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TWI743677B - 一種多功能複合材料、其製法及多功能複合基材 - Google Patents

一種多功能複合材料、其製法及多功能複合基材 Download PDF

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郭飛麟
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Abstract

本創作提供一種多功能複合材料，其包含一布料、一膠結材料以及水，其中，以該多功能複合材料的整體重量為基準，該布料佔1重量百分比至20重量百分比，該膠結材料佔80重量百分比至99重量百分比。本創作之多功能複合材料有效解決廢棄紡織品處理與安置的難題，此外，以該多功能複合材料形成之多功能複合基材還具有良好吸水性、隔熱性、防火性及輕質性等特性，符合綠建材應用的需求，於建築材料市場擁有高發展潛力。

Description

一種多功能複合材料、其製法及多功能複合基材
本發明係關於一種複合材料、其製法及由該複合材料所製得的成品，尤指一種應用於土木工程的複合材料、其製法及其成品。
隨著快時尚風潮的興起，紡織產業蓬勃發展，由紡織製程中產生的布料邊材無可避免地大幅增加，一年可產生龐大萬噸級的布料邊材，再加上消費者使用後丟棄的織物、舊衣飾等，廢棄紡織品的處理與安置儼然已成為不容忽視的課題。
一般而言，除了小部份廢棄紡織品透過回收再利用之外，大部份廢棄紡織品的處理方式為焚化或掩埋，然而，廢棄紡織品中通常除了天然纖維外，更多為化學合成纖維，若以焚燒的方式處理則會排放有毒廢氣，進一步衍生空氣污染與危害人體健康；若採用掩埋的處理方式，由於化學合成纖維大多不易被土壤中的微生物分解，不僅無法根本解決廢棄紡織品不斷堆積的問題，還可能導致水汙染。
目前常見廢棄紡織品回收再利用的處理方式係先將天然纖維分類或以適當的溶劑溶除，剩下的人造纖維則如同寶特瓶等塑膠類回收品一般，並依據不同材料特性進行塑膠回收加工，或是進一步製成過濾材、人造塑化木等，但前述處理方式均礙於成本與技術可行性考量，仍處於初步開發階段。
因此，目前仍有待發展出低成本的廢棄紡織品的處理方式，能達成廢棄紡織品的回收再利用並永續循環。
有鑑於上述現有技術面臨的問題，本創作之目的在於提供一種多功能複合材料，其能以廢棄紡織品作為基本組成成份，為廢棄紡織品提供一種創新回收再利用的處理方式。
本創作之另一目的在於提供一種多功能複合材料，以其製得之基材具良好的吸水性、隔熱性、防火性及輕質性等特性。
為達成前述目的，本創作提供一種多功能複合材料，其包含一布料、一膠結材料以及水，其中，以該多功能複合材料中的固體總重為基準，該布料佔1重量百分比至20重量百分比，該膠結材料佔80重量百分比至99重量百分比。
藉由該布料的纖維構造，並以特定比例與該膠結材料混合，使得該多功能複合材料形成之多功能複合基材具有良好的吸水性、隔熱性、防火性及輕質性等特性；除此之外，該布料的來源可為廢棄紡織品，因此能使廢棄紡織品循環再利用，有效解決廢棄紡織品處理與安置的難題。
較佳的，以該多功能複合材料的固體總重為基準，該布料佔5重量百分比至15重量百分比。
依據本創作，該膠結材料泛指與水反應後可產生膠結作用，且經過一定時間後固化的物質。
較佳的，該膠結材料包含一 再生膠結填充材料、一水泥礦物摻料以及一化學摻料。其中，以該膠結材料的總重為基準，該再生膠結填充材料佔80重量百分比至90重量百分比，該水泥礦物摻料佔0重量百分比至20重量百分比，該化學摻料佔0重量百分比至5重量百分比。當再生膠結填充材料的含量在前述範圍時，所述膠結材料能進一步提升該多功能複合材料固化後的整體強度。
依據本創作，該再生膠結填充材料以及水泥礦物摻料，係卜作嵐材料(pozzolanic materials)，即會與氫氧化鈣(calcium hydroxide)產生化學反應，形成含有膠結性質之水化物的材料。
較佳的，該再生膠結填充材料包含F級飛灰、高爐石粉或其組合。所述F級飛灰係依據ASTM C618的標準規範，其氧化鈣(CaO)的含量小於10%，通常為無煙煤或煙煤燃燒後的產物。
較佳的，該水泥礦物摻料包含C級飛灰、水泥或其組合。藉由選用C級飛灰、水泥或其組合作為水泥礦物摻料，能進一步縮短多功能複合材料的固化時間以及提升固化後的整體強度。所述C級飛灰係依據ASTM C618的標準規範，其CaO的含量約介於10%至40%之間，通常為褐煤或次煙煤燃燒後的產物。
較佳的，以該膠結材料的總重為基準，該水泥礦物摻料佔5重量百分比至15重量百分比。
由於飛灰(包含F級飛灰以及C級飛灰)及高爐石粉分別為發電和工業產製過程中產生的廢棄物，同樣存在處理與安置的難題，故本創作選用飛灰、高爐石粉或其組合作為再生膠結填充材料，不僅能進一步提升該多功能複合材料固化後的整體強度，同時能將飛灰或高爐石粉等廢棄物回收再利用。依據本創作，該飛灰係指火力發電廠於燃燒粉煤後產生的廢棄物，主要係粉煤內含有的黏土與石英等礦物被融化後，燃燒過程中產生之氫氣與氮氣使該等融化物鼓起並形成中空體或破裂中空體，再經冷卻成為玻璃圓球狀的微粒子。另外，該高爐石粉係指進行煉鋼後所產生的廢棄物，主要係煉鋼過程中鐵礦石、石灰石、焦炭與助熔劑於高溫反應後產出的熔融爐渣。
較佳的，以該膠結材料的總重為基準，該化學摻料佔0.5重量百分比至2重量百分比。藉由化學摻料的添加，可有效提升多功能複合材料的凝固速度與強度，並提升再生膠結填充原料的使用率達80%以上。
較佳的，該化學摻料包含硫酸鈉(sodium sulfate，Na2 SO4 )、硫代硫酸鈣(calcium thiosulfate，CaS2 O3 )、硫酸鋁(aluminum sulfate，Al2 (SO4 )3 )、矽酸鈉(sodium metasilicate，Na2 SiO3 )、矽酸鉀(potassium silicate，K2 SiO3 )及矽酸鋁(aluminium silicate，Al2 SiO5 )或其組合。透過加入前述特定成份的化學摻料，有助於提升該再生膠結填充材料固化的速度，縮短其達到一定強度的時間，製得本創作之多功能複合基材。
依據本創作，該布料並無特別限制，例如可包含天然纖維、半合成纖維、合成纖維或其組合。
依據本創作，該天然纖維可為棉、麻、毛或蠶絲等，但不限於此；該合成纖維可為聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、聚酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚醯胺(polyamide，PA)及聚丙烯(polypropylene，PP)等，但不限於此。由於天然纖維具有多孔質結構，因此當布料為天然纖維時，可具有更高的吸水率。
較佳的，該多功能複合材料更可再包含一細骨材。藉由於多功能複合材料加入細骨材，能夠增進固化形成之多功能複合基材的剛硬度與強度等物理特性。依據本創作，該細骨材泛指能夠通過4號篩網(孔徑約為4.75毫米)的材料，其可為天然砂或石屑，但不限於此。
較佳的，該細骨材包含砂石骨材、廢鑄造砂、廢玻璃砂、廢噴砂或其組合。
當本創作之多功能複合材料使用源自於廢紡織品的布料、飛灰、高爐石粉等廢棄物作為原料時，不僅可提高再生原料應用率，具有環保、資源永續再利用的優點，還可降低製造成本，具有商業價值。
此外，本創作另提供一種前述多功能複合材料的製備方法，其包含以下步驟：步驟(a)：將一紡織品進行碎裂處理，得到一布料；以及步驟(b)；將該布料與一膠結材料以及水混合，得到該多功能複合材料；其中，以該多功能複合材料的固體總重為基準，該布料佔1重量百分比至20重量百分比，該膠結材料佔80重量百分比至99重量百分比。
較佳的，以該多功能複合材料的固體總重為基準，該布料佔5重量百分比至15重量百分比。
依據本創作，該碎裂處理泛指以任何手段或方法，使一完整的紡織品經過切割、擠壓、撕扯等過程，成為複數形狀不一的布料。舉例而言，該碎裂處理係將一完整的紡織品置入高扭力破碎機中，透過其內的刀片進行裁切、破碎，進而得到複數形狀不一的布料。
較佳的，該膠結材料包含一再生膠結填充材料、一水泥礦物摻料以及一化學摻料。其中，以該膠結材料的總重為基準，該再生膠結填充材料佔80重量百分比至90重量百分比，該水泥礦物摻料佔0重量百分比至20重量百分比，該化學摻料佔0重量百分比至5重量百分比。
較佳的，該再生膠結填充材料包含F級飛灰、高爐石粉或其組合。
較佳的，該布料包含天然纖維、半合成纖維、合成纖維或其組合。
較佳的，該步驟(a)還包括以下步驟：步驟(a1)：將一紡織品進行碎裂處理後，浸入一化學摻料溶液中得到一布料浸潤漿體；以及步驟(a2)：再將該布料浸潤漿體從該化學摻料溶液中取出，以得到一浸潤的布料。
較佳的，該化學摻料溶液包含硫酸鈉溶液、硫代硫酸鈣溶液、硫酸鋁溶液、矽酸鈉溶液、矽酸鉀溶液、矽酸鋁溶液或其組合。
此外，本創作另提供一種多功能複合基材，其係由前述之多功能複合材料經過包含模具充填、加壓成型以及靜置養護的步驟後而得。藉由前述之多功能複合材料含有特定比例的布料以及膠結材料，其形成之多功能複合基材因而具有良好吸水性、隔熱性、防火性及輕質性等特性，符合現今對於綠建材的要求，進而於建築材料市場具有相當高的發展潛力。
依據本創作，該加壓成型的步驟泛指不限定以何種方式對材料施以壓力，使該材料密實並固化成型；該靜置養護的步驟泛指材料還未完全終凝固化前，防止其受環境影響而發生損害的措施，舉例而言，該靜置養護的步驟包含澆水溼置、護膜養護或蒸氣養護，但不限於此。
在說明說書中，由「小數值至大數值」表示的範圍，如果沒有特別指明，則表示其範圍為大於或等於該小數值至小於或等於該大數值。例如：1重量百分比至20重量百分比，即表示其範圍為「大於或等於1重量百分比至小於或等於20重量百分比」。
在下文中，本領域技術人員可從以下實施例很輕易地理解本創作所能達到的優點及效果。因此，應當理解本文提出的敘述僅僅用於說明優選的實施方式而不是用於侷限本創作的範圍，在不悖離本創作的精神和範圍的情況下，可以進行各種修飾、變更以便實施或應用本創作之內容。
實施例 1
提供一棉質含量為100%的廢棄紡織品，將其置入篩網孔徑為15毫米、以圓筒刀片式裁切進行破碎的高扭力破碎機中，進行碎裂處理得到大小約5毫米至9毫米的布料，隨後取1.0公斤布料浸泡於濃度為15重量百分比的硫酸鋁溶液中得到布料浸潤漿體，隨後將其中浸潤的布料取出。
隨後將9.0公斤的F級飛灰以及前述浸潤的布料置入高扭力混拌機中，進行拌合處理約5分鐘，並在攪拌混合過程同時加入適量的水，最後得到實施例1之多功能複合材料，其為半乾狀態的混凝漿體、含水率約為70%。
取前述半乾狀態的混凝漿體，即實施例1之多功能複合材料置入長20公分、寬20公分、高5公分的模具中，再以油壓機進行漸進式的加壓成型，直到該混凝漿體在釋壓後不再變形，接著脫模後進行常溫靜置養護約1個月，即得到實施例1之多功能複合基材。該布料以及飛灰約佔該多功能複合基材總重的10%以及90%，故其回收原料再利用率可高達90%以上。
實施例 2
提供一棉質含量為100%的廢棄紡織品，將其置入篩網孔徑為15毫米、以圓筒刀片式裁切進行破碎的高扭力破碎機中，進行碎裂處理得到大小約5毫米至9毫米的布料，隨後取1.0公斤布料浸泡於濃度為15重量百分比的硫酸鋁溶液中得到布料浸潤漿體，隨後將其中浸潤的布料取出。
隨後將1.0公斤的水泥、8.0公斤的F級飛灰以及前述浸潤的布料置入高扭力混拌機中，進行拌合處理約5分鐘，並在攪拌混合過程同時加入適量的水，最後得到實施例2之多功能複合材料、其為半乾狀態的混凝漿體、含水率約為70%。
取前述半乾狀態的混凝漿體，即實施例2之多功能複合材料置入長20公分、寬20公分、高5公分的模具中，進行灌漿充填並以漸進式的手工加壓成型，直到充分充填該模具，接著進行常溫靜置養護約1週，即得到實施例2之多功能複合基材。該布料以及飛灰約佔該多功能複合基材總重的10%以及80%，故其回收原料再利用率可高達80%以上。
實施例 3
實施例3的製備流程係與實施例2相似，其不同之處在於該廢棄紡織品係由100%的聚酯纖維所組成，隨後依照相同的流程製得實施例3之多功能複合材料以及實施例3之多功能複合基材。
實施例 4
實施例4的製備流程係與實施例2相似，其不同之處在於該廢棄紡織品係由50%的棉以及50%的聚酯纖維所組成，隨後依照相同的流程製得實施例4之多功能複合材料以及實施例4之多功能複合基材。
實施例 5
提供一由50%的棉以及50%的聚酯纖維所組成的廢棄紡織品，將其置入篩網孔徑為15毫米、以圓筒刀片式裁切進行破碎的高扭力破碎機中，進行碎裂處理得到大小約5毫米至9毫米的布料。
將1.0公斤前述的布料、0.5公斤的水泥、4.0公斤的高爐石粉以及0.5公斤的C級飛灰與3.0公斤的F級飛灰置入高扭力混拌機中，隨後依照與實施例2相同的後續流程製得實施例5之多功能複合材料以及實施例5之多功能複合基材。該布料、高爐石粉以及飛灰約共佔該多功能複合基材總重的90%，故其回收原料再利用率可高達80%以上。
試驗例：多功能複合基材的特性分析
吸水性
將實施例1至5之多功能複合基材依據CNS 382所載吸水率之測試方式，測得吸水率的結果如表1所示。 表1：實施例1至5之多功能複合基材的吸水率測試結果
測試樣品 吸水率 (%)
實施例1 46.5
實施例2 71.22
實施例3 53.63
實施例4 64.26
實施例5 56.25
由表1的結果可知，實施例1至5之多功能複合基材皆具有高於45%以上的吸水率，顯示出良好的吸水特性。其中，在具有相似組成成份之實施例2、實施例3、實施例4之多功能複合基材中，所選用的布料分別為100%棉、100%聚酯纖維以及50%棉與50%聚酯纖維混合，其對應的吸水率分別為71.22%、53.63%以及64.26%，顯示實施例2之多功能複合基材含有100%棉，因而其吸水率高於實施例3之含有100%聚酯纖維的多功能複合基材，並且，實施例2至5之多功能複合基材的吸水率均可以達到50%以上，將可以推展於具有降低都市熱島效應功能的保水建材領域。
隔熱性
根據CNS 7333(2014)《隔熱材料之導熱係數測試定法》之規範，對實施例1之多功能複合基材進行測試。測試結果顯示實施例1之多功能複合基材的熱傳導係數為0.162 W/m・K，相較於一般常見的建材，如水泥(熱傳導係數約為1.4 W/m・K)、紅磚(熱傳導係數約為0.8 W/m・K)、大理石(熱傳導係數約為2.8 W/m・K)等，具有相當良好的隔熱效果，應用於建築材料可有效避免室內的溫度隨室外環境溫度變化而改變，達到大幅降低建築的冷熱空調能源消耗的功效。
防火性
根據CNS 14705-1(2013)《建築材料燃燒熱釋放率試驗法》之規範，對實施例1之多功能複合基材進行測試，其結果如表2所示。 表2：實施例1之多功能複合基材的防火性測試結果
測試項目 結果 規範值
總熱釋放量(MJ/m2 ) 8.0 不大於8.0
持續燃燒時間(s) 0 --
最大熱釋放率無連續10秒以上超過200 kW/m2 符合 符合
有無貫穿至背面之龜裂及孔穴 無 無
由表2的測試結果可知，實施例1之多功能複合基材在總熱釋放量、最大熱釋放以及結構完整性皆符合規範中所訂定的標準，同時亦無測量到燃燒時間，符合CNS 14705-1(2013)規定之耐燃一級的標準，即在火災初期時，不易發生燃燒現象、不易產生有害的濃煙及氣體且不會發生如變形、熔化、龜裂等不良現象。據此，本案之多功能複合基材應用於建材中可達到相當優異的防火功效。
輕質性
量測實施例1至實施例5之多功能複合基材的長、寬、厚度以及重量，得到其比重如表3所示，分別約為1.12、1.14、1.23、1.27以及0.86 g/cm3 ，相較於一般常見的建材，如水泥(比重約為2.5 g/cm3 )、紅磚(比重約為1.8 g/cm3 )、大理石(比重約為2.6 g/cm3 )等，具有較佳的輕質性，應用於建築材料可減輕建築結構以及搬運與施作時的負擔，進一步提升效率及降低成本。 表3：實施例1至5之多功能複合基材的比重測試結果
測試樣品 比重
實施例1 1.12
實施例2 1.14
實施例3 1.23
實施例4 1.27
實施例5 0.86
綜上所述，本創作可選用廢棄紡織品作為多功能複合材料的原料，提供了一種廢棄紡織品回收循環再利用的處理方式，有效解決廢棄紡織品處理與安置的難題，不僅如此，本創作之多功能複合材料含有特定比例的布料以及膠結材料，使其形成之多功能複合基材具有良好的吸水性、隔熱性、防火性及輕質性等特性而符合綠色建材的要求，故不論於環保永續或建築材料市場皆具有相當高的發展潛力。
無
無。
無。

Claims (11)

  1. 一種多功能複合材料，其包含一布料、一膠結材料以及水，其中，以該多功能複合材料中的固體總重為基準，該布料佔1重量百分比至20重量百分比，該膠結材料佔80重量百分比至99重量百分比；其中，該膠結材料包含一再生膠結填充材料、一水泥礦物摻料以及一化學摻料，且以該膠結材料的總重為基準，該再生膠結填充材料佔80重量百分比至90重量百分比，該水泥礦物摻料佔5重量百分比至15重量百分比，該化學摻料佔0重量百分比至5重量百分比；其中，該水泥礦物摻料包含水泥或C級飛灰與水泥之組合。
  2. 如請求項1所述之多功能複合材料，該再生膠結填充材料包含F級飛灰、高爐石粉或其組合。
  3. 如請求項1所述之多功能複合材料，該化學摻料包含硫酸鈉、硫代硫酸鈣、硫酸鋁、矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鋁或其組合。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之多功能複合材料，該布料為天然纖維、半合成纖維、合成纖維或其組合。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之多功能複合材料，其還包含一細骨材。
  6. 如請求項5所述之多功能複合材料，其中，該細骨材包含砂石骨材、廢鑄造砂、廢玻璃砂、廢噴砂或其組合。
  7. 一種多功能複合材料的製備方法，其包含以下步驟：步驟(a)：將一紡織品進行碎裂處理，得到一布料；以及步驟(b)：將該布料與一膠結材料以及水混合，得到該多功能複合材料；其中，以該多功能複合材料的固體總重為基準，該布料佔1重量百分比至20重量百分比，該膠結材料佔80重量百分比至99重量百分比； 其中，該膠結材料包含一再生膠結填充材料、一水泥礦物摻料以及一化學摻料，且以該膠結材料的總重為基準，該再生膠結填充材料佔80重量百分比至90重量百分比，該水泥礦物摻料佔5重量百分比至15重量百分比，該化學摻料佔0重量百分比至5重量百分比；其中，該水泥礦物摻料包含水泥或C級飛灰與水泥之組合。
  8. 如請求項7所述之多功能複合材料的製備方法，其中，該步驟(a)包括：步驟(a1)：將一紡織品進行碎裂處理後，浸入一化學摻料溶液中得到一布料浸潤漿體；以及步驟(a2)：再將該布料浸潤漿體從該化學摻料溶液中取出，以得到一浸潤的布料。
  9. 如請求項8所述之多功能複合材料的製備方法，其中，該化學摻料溶液包含硫酸鈉溶液、硫代硫酸鈣溶液、硫酸鋁溶液、矽酸鈉溶液、矽酸鉀溶液、矽酸鋁溶液或其組合。
  10. 如請求項7至9中任一項所述之多功能複合材料的製備方法，其中，該布料包含天然纖維、半合成纖維、合成纖維或其組合。
  11. 一種多功能複合基材，其係如請求項1至6中任一項所述之多功能複合材料再經過模具充填、加壓成型以及靜置養護步驟後而得。
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