废弃纺织品纤维与木浆配抄纸的性能

孟 静，黄良辉，徐卫林，姚 翔

(1.纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室培育基地，湖北武汉 430200;2.武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北武汉 430200;3.武汉纺织大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430200)

我国是纺织品生产、消费大国，每年消耗棉、麻、化纤等各类纺织纤维原料达3500万t［1］。若衣服的平均周期以3～4年计，纺织品的废弃物以70%计［2］，全世界每年在生产环节产生的边角料和家庭废弃的纺织品合计将超过2000万t［3］。废旧纺织品循环利用第一次被写入中国纺织工业“十二五”规划［4］。目前，废弃纺织品纤维的循环再利用主要集中在单一纤维原料上，比如通过生物酶法分离回收废弃涤棉中的涤纶［5］;提取利用废弃羊毛中的角蛋白［6］;回收再利用废旧棉纺织品［7］等。这些方法共同的缺点是在回收利用过程中的“挑剔”性，即只针对一种原料的回收，因而降低了效率。而把废弃纺织品纤维应用在造纸工业则可以克服这个缺陷，不必分出单一成分的纤维，提高利用率。与此同时我国造纸资源不足，人均林木蓄积量仅10 m3，为世界人均林木蓄积量的 17.2%［8］，2010—2011年，我国造纸原料的对外依存度高达44%［9］，已引起业界的严重担忧。2011年12月发布的造纸工业发展“十二五”规划明确指出:要科学合理利用非木资源，实施清洁生产新工艺，提高节能减排和综合利用水平，提高非木纤维制浆造纸质量［10］。

1 实验部分

1.1 实验原料

废弃纺织品:T恤衫，长袖衫，牛仔裤，毛巾等。木浆由苏州工业园区金华盛纸业提供。

1.2 实验方法

1.2.1 分拣开松处理

将收集的废弃纺织品按颜色深浅及成分分为4类:合成纤维(浅色)、纯棉纤维(浅色)、纤维素纤维(浅色)、纤维素纤维(深色)。去除纽扣、拉链、金属装饰物等非纤维类物质，剪成尺寸为3 cm×4 cm的布条，进行开松除杂粉碎处理成短纤维。

1.2.2 原材料的预处理

分别称取4种原材料各40 g，在质量分数为3%的氢氧化钠溶液中，80℃水浴加热处理2 h，原材料与氢氧化钠溶液的浴比为1∶20。处理完毕后用大量水冲洗纤维，挤出水分后放到真空干燥箱里在120℃干燥12 h。用98%的醋酸中和预处理液中未反应的氢氧化钠，pH值控制在6.5～7.5之间，将处理后的废液倒入废水池处理。

1.2.3 抄造成型

根据QB/T 3703—1999《纸浆的实验室纸页的制备常规纸页成型器法》，按照木浆与废弃纤维的干态质量比为1∶1称取纤维，每组称取6个样品;将样品放入烧杯用清水浸泡，使纤维浸润并充分分散于水中。用搅拌器搅拌充分疏解浸泡过的纤维，水用量为1.5 L，使用纸页成型器抄造纸张，把抄好的纸张使用压片器进行压平，用滚筒干燥器进行干燥，放置到恒温恒湿室平衡24 h。

1.3 性能测定

待测试样在标准恒温恒湿室内平衡24 h。纸张定量使用YQ-Z-45型纸张定量测定标准试样取样器(中国)测定;纸张白度的测定使用Technidyne Color Touch PC型残余油墨测定仪(美国);纸张厚度测定参照GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》，使用L＆W 250型厚度仪(瑞典);纸张抗张指数参照GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》，使用L＆W CE062型抗张强度仪(瑞典)测定;纸张撕裂指数参照GB/T 455—2002《纸和纸板撕裂度的测定》，使用L＆W 009型撕裂度仪(瑞典)测定;纸张透气度参照GB/T 458—2008《纸和纸板透气度的测定》，使用L＆W 166型透气度仪(瑞典)测定;纸张耐破度参照GB/T 454—2002《纸耐破度的测定》，使用L＆W CE180型耐破度仪(瑞典)测定。

2 结果与讨论

2.1 手抄纸厚度和透气度

按照QB/T 3703—1999，绝对干态定量(60±3)g抄造，5种不同组分纤维的回潮率不同，所以5种手抄纸在标准恒温恒湿室内的定量略有差异，手抄纸的样品名称和对应编号如表1所示。

表1 各组手抄纸名称与对应编号Tab.1 Name of each group of handsheets and corresponding number

表2示出各组手抄纸的厚度、定量和透气度。5种手抄纸的厚度差异较大，其中木浆(对比样)手抄纸最薄，为121.93 μm，木浆与合成纤维(浅色)手抄纸最厚，为172.03 μm，比木浆(对比样)手抄纸增厚了41.10%。这是因为合成纤维的吸水性较差，相互间的结合力比较差，从而导致纸张相对蓬松，比较厚。

表2 各组手抄纸的厚度、定量和透气度Tab.2 Thickness，permeability and quantitative of each group of handsheets

5种纸张透气度的变化趋势与厚度的变化趋势一致，由于纤维间的结合力强，纸张致密，所以木浆(对比样)手抄纸透气度较低，为9.58 μm/(Pa·s);而木浆与合成纤维(浅色)手抄纸由于合成纤维间的结合力差，纸张蓬松，透气度比较好，为100.00 μm/(Pa·s)，是木浆 (对比样)手抄纸的10.44倍。木浆与纤维素纤维手抄纸和木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的透气度与木浆与合成纤维(浅色)手抄纸相近，相差不大。

2.2 各组手抄纸的结构

各组手抄纸均为表面平整的片状物，其结构如图1所示。可以看出，000#木浆(对比样)手抄纸的纤维间结合致密，木浆纤维呈扁平状，有分丝帚化出的细丝相互纠缠，增加结合力。001#木浆与合成纤维(浅色)手抄纸纤维间的结合明显疏松，存在许多孔洞，因此具有优异的透气性。002#木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸、003#木浆与纤维素纤维(深色)手抄纸和004#木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸3种材料类似，其结构也较为相似，但002#木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸的结构相对更为致密。

图1 各组手抄纸扫描电镜图(×150)Fig.1 SEM images of each group of handsheet(×150).(a)Wood pulp(control sample)handsheet;(b)Synthetic fiber(light)handsheet;(c)Cellulose fiber(light)handsheet;(d)Cellulose fiber(dark)handsheet;(e)Cotton fiber(light)handsheet

2.3 各组手抄纸力学性能

表3示出各组手抄纸的力学性能。可以看出，手抄纸耐破指数、撕裂指数和抗张指数的数值变化趋势大体一致，木浆(对比样)手抄纸的这3种性能都要优于其他4种手抄纸。耐破指数:木浆(对比样)手抄纸为 3.09 kPa·m2/g，木浆与纤维素纤维(深色)手抄纸为0.81 kPa·m2/g，前者是后者的3.81倍;木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的耐破性能是4种废弃纤维配抄纸张中最好的，耐破指数为1.51 kPa·m2/g，木浆与合成纤维(浅色)手抄纸为1.48 kPa·m2/g，与木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的相近，这是因为虽然合成纤维间的结合力不强，但是合成纤维本身的强力较高。

撕裂指数:木浆(对比样)为14.55 mN·m2/g，木浆与合成纤维(浅色)手抄纸为4.16 mN·m2/g，前者是后者的3.50倍;木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸与木浆与合成纤维(浅色)手抄纸的相近为4.18 mN·m2/g，最大的是木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸的，为6.96 mN·m2/g。抗张指数:木浆(对比样)手抄纸的为39.50 N·m/g，木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的为11.06 N·m/g，前者是后者的3.46倍;木浆与合成纤维(浅色)手抄纸和木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的相近，为11.41 N·m/g，最大的是木浆与纤维素纤维(深色)手抄纸的，为21.38 N·m/g。

表3 各组手抄纸的力学性能Tab.3 Mechanical properties of each group of handsheets

2.4 各组手抄纸的白度和不透明度

表4示出各组手抄纸的白度和不透明度。可以看出，木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸和木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸的白度和木浆(对比样)手抄纸的比较相近，都在82.57%以上。木浆与合成纤维(浅色)手抄纸的略低，为64.41%，木浆与纤维素纤维(深色)手抄纸的白度最低，为49.73%，这是因为这组材料是蓝色牛仔裤，所以颜色比较深。不透明度与白度的趋势相反，纤维的颜色越深不透明度越高，因为深色的材料可吸收更多的光波，从而导致不透明度高。

表4 各组手抄纸的白度和不透明度Tab.4 Whiteness and opacity of each group of handsheets

3 结论

废弃纺织品纤维与木浆配抄手抄纸的透气性非常好，最大的是木浆与合成纤维(浅色)手抄纸为100.00 μm/(Pa·s)，是木浆(对比样)手抄纸的10.44倍。废弃纺织品纤维与木浆配抄手抄纸的力学性能都比木浆(对比样)手抄纸的差;耐破性能最好的是木浆与纯棉纤维(浅色)手抄纸，耐破指数为1.51 kPa·m2/g;撕裂指数最大的是木浆与纤维素纤维(浅色)手抄纸，为6.96 mN·m2/g;抗张指数最大的是木浆与纤维素纤维(深色)手抄纸，为21.38 N·m/g。废弃纺织品纤维与木浆配抄手抄纸的白度与纺织纤维本来的颜色相关，颜色最浅的白度可达83.07%，深色为49.73%。

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