泡料与摩擦料的制备法

（一）工艺流程及装备

泡料、摩擦料工艺流程包括了废旧纺织品的清洁、废旧纺织品中纤维的鉴别与分离、废旧纺织品粒料的制备。

1.废旧纺织品的清洁

废旧纺织品再利用之前，必须将回收的废旧纺织品进行清洁处理，清洁的过程主要包括预洗、热/冷漂洗、干燥、消毒等。在清洁过程中水的处理很重要，一条成功的生产线需要有水的处理和循环体系。水的使用也直接影响清洗机器的保养和加工成本。常用的废旧纺织品消毒方法有紫外线消毒、蒸汽消毒和消毒剂浸泡消毒。

2.废旧纺织品中纤维的鉴别与分离

大多数回收的废旧纺织品中，纤维的组成不是单一的，因而在加工利用之前往往需要将纤维进行分离。主要以人工分拣法与自动在线分拣法为主。其中自动在线分拣方法中以近红外识别方法最具有代表性，相比较传统依靠人工经验分拣效率低、错误率高等问题（图2-12），近红外技术是废旧纺织品实现快速、在线、准确、低碳分拣的最佳手段（图2-13）。

图2-12　传统人工分拣

图2-13　意大利（D&V）自动在线分拣系统

图2-14　NIR光谱技术分析示意图

NIR光谱采集的信息：主要是含氢基团（O—H，C—H，N—H，S—H，P—H等）在中红外区吸收的倍频和合频吸收。但光谱吸收强度低、谱带复杂而且重叠严重，在进行定性或定量分析中，必须借助化学计量学软件才能得到准确、可靠的分析结果，识别过程如图2-14所示。NIR光谱技术是把光谱测量技术、化学计量学和计算机技术融为一体的综合技术，是目前在现场进行快速、无损分拣的最佳选择。近红外技术应用于废旧纺织品鉴别及成分预测是可行的，一方面可以解决制约废旧纺织品回收再利用的技术瓶颈——分拣的问题；另一方面又可以提高废旧纺织品回收再利用产品的质量。由于废旧纤维制品在宏观上具有蓬松度大、易缠结、不易粉碎、含混纺结构等特点，和块体塑料有较明显的差别，因此机械旋分法、浮分法并不太适用。近年来，近红外线光谱识别技术的发展，在废旧纺织品分拣方面应用较为突出。近红外光谱分析的本质依据是不同物质含有不同的化学基团，不同的化学基团具有不同的近红外图谱，可借助不同基团与不同图谱之间的一一对应关系来实现纤维种类的鉴别及成分预测。同时，废旧纺织品虽然经过使用，但是其纤维的化学结构及分子组成没有发生变化，与原纺织品的纤维成分及含量几乎没有差异，因而利用近红外技术对其进行鉴别及成分预测是可行的。Polychromix基于对专利的MENS（微机电系统）的核心技术，提供了新一代便携式和强大的分析工具，降低了成本。

手持式近红外光谱仪识别纺织品中组分过程如图2-15所示。

3.废旧纺织品粒料的制备

废旧纺织品粒料的制备即造粒，目前包括以下几种造粒方法：冷相造粒法、熔融造粒法、摩擦造粒法和水热协同塑化造粒技术。

（1）冷相造粒法。冷相造粒法是指将废旧纤维制品置于258～260℃条件下，经过一系列的处理过程后重新得到高聚物粒子的方法。具体操作步骤如下：将经粉碎、洗涤、干燥后的废旧纤维制品投放到冷相造粒机中，当造粒机中的温度上升至200℃左右时，造粒机自动注水降温，当机中温度再次升高至200℃时，再次注水降温，然后经出料、脱水干燥以及筛选后，得到粒径为2～11mm的粒子，造粒过程完成。

（2）熔融造粒法。熔融造粒法包括三个步骤：废旧纺织品前处理、熔融塑化以及切粒包装。废旧纤维制品经粉碎、洗涤、干燥后，经螺杆输送至输送管，废料被压实后在管口挤出，再经熔融冷却，切粒加工成切片。废旧纤维制品经过熔融造粒后得到的切片，可以跟原生切片混合使用制成聚合物合金，除了用于纺织行业，还用作泡沫土工材料等。

图2-15　手持式近红外光谱仪

为了减少熔融造粒中聚酯降解带来的影响，人们发展了熔融增黏技术。与传统的固相增黏技术相比，液相增黏技术省去了中间切粒再熔融的过程，因此在能耗方面有着一定的优势。但是液相增黏技术，特别是大容量的连续化操作，对反应的压力、温度、停留时间等影响熔体热历史的因素控制要求较为严格。图2-16是熔融增黏造粒设备示意图。

图2-16　熔融增黏造粒设备示意图

（3）摩擦造粒法。摩擦造粒法的主要设备是摩擦造粒机，摩擦造粒法的原理是将废旧纺织品经由计量推进器喂入一个定盘和旋转盘之间，物料与盘之间摩擦生热，达到一定温度后，物料塑化成条，此时向定盘和旋转盘通入冷水冷却，冷却后的条状物料进入切碎机进行粉碎，再经由旋风分离以及筛选后，符合要求的粒子进入料仓，不符合要求的粒子则返回再加工。

摩擦造粒的工艺流程如下所示：

废旧纺织品→皮带输送机→切丝机（粉碎机）→单螺旋加料器→造粒机→切粒机→成品称重→手工包装

其关键技术在于：

① 采用风力输送形式，减少操作人员的工作强度，能源耗用低，能达到高的再生纺料造粒效率。

② 摩擦粒子黏度几乎不变，可随时开车、停车，不需暖机时间。

③ 生产弹性大。可以回收多种废纤维、废塑料，如丙纶、涤纶、锦纶，亦可对废泡沫塑料、废胶、废薄膜等进行回收造粒。在造粒机的进料部位安装有加色机构，如添加彩料、色母粒或其他添加剂，可生产有色粒子。

④ 操作方便，能耗低。整个生产过程，除加料和包装为手工操作外，其余全为自动操作，劳动强度低，操作要求不高。废料从进料到出料，所需时间不到2min，物料的停留时间短，既保证造粒质量，又使能量消耗低，经济效益高。

⑤ 设备易于维修和保养，所需设备数量少，且结构简单，安全可靠，维修保养简便，有利于设备的现代化管理。

⑥ 摩擦粒子消耗低，产品质量好，在生产过程中无废料生产，也不加入其他辅助材料，产量等于废旧纺织品的加入量减去水分和油分，产品质量主要取决于废旧纺织品，在加工过程中黏度降低很少，不超过0.02dL/g。

图2-17是用于废旧纺织品回收的摩擦造粒设备示意图。

图2-17　废旧纺织品摩擦造粒设备示意图

1—挑选平台　2—清洗脱水装置　3—输送带　4—切断机　5—三通装置　6—团粒装置　7—出料蛟龙　8—输送带　9—风冷却装置　10—水冷却装置　11—温控装置(www.xing528.com)

热熔快速造粒，其结果为原料特性基本不变，再利用料的利用价值大幅度提高。此外，摩擦造粒法工艺简单、设备投资少，不会给环境带来很大的影响。但是此法也存在很大的不足。在回收加工过程中，由于水分子或残留酸的存在使得聚合物大分子发生降解，相对分子质量降低，最终导致再生产物的性能发生恶化，如黏度下降、色值变差。由于回收过程中废旧纺织品可能会发生降解反应而产生乙醛，因此在食品和药品包装领域的应用受到了限制。除此之外，废旧纺织品每一次熔融造粒后，其物理化学性能就会降低，一次再生产后产生的废料或废弃物就无法再用物理法进行回收了，因此该方法回收废旧纺织品不能形成闭式循环。同时，根据物理法的回收机制，摩擦造粒法主要被应用在单一成分的合成纤维上。但是为了满足使用需求，市面上的纺织品大多是混纺纤维，成分不单一，因此摩擦造粒法的使用受到了很大的限制。摩擦造粒法主要用于单组分废旧纺织品回收的前处理，不适用于混纺纺织品的回收再利用。

（4）水热协同塑化造粒技术。废旧纺织品宏观形态蓬松（堆积密度为0.3～0.6g/cm3），严重影响进料效率，因此必须先对其进行造粒预处理以提升其堆积密度（堆积密度为0.9～1.1g/cm3），即布泡料的制备。造粒原理是利用纤维与机器刀片间的高强剪切摩擦生热实现物料熔黏压缩。传统泡料制备中温度的控制仅通过摩擦时间进行粗略控制，因此常会出现局部过热导致聚酯发生不可逆热降解，黏度损失严重，且泡料质量差异大，直接影响后续熔体的增黏。

针对此问题，采用水热协同塑化造粒技术，在废旧纺织品清洗后的离心脱水过程中，通过控制脱水工艺，保证其具有一定含量的水分，同时在摩擦过程中定时定量补加一定水分，这些水分在团粒过程中主要起到三个作用：

① 调节泡料温度，一方面使过热部分冷却，防止不可逆热降解劣化的发生及扩大；另一方面气化的水可以有效地将团粒系统内的热量均匀分散与平衡，实现体系内温度的稳定调节。

② 作为增塑剂，少量的水分子经热扩散进入聚酯非晶区，增加非晶区含量，可产生较为明显的塑化效果，利于搓粒成团，且可实现低温下的团粒。通常热熔团粒需要220℃以上温度才能实现，而引入水分子塑化后，进一步避免过程中热降解的发生。

③ 有利于泡料的粉碎，引入一定量的水分熔黏团粒后，会使泡料形成一定气孔微相，在后期大量水冷作用后，能够提高泡料强度及韧性，在团粒一定时间后加入适量的水对其进行急剧冷却，并在高速旋转的刀盘作用下破碎，破碎稳定，效率高。

水热协同塑化过程PET大分子聚集态演变示意图如图2-18所示。

图2-18　水热协同塑化过程PET大分子聚集态演变示意图

水热协同塑化造粒与常规摩擦造粒在500r/min工艺条件下，系统内温度变化情况及团粒效果如图2-19，可以看出，在5min后搓粒的泡泡料具有一定的黏结性，同时由于改进的搓粒装置中设置了温度报警与自动加水降温装置，因此不会出现传统的搓粒装置中搓粒区温度持续增加的问题，并且在150～160℃，废纤就具有良好的黏结和成团性能。同时，由样品黏度降数据（图2-20）也可以看出，水热协同团粒法能够缓解团粒过程中的热降解，黏度降由12%降低至3%。

图2-19　不同造粒工艺下泡料温度随团粒时间的变化关系

图2-20　泡料制备工艺对泡料特性黏度的影响

4.泡料的干燥工艺

泡料干燥是再利用喂料前的重要环节，对于减少熔融过程中的不可逆降解十分重要，通常要求含水率低于50mg/kg才可螺杆进料。目前，聚酯泡料的主要干燥方式采用真空转鼓，但由于泡料的含水率高（≥1%）、颗粒大小不一等因素导致单一真空干燥泡料含水存在差异。将真空转鼓干燥和热风干燥相结合，即采用“真空转鼓—热风”的半连续干燥工艺，同时在热风干燥仓入口增设搅拌桨保证进料均匀分散，仓内增设伞状孔板结构防止泡料干燥过程中的黏结搭桥。从根本上解决了真空转鼓干燥含水高和出料易回潮的问题，通过这种组合式干燥方式，干燥后的废聚酯纺织品的含水率低于30mg/kg，干燥效果较传统工艺提升明显。不同的干燥工艺对聚酯泡料的影响见表2-8。

表2-8　不同干燥形式的优点与缺点对比

泡料种类及级别多，生产中通常需要对不同类型的泡料进行混配使用，因此混合均匀性是至关重要的。在当前普遍采用的混合工艺中，普通的混料装置是一个立式的料筒，中间旋转轴带有倾斜角度的搅拌叶片，通过电动机带动轴转动来实现原料的搅拌。这种搅拌装置有一个缺陷，因为各种原料放入立式筒后，底层的原料始终都在最底层，而上层的也始终在上层，导致各种原料分层比较严重，并没有实现上下层料的整体搅拌，而只是某个层范围内的搅拌，这样就造成各种原料无法充分均匀混合，影响最后的纺丝质量。

由于废旧聚酯泡料本身为不规则的易成粉材料，为了降低摩擦料自身在黏度、熔点、颜色、杂质含量、粒径等方面的差异。利用螺旋旋转叶片的混料效果，从而达到强化轴向和径向混合效果，实现了底层摩擦料与上层摩擦料的均匀混合。并且混料装置带有多个可计量喂料绞龙。根据配料的需要分别计量后进入物料风机，在物料风机的作用下经物分离装置落入水平旋转的混料器，在搅拌叶片的作用下摩擦料间相产生交叉运动，互相接触，经过多次长时间的作用使得摩擦料混合均匀，实现不同品质物料的均匀混合和调配。混料示意图如图2-21所示。

图2-21　螺旋旋转叶片的混料示意图

针对摩擦料在投料和混料时的不匀现状，劳动强度大，结合螺旋旋转叶片的搅拌装置，实现了泡料混合和投料的半自动化，减少了工人劳动量，提高了劳动效率。其工作原理是将各种摩擦料按配比投入地下仓的料斗，再通过风机绞龙结合体定量送料进入旋风分离器进行除尘，再落入混料机使布泡料充分混合。混合结束后，摩擦料落入计量送料机，经风机再一次定量送料到另一个旋风分离器，分离后摩擦料落入大容量料筒内。在料筒内分别设置了上、下限料位计，当料位到达下限料位时给投料出发出信号，在允许的混料时间内适当加快投料速度，让料仓内的料位升高；当料位到达上限料位时给投料处发出警报，增加投料的时间间隔。这种警报设置能保持料仓内有充足原料，避免供料不足或过多而影响整条生产线。整个混合投料系统既对摩擦料进行了除尘，又实现了投料的半自动化。摩擦料的半自动投料混料系统如图2-22所示。

图2-22　摩擦料的半自动投料混料系统