（纺织工程专业论文）废旧涤棉混纺织物分离技术的研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、对废旧涤棉混纺织物的分离进行了实验研究，发现通过乙二 醇( e g ) 的醇解反应，可成功的将废旧涤棉混纺织物中的涤纶、棉成 份分离。 二、通过重复实验对比分析，确定了废旧涤棉织物分离实验最佳 的工艺参数；同时确定了涤纶再造的缩聚工艺参数。 三、对实验产物涤纶、棉纤维性能进行分析，达到了使用要求， 实现了废旧涤棉织物的再利用。 四、初步设计了一台对废旧涤棉织物进行分离再利用的大型设 备。 摘要 随着纺织品生产规模和使用范围的不断扩大，废旧纺织品的种类和数量也在 刁i 断的增加。目前，废旧纺织品的分离和循环再利用受到了极人的关注。在提倡 节约资源、低碳排放的今天，废旧纺织品的分离和再利用，可以减少废弃物的污 染，减轻环境压力，实现资源的充分利用。但是，由于技术、资金和设备等等的 限制，目前人多数废旧纺织品都主要采用物理回收法，进行初步的机械加上或焚 烧等方法，极大地限制了废旧纺织品的回收价值和再生经济效益。在化学法回收 方面，由于纺织品并非都以单。组份的纯纺形式存在，大多数混纺织物等不能直 接分离或直接进行叫收利用，影响了回收利用的效率。 本课题主要研究废i e t 涤棉混纺织物的分离技术，通过对分离实验的初步探 索，用乙二醇( e g ) 在特定温度下将涤棉混纺织物中的涤纶( p e t ) 醇解为对苯二 甲酸双一1 3 羟乙酯( b t t t e ) 单体，在此温度下，b h e t 为液态，而棉纤维仍然为固态。 通过固液分离装置，得到的棉纤维，经洗涤等处理后，、可以重新进入开松梳棉整 理等工序后再利用。而b h e t 通过在特定的聚合釜巾进行缩聚反应，得到聚对苯 二甲酸乙二醇酯( p e t ) 。实现了涤棉的分离。并初步设计一台大型设备，可以直 接批量处理各种混纺比的废旧涤棉混纺织物。 通过分析反应温度、反映时间以及e g 和解聚催化剂的用量对醇解工艺的影 响，制定良好的醇解t 艺；通过分析缩聚催化剂的用量和缩聚时间对缩聚的影响， 制定良好的缩聚工艺参数：所得棉纤维进行洗涤等处理后，对其纤维性能的变化 进行分析：对缩聚所得p e t 性能指标进行测量。结果表明：所获得棉纤维和p e t 性能基本没有变化，得到了良好的分离。实现了废1 日涤棉纺织品的循环再利用。 对批量处理废旧涤棉混纺织物的大型设备进行初步设计，为该类设备的制造提供 宝贵经验。 关键词：废l u 纺织品，涤棉织物，涤棉分离，涤纶醇解，缩聚 a b s t r a c t w i t ht h es c a l eo ft e x t i l e p r o d u c t i o ne x p a n d i n ga n dt h eu s i n go ft e x t i l e s i n c r e a s i n g ，t h et y p e sa n dq u a n t i t i e so fw a s t et e x t i l e sa r ei n c r e a s i n g n o w a d a y s ，t h e s e p a r a t i o na n dt h er e u s eo fw a s t et e x t il e sa r eo fg r e a tc o n c e m o nt h ed a yo fr e s o u r c e c o n s e r v a t i o na n dl o wc a r b o ne m i s s i o n s ，t h es e p a r a t i o na n dt h er e u s eo fw a s t et e x t i l e s c a nr e d u c et h ep o l l u t i o na n dr e l i e v ep r e s s u r eo nt h ee n v i r o n m e n t b u tb e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no f t e c h n o l o g y , f u n d s ，e q u i p m e n t ，e t c ，t h et r e a t m e n to fw a s t et e x t i l e sm a i n l y u s e sp h y s i c a lm e t h o d sa sp r e l i m i n a r ym a c h i n i n ga n db u r n i n g i tg r e a t l yl i m i t st h e r e u s i n gv a l u ea n dr e c y c l i n ge c o n o m i cb e n e f i t so ft e x t i l ew a s t e i nt h ep a r to f c h e m i c a lr e c y c l i n g ，m o s to ft h ew a s t et e x t i l e sa r en o ti nt h ef o r mo fs i n g l ec o m p o n e n t o rp u r es p i n n i n g ，s ot h e yc a nn o tb es e p a r a t e do rr e u s e dd i r e c t l y t h ee f f i c i e n c yo f r e c y c l i n gi sa f f e c t e ds e r i o u s l y t h i sp a p e rs t u d i e do nt h es e p a r a t i o no fw a s t ep o l y e s t e rc o t t o nb l e n d e df a b r i c i n t h es e p a r a t i o ne x p e r i m e n t s ，u s e dt h ee t h y l e n eg l y c o lt oa l c o h o l y s i st h ep o l y e t h y l e n e t e r e p h t h a l a t e ( p e t ) o fb l e n d e df a b r i c a tas p e c i f i ct e m p e r a t u r ea n dt h ep e t a l c o h o l y s i s e di n t ot e r e p h t h a l a t e ( b h e t ) a tt h i st e m p e r a t u r e ，t h eb h e tw a sl i q u i d ， b u tt h ec o t t o nf i b e rw a ss t i l ls o l i d u s e dt h es o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o nu n i tt os e p a r a t e t h e m a f t e rt h et r e a t m e n to fw a s h i n ga n dd r y i n g ，t h ec o t t o nf i b e rw o u l db er e u s e d t h eb h e t p o l y c o n d e n s e di n t op e t i na s p e c i f i cp o l y m e r i z e r t h e nm a k ei tc o m et r u e t os e tt h ep e ta n dc o t t o na p a r tf r o m e a c ho t h e r p r e l i m i n a r yd e s i g n e dal a r g e e q u i p m e n t ，w h i c hc o u l de x t e n s i v e l ys e p a r a t e dw a s t ep o l y e s t e rc o t t o nb l e n d e df a b r i ca t a n yb l e n d i n gr a t i o a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o nt i m e ，t h ea m o u n to f e ga n dt h ed e p o l y m e r i z a t i o nc a t a l y s td e n s i t yt om a k eab e t t e ra l c o h o l y s i sc r a f t a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ec a t a l y s td e n s i t ya n dp o l y c o n d e n s a t i o nt i m et om a k ea b e t t e rp o l y c o n d e n s a t i o nc r a f t a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o t t o na n dp e t t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p e r t yo fc o t t o na n dp e tb a s i c l yd i dn o th a v em u c hc h a n g e s a n dt h ed e s i g ni n go ft h ee q u i p e n t p r o v i d e d v a l u a b l ee x p e r i e n c et om a k es u c h s e p a r a t i o nd e v i c e k e y w o r d s ：w a s t et e x t i l e ，p o l y e s t e r - c o t t o nf a b r i c ，p o l y e s t e r - c o t t o ns e p a r a t i o n ，p e t a l c o h o l y s i s ，p o l y m e r i z a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 我国废旧纺织品的基本情况1 1 1 1 废旧纺织品的来源及种类1 1 1 2 我国废旧纺织品的产生情况1 1 1 3 开展废旧涤棉纺织品再利用的重要意义2 1 2 利用途径的价值分析3 1 2 1 经济价值分析3 1 2 2 环境和社会价值分析3 1 2 3 废旧纺织品的综合利用前景4 1 3 废旧涤棉纺织品再利用存在的主要问题4 1 4 本课题研究的目的和内容5 第二章单组份涤、棉特性及其回收再利用7 2 1 棉纤维的特征及组成7 2 2 棉纤维及其织物的物理回收法8 2 3 棉纤维及其织物的化学回收法9 2 4 涤纶纤维及其织物的特性1 0 2 5 涤纶纤维的合成1 1 2 5 1 酯交换法( d m t 法) 制b h e t 1 l 2 5 2 酸法( 直接酯化法或t p a 法) 制b h e t l l 2 5 3 环氧乙烷法( e 0 法) 制b h e t 1 2 2 5 4b h e t 缩聚制p e t 1 2 2 6 废旧涤纶织物的物理回收法1 3 2 6 1 切割开松法1 3 2 6 2 造粒法1 3 2 7 废旧涤纶织物的化学回收法1 4 2 7 1 醇解1 4 2 7 1 1 甲醇醇解法1 4 2 7 1 2 乙二醇醇解法1 5 2 7 2 水解1 6 2 7 2 1 酸性水解法1 6 2 7 2 2 中性水解法1 7 2 7 2 3 碱性水解法1 8 2 7 3 超临界法1 8 2 7 3 1 超临界甲醇法1 9 2 7 3 2 超临界乙醇法1 9 2 7 3 3 超临界水解法1 9 第三章混纺涤棉织物分离试验2 1 3 1 实验材料及仪器2 l 3 1 1 材料2 1 3 1 2 仪器2 1 3 2 实验原理及方法2 1 3 3 醇解分离实验2 2 3 4 缩聚实验2 3 3 5 醇解分离实验结果与分析2 3 3 5 1e g 用量对醇解率的影响2 3 3 5 2 温度对醇解率的影响2 4 3 5 3 时间对醇解率的影响2 5 3 5 4 催化剂对醇解率的影响2 6 3 5 5 醇解分离实验对棉的影响分析2 7 3 5 5 1 棉纤维扫描电镜分析2 7 3 5 5 2 棉纤维拉伸性能分析2 9 3 5 6 醇解实验小结2 9 3 6 缩聚实验工艺与产物分析2 9 3 6 1 缩聚实验工艺分析2 9 3 6 2d s c 分析3 0 3 6 3i r 分析3 3 3 6 4 特性粘度分析3 4 3 6 5 缩聚实验小结3 5 第四章涤棉分离设备的设计3 7 4 1 涤棉回收的工艺路线3 7 4 2 涤棉回收的工艺流程图3 8 4 2 1 醇解工序3 9 4 2 2 棉纤维分离和洗涤工序4 1 4 2 3 预缩聚工序4 2 4 2 4 终缩聚工序4 3 4 2 5 切粒和包装工序4 3 4 2 6 真空系统4 5 第五章结论4 7 参考文献4 9 作者在硕士期间发表论文情况5 5 致谢5 7 m 第一。章绪论 第一章绪论 当今，纺织品已经与人类的生活密切相关，影响着人类生活的各个方面。然 而，随着纺织品需求的不断增加，应用领域的不断扩大，纺织工业所面临的问题 也越来越严峻。第一，面对迅速增长的世界人口，纺织品消耗量的迅速增加，如 何持续的满足人类对纺织品的需求，如何解决纺织品资源短缺，价格上涨等问题； 第二，在纺织领域逐渐扩大的今天，纺织品的使用周期也在不断缩短，各类的废 旧纺织品大量涌现，如何合理的处理废旧纺织品，既不会造成资源浪费，也不会 污染环境。最好的方法就是将废旧纺织品合理的重新再利用。但实际上，废旧纺 织品的再利用比例并不高，其原因除了公众不愿意参与此项工作外，处理废弃物 所需要的技术资金设备不足是一个重要因素。 1 1 我国废旧纺织品的基本情况 1 1 1 废旧纺织品的来源及种类 废旧纺织品按照纤维组分划分，可以分为单组份织物和混纺织物。其中单组 份织物主要有纯天然纤维( 棉、毛、丝、麻) 织物、纯涤织物、锦纶织物等：混 纺织物主要包括涤棉织物、涤毛织物和毛腈织物等。其中，涤纶消耗量占全部化 纤的9 1 ，棉占天然纤维乜3 1 的9 0 以上，因此，经估算纯棉、纯涤、涤棉织物 占全部服用、家用纺织品的8 0 以上，其在废旧织物中的比例也是巨大。 废旧纺织品按照使用程度可分为，未使用过的废旧纺织品和使用过的废旧纺 织品。未使用过的废旧纺织品由纺织工业、纤维工业和棉花初加工等的副产品原 料构成，如纺纱工序中的落物或成品加工过程中的废料等，经过再加工可以做成 汽车、航空、建筑、家具、垫类、家居装饰、纸类、服装和其他工业产品；使用 过的废旧纺织品包括使用者用坏、损伤、尺码不再合适或者不合时尚等原冈而对 丢弃的任何种类的服装和家用纺织品，例如旧衣服、旧地毯等等h 1 。 按照用途也可将废旧纺织品分为：服装用纺织品，工业用纺织品，以及装饰 用纺织品等等。 1 1 2 我国废旧纺织品的产生情况 2 0 0 0 年以来，我国纺织纤维加工量持续增长嵋1 ，从2 0 0 0 年的1 3 6 0 万吨，增 长到2 0 0 8 年的3 5 0 0 万吨，累计增长1 5 7 3 5 ，年增长率达到1 2 5 4 。从2 0 0 4 天津工业大学硕士学位论文 年至2 0 0 8 年，纤维加工量分别为2 4 1 6 、2 5 7 0 、3 0 6 0 、3 5 3 0 、3 5 0 0 万吨，据纺织 工业协会估算，2 0 0 9 年的纤维加工量可达3 7 5 0 万吨。经纺织工业协会估算，每 年我国出口量为1 3 5 0 万吨。而服装用纺织品、家用纺织品和产业用纺织品三大 终端产品哺1 纤维消耗比例为4 9 ：3 2 ：1 9 。据专家估算，加工环节产生的废旧纺织品 占纤维加工量的1 0 1 2 ，大约产生3 7 5 万吨以上的废料。根据三大终端产品的 消费比例，扣除出口数量，留在国内消费的服用和家用纺织品数量为1 9 4 4 万吨。 纺织品的生命周期一般为3 年，3 年以后，这些纺织品就可成为废旧纺织品的来 源。因此，每年废旧纺织品的数量将达2 3 1 9 万吨。其中化学纤维占7 0 n 1 ，约 1 6 0 0 万吨，天然纤维约6 9 0 万吨。 我国人均纤维消耗量已经从2 0 0 7 年的7 5 公斤提高到2 0 0 8 年抽1 的1 5 5 公 斤，“十二五 期间，我国纺织品的消耗量将以1 2 以上的速度增长，预计“十 二五”末，我国人均纤维消费量将提高到1 9 5 公斤左右阳1 ，废旧纺织品累计产 生量将超过1 4 亿吨，其中化纤类9 8 0 0 万吨左右，天然纤维类4 2 0 0 万吨左右。 目前，绝大部分废旧纺织品还没有得到综合利用。 1 1 3 开展废旧涤棉纺织品再利用的重要意义 进入2 1 世纪以来，全球人口暴增( 2 0 0 0 年联合国预测2 0 5 0 年全球人口7 6 亿，2 0 0 8 年8 月联合国再次预测全球人口9 0 亿，2 0 0 9 年1 月则预测为9 2 亿) ， 粮食作为首要保证任务，棉纤维的生产将受到制约。同时，传统涤纶纤维的主要 原材料如石油，由于短期内无法再生，全球包括未勘测到的石油储备，估计最多 可开采6 0 年。今后增长空间受到严重制约。今后4 0 年发展周期中纺织纤维原材 料来源将主要变为以下途径：1 、天然纤维将主要依托生物工程技术，利用盐碱 地、山坡地种植的新型战略性产物；2 、充分利用陆上及海洋的生物质资源( 木 屑、棉短绒、桑条、甘蔗渣、麻秆芯、竹材、棉秆、玉米秆、海藻、甲壳质等等) ； 3 、废旧纺织品再生利用。这些都是新型战略性产业。 当前，再生资源产业是世界上发展最快的朝阳产业之一。据预测，未来3 0 年，世界消耗原材料中的再生资源所占比重，将由目前的3 0 提高到8 0 。纺织 品的再生利用，难度比较大，效益比较低，但发达国家也非常重视，英国等发达 国家的废旧纺织品回收利用率达到了1 6 。我国是一个纺织大国、穿衣大国和棉 花进口大国，每年消耗的纺织纤维达3 7 0 0 万吨以上。由于资源短缺，每年需要 进口大量纺织品及其原材料( 其中棉花进口量占加工总量的3 0 - 4 0 ；合成纤维， 主要为涤纶纤维生产用的石化原料进口量也近6 0 ) ，但是我国再生原材料的利 用率却不到万分之三。因此，大力开展废旧涤棉纺织品的再利用，不仅可以节约 大量的纺织原材料，产生很高的经济效益，又可以极大地缓解石油资源紧张、棉 2 第章绪论 粮争地的问题。 1 2 利用途径的价值分析 1 2 1 经济价值分析 废旧涤棉纺织品的回收利用有翻新利用和再生利用两种途径。 废旧涤棉纺织品的翻新利用主要体现在废旧涤棉服装在二手服装市场的流 通。二手服装买卖在美国、日本、英国等欧洲发达国家已经蔚然成风，每年的销 售额可达数十亿美元，已经形成一个成熟的市场。在日本共有2 0 0 0 多家二手服 装店，店主们还成立了行业联合会，据统计，二手服装在日本的年销售额已经超 过2 亿美元。而我国为了保护消费者权益、防止疾病通过废旧服装进行传播、防 止洋垃圾的出现，一直杜绝二手服装进入流通市场。2 0 0 9 年，我国全社会完成 服装总产量4 0 0 亿件n 引，如果翻新利用率达到5 ，一套衣服价值5 0 元，将会产 生上千亿元的产值。可见，二手服装市场的发展，将会带动加工、物流、销售等 相关行业的发展，也对广大民众的消费观念起到重要的引导作用，实现全民节约 的生活理念。 废旧涤棉纺织品的再生利用可以节省大量的纺织原材料。据估计，我国每年 将产生2 0 0 0 多万吨废旧纺织品，其中涤棉织物占8 0 以上，如果再利用率能够 达到6 0 ，则节约化学纤维9 4 0 万吨( 相当于1 2 个仪征化纤厂的年产量) 、天然 纤维4 7 0 万吨，预计每年可以节约原油1 8 8 0 万吨( 相当于半个大庆油田的产量) ， 节约耕地面积1 6 3 4 万亩，占全年棉花耕种面积( 3 5 4 4 万亩) 的4 6 。可见，若 能有效地将这些废旧涤棉纺织品回收再利用，则可以节约大量的纺织原料，创造 出较高的经济价值。 1 2 2 环境和社会价值分析 目前，我国大力提倡发展循环经济，建设“资源节约型、环境友好型”社会， 这是党中央做出的重大战略决策，是我国的一项基本国策。把循环经济从理念变 为行动，已经在全国范围内得到迅速发展。废旧涤棉纺织品的回收利用研究作为 建立再生资源体系的一个重要部分，如获成功，必将产生重大影响，为其他领域 的资源节约、再生利用工作做出表率。 再生资源是2 1 世纪最重要的可增长资源，再生资源产业是全世界发展最快 的朝阳产业。该领域企业既是劳动密集型又是技术密集型，一方面可带来大量新 增就业岗位，另一方面又可大力促进相关检测技术、化工技术、纺织技术及机械 3 天津工业大学硕士学位论文 设备快速发展。 但是，目前我国绝大部分废旧涤棉纺织品未能有效回收利用，致使废弃量巨 大，或被焚烧，或被填埋，造成了严重的环境污染。焚烧处理中，由于部分纺织 品中存在的催化剂、染化料、以及聚酯( 涤纶) 本身的分解，会产生大量含氮、 含硫的有毒、有害气体，并产生大量的碳排放，加剧温室效应。填埋处理对于在 废弃涤棉纺织品中占5 0 以上的涤纶纤维制品来说，尤其不适合。涤纶聚酯等聚 合物在土壤中的降解周期为1 2 0 - 2 0 0 年，未降解的聚合物会引起土地板结，失去 可耕性，因此会带来长达2 0 0 年的土地污染。回收利用废旧涤棉纺织品，可极大 地减少有害气体排放，减少碳排放，减少对土地的污染，具有极其重要的环境和 社会意义。 1 2 3 废旧纺织品的综合利用前景 翻新服装以及再生纺织原材料由于价格低廉、性价比高，且可以享受税收优 惠政策等，具有很强的竞争优势。 虽然我国二手服装市场还没有真正开发，但是其潜力巨大。据国外经验，每 年将有数亿美元的市场需求，尤其是农村地区、城市学生等年轻人群、第三世界 市场、抗震救灾等领域。 由于废旧纺织品再生利用的部分关键技术瓶颈已经攻克，再生产品的品质得 到大幅提升，再生原材料的市场极好。目前，我国每年纺织纤维的消耗量达3 7 0 0 万吨，由于石油、棉花价格不断上升，导致许多化纤厂、纺纱厂成本压力越来越 大，大部分化纤厂在不断降低产量，寻找出路。一些厂家大量进口国外的再生聚 酯切片来降低生产成本。由此可见，我国再生原材料必将拥有广阔的市场空间。 随着再生技术的不断进步，再生原材料的物理性能将会大幅提高，其应用领 域将会不断扩展。再生原材料将会大量应用于建筑、农用、汽车隔音材料等产业 用纺织品中和家用纺织品中，产生极大的经济效益。 1 3 废旧涤棉纺织品再利用存在的主要问题 近年来，我国废旧涤棉纺织品的综合利用主要是体现在单组份废旧棉织物和 单组份废旧涤纶织物的再利用。而对于废旧的混纺涤棉织物的处理，由于无法顺 利高效的将混纺织物中的涤、棉成分分离，所以并没得到良好的再利用。 在废旧单组份棉织物的综合利用中，我国已经可以将废旧单组份纯棉织物经 过切割开松等方法制成再生棉纤维，而这些棉纤维通过纯回纺或与其他纤维混纺 后，可应用于棉纤维生产的各个方面。 4 第一章绪论 在废旧单组份纯涤纶织物的综合利用中，我国大部分地区已经可以通过物理 和化学回收等方法，实现了废旧涤纶聚酯纤维再利用。目前已经涌现出了一批废 旧单组份纯涤纶回收利用的领军企业，江苏江阴、浙江宁波、慈溪等地已经有数 家企业形成涤纶聚酯纤维( 瓶) 的再生利用工业化生产能力，拥有完整的生产线， 将回收的废旧涤纶聚酯纤维( 瓶) 进行粉碎、清洗、增黏、纺丝等一系列工艺加 工，再生聚酯纤维已经可用于纺织、填充料及非织造布生产。 废旧涤棉混纺织物的再利用，主要存在的问题是，如何将混纺织物中的涤纶 成分和棉成分充分高效的分离。这是涤棉分离技术的关键，也将是本课题主要研 究的主要内容。 1 4 本课题研究的目的和内容 在纺织行业中，各类废旧纺织品的回收利用一直受到很多专家学者的关注。 对于一些单组份的废旧纺织品，如废弃纯涤纶废料，主要来源于涤纶生产过程中 各个工序阶段产生的废料以及废弃了的涤纶制品等。目前，李准准n 别等人对于废 旧涤纶的化学降解已经达到9 6 7 0 ，其中主要产物b h e t 纯度达到9 6 3 7 8 。但 是，对于废旧混纺织物的回收再利用，由于技术、资金等因素，仍处于焚烧、掩 埋、简单再利用等初级阶段。 涤棉织物作为世界上产量最多的混纺织物，其废弃量也是相当多的。若能很 好的回收这类废旧涤棉混纺织物，将会创造极大的社会价值和经济价值。 本课题研究的目的在于解决废旧混纺涤棉织物分离技术中的难题，为大批量 回收再利用废旧涤棉混纺织物提供重要的技术依据。 本课题主要研究内容： i 通过了解单组份涤、棉回收再利用的技术，在实验室进行废旧涤棉混纺织 物的分离实验，并确定较好的分离工艺。 2 对分离后的产物进行表征分析。 3 初步设计废旧涤棉混纺织物分离、再利用的大型设备。 5 第二章单组份涤、棉特性及其回收再利用 第二章单组份涤、棉特性及其回收再利用 2 1 棉纤维的特征及组成 棉纤维是一种最普遍的天然纤维，很久以来人们就懂得利用棉纤维进行“集 纤成纱，纺纱成布”。棉纤维是纤维素纤维的一种，与丝、毛、麻并称为四大天 然纤维。由于其透气性好，手感柔软，保暖以及服用舒适，一直备受人们的青睐。 棉纤维被广泛应用于人类的日常生活中，与人类生活和社会进步息息相关。 棉纤维为种子纤维，是一端尖而封闭、一端粗而开口、细而长的中空体。正 常成熟的棉纤维，纵向外观有天然螺旋形转曲。棉纤维的截面中间有干瘪的空腔 且呈不规则的腰圆形n 引。化学组成在其生长的过程中是不断变化的。成熟棉纤维 的化学组成如表2 一l 所示，可以看出棉纤维的主要成分为纤维素，并含有蛋白质、 果胶物质、灰分和蜡质等成分。纤维素是由d - 葡萄糖( b 型) 单元，经过1 - 4 苷键 互相连接而成的直链型天然高分子化合物，在其基本组成中，含碳量为4 4 4 4 、 含氢量为6 1 7 、含氧量为4 9 3 9 ，即相当于( c 6 h 。o o 。) 。，棉纤维的聚合度r l 在 6 0 0 0 - 1 1 0 0 0 之间制。化学结构式用下式如图2 - 1 图2 1 棉纤维化学结构式 表2 1 棉纤维化学成分含量 7 天津工业大学硕士学位论文 棉纤维的强度高，抗皱性好，拉伸性较差，耐热性好，仅次于麻。耐酸性较 差，在常温下耐稀碱。对染料具有良好的亲和力，易染色，色谱齐全，色泽也比 较鲜艳。由于棉纤维具有许多优良经济性状，使之成为最主要的纺织工业原料之 一。因此棉型织物被广泛应用，具有以下特点： 1 吸湿性强，缩水率较大，约为4 1 0 。 2 耐碱不耐酸。棉布对无机酸极不稳定，即使很稀的硫酸也会使其受到破坏， 但有机酸作用微弱，几乎不起破坏作用。棉布较耐碱，一般稀碱在常温下对棉布 不发生作用，但强碱作用下，棉布强度会下降。常利用2 0 的烧碱液处理棉布， 可得到“丝光”棉布。 3 耐光性、耐热性一般。在阳光与大气中棉布会缓慢的被氧化，使强力下降。 长期高温作用会使棉布遭受破坏，但其耐受1 2 5 1 5 0 c 短暂高温处理。 4 微生物对棉织物有破坏作用，表现在不耐霉菌。 5 卫生性：棉纤维是天然纤维，其主要成分是纤维素，还有少量的蜡状物质 和含氮物与果胶质。纯棉织物经多方面查验和实践，织品与肌肤接触无任何刺激， 无负作用，久穿对人体有益无害，卫生性能良好u 引。 2 2 棉纤维及其织物的物理回收法 纯棉纤维及织物的物理回收利用一般是用机械将其分解成纤维状，再进行纯 回纺或混纺制成织物，或作为非织造原料。机械分解的方法是利用切割设备和开 松设备对废旧织物予以切割撕裂，开松成散纤维原料。对于体积较大的棉织物， 必须先通过切割设备的预整理，将其切成碎片以满足其它设备复杂的体系管道的 要求。上世纪9 0 年代，国外就已经出现了比较成熟的废旧纺织品切割技术，并生 产出高性能切割设备。例如，比利时a t e l i e r sp i e r r e t 公司所生产的截切机型的 切割机正在世界范围使用。它们和自动机器人装料体系相结合，能可靠地运转， 每小时加工高达5 0 0 0 k g 废旧织物，加工幅宽达6 0 0 衄。据制造商提供的资料，法 国l a r o c h e 公司生产的s t a r c u t 旋转切割机的最高产量可达6 0 0 0 k g h 。通过使用多 达四个刀头的旋转切刀可切出更短的产品，废料的产量增多了，同时又没有显著 的质量下降。对于处理边条状废料，包括其他绳状类型的废料，旋转切割机装备 了附加的夹持设备，从而使得工作速度最高可能达至l j 4 0 0 m m i n 。对于预切割，尤 其对于废旧纺织品废料进行预切割则由粗切机来完成，这是为粗状织物的纤维回 收而制造的专用设备u 引。 对原本就比较细小和经切割机切割后的废旧棉织物碎片，可以直接投入到开 松机进行开松。开松机的原理是经带有角钉、钩齿和布满钢针的锡林等经渐进式 8 第二章单组份涤、棉特性及其回收再利用 的物理作用，逐渐降低纤维间的抱合度，直至将废旧棉织物变成小块或束状纤维。 我国在上世纪9 0 年代就已经出现了相关的专利技术，对废旧棉织物回收再利用进 行了初步探索，为解决废旧织物的出路，提供了有利条件。其中“废旧纺织品纤 维再生机”、“废旧织物再生棉设备川1 训等设备的产生，不仅实现了高效安全的生 产，实现了开花质量高、纤维结构紧凑，而且能有效减少飞花粉尘。但由于加工 剧烈，该设备极易拉断纤维，使纤维长度变短、质量变差。目前国内生产的开松 机，备有梳针、锯齿角钉、多组刺辊等不同开松辊，不仅解决了开松对纤维的影 响，也可适合多种材质的开松。中国“沈阳龙运机械设备制造厂”开发生产的大 型开松机组，由于其较大的功率，对废旧织物、干麻、废料、边角料、碎布头等 材质都有极佳的开松效果。 当废旧纯棉织物被开松成纤维原料以后，将其打包成捆，运往各个纺纱厂、 非织造厂等。对于纯棉纤维及其织物回收后的可纺纤维可作为重新纺纱的原料， 通过摩擦纺、环锭纺、转杯纺和平行纺等方法，可直接纯纺或混纺成纱线。其中， 摩擦纺是利用一对多孔内吸滚筒的转动，吸附须条并给以捻度的自由端纺纱法。 摩擦纺低速高产，且对原料适应性广，是经济可行的加工回用纤维的方法；环锭 纺和转杯纺都可以使用新旧混合纤维进行纺纱，二者在喂入、牵伸和加捻形式上 有所不同，环锭纺在毛纺行业的应用取得可喜的成绩。转杯纺主要考虑纤维强力 的因素，对纤维长度和纤度要求不高，这些特点正适合于废旧纺织品的加工；平 行纺是将短纤维平行排列，不经加捻而由长丝呈螺旋状将它们包缠起来的纺纱方 法，这种纺纱方法适合加工废弃旧短纤维。如德国s u e s s e n ( 绪森) 公司的p a r a f i l 平行纺纱设备可以纺制n m 5 以下的废纱啪1 。 对于经前处理工艺得到的不可纺纤维，可利用非织造工艺制得非织造产品或 做成填充材料、保温材料等。目前，非织造工业的原料大部分是化学合成纤维， 而对于不可纺的废旧棉纤维主要是通过化学方法将其制成纤维素纤维或制成造 纸原料等。 2 3 棉纤维及其织物的化学回收法 由于棉纤维中纤维素的含量相对较高，其也成为了再生纤维素纤维的主要原 料。特别是上述所说的物理回收法后不可纺的棉纤维，其用途主要用于制造粘胶 纤维、l o y c e l l 纤维素纤维以及纸浆等。 马涛等担通过浸渍、压榨、粉碎、溶解脱泡等工艺，已经成功的将棉纤维制 成粘胶短纤维；李桂荣、张杰瞳啪3 1 等人已经成功的将废旧棉短绒制成高粘度羟甲 基纤维素、羟丙基甲基纤维素、醋酸纤维素等棉浆粕。为再生纤维素纤维原料的 9 天津工业大学硕士学位论文 制备提供了有效的方法，使废旧棉纤维的化学再利用成为可能。 对于所有的废旧纺织产品，都可以通过焚烧等方法来处理。而其中较普遍的 回收利用方法就是将废旧织物焚烧时的热能充分利用，使其转变为可用的热能或 是电能等。棉织物也不例外。对于那些经切割开松后既不能回纺、混纺，也不能 进行非织造的棉织物，可将其焚烧再利用。但是其再利用附加值较低。 2 4 涤纶纤维及其织物的特性 涤纶纤维又称p e t 聚酯纤维，即由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺丝而成。聚对苯 二甲酸乙二醇酯( p o l y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ，是由对苯二甲酸二甲酯( d 盯) 与乙二醇( e g ) 酯交换或以对苯二甲酸( t p a ) 与乙二醇酯化先合成对苯二甲酸 双羟乙酯( b h e t ) ，然后再进行缩聚反应制得。其中，聚酯在纺织方面的应用主 要是制备纺织纤维涤纶，而其它的则被制成聚酯薄膜、聚酯瓶、聚酯包装等。 涤纶和聚酯瓶等的区别主要在于分子量和特性粘度，涤纶的相对分子质量范围为 1 5 0 0 0 - 2 2 0 0 0 ， ，7 值为0 6 2 0 6 s ( d l g ) ；聚酯瓶的相对分子质量为 2 6 0 0 0 - 3 6 0 0 0 ， ，7 值为0 7 3 0 9 ( d l g ) 幢劓。1 9 5 3 年美国d u p o n t 公司首先推出 聚酯纤维商品，1 9 5 5 年英国帝国化学工业公司( i c i ) 同时建成短纤维和长丝工 厂。由于天然纤维资源有限，而聚酯纤维具有良好的使用性能和较低的生产成本， 因而成为天然纤维的最佳替代产品。在实现工业化生产的五十年来，聚酯纤维获 得了迅速发展，在全球各类纺织用纤维中，聚酯纤维的消费比重从1 9 9 9 年起超 过棉花，成为纺织纤维消费中的第一大品种。 聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 为乳白色或纯黄色的聚合物，其密度为 1 3 0 - 1 3 6 9 c m 3 ，熔点为2 2 5 - 2 6 0 。具有下列特性： 1 ) 耐热性好，长期使用温度达1 2 0 。 2 ) 在较宽的温度范围内保持优良的物理力学性能。 3 ) 硬度高，为热塑性中硬度最高的一个品种。 4 ) 耐摩擦，耐磨损。 5 ) 耐蠕变性能，刚性等胜过多种工程塑料。 6 ) 绝缘性能好，受环境的影响小，但耐电晕件较差。 7 ) 无毒，耐气候性好，耐化学药品稳定性好，吸水率低，耐弱酸和有机溶剂， 但不耐热水浸泡，不耐碱。 因此，p e t 聚酯纺丝后形成的涤纶纤维具有较高的断裂强度和弹性模量，回 弹性适中，热定型优异，耐热和耐光性好。涤纶织物具有洗可穿性，良好的阻抗 性( 如抗有机溶剂、洗涤剂、氧化剂等) ，耐腐蚀性，对弱酸弱碱稳定。 1 0 第二章单组份涤、棉特性及其凹收再利用 2 5 涤纶纤维的合成 工业上合成p e t 的方法大致有三种：酯交换法( d m t 法) 、酸法( 直接酯化法或 t p a 法) 和环氧乙烷法( e o 法) 。这三种方法只是起始原料不同，中间过程和缩 聚反应基本相同，都要经过一个相同的中间体生成对苯二甲酸双一1 3 羟乙酯 ( b h e t ) ，然后由b h e t 作为合成单体在特定装置中缩聚成p e t 。后经纺丝过程制 成涤纶纤维。 2 5 1 酯交换法( d m t 法) 制b h e t 用对苯二甲酸先和甲醇通过酯化反应，制得对苯二甲酸二甲酯( d m t ) ，然后 将d m t 提纯，再用纯化的d m t 与乙二醇通过酯交换反应得到b h t e 固体d m t 的 熔点为1 4 0 6 ，酯交换反应温度一般在1 6 0 2 1 0 左右，实际生产时通常是先 将d m t 预熔后进料。常用的催化剂为z n 、c o 、g e 等元素的醋酸盐。在酯交 换反应过程中会蒸出大量的甲醇，甲醇在反应过程中只起一个中间转换作用，由 于甲醇的沸点较低，甲醇蒸气极易燃烧，因经济和安全方面的原因，此种方法在 逐渐被淘汰。反应式如下： 一罢一一4 d g o c 一k 2 一一 。一罢州删t a l x l 目1 3 2 5 2 酸法( 直接酯化法或t p a 法) 制b h e t 用高纯度的精对苯二甲酸( p u r et e r e p h t h a l a t ea c i d ) 与乙二醇在催化剂作 用下发生酯化反应得到b h t e 。常用的催化剂是叔胺、季胺盐或m n 、c o 、n i 、g e 等的醋酸盐，也有不用催化剂，在加压下用t p a 自身的催化作用进行酯化反应。 该反应为微放热反应，热效应很小，可以忽略不计，所以在反应时需外加热源。 酯化反应一般在2 3 0 - 2 8 0 之间，若是高压下进行酯化，反应温度可以低一些在 2 3 0 一2 6 0 之间即可。酯化反应压力为卜2 a t m ，压力过高副反应会增多，压力太 低反应时间会延长。p t a 和乙二醇( e g ) 的比例在实际生产中有所不同，大致 为：e g p t a = i 1 - 1 8 。反应式如下： 天津工业大学硕士学位论文 一c 扣一艄等 n o o t 2 c n g x x ：- 氛o , 一一+ 呐 庐a ) o c h 2 1 c 1 瞄粥+ h 2 0 哪 2 5 3 环氧乙烷法( 印法) 制b h e t 这种方法是用对苯二甲酸在催化剂作用下直接与环氧乙烷反应制备b h t e ， 反应温度一般在9 0 一1 3 0 之间。所用的催化剂为伯、仲、叔胺和季胺盐，卅杂 环化合物或硫化物。但由于环氧乙烷反应活性很大，反应又是放热的加成反应， 反应速度较快不易控制，环氧乙烷的沸点只有1 0 左右，环氧乙烷蒸气极易爆 炸、燃烧，整个反应危险性较大必需精确控制，且反应过程中会生成多种杂质如 二甘醇、一缩乙二醇、二缩乙二醇、三缩乙二醇等，因此这种合成方法很少有工 业化应用。 2 5 4b h e t 缩聚制p e t 由b h e t 制备p e t 的过程是一个缩聚反应，遵循缩聚反应的一般规律。缩聚 反应是两分子b h t e 之间的酯交换反应，在生成一个新的酯键的同时，脱去一分 子的乙二醇，见下式： ( a n e r ) 一舢士 缩聚平衡常数k p 为： = 眢 缩聚反应是- + - 系列的可逆平衡缩聚过程的总和，虽然过程初期每一步都 1 2 第二章单组份涤、棉特性及其回收再利用 有一个平衡常数，但达到较高分子量时，则反应速度常数逐渐趋于一致，平衡常 数也趋于一个定值。据测定p t e 缩聚的k p 为0 5 左右1 ，在这个平衡常数下是 难以得到高分子量的p t e ，只有在反应过程中不断地将产生的低分子化合物乙二 醇( e g ) 除去，使反应过程向右移动，反应继续向右进行，才能得到高分子量的 p t e 。e g 的沸点较高，近2 0 0 ，且随着p t e 的生成，体系的粘度会急剧升高， 要不停的移去产生的e g 反应必需在高真空中进行，一般说来反应压力需在l m m h g 以下进行，通常都是在0 1 - 0 5 m 正i g 。在实际合成反应过程中，缩聚时的真空度 是随着反应进程逐渐提高的，并非是缩聚一开始就提高到最高温度最高真空度下 进行。 2 6 废旧涤纶织物的物理回收法 2 6 1 切割开松法 废旧涤纶的切割开松方法与废旧棉织物的废旧开松方法及设备极其相似，目 的依然是通过切割机和开松机将涤纶织物分解成纤维状，再进行纯回纺或混纺制 成织物，或作为非织造材料 2 6 2 造粒法 为了将回收的废旧涤纶织物进行再次纺丝或是生产成其他产