旧报纸纤维增强回收聚丙烯复合材料性能研究

张效林 薄相峰

(1.西安理工大学印刷包装工程学院，陕西西安，710048;2.西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安，710055)

进入21世纪以来，随着社会进步和人民生活水平的提高，国内纸和纸板消费量不断上升。据中国造纸工业年度报告统计［1-2］，国内纸和纸板消费量由2002年的4332万t上升至2012年的10048万t，年均增长率超过8%。纸和纸板消费量的大幅提高，使国内废纸产量迅猛增加。废纸的循环利用和资源化利用是解决环境污染、原料短缺及能源紧张的重要途径［3］。然而，现阶段我国废纸资源化利用技术研究主要集中在利用脱墨浆生产纸或纸板等方面，技术较单一，产品附加值相对较低。探索开发废纸资源化利用新技术在有效提高废纸利用率和回收率、提高废纸附加值以及环境保护等方面均有重要的现实意义。

废纸纤维结构和性质与天然植物纤维相似，具有相对低廉的价格、较小的密度、较高的弹性模量，尤其是自身的生物降解性和可再生性等优点，使其在新型材料的研发方面备受关注［3］。研究表明［4-6］，废纸纤维完全具备用作热塑性聚合物基复合材料无机填充料的基本条件。另一方面，我国废塑料资源丰富、价格低廉，废塑料与原生塑料在性能上仅有微小区别，完全可以进行有效回收利用。废塑料在复合材料领域的回收和再利用是解决废塑料回用问题的有效途径之一，采用废纸和废塑料为原料制备新型复合材料，不仅可以实现资源的高效循环利用，而且，可以减少环境污染、变废为宝，具有广阔的应用前景。

本实验以旧报纸(ONP)和废塑料(回收聚丙烯塑料，rPP)为原料，以马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)为相容剂，探讨了ONP纤维含量对废纸纤维/回收聚丙烯复合材料(WPC)拉伸强度、弯曲强度以及吸水性能的影响，并采用红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)对复合材料的组成和拉伸断面微观结构进行了分析。

1 实验

1.1 原料

用食品搅拌机打碎自主收集的ONP，用Fiber-Tester 912纤维形态分析仪测得废纸纤维质均长度约为1 mm，纤维长径比约为33.0，将碎解后的废纸纤维干燥后装入密封袋备用;rPP取自西安当地再生塑料厂;MAPP，接枝率为1%，合肥安邦化工有限公司生产。

1.2 主要实验仪器

SK-160B双辊炼塑机，上海橡胶机械厂;热压成型机，实验室自行设计;CMT6303电子万能试验机，深圳市新三思计量技术有限公司;FTIR-8400S傅里叶红外光谱仪，日本岛津;JSM-6700F场发射扫描电子显微镜，日本株式会社(JEOL)。

1.3 复合材料的制备

将ONP与rPP按照一定比例混合均匀，采用开放式双辊混炼机进行混炼，混炼过程中均匀加入相容剂MAPP，充分混炼15 min制成废纸纤维/回收聚丙烯复合材料。冷却后，经过模压制成测试所需试样。复合材料原料配比如表1所示。

表1 复合材料原料配比

1.4 性能测试及表征

(1)力学性能

复合材料的拉伸强度测试参照GB/T 1447—2005进行，试样规格为100 mm×25 mm×2 mm，加载速度为5 mm/min;复合材料的弯曲强度测试参照GB/T 1449—2005进行，试样规格为100 mm×15 mm×4 mm，以2 mm/min的速度均匀加载。复合材料力学性能测试标准环境均参照GB/T 1446—2005进行，即测试温度为(23±2)℃，相对湿度为(50±10)%。

(2)吸水性能

复合材料吸水性能测试参照GB/T 1034—1998进行，测试前先将标准试样放入烘箱中，在80℃下干燥(24±1)h后，称其质量(m0，精确至1 mg);然后将试样放入盛有蒸馏水的容器中，浸泡不同时间后，用清洁干布迅速擦去试样表面的水，再次称量其质量(m1)，并按下式计算吸水率(W):

(3)红外光谱分析(FT-IR)

取少量复合材料样品在压片机上压制成薄片，压制时间为5 min;然后，采用FTIR-8400S红外光谱仪进行分析。

(4)扫描电镜分析(SEM)

采用JSM-6700F扫描电子显微镜对复合材料拉伸试样断口进行观察。测试时，样品表面喷金2 h以上，以保证观察效果。

2 结果与分析

2.1 ONP纤维含量对复合材料力学性能的影响

ONP纤维含量对废纸纤维/回收聚丙烯复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响如图1和图2所示。

图1 ONP纤维含量对复合材料拉伸强度的影响

图2 ONP纤维含量对复合材料弯曲强度的影响

从图1可以看出，ONP纤维含量对复合材料拉伸强度有明显影响;当ONP纤维含量为10%时，复合材料PF10M2的拉伸强度即可达到24.51 MPa，与rPP相比，提高了25.8%;当废纸纤维含量增至30%，复合材料PF30M2的拉伸强度达到最大值32.36 MPa，与rPP相比，拉伸强度提高了66.1%;继续增加ONP纤维含量，拉伸强度开始下降。从图2可以看出，当ONP纤维含量由10%增至30%时，复合材料弯曲强度逐渐提高，由PF10M2的35.71 MPa上升至PF30M2的43.37 MPa，与rPP相比，最大增幅达到69.6%;当ONP纤维含量超过30%时，复合材料弯曲强度急剧下降。

在rPP中添加适量的ONP纤维后，复合材料的力学性能显著提升。这充分说明废纸纤维在复合体系中起到了“增强体”的作用，添加的相容剂MAPP改善了极性废纸纤维与非极性聚丙烯基体界面间的结合性，并提高了废纸纤维的分散性，从而使得复合体系更均匀、更稳定。当复合材料受到应力作用时，大量的纤维参与到了承载应力的“骨架结构”中，植物纤维的刚性远高于纯树脂的刚性［7］，所以表现出复合材料力学性能提高;当废纸纤维含量过大时，废纸纤维添加量超出了基体的“浸润”范围以及相容剂的“改性”能力，复合材料的界面性能和力学性能相应下降。

2.2 ONP纤维含量对复合材料吸水性能的影响

不同ONP纤维含量复合材料24～192 h自然吸水实验结果如图3所示。

图3 ONP纤维含量对复合材料吸水性能的影响

从图3可以看出，ONP纤维含量对复合材料吸水率有明显影响;当ONP纤维含量为10%时，试样PF10M2的24 h吸水率极低，仅为0.06%;ONP纤维含量为 20%、30%、40%及 50%时，试样PF20M2、PF30M2、PF40M2及 PF50M2的24 h吸水率分别为 0.13%、0.30%、0.98%及 2.73%。随浸泡时间的延长，试样吸水率逐渐增大;当ONP纤维含量在30%以下时，复合材料吸水率上升幅度均较小;ONP纤维含量为40%时的PF40M2及ONP纤维含量为50%时的PF50M2吸水率上升幅度较大。试样浸泡192 h后，PF10M2、PF20M2、PF30M2、PF40M2及PF50M2的吸水率分别为 0.13%、0.68%、1.94%、5.86%及12.73%。当 ONP纤维含量为10% ～30%时，复合材料吸水率较低，说明ONP纤维与rPP之间界面相容性较好，ONP纤维与rPP之间结合较紧密，暴露的羟基数目较少;当ONP纤维含量超过40%以后，复合材料吸水量大幅增加，这可能是由于ONP纤维添加量超出了基体及相容剂的“改性”能力，复合材料界面性能相应下降，过量ONP纤维在基体中发生“团聚”、“结块”等现象加剧，暴露的羟基数量增多，同时纤维与rPP之间的孔隙增多，从而导致复合材料吸水率大幅上升。总体来讲，废纸纤维/回收聚丙烯复合材料吸水率较低，吸水过程缓慢，达到饱和吸水量的时间与纤维含量有直接关系。

2.3 FT-IR分析

ONP纤维含量不同的复合材料FT-IR分析结果如图4所示。从图4可以看出，当ONP纤维含量在30%以下时，3500～3200 cm-1范围内—OH吸收峰相对较窄;当ONP纤维含量超过30%后，—OH吸收峰在3500～3200 cm-1范围内呈现逐渐增宽、增强趋势，同时，1728 cm-1附近出现的C＝O吸收峰与1034 cm-1处 C—O—C键较强的吸收峰逐渐减弱，1465、1373、841 cm-1处吸收峰也逐渐减弱;而1635cm-1处吸附水特征吸收峰却明显增强，这说明过量的ONP纤维超出了基体的“浸润”能力，复合体系中极性基团羟基的数量迅速增加，使得复合体系界面性能逐渐变差，进而出现复合材料力学性能下降和吸水性能提高的现象。

图4 ONP纤维含量不同的复合材料的FT-IR谱图

2.4 SEM分析

为了进一步探讨复合材料的微观结构和界面性能，采用扫描电子显微镜(SEM)对ONP纤维含量为30%和50%的复合材料的拉伸断面进行了微观结构分析，结果如图5所示。

从图5(a)可以看出，ONP纤维在rPP中分散均匀、纤维表面被聚丙烯包裹良好、纤维与rPP之间结合紧密。这些现象可以充分说明，添加30%的ONP纤维可与rPP形成一个良好的复合体。当复合材料承受拉伸应力和剪切应力时，大量ONP纤维承受了应力作用，从而使复合材料力学性能明显提高。

图5 不同复合材料拉伸断面的SEM图片

从图5(b)可以明显地看出，PF50M2试样拉伸断面结构与PF30M2试样拉伸断面结构存在较大差异;PF50M2试样断面暴露出较多的ONP纤维，且ONP纤维“团聚”现象较为明显，同时出现了因为纤维“团聚”而导致的较大的“孔洞”，纤维分散状况较差，纤维与rPP之间存在明显的间隙，这说明过量的ONP纤维已经超出rPP的“浸润”能力，rPP与ONP纤维之间的界面结合变差，复合体系中应力破坏点增多，从而导致复合材料力学性能降低、吸水性能提高。

3 结论

以旧报纸(ONP)和废塑料(回收聚丙烯塑料，rPP)为原料，马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)为相容剂，采用热压成型法制备了废纸纤维/回收聚丙烯复合材料。

3.1 ONP纤维对rPP具有增强作用，当ONP纤维含量为30%时，废纸纤维/回收聚丙烯复合材料拉伸强度达到最大值32.36 MPa，比rPP提高了66.1%;弯曲强度达到43.37 MPa，比rPP提高69.6%。

3.2 复合材料吸水率随ONP纤维含量增加和浸泡时间的延长而提高;当ONP纤维含量超过30%时，吸水率明显提高。

3.3 FT-IR分析发现，随ONP纤维含量的增加，复合材料中羟基特征吸收峰逐渐增强。SEM分析显示，当ONP纤维含量较低时，ONP纤维与rPP之间具有良好的界面;ONP纤维含量超过30%后，复合体系中纤维“团聚”现象加剧，界面相容性降低。

［1］中国造纸协会.中国造纸工业2002年度报告［J］.造纸信息，2003(5):1.

［2］中国造纸协会.中国造纸工业2012年度报告［J］.造纸信息，2013(6):11.

［3］张效林，王汝敏.脱墨方法对废纸纤维结构特性的影响［J］.中国造纸学报，2012，27(1):45.

［4］Alireza Ashori，Amir Nourbakhsh.A Comparative Study on Mechanical Properties and Water Absorption Behavior of Fiber-Reinforced Polypropylene Composites Prepared by OCC Fiber and Aspen Fiber［J］.Polymer Composites，2008，29(5):574.

［5］张效林，王汝敏.印刷包装废纸在复合材料领域的回用技术新进展［J］.材料导报，2010，24(9):96.

［6］Huda M S，Drzal L T，Mohanty A K.The effect of silane treated-and untreated-talc on the mechanical and physico-mechanical properties of poly(lactic acid)/newspaper fibers/talc hybrid composites［J］.Composites:Part B，2007，38(3):367.

［7］Baroulaki I，Karakasi O，Pappa G，et al.Preparation and study of plastic compounds containing polyolefins and post used newspaper fibers［J］.Composites:Part A，2006，37(10):1613.