变废为宝： 废旧棉纤维再利用，制备生物基复合材料

每年都有大量的纺织品最终被填埋或热回收。但是，其中一些废料也可以被用作复合材料的原材料。例如，纺织行业的剩余棉纤维就适合被用作增强纤维来提高生物基塑料的机械性能。通过使用这种废物流，未来材料将以经济有效的生物基方式得到增强。

纺织废料的回收率极低。在2018年全球生产的约136万吨家纺产品中，只有约16%被回收利用。在纺织行业的多个工作组中，关于可持续、回收和废物减量的话题讨论也正在火热进行。于是出现了以下问题：纺织废料是否可以作为一种宝贵的原材料来源被重新利用？这也是德国卡塞尔大学材料技术研究所广泛探讨的话题之一。

此次研究使用了毛巾行业的棉纤维（品牌：Möve，制造商：Frottana Textil）。当毛巾在生产过程中被剪切时，纤维仍然存在。剪切是一个将纺织品表面均质处理的过程。松散、多余的线头用螺旋形上下切刀切断，这样可以保证表面均匀。剪切之后，切断的棉纤维平均长度仍有2.3mm（图1）。选用的纤维通过了Oeko-Tex100认证，不含有害物质，可以直接回收。这些纤维被用作塑料复合材料的增强材料。

棉复合材料的生产

针对材料测试，纤维含量为5wt.%和20wt.%的复合材料在具有低剪切螺杆构型的双螺杆挤出机（型号：ZSE 18 HPe，制造商：Leistritz Extrusionstechnik）上进行生产。其中所用的塑料组分是Akro-Plastic公司生产的100%生物基聚酰胺510（PA510）。纤维通过侧向喂料器按比例加入到基体组分中。将棉纤维在105°C的条件下干燥24小时可提高了其加工性能，从而改善进料过程。

图1：剪切下来的棉纤维是毛巾生产过程的废料。通过剪切工艺，毛巾的纤维结构更加均匀 © IfW

配混之后，将纤维束切成3mm并将颗粒在注塑机（型号：Arburg 320 Golden Edition，制造商：Arburg）上进一步加工成用于机械性能表征的标准试样。由于生物基聚酰胺的加工温度很高，在双螺杆挤出机和注塑机中的加工步骤完成后，可以看到先前的灰白色纤维出现了深色变色。这种颜色的变化表明纤维产生了初始热应力。

拉伸强度提高40%，杨氏模量提高160%

为了对棉纤维的增强效果进行评估，首先通过QICPIC动态图像分析系统（制造商：Sympatec）进行光纤长度测量。该方法与Mixcel液体分散装置配合使用，该装置用异丙醇做纤维的载体介质。高速摄像头则用于捕捉纤维图像，量化其长度，随后进行评估。分布密度的均值为2.3mm，最短的纤维代表着灰尘颗粒，而最长的纤维则如图2所示达到了约3.5mm。

除了纤维长度测量，还通过拉伸试验对机械性能进行了研究（图3）。20wt.%棉纤维增强复合物的杨氏模量增加了160%，拉伸强度也提高了40%。正如所料，随着纤维的加入，断裂伸长率显著降低。对于用5wt.%纤维增强的试样来说，影响并没有那么严重，断裂伸长率降低了87%，而对于20wt.%增强的试样，断裂伸长率的降低达到了96%。与以20 wt.%的再生纤维素纤维（制造商：Cordenka）为增强纤维的试样相比，20wt.%棉纤维增强试样的杨氏模量提高了14.5%。

与30wt.%玻璃纤维增强的试样（制造商：Lanxess）相比，20wt.%棉纤维增强试样的断裂伸长率提高了57%。由于密度体积比接近，将20wt.%纤维素纤维或棉纤维与30wt.%玻璃纤维进行比较是可行的。

图2：棉纤维长度分布：大部分纤维长度在1.5-3.2mm之间（来源：IfW，图：© Hanser）

加速老化的影响

为了将回收棉纤维用于塑料行业，关于其耐久性的数据必不可少。由德国联邦食品和农业部资助的BeBio2研究网正在对生物塑料和生物复合材料的耐久性进行研究。其中，加速老化的储存条件已经开发出来。棉纤维增强试样按照这些条件进行了储存。标准气候条件下（23°C，50%RH）的储存被用作参考。

图3：纤维增强试样的机械性能：棉纤维增强复合材料取得了有意义的数值（来源：IfW，图：© Hanser）

储存期为3周或504小时，水储存在23°C的温控水浴中进行。温度储存在70°C的高温和50%RH的湿度条件下进行；湿度储存在23°C的温度和90%RH的湿度条件下进行。风化是一个循环老化的过程，它由14个夏季周期和14个冬季周期组成。加速老化的影响如图4所示。与标准气候条件下储存的样品相比，受风化循环的影响，未增强的Bio-PA的拉伸强度降低了52%。即使是5wt.%棉纤维增强的材料也能够减轻风化带来的负面影响。与标准气候相比，再未出现任何明显的性能下降。

水储存影响最大

水储存三周后，未增强试样的拉伸强度减少了15%，而5wt.%纤维增强试样则降低了16%。湿度储存以–14%成为第二大影响，其次是减量10%的高温储存。由于水解过程产生的水作用对试样性能损失的影响最大。20wt.%纤维增强试样的拉伸强度的均值与5wt.%纤维增强试样的拉伸强度平行，但拉伸强度高了40%。

图4：加速老化后棉纤维增强试样的拉伸强度变化：在大多数储存条件下，未增强试样与5%棉纤维增强试样的数值接近。但在风化条件下，未增强试样的拉伸强度显著降低（来源：IfW，图：© Hanser）

除了拉伸试验结果，老化试样还经过了夏比冲击试验（图5）。在标准气候条件下，加入20wt.%棉纤维可使试样的缺口冲击强度平均提高38%。5wt.%棉纤维增强则使缺口冲击强度增加了11%。在此次试验过程中，气候条件也对纤维增强试样产生了很大的影响。20wt.%纤维增强试样的温度储存和风化使缺口冲击强度分别降低32%和33%。但是，与未增强试样相比，水储存和湿度储存使缺口冲击强度显著提高，分别是15%和19%。

图5：加速老化后棉纤维增强试样的缺口冲击强度变化：在大多数储存条件下，5wt.%棉纤维增强PA的数值比未增强试样低（来源：IFW，图：© Hanser）

结论与展望

由于棉纤维增强样品具有良好的机械性能，因此该材料适用于汽车行业。其中一种可能的用途是玻璃纤维增强复合材料的替代品。20wt.%纤维增强Bio-PA的拉伸强度约为70MPa，符合发动机舱内的壳体零件和盖板的要求。棉纤维增强复合材料还有可能制成通风管道、衬套、轴承套圈和堵头。为了向汽车行业的二氧化碳减排和生物基生产过渡，纺织行业的废物流可用于回收或生物基聚合物的复合材料。通过对可持续材料的耐久性进行研究，BeBio2研究网正在为气候中和生产奠定决定性基础，从而为塑料加工行业的可持续转型做出决定性贡献。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Celia K. Falkenreck, M. Sc.，Dipl.-Des. Hedda Korthals，Victoria Goetjes, M. Sc.，Prof. Hans-Peter Heim

来源：荣格-《国际塑料商情》

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