬度為10mm，厚度為3mm，沖擊速度為2.9m/s，擺錘能量為2.75J。

采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/majc-2550PC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀測(cè)定復(fù)合板材的衍射圖譜，分析滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材中滌綸的結(jié)晶度和平均晶粒尺寸，測(cè)試角度為5°～60°，掃描速度為2°/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱壓溫度范圍

為了設(shè)定合理的模壓溫度，首先需要知道滌綸纖維的熔點(diǎn)，因此對(duì)所用滌綸纖維進(jìn)行DSC分析。圖4是滌綸纖維經(jīng)過(guò)DSC熱掃描得到的熔融曲線，從圖4中可以看出，滌綸纖維的起始外延熔融溫度為236.16℃，熔融峰值溫度為250.05℃，因此為保證滌綸纖維有較好的熔融效果，起始熱壓溫度選擇為250℃。

圖4 滌綸纖維的DSC曲線

2.2 滌綸/玻璃纖維針刺布疊層層數(shù)探究

本實(shí)驗(yàn)中，為控制復(fù)合板材的厚度一致，所選模具模腔深度為3mm，熱壓成型過(guò)程中，鋪疊層數(shù)少，熔融的滌綸樹(shù)脂不能充滿模具模腔，鋪疊層數(shù)過(guò)多，熔融的樹(shù)脂溢出，因此控制合適的鋪疊層數(shù)方可使得滌綸樹(shù)脂熔融充滿模腔而又不會(huì)發(fā)生溢出。實(shí)驗(yàn)中分別試驗(yàn)了針刺布鋪疊4、6、7、8層，樣品厚度對(duì)比情況如表2、圖5所示，當(dāng)鋪疊4層、6層針刺布時(shí)，滌綸樹(shù)脂熔融后不足以充滿模腔，冷卻成型過(guò)程中不能受到良好的壓板模壓，復(fù)合板材厚度不足3mm（模腔深度)，側(cè)表面凹凸不平；當(dāng)鋪疊7層、8層時(shí)，復(fù)合板材厚度為3mm，側(cè)表面明顯改善，然而鋪疊8層針刺布時(shí)，熔融樹(shù)脂溢出，如圖6。故模壓實(shí)驗(yàn)選擇針刺布的鋪疊層數(shù)為7層。

表2 不同鋪疊層數(shù)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材厚度

圖5 不同鋪疊層數(shù)復(fù)合板材厚度對(duì)比

圖6 熔融樹(shù)脂溢出

2.3 熱壓壓力對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

為了研究熱壓壓力對(duì)板材性能的影響，在熱壓溫度為260℃，熱壓時(shí)間為5min的實(shí)驗(yàn)條件下，采用不同的熱壓壓力制得復(fù)合板材。圖7為不同熱壓壓力對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響規(guī)律，可以看出，熱壓壓力由4MPa增加到10MPa時(shí)，復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在8MPa時(shí)達(dá)到最大。對(duì)于拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度，熱壓壓力6MPa時(shí)略小于8MPa，差值小于2%。因此，若產(chǎn)品性能要求側(cè)重于拉伸強(qiáng)度或缺口沖擊強(qiáng)度，從降低成本的角度考慮，最佳熱壓壓力可選擇為6MPa，但本實(shí)驗(yàn)要綜合考慮板材的彎曲強(qiáng)度為最優(yōu)，故熱壓壓力選擇為8MPa。

圖7 熱壓壓力對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

2.4 熱壓溫度對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

為了研究熱壓溫度對(duì)板材性能的影響，在熱壓壓力為8MPa，熱壓時(shí)間為5min的實(shí)驗(yàn)條件下，采用不同的熱壓溫度制得復(fù)合板材。圖8中，熱壓溫度由250℃升高到280℃時(shí)，滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在260℃時(shí)均達(dá)到峰值。這是因?yàn)殡S著熱壓溫度增加，滌綸纖維逐漸熔融，260℃時(shí)全部熔融，在針刺布中流動(dòng)性最強(qiáng)，使得玻璃纖維間形成良好的粘結(jié)效果，板材力學(xué)性能達(dá)到最好。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高到270℃以上時(shí)，部分滌綸纖維發(fā)生分解[10]，從而降低了玻璃纖維間的粘結(jié)，力學(xué)性能隨之降低。

圖8 熱壓溫度對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

2.5 熱壓時(shí)間對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

為了研究熱壓時(shí)間對(duì)板材性能的影響，在熱壓壓力為8MPa，熱壓溫度為260℃的實(shí)驗(yàn)條件下，采用不同的熱壓時(shí)間制得復(fù)合板材。圖9中，隨著熱壓時(shí)間由3min增加至15min時(shí)，復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度都隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)熱壓時(shí)間為5min時(shí)均達(dá)到峰值。這是由于熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，有利于滌綸纖維充分熔融，同時(shí)有利于熔融聚酯的流動(dòng)，在玻璃纖維間形成較多的粘結(jié)，從而使得力學(xué)性能提高。但是，當(dāng)熱壓時(shí)間10min，與5min時(shí)相比，復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度下降約20%，拉伸強(qiáng)度下降約12%，沖擊強(qiáng)度下降約32%，力學(xué)性能下降明顯。這是由于隨著熔融時(shí)間的延長(zhǎng)，模具膜腔內(nèi)熱量積聚，高溫?zé)峤到夂蜔嵫趸到饧觿?，使得聚酯相?duì)分子量下降，低聚物含量增加，大大影響制品的力學(xué)性能[11]。K.Pang等[12]對(duì)這一現(xiàn)象的解釋為聚酯大分子異裂，末端羥乙酯基熱分解生成羧基和不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，經(jīng)進(jìn)一步加成羥乙酯基或乙二醇形成醚鍵，使聚酯熔體持續(xù)明顯降解。因此，成型過(guò)程中，要嚴(yán)格控制熱壓時(shí)間，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致復(fù)合板材力學(xué)性能下降明顯。

結(jié)合2.3、2.4所述，最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)：熱壓壓力為 8MPa，熱壓溫度為 260℃，熱壓時(shí)間為5min，此時(shí)復(fù)合板材的彎曲、拉伸、沖擊強(qiáng)度分別為131.6MPa、93.7MPa、94.8kJ/m2，而一般 PET 板材彎曲強(qiáng)度約為80MPa，拉伸強(qiáng)度約為50MPa[13]，本實(shí)驗(yàn)方式顯著提高了PET板材的力學(xué)性能。

圖9 熱壓時(shí)間對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

2.6 滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材中PET的結(jié)晶性能

為了探究熱壓溫度和時(shí)間對(duì)滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材力學(xué)性能的影響內(nèi)因，測(cè)試不同熱壓溫度和時(shí)間下所制得樣品的結(jié)晶性能，圖10（a)、圖10（b)為不同熱壓溫度和時(shí)間下復(fù)合板材的XRD圖譜?？梢钥闯?，不同條件下制備的復(fù)合板材，PET基體具有相同的4個(gè)結(jié)晶衍射峰，其2θ分別為 16.46°、17.94°、23.02°、26.38°，衍射峰均呈彌散狀，但260℃、5min時(shí)相對(duì)比較尖銳，表明此時(shí)的結(jié)晶效果較好。

圖10 不同熱壓溫度和時(shí)間下滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材的XRD圖譜

表3、表4分別為不同熱壓溫度和時(shí)間下復(fù)合板材的結(jié)晶度和平均晶粒尺寸。可以看出，熱壓溫度為260℃、時(shí)間為5min時(shí)，板材的結(jié)晶度、晶粒尺寸均是最小，根據(jù)節(jié)2.4、2.5所述，此時(shí)的力學(xué)性能均是最好。在對(duì)復(fù)合板材的沖擊強(qiáng)度影響上，結(jié)晶度越大，材料的脆性越大，因此當(dāng)復(fù)合板材的結(jié)晶度最小時(shí)，聚合物的非晶區(qū)最大，受到?jīng)_擊時(shí)，分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力大，板材的沖擊強(qiáng)度最大[14]。在對(duì)復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度影響上，球晶結(jié)構(gòu)相較于結(jié)晶度影響更大，晶粒尺寸越大，其內(nèi)部缺陷越多，強(qiáng)度越差[15]。因此，在溫度260℃、時(shí)間5min時(shí)，結(jié)晶度最低，晶粒尺寸最小，對(duì)應(yīng)著此時(shí)復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度最大。

表3 不同熱壓溫度下滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材的結(jié)晶度和平均晶粒尺寸

表4 不同熱壓時(shí)間下滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材的結(jié)晶度和平均晶粒尺寸

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制熱壓壓力、溫度和時(shí)間，制備出滌綸/玻璃纖維針刺復(fù)合板材，對(duì)比分析其力學(xué)性能、結(jié)晶效果，得出如下結(jié)論：

（1)疊層熱壓成型工藝中，最優(yōu)工藝參數(shù)：熱壓壓力為8MPa，熱壓溫度為260℃，熱壓時(shí)間為5min，熱壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致復(fù)合板材力學(xué)性能下降明顯，對(duì)沖擊強(qiáng)度影響最大。最優(yōu)參數(shù)下復(fù)合板材彎曲強(qiáng)度為131.6MPa，拉伸強(qiáng)度為93.7MPa，沖擊強(qiáng)度為94.8kJ/m2，而一般PET板材彎曲強(qiáng)度約為80MPa，拉伸強(qiáng)度約為50MPa。

（2)本論文研究結(jié)果可以為廢舊纖維的回收利用提供參考，通過(guò)增加玻璃纖維機(jī)織布為增強(qiáng)體可顯著提高板材的力學(xué)性能。