鄭彬煒 章偉偉 關(guān)麗濤 古 今 胡傳雙

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510642 )

1 國(guó)內(nèi)外廢紙回收利用現(xiàn)狀

廢紙主要指廢棄的紙和紙板，包括新聞紙、辦公紙、包裝紙、濾紙、瓦楞紙板等[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，廢紙的回收利用得到了社會(huì)各界廣泛的關(guān)注。廢紙?jiān)谑澜绺鞯鼐哂休^高的回收量及回收率，是世界上回收利用最好的二級(jí)材料之一[2]。 2018年，我國(guó)廢紙回收量和消耗量高達(dá)4 964萬t和6 667萬t，廢紙回收率和利用率從2004年的30.4%和58.2%分別提高到47.6%和63.9%。同時(shí)，我國(guó)也是最大的廢紙進(jìn)口國(guó)，2018年，我國(guó)進(jìn)口廢紙總量達(dá)1 703萬t[3]。廢紙作為一種可再生資源，其回收與利用對(duì)節(jié)約纖維資源、減少溫室氣體排放、減緩環(huán)境壓力、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)等具有重要意義，廢紙資源的高效回收利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4]。

廢紙是可再生的造紙?jiān)希壳皬U紙回收利用最主要的途徑是脫墨后生產(chǎn)再生紙[5]。然而，廢紙的反復(fù)回收和造紙過程會(huì)對(duì)纖維造成損傷，降低纖維的機(jī)械性能，廢紙纖維再造紙最多只能回收利用6～7次[6],且因含有的大量非纖維成分導(dǎo)致再生紙的加工困難[7]。在歐洲，超過8%的回收廢紙已被用于造紙以外的行業(yè)，包括堆肥、能源和建筑材料。

2 廢紙材料化利用研究進(jìn)展

廢紙中含有大量的纖維成分，紙纖維的長(zhǎng)度、質(zhì)量和機(jī)械性能一致性高，具有較高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量，是一種優(yōu)越的纖維材料[8]。廢紙材料化利用的途徑較多，例如廢紙可作為建筑填料等直接利用，或加工成具有高附加值的紙纖維衍生物以及制備成復(fù)合材料。

2.1 填料

再生紙廢料富含大量的廢紙纖維，目前已被用作輕質(zhì)建筑用磚的填料。Raut等以再生紙廢料為填料制備建筑用磚，研究發(fā)現(xiàn)：再生紙廢料磚質(zhì)量輕，重量是傳統(tǒng)磚的一半，壓縮強(qiáng)度提高了3倍，在性能測(cè)試中樣品未出現(xiàn)脆性斷裂，滿足美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 67磚和結(jié)構(gòu)粘土磚的抗壓強(qiáng)度及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6073室內(nèi)結(jié)構(gòu)建筑用材的要求[9]。Wang等研究了廢紙?zhí)盍蠈?duì)水泥基砂漿性能的影響及相關(guān)機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)廢紙的添加有利于水泥基砂漿在第7天和第28天時(shí)形成Ca(OH)2，從而提高其抗壓強(qiáng)度和韌性，然而，隨著廢紙含量的增加，水泥基砂漿會(huì)產(chǎn)生更多的微孔，并且需要更長(zhǎng)的凝固時(shí)間和更高的增塑劑添加量[10]。

2.2 紙纖維衍生物

近幾年，從廢紙中提取的具有高附加值的紙纖維衍生物，如：羧甲基纖維素、納米纖維素、纖維素納米晶等被廣泛研究。由于其具有較高的纖維長(zhǎng)徑比和良好的機(jī)械性能，已開始被應(yīng)用于制備具有某些特定功能的纖維材料。

羧甲基纖維素是最常用的纖維素衍生物之一，主要通過纖維素的非均相改性獲得，通常在堿性的有機(jī)溶劑中實(shí)現(xiàn)纖維素的羧甲基化。ünlü 等以回收的報(bào)紙纖維為原料，在NaOH溶液中合成羧甲基纖維素，對(duì)羧甲基纖維素的流變性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)廢紙纖維在羧甲基化過程中發(fā)生了部分降解，羧甲基纖維素的取代度為0.3～0.7，得率高于85%，制備的羧甲基纖維素具有輕微的觸變性，可作為混凝土添加劑、涂層的增稠劑等[11]。

納米纖維素由納米級(jí)的柔性纖維組成，纖維長(zhǎng)度和直徑為5～50 nm，主要通過高強(qiáng)度的機(jī)械研磨制得。Hietala等以報(bào)紙、牛奶盒和紙板等混合廢紙為原料，通過超微粉碎工藝制備納米纖維素，分析了納米原纖化所消耗的能量及納米纖維素的物理力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)：從混合廢紙中提取的納米纖維素的機(jī)械性能與從辦公用紙和報(bào)紙?zhí)崛〉腃NF相當(dāng)甚至更高，其拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)100 MPa，且剛度約為7 GPa，足以滿足沒有高純度要求的材料應(yīng)用領(lǐng)域，表明低質(zhì)量廢紙可轉(zhuǎn)化為高附加值的納米纖維素，從而提高廢紙?jiān)系氖褂脙r(jià)值[12]。

纖維素納米晶是高度結(jié)晶的針狀納米纖維，長(zhǎng)150～300 nm，直徑5～15 nm，主要通過酸水解去除纖維素?zé)o定形區(qū)域的方法制備。Lei等以硫酸水解的方法從辦公廢紙中提取纖維素納米晶，并將其懸浮液涂覆在PET薄片表面制備包裝涂層，探究硫酸濃度對(duì)纖維素納米晶薄膜性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在59%濃度下制備的纖維素納米晶結(jié)晶度達(dá)74.1%，形成定向的透明纖維素納米晶膜，在65%濃度下制備的纖維素納米晶/PET材料不僅具有比PET更好的水蒸氣阻隔性能，而且與PET透明度相當(dāng)，表明纖維素納米晶是一種良好的包裝涂層[13]。

2.3 紙纖維復(fù)合材料

近十幾年來，紙纖維復(fù)合材料快速發(fā)展。紙纖維復(fù)合材料是指以紙或紙纖維為增強(qiáng)相，飽和或不飽和聚酯為基體，經(jīng)混合或?qū)盈B組坯后，通過擠出、注塑或熱壓成型等工藝制備而成的復(fù)合材料。由于其具有強(qiáng)度高、可降解、重量輕等特點(diǎn)，如今，已應(yīng)用于食品包裝、室內(nèi)地板、汽車內(nèi)飾等行業(yè)[14]。根據(jù)紙纖維的尺寸和存在形式，紙纖維在復(fù)合材料中有不同的增強(qiáng)效果。

2.3.1 纖維分散增強(qiáng)

目前，最常用的紙纖維復(fù)合材料制備方法是將廢紙剪切成顆?；蜓心コ煞勰蛊渥鳛樘盍暇鶆虻胤稚⒃跓崴苄曰w中。

纖維表面含有大量的極性羥基，與非極性的樹脂相容性差，結(jié)合界面容易產(chǎn)生孔隙，降低轉(zhuǎn)移負(fù)荷的能力，同時(shí)，具有高親水性的纖維在加工過程中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維在基體中的分散性差，產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，復(fù)合材料容易發(fā)生脆性斷裂[15]。Faisal等研究了纖維含量和馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）添加量對(duì)辦公廢紙?zhí)畛涞兔芏染垡蚁?fù)合材料力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量隨著纖維含量的增加逐漸上升，MAPE的加入可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能[16]。Valente等以微粉化的廢紙為填料，高密度聚乙烯（HDPE）為基體，分別采用擠出造粒-注塑成型和渦輪混合壓縮成型兩種工藝制備復(fù)合材料，探究了制備工藝、纖維含量和MAPE添加量對(duì)復(fù)合材料拉伸和吸水性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：通過渦輪混合壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料，其紙纖維含量可達(dá)10 wt%，具有更好的分散性，添加1 wt%的MAPE能有效改善紙纖維和HDPE之間的結(jié)合界面，降低復(fù)合材料吸水率[17]。

2.3.2 纖維網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)

紙張是由纖維網(wǎng)絡(luò)形成的多孔薄層材料，具有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，這賦予了紙張吸收和透過聚合物基體的功能[18]。Du等研究發(fā)現(xiàn)：纖維網(wǎng)絡(luò)中纖維之間的氫鍵作用有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[19]。此外，由于紙張中纖維的主要方向是紙漿通過造紙機(jī)的方向，因此紙張是一種各向異性材料[20]。紙張中纖維的定向排列，有利于進(jìn)一步提高復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度?；诖?近年來對(duì)利用整紙制備復(fù)合材料的研究日益增加。Prambauer等按一定的比例將廢紙和聚丙烯膜交替層疊組坯，采用熱壓成型工藝制備復(fù)合材料，研究了廢紙類型和用量對(duì)復(fù)合材料機(jī)械性能的影響，結(jié)果表明：由復(fù)印紙、報(bào)紙制備的聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能較好，具有建筑和工業(yè)應(yīng)用潛力，當(dāng)廢紙含量為40 vol%時(shí)，復(fù)印紙復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最高，分別為85 MPa和90 MPa[21]。

然而，由于紙張中連續(xù)的纖維網(wǎng)絡(luò)難以被疏水的聚合物基體完全包覆，而極性纖維和非極性基體的結(jié)合界面較弱，水分容易通過毛細(xì)管作用傳遞到纖維和基體結(jié)合界面的間隙以及未被基體填充的紙張孔隙中，導(dǎo)致復(fù)合材料的吸水率往往處于較高水平。

3 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)外利用廢紙制備復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。但是廢紙的材料化利用也存在一些問題，如較高的吸水性能及生物可降解性，這很大程度上限制了廢紙材料的應(yīng)用范圍。在未來的廢紙材料化研究工作中，還需重點(diǎn)解決以下問題：

1） 拓展廢紙材料化利用途徑。根據(jù)紙張的用途適當(dāng)添加相關(guān)的加工助劑，為不同類型的廢紙尋找合適的材料化利用途徑。

2）降低廢紙材料高親水性和強(qiáng)極性。近年來,等離子體處理和生物酶處理等物理及生物改性方法已日漸成熟。研究應(yīng)用環(huán)保型改性方法降低廢紙纖維及其復(fù)合材料的吸水性，提高復(fù)合材料的界面相容性，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

3） 優(yōu)化廢紙材料制備工藝。利用廢紙制備高附加值的纖維衍生物以及復(fù)合材料，開發(fā)廢紙材料的專用設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，降低其制備成本。