一种多功能复合材料、其制法及多功能复合基材

摘要

本发明提供一种多功能复合材料、其制法及多功能复合基材。所述多功能复合材料，其包含一布料、一胶结材料以及水，其中，以所述多功能复合材料的整体重量为基准，所述布料占1重量百分比至20重量百分比，所述胶结材料占80重量百分比至99重量百分比。本发明的多功能复合材料有效解决废弃纺织品处理与安置的难题，此外，以所述多功能复合材料形成的多功能复合基材还具有良好吸水性、隔热性、防火性及轻质性等特性，符合绿建材应用的需求，于建筑材料市场拥有高发展潜力。

说明书

技术领域

本发明是关于一种复合材料、其制法及由所述复合材料所制得的成品，尤指一种应用于土木工程的复合材料、其制法及其成品。

背景技术

随着快时尚风潮的兴起，纺织产业蓬勃发展，由纺织工艺中产生的布料边材无可避免地大幅增加，一年可产生庞大万吨级的布料边材，再加上消费者使用后丢弃的织物、旧衣饰等，废弃纺织品的处理与安置俨然已成为不容忽视的课题。

一般而言，除了小部份废弃纺织品透过回收再利用之外，大部份废弃纺织品的处理方式为焚化或掩埋，然而，废弃纺织品中通常除了天然纤维外，更多为化学合成纤维，若以焚烧的方式处理则会排放有毒废气，进一步衍生空气污染与危害人体健康；若采用掩埋的处理方式，由于化学合成纤维大多不易被土壤中的微生物分解，不仅无法根本解决废弃纺织品不断堆积的问题，还可能导致水污染。

目前常见废弃纺织品回收再利用的处理方式是先将天然纤维分类或以适当的溶剂溶除，剩下的人造纤维则如同宝特瓶等塑料类回收品一般，并依据不同材料特性进行塑料回收加工，或是进一步制成过滤材、人造塑化木等，但前述处理方式均碍于成本与技术可行性考虑，仍处于初步开发阶段。

因此，目前仍有待发展出低成本的废弃纺织品的处理方式，能达成废弃纺织品的回收再利用并永续循环。

发明内容

有鉴于上述现有技术面临的问题，本发明的目的在于提供一种多功能复合材料，其能以废弃纺织品作为基本组成成份，为废弃纺织品提供一种创新回收再利用的处理方式。

本发明的另一目的在于提供一种多功能复合材料，以其制得的基材具良好的吸水性、隔热性、防火性及轻质性等特性。

为达成前述目的，本发明提供一种多功能复合材料，其包含一布料、一胶结材料以及水，其中，以所述多功能复合材料中的固体总重为基准，所述布料占1重量百分比至20重量百分比，所述胶结材料占80重量百分比至99重量百分比。

通过所述布料的纤维构造，并以特定比例与所述胶结材料混合，使得所述多功能复合材料形成的多功能复合基材具有良好的吸水性、隔热性、防火性及轻质性等特性；除此之外，所述布料的来源可为废弃纺织品，因此能使废弃纺织品循环再利用，有效解决废弃纺织品处理与安置的难题。

较佳的，以所述多功能复合材料的固体总重为基准，所述布料占5重量百分比至15重量百分比。

依据本发明，所述胶结材料泛指与水反应后可产生胶结作用，且经过一定时间后固化的物质。

较佳的，所述胶结材料包含一再生胶结填充材料、一水泥矿物掺料以及一化学掺料。其中，以所述胶结材料的总重为基准，所述再生胶结填充材料占80重量百分比至90重量百分比，所述水泥矿物掺料占0重量百分比至20重量百分比，所述化学掺料占0重量百分比至5重量百分比。当再生胶结填充材料的含量在前述范围时，所述胶结材料能进一步提升所述多功能复合材料固化后的整体强度。

依据本发明，所述再生胶结填充材料以及水泥矿物掺料，是卜作岚材料(pozzolanic materials)，即会与氢氧化钙(calcium hydroxide)产生化学反应，形成含有胶结性质的水化物的材料。

较佳的，所述再生胶结填充材料包含F级飞灰、高炉石粉或其组合。所述F级飞灰是依据ASTM C618的标准规范，其氧化钙(CaO)的含量小于10％，通常为无烟煤或烟煤燃烧后的产物。

较佳的，所述水泥矿物掺料包含C级飞灰、水泥或其组合。通过选用C级飞灰、水泥或其组合作为水泥矿物掺料，能进一步缩短多功能复合材料的固化时间以及提升固化后的整体强度。所述C级飞灰是依据ASTM C618的标准规范，其CaO的含量约介于10％至40％之间，通常为褐煤或次烟煤燃烧后的产物。

较佳的，以所述胶结材料的总重为基准，所述水泥矿物掺料占5重量百分比至15重量百分比。

由于飞灰(包含F级飞灰以及C级飞灰)及高炉石粉分别为发电和工业产制过程中产生的废弃物，同样存在处理与安置的难题，故本发明选用飞灰、高炉石粉或其组合作为再生胶结填充材料，不仅能进一步提升所述多功能复合材料固化后的整体强度，同时能将飞灰或高炉石粉等废弃物回收再利用。依据本发明，所述飞灰是指火力发电厂于燃烧粉煤后产生的废弃物，主要是粉煤内含有的黏土与石英等矿物被融化后，燃烧过程中产生的氢气与氮气使这些融化物鼓起并形成中空体或破裂中空体，再经冷却成为玻璃圆球状的微粒子。另外，所述高炉石粉是指进行炼钢后所产生的废弃物，主要是炼钢过程中铁矿石、石灰石、焦炭与助熔剂于高温反应后产出的熔融炉渣。

较佳的，以所述胶结材料的总重为基准，所述化学掺料占0.5重量百分比至2重量百分比。通过化学掺料的添加，可有效提升多功能复合材料的凝固速度与强度，并提升再生胶结填充原料的使用率达80％以上。

较佳的，所述化学掺料包含硫酸钠(sodium sulfate，Na

依据本发明，所述布料并无特别限制，例如可包含天然纤维、半合成纤维、合成纤维或其组合。

依据本发明，所述天然纤维可为棉、麻、毛或蚕丝等，但不限于此；所述合成纤维可为聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、聚酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚酰胺(polyamide，PA)及聚丙烯(polypropylene，PP)等，但不限于此。由于天然纤维具有多孔质结构，因此当布料为天然纤维时，可具有更高的吸水率。

较佳的，所述多功能复合材料更可再包含一细骨材。通过于多功能复合材料加入细骨材，能够增进固化形成的多功能复合基材的刚硬度与强度等物理特性。依据本发明，所述细骨材泛指能够通过4号筛网(孔径约为4.75毫米)的材料，其可为天然砂或石屑，但不限于此。

较佳的，所述细骨材包含砂石骨材、废铸造砂、废玻璃砂、废喷砂或其组合。

当本发明的多功能复合材料使用源自于废纺织品的布料、飞灰、高炉石粉等废弃物作为原料时，不仅可提高再生原料应用率，具有环保、资源永续再利用的优点，还可降低制造成本，具有商业价值。

此外，本发明另提供一种前述多功能复合材料的制备方法，其包含以下步骤：步骤(a)：将一纺织品进行碎裂处理，得到一布料；以及步骤(b)；将所述布料与一胶结材料以及水混合，得到所述多功能复合材料；其中，以所述多功能复合材料的固体总重为基准，所述布料占1重量百分比至20重量百分比，所述胶结材料占80重量百分比至99重量百分比。

较佳的，以所述多功能复合材料的固体总重为基准，所述布料占5重量百分比至15重量百分比。

依据本发明，所述碎裂处理泛指以任何手段或方法，使一完整的纺织品经过切割、挤压、撕扯等过程，成为多种形状不一的布料。举例而言，所述碎裂处理是将一完整的纺织品置入高扭力破碎机中，透过其内的刀片进行裁切、破碎，进而得到多种形状不一的布料。

较佳的，所述胶结材料包含一再生胶结填充材料、一水泥矿物掺料以及一化学掺料。其中，以所述胶结材料的总重为基准，所述再生胶结填充材料占80重量百分比至90重量百分比，所述水泥矿物掺料占0重量百分比至20重量百分比，所述化学掺料占0重量百分比至5重量百分比。

较佳的，所述再生胶结填充材料包含F级飞灰、高炉石粉或其组合。

较佳的，所述布料包含天然纤维、半合成纤维、合成纤维或其组合。

较佳的，所述步骤(a)还包括以下步骤：步骤(a1)：将一纺织品进行碎裂处理后，浸入一化学掺料溶液中得到一布料浸润浆体；以及步骤(a2)：再将所述布料浸润浆体从所述化学掺料溶液中取出，以得到一浸润的布料。

较佳的，所述化学掺料溶液包含硫酸钠溶液、硫代硫酸钙溶液、硫酸铝溶液、硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、硅酸铝溶液或其组合。

此外，本发明另提供一种多功能复合基材，其是由前述的多功能复合材料经过包含模具充填、加压成型以及静置养护的步骤后而得。通过前述的多功能复合材料含有特定比例的布料以及胶结材料，其形成的多功能复合基材因而具有良好吸水性、隔热性、防火性及轻质性等特性，符合现今对于绿建材的要求，进而于建筑材料市场具有相当高的发展潜力。

依据本发明，所述加压成型的步骤泛指不限定以何种方式对材料施以压力，使所述材料密实并固化成型；所述静置养护的步骤泛指材料还未完全终凝固化前，防止其受环境影响而发生损害的措施，举例而言，所述静置养护的步骤包含浇水湿置、护膜养护或蒸气养护，但不限于此。

在说明说书中，由“小数值至大数值”表示的范围，如果没有特别指明，则表示其范围为大于或等于所述小数值至小于或等于所述大数值。例如：1重量百分比至20重量百分比，即表示其范围为“大于或等于1重量百分比至小于或等于20重量百分比”。

具体实施方式

在下文中，本领域技术人员可从以下实施例很轻易地理解本发明所能达到的优点及效果。因此，应当理解本文提出的叙述仅仅用于说明优选的实施方式而不是用于局限本发明的范围，在不悖离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修饰、变更以便实施或应用本发明的内容。

实施例1

提供一棉质含量为100％的废弃纺织品，将其置入筛网孔径为15毫米、以圆筒刀片式裁切进行破碎的高扭力破碎机中，进行碎裂处理得到大小约5毫米至9毫米的布料，随后取1.0公斤布料浸泡于浓度为15重量百分比的硫酸铝溶液中得到布料浸润浆体，随后将其中浸润的布料取出。

随后将9.0公斤的F级飞灰以及前述浸润的布料置入高扭力混拌机中，进行拌合处理约5分钟，并在搅拌混合过程同时加入适量的水，最后得到实施例1的多功能复合材料，其为半干状态的混凝浆体、含水率约为70％。

取前述半干状态的混凝浆体，即实施例1的多功能复合材料置入长20公分、宽20公分、高5公分的模具中，再以油压机进行渐进式的加压成型，直到所述混凝浆体在释压后不再变形，接着脱模后进行常温静置养护约1个月，即得到实施例1的多功能复合基材。所述布料以及飞灰约占所述多功能复合基材总重的10％以及90％，故其回收原料再利用率可高达90％以上。

实施例2

提供一棉质含量为100％的废弃纺织品，将其置入筛网孔径为15毫米、以圆筒刀片式裁切进行破碎的高扭力破碎机中，进行碎裂处理得到大小约5毫米至9毫米的布料，随后取1.0公斤布料浸泡于浓度为15重量百分比的硫酸铝溶液中得到布料浸润浆体，随后将其中浸润的布料取出。

随后将1.0公斤的水泥、8.0公斤的F级飞灰以及前述浸润的布料置入高扭力混拌机中，进行拌合处理约5分钟，并在搅拌混合过程同时加入适量的水，最后得到实施例2的多功能复合材料、其为半干状态的混凝浆体、含水率约为70％。

取前述半干状态的混凝浆体，即实施例2的多功能复合材料置入长20公分、宽20公分、高5公分的模具中，进行灌浆充填并以渐进式的手工加压成型，直到充分充填所述模具，接着进行常温静置养护约1周，即得到实施例2的多功能复合基材。所述布料以及飞灰约占所述多功能复合基材总重的10％以及80％，故其回收原料再利用率可高达80％以上。

实施例3

实施例3的制备流程是与实施例2相似，其不同之处在于所述废弃纺织品是由100％的聚酯纤维所组成，随后依照相同的流程制得实施例3的多功能复合材料以及实施例3的多功能复合基材。

实施例4

实施例4的制备流程是与实施例2相似，其不同之处在于所述废弃纺织品是由50％的棉以及50％的聚酯纤维所组成，随后依照相同的流程制得实施例4的多功能复合材料以及实施例4的多功能复合基材。

实施例5

提供一由50％的棉以及50％的聚酯纤维所组成的废弃纺织品，将其置入筛网孔径为15毫米、以圆筒刀片式裁切进行破碎的高扭力破碎机中，进行碎裂处理得到大小约5毫米至9毫米的布料。

将1.0公斤前述的布料、0.5公斤的水泥、4.0公斤的高炉石粉以及0.5公斤的C级飞灰与3.0公斤的F级飞灰置入高扭力混拌机中，随后依照与实施例2相同的后续流程制得实施例5的多功能复合材料以及实施例5的多功能复合基材。所述布料、高炉石粉以及飞灰约共占所述多功能复合基材总重的90％，故其回收原料再利用率可高达80％以上。

试验例：多功能复合基材的特性分析

吸水性

将实施例1至5的多功能复合基材依据CNS 382所载吸水率的测试方式，测得吸水率的结果如表1所示。

表1：实施例1至5的多功能复合基材的吸水率测试结果

由表1的结果可知，实施例1至5的多功能复合基材皆具有高于45％以上的吸水率，显示出良好的吸水特性。其中，在具有相似组成成份的实施例2、实施例3、实施例4的多功能复合基材中，所选用的布料分别为100％棉、100％聚酯纤维以及50％棉与50％聚酯纤维混合，其对应的吸水率分别为71.22％、53.63％以及64.26％，显示实施例2的多功能复合基材含有100％棉，因而其吸水率高于实施例3的含有100％聚酯纤维的多功能复合基材，并且，实施例2至5的多功能复合基材的吸水率均可以达到50％以上，将可以推展于具有降低都市热岛效应功能的保水建材领域。

隔热性

根据CNS 7333(2014)《隔热材料的导热系数测试定法》的规范，对实施例1的多功能复合基材进行测试。测试结果显示实施例1的多功能复合基材的热传导系数为0.162W/m·K，相较于一般常见的建材，如水泥(热传导系数约为1.4W/m·K)、红砖(热传导系数约为0.8W/m·K)、大理石(热传导系数约为2.8W/m·K)等，具有相当良好的隔热效果，应用于建筑材料可有效避免室内的温度随室外环境温度变化而改变，达到大幅降低建筑的冷热空调能源消耗的功效。

防火性

根据CNS 14705-1(2013)《建筑材料燃烧热释放率试验法》的规范，对实施例1的多功能复合基材进行测试，其结果如表2所示。

表2：实施例1的多功能复合基材的防火性测试结果

由表2的测试结果可知，实施例1的多功能复合基材在总热释放量、最大热释放以及结构完整性皆符合规范中所订定的标准，同时亦无测量到燃烧时间，符合CNS14705-1(2013)规定的耐燃一级的标准，即在火灾初期时，不易发生燃烧现象、不易产生有害的浓烟及气体且不会发生如变形、熔化、龟裂等不良现象。据此，本发明的多功能复合基材应用于建材中可达到相当优异的防火功效。

轻质性

量测实施例1至实施例5的多功能复合基材的长、宽、厚度以及重量，得到其比重如表3所示，分别约为1.12、1.14、1.23、1.27以及0.86g/cm

表3：实施例1至5的多功能复合基材的比重测试结果

综上所述，本发明可选用废弃纺织品作为多功能复合材料的原料，提供了一种废弃纺织品回收循环再利用的处理方式，有效解决废弃纺织品处理与安置的难题，不仅如此，本发明的多功能复合材料含有特定比例的布料以及胶结材料，使其形成的多功能复合基材具有良好的吸水性、隔热性、防火性及轻质性等特性而符合绿色建材的要求，故不论于环保永续或建筑材料市场皆具有相当高的发展潜力。