我国纺织行业的规模居世界首位，每年都会产生大量的废旧纺织品，然而其回收利用率却不足25%（图1），且仍以焚烧、填埋或简单的物理回收利用为主，将带来明显环境污染，亦不能获得潜在经济效益。从废旧含棉织物中分离棉组分制备废旧棉再生浆粕，进一步开展Lyocell纺丝利用进而获得附加值较高的Lyocell纤维是一种极具应用前景的绿色高值化回收利用策略。目前，此类回收利用策略中还存在诸多基本科学问题亟待阐释。为较好地评估适宜Lyocell纺丝的废旧棉再生浆粕聚合度范围，进而有效指导再生浆粕的优化生产和尽可能扩大其利用范围，有必要厘清废旧棉再生浆粕的聚合度对其Lyocell纺丝及纤维力学性能的影响。
图1 2016-2025年我国废旧纺织品产生量及回收利用率的已有和预估情况。数据来源于中国国家统计局和中国纺织工业联合会
基于此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授、姚响副教授团队以废旧棉织物为原料，通过制浆工艺的调控制备了一系列不同聚合度（DP=300 ~ 1172）的废旧棉再生浆粕，并考察了相关Lyocell纺丝液的可纺性及其纺制纤维的力学性能。进而系统研究了废旧棉再生浆粕聚合度对其溶解性能、纺丝液的流变性能、可纺性以及所制备Lyocell纤维力学性能的影响规律（图2）。
图2 废旧棉再生浆粕聚合度对其Lyocell纺丝及纤维力学性能的影响示意图
本研究通过碱法蒸煮、去金属离子和漂白等工艺处理后成功制备出5种DP在300-1172范围内的废旧棉再生浆粕。其中的对照浆粕为商用原生木浆，聚合度为634。进一步利用SEM表征了各类废旧棉再生浆粕和商用原生木浆的微观形貌，不同聚合度的废旧棉再生浆粕均呈现出棉质纤维素特有的天然转曲结构（图3a-e），商用原生木浆呈扁平结构，无明显转曲结构（图3f）。
图3 不同聚合度废旧棉再生浆粕（a-e）和商用原生木浆（f）的SEM照片
废旧棉再生浆粕和商用木浆在溶剂（87 wt% NMMO水溶液）中溶解过程的研究结果表明：废旧棉再生浆粕的聚合度越低，溶解速度越快。当废旧棉再生浆粕的聚合度与商用木浆聚合度相当（500 ~ 700）时，其溶解速度与商用木浆极为相似。而当再生浆粕的聚合度为1172时，其溶解所需时间显著增加，溶解性能明显下降。
稳态流变实验结果（图4）表明：再生浆粕纺丝液的表观黏度随着纤维素平均聚合度的增加而增大。动态流变结果表明：再生浆粕聚合度越高，纺丝液的黏弹性转变出现在更低的角频率上，弹性效应增大。由于过高的黏度和弹性效应均不利于纺丝，因而过高的聚合度可能不利于后续Lyocell纺丝。此外，聚合度过低也会造成纺丝液的表观黏度变低、拉伸性能变差，亦不利于Lyocell纺丝。
图4 不同聚合度废旧棉再生浆粕和对照浆粕对应纺丝液的黏度/剪切速率曲线
图5 不同聚合度废旧棉再生浆粕和对照浆粕所制备Lyocell纤维的力学性能
本研究进一步系统探索了废旧棉再生浆粕聚合度（DP300 ~ DP1172）对其Lyocell纺丝可纺性及纤维力学性能的影响。研究结果表明：废旧棉再生浆粕的聚合度显著偏低（DP300）时，纺丝稳定性相对较差；严重偏高（DP1172）时，无法连续稳定纺丝；在居中的聚合度范围内可连续稳定纺丝。随着浆粕聚合度的增高（DP300 ~ DP725），所制备再生Lyocell纤维的干态断裂强度（3.35 ~ 4.72 cN/dtex）和模量（70.9 ~ 146.19 cN/dtex）等力学性能亦随之明显提升。其中聚合度为578和725的再生浆粕所制备的Lyocell纤维能同时具备较好的干态断裂强度、模量和断裂伸长率，综合力学性能与商用木浆纺制纤维相当（图5）。相关研究获得了较适宜Lyocell纺丝利用的废旧棉再生浆粕聚合度范围，有望为推动废旧棉织物回收制备高性能Lyocell纤维这一绿色高值化利用策略的产业化提供重要指导，促进我国纺织业的可持续发展和废旧纺织品的绿色循环利用。
近日，相关研究成果以题为“废旧棉再生浆粕聚合度对其Lyocell纺丝及纤维力学性能的影响”发表在《高分子学报》期刊上，论文第一作者为硕士生刘洋，通讯作者为东华大学张耀鹏教授和姚响副教授。东华大学硕士生周勇成、东华大学杨革生副教授和江苏恒力化纤股份有限公司郁秀峰高工为本论文共同作者。此工作得到了国家重点研发计划等项目经费的大力支持。
近年来，本团队与国内纤维素纤维龙头化纤企业合作，在废旧含棉织物（纯棉、涤棉、涤维棉等多组分含棉织物）的高值循环回收利用领域授权了多项发明专利并发表论文，主要包括：ZL202010329855.4, ZL202010329838.0, ZL202011310638.7, ZL202011310632.X, ZL202110403907.2, ZL202210561983.0, ZL202310436354.X, ZL202310828393.4, Cellulose, 2023, 30: 4841-4853。
原文信息与链接
刘洋，姚响*，周勇成，杨革生，郁秀峰，张耀鹏*. 废旧棉再生浆粕聚合度对其Lyocell纺丝及纤维力学性能的影响. 高分子学报, 2023, DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2023.23127
http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2023.23127&lang=zh
