混合工艺对回收碳纤维/剑麻湿法非织造布性能的影响

《Journal of Natural Fibers》：Effect of Hybrid Process on Properties of Recycling Carbon Fiber/Sisal Wet-Laid Nonwovens Fabric

湿法非织造成型技术结合再生碳纤维（rCF）与剑麻纤维（SF）混杂体系，成功制备出无需化学粘合剂的高强度HRCF/SN非织造布。通过正交分析发现，rCF含量增加会降低织物强度，而SF长度增至10mm时可使纵向强度达44.15kPa、横向强度达47.81kPa。纤维排列呈现三维网络结构，SF形成骨架而rCF填充孔隙，其强度与纤维分散状态、长度及配比密切相关。

　　再生碳纤维（rCF）作为一种高性能材料，在航空航天、汽车制造、体育器材等多个领域具有广泛的应用前景。然而，随着其生产规模的扩大，产生的废弃物也越来越多，这不仅造成了资源浪费，还对环境造成了压力。因此，如何有效回收和再利用rCF成为当前材料科学领域的重要课题之一。为了提升rCF的高价值应用，研究者们尝试了多种方法，其中湿法非织造成型技术被认为是一种具有潜力的解决方案。该技术通过将不同纤维材料混合后，利用水流作用将纤维均匀分散并沉积，形成非织造布。这种技术的优势在于其对纤维长度和排列方式的适应性较强，不需要对纤维进行严格的排列和长度控制，因此在处理rCF这类结构松散的纤维材料时具有独特的优势。

在本研究中，为了实现rCF非织造布的制备，采用了剑麻纤维（SF）作为混合纤维。剑麻纤维作为一种天然纤维素纤维，具有良好的自粘合特性，可以在湿法成型过程中无需化学粘合剂即可形成稳定的结构。这一特性使得rCF与SF的混合成为可能，为开发新型复合材料提供了基础。研究团队通过正交分析方法，系统地评估了混合工艺对rCF/剑麻非织造布（HRCF/SN）织物结构性能的影响。结果显示，当rCF在混合体系中的重量百分比为5%，聚丙烯纤维（PP）为50%，SF长度为10?mm时，能够制备出具有纵向拉伸强度44.15 kPa和横向拉伸强度47.81 kPa的HRCF/SN织物。这一数据表明，在不使用化学粘合剂的情况下，rCF与SF的混合能够有效提升非织造布的结构强度。

在实验中，研究团队评估了三个主要因素对HRCF/SN织物性能的影响，包括rCF的重量百分比、PP纤维的重量百分比以及SF的长度。结果显示，增加rCF的重量百分比对织物的强度提升并不有利，反而可能降低其整体性能。这可能是由于rCF的表面光滑且缺乏活性基团，导致其在湿法成型过程中难以与其他纤维有效结合，从而影响了织物的机械性能。相反，适当增加SF的长度有助于提升HRCF/SN织物的强度。这是因为较长的SF在纤维网络中提供了更多的接触点，增强了纤维之间的相互作用，从而提高了织物的整体结构稳定性。此外，PP纤维的重量百分比对织物强度的影响较小，但其含量过高可能对织物的均匀性产生负面影响。

在实验过程中，研究人员还关注了HRCF/SN织物的质量损失率和厚度均匀性。质量损失率主要由纤维在成型过程中与设备表面的附着以及在水流动过程中被过滤掉的情况造成。结果显示，PP纤维的重量百分比对质量损失率有显著影响，随着PP纤维含量的增加，质量损失率也相应上升。而SF的长度对质量损失率的影响则呈现出先减少后增加的趋势，说明在一定范围内，较长的SF有助于减少纤维的损失，但超过一定长度后，反而可能增加纤维的附着和过滤现象。rCF的重量百分比对质量损失率的影响最小，这可能是由于其较低的线密度使其更容易填充纤维网中的孔隙结构，从而减少了与设备的接触面积。

厚度均匀性是衡量非织造布质量的重要指标之一，通常用CV%（变异系数）来表示。CV%越小，说明织物的厚度分布越均匀，质量越好。实验结果显示，PP纤维的重量百分比对厚度均匀性的影响最大，随着PP纤维含量的增加，CV%值也随之上升，说明PP纤维的加入可能会导致非织造布的厚度分布不均。SF的长度对厚度均匀性也有一定的影响，其CV%值随着SF长度的增加而逐渐上升，表明较长的SF可能会影响纤维在水中的均匀分散。相比之下，rCF的重量百分比对厚度均匀性的影响最小，这可能与其良好的填充能力有关。

在HRCF/SN织物的表面形貌方面，研究团队通过光学显微镜和景深显微镜对织物的结构进行了详细观察。结果显示，HRCF/SN织物的纤维排列呈现出三维网络结构，且在织物的前后表面层中，纤维的分布有所不同。后表面层主要由rCF组成，而前表面层则以SF为主。这种差异可能是由于rCF在成型过程中更容易附着在网帘表面，而SF则因其较长的长度和较高的线密度，在织物的形成过程中起到了骨架作用。rCF则以线性方式填充在SF形成的网络结构中，最终形成一个闭合的结构。这种结构不仅提高了织物的强度，还增强了其稳定性。

研究团队还探讨了HRCF/SN织物的形成机制。在湿法成型过程中，SF的表面通过氢键形成网络骨架结构，而rCF则通过水流作用逐渐填充到这个骨架结构中，最终形成稳定的非织造布。这一过程无需化学粘合剂，完全依赖于天然纤维素纤维的自粘合特性。同时，PP纤维在混合体系中起到了一定的增强作用，但由于其密度较低且容易浮于水面，可能会导致纤维在水中的分散不均，从而影响最终织物的性能。

实验结果还表明，HRCF/SN织物的强度与纤维的排列方式密切相关。在没有化学粘合剂的情况下，纤维之间的物理结合是织物强度的主要来源。因此，通过调整混合纤维的比例和长度，可以有效提升织物的机械性能。研究团队发现，当rCF的含量较低时，织物的强度较高，而随着rCF含量的增加，其强度反而下降。这可能是因为rCF的自粘合能力较差，难以与其他纤维形成有效的结合。因此，在混合体系中，适当降低rCF的含量，可以提高其与SF和PP纤维之间的相互作用，从而增强织物的整体性能。

此外，SF的长度对织物的强度有显著影响。随着SF长度的增加，其提供的接触点也随之增多，这有助于纤维之间的相互缠绕和结合，从而提高织物的强度。然而，SF长度的增加也可能导致其在水中的分散性下降，影响织物的均匀性。因此，需要在SF长度和混合体系的均匀性之间找到一个平衡点，以确保最终织物的性能达到最佳状态。

PP纤维的含量对HRCF/SN织物的强度和均匀性都有一定影响。虽然PP纤维可以提供一定的增强作用，但其含量过高可能会导致织物的厚度不均和质量损失率上升。因此，在混合体系中，PP纤维的含量需要控制在一个合理的范围内，以避免对织物的整体性能产生不利影响。

综上所述，本研究通过湿法非织造成型技术，成功制备了不含化学粘合剂的rCF/SF混合非织造布。实验结果表明，适当调整混合纤维的比例和长度，可以有效提升织物的结构性能和机械强度。具体而言，当rCF的重量百分比为5%，PP纤维为50%，SF长度为10?mm时，HRCF/SN织物表现出最佳的强度和均匀性。这一研究为rCF的高价值再利用提供了新的思路和方法，同时也为开发新型复合材料奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同纤维比例和长度组合对织物性能的影响，以及如何优化成型工艺以提高rCF的回收效率和应用价值。