废纸回收材料化利用研究进展*

2020-03-01郑彬炜章伟伟关丽涛胡传双

林产工业 2020年1期

郑彬炜章伟伟关丽涛古今胡传双

（华南农业大学材料与能源学院，广州 510642 )

1 国内外废纸回收利用现状

废纸主要指废弃的纸和纸板，包括新闻纸、办公纸、包装纸、滤纸、瓦楞纸板等[1]。随着社会经济的发展，人们环保意识的增强，废纸的回收利用得到了社会各界广泛的关注。废纸在世界各地均具有较高的回收量及回收率，是世界上回收利用最好的二级材料之一[2]。 2018年，我国废纸回收量和消耗量高达4 964万t和6 667万t，废纸回收率和利用率从2004年的30.4%和58.2%分别提高到47.6%和63.9%。同时，我国也是最大的废纸进口国，2018年，我国进口废纸总量达1 703万t[3]。废纸作为一种可再生资源，其回收与利用对节约纤维资源、减少温室气体排放、减缓环境压力、发展循环经济等具有重要意义，废纸资源的高效回收利用具有巨大的经济和社会效益[4]。

废纸是可再生的造纸原料，目前废纸回收利用最主要的途径是脱墨后生产再生纸[5]。然而，废纸的反复回收和造纸过程会对纤维造成损伤，降低纤维的机械性能，废纸纤维再造纸最多只能回收利用6～7次[6],且因含有的大量非纤维成分导致再生纸的加工困难[7]。在欧洲，超过8%的回收废纸已被用于造纸以外的行业，包括堆肥、能源和建筑材料。

2 废纸材料化利用研究进展

废纸中含有大量的纤维成分，纸纤维的长度、质量和机械性能一致性高，具有较高的拉伸强度和杨氏模量，是一种优越的纤维材料[8]。废纸材料化利用的途径较多，例如废纸可作为建筑填料等直接利用，或加工成具有高附加值的纸纤维衍生物以及制备成复合材料。

2.1 填料

再生纸废料富含大量的废纸纤维，目前已被用作轻质建筑用砖的填料。Raut等以再生纸废料为填料制备建筑用砖，研究发现：再生纸废料砖质量轻，重量是传统砖的一半，压缩强度提高了3倍，在性能测试中样品未出现脆性断裂，满足美国材料与试验协会标准ASTM C 67砖和结构粘土砖的抗压强度及英国标准BS6073室内结构建筑用材的要求[9]。Wang等研究了废纸填料对水泥基砂浆性能的影响及相关机理，结果发现废纸的添加有利于水泥基砂浆在第7天和第28天时形成Ca(OH)2，从而提高其抗压强度和韧性，然而，随着废纸含量的增加，水泥基砂浆会产生更多的微孔，并且需要更长的凝固时间和更高的增塑剂添加量[10]。

2.2 纸纤维衍生物

近几年，从废纸中提取的具有高附加值的纸纤维衍生物，如：羧甲基纤维素、纳米纤维素、纤维素纳米晶等被广泛研究。由于其具有较高的纤维长径比和良好的机械性能，已开始被应用于制备具有某些特定功能的纤维材料。

羧甲基纤维素是最常用的纤维素衍生物之一，主要通过纤维素的非均相改性获得，通常在碱性的有机溶剂中实现纤维素的羧甲基化。Ünlü 等以回收的报纸纤维为原料，在NaOH溶液中合成羧甲基纤维素，对羧甲基纤维素的流变性和热稳定性进行表征，发现废纸纤维在羧甲基化过程中发生了部分降解，羧甲基纤维素的取代度为0.3～0.7，得率高于85%，制备的羧甲基纤维素具有轻微的触变性，可作为混凝土添加剂、涂层的增稠剂等[11]。

纳米纤维素由纳米级的柔性纤维组成，纤维长度和直径为5～50 nm，主要通过高强度的机械研磨制得。Hietala等以报纸、牛奶盒和纸板等混合废纸为原料，通过超微粉碎工艺制备纳米纤维素，分析了纳米原纤化所消耗的能量及纳米纤维素的物理力学性能，研究发现：从混合废纸中提取的纳米纤维素的机械性能与从办公用纸和报纸提取的CNF相当甚至更高，其拉伸强度最高可达100 MPa，且刚度约为7 GPa，足以满足没有高纯度要求的材料应用领域，表明低质量废纸可转化为高附加值的纳米纤维素，从而提高废纸原料的使用价值[12]。

纤维素纳米晶是高度结晶的针状纳米纤维，长150～300 nm，直径5～15 nm，主要通过酸水解去除纤维素无定形区域的方法制备。Lei等以硫酸水解的方法从办公废纸中提取纤维素纳米晶，并将其悬浮液涂覆在PET薄片表面制备包装涂层，探究硫酸浓度对纤维素纳米晶薄膜性能的影响，结果发现：在59%浓度下制备的纤维素纳米晶结晶度达74.1%，形成定向的透明纤维素纳米晶膜，在65%浓度下制备的纤维素纳米晶/PET材料不仅具有比PET更好的水蒸气阻隔性能，而且与PET透明度相当，表明纤维素纳米晶是一种良好的包装涂层[13]。

2.3 纸纤维复合材料

近十几年来，纸纤维复合材料快速发展。纸纤维复合材料是指以纸或纸纤维为增强相，饱和或不饱和聚酯为基体，经混合或层叠组坯后，通过挤出、注塑或热压成型等工艺制备而成的复合材料。由于其具有强度高、可降解、重量轻等特点，如今，已应用于食品包装、室内地板、汽车内饰等行业[14]。根据纸纤维的尺寸和存在形式，纸纤维在复合材料中有不同的增强效果。

2.3.1 纤维分散增强

目前，最常用的纸纤维复合材料制备方法是将废纸剪切成颗粒或研磨成粉末，使其作为填料均匀地分散在热塑性基体中。

纤维表面含有大量的极性羟基，与非极性的树脂相容性差，结合界面容易产生孔隙，降低转移负荷的能力，同时，具有高亲水性的纤维在加工过程中会发生团聚现象，导致纤维在基体中的分散性差，产生应力集中点，复合材料容易发生脆性断裂[15]。Faisal等研究了纤维含量和马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）添加量对办公废纸填充低密度聚乙烯复合材料力学性能和热稳定性的影响，结果表明：复合材料的拉伸强度和杨氏模量随着纤维含量的增加逐渐上升，MAPE的加入可以提高复合材料的力学性能和热稳定性能[16]。Valente等以微粉化的废纸为填料，高密度聚乙烯（HDPE）为基体，分别采用挤出造粒-注塑成型和涡轮混合压缩成型两种工艺制备复合材料，探究了制备工艺、纤维含量和MAPE添加量对复合材料拉伸和吸水性能的影响，研究发现：通过涡轮混合压缩成型工艺制备的复合材料，其纸纤维含量可达10 wt%，具有更好的分散性，添加1 wt%的MAPE能有效改善纸纤维和HDPE之间的结合界面，降低复合材料吸水率[17]。

2.3.2 纤维网络增强

纸张是由纤维网络形成的多孔薄层材料，具有明显的孔隙结构，这赋予了纸张吸收和透过聚合物基体的功能[18]。Du等研究发现：纤维网络中纤维之间的氢键作用有利于提高复合材料的力学性能[19]。此外，由于纸张中纤维的主要方向是纸浆通过造纸机的方向，因此纸张是一种各向异性材料[20]。纸张中纤维的定向排列，有利于进一步提高复合材料的机械强度。基于此,近年来对利用整纸制备复合材料的研究日益增加。Prambauer等按一定的比例将废纸和聚丙烯膜交替层叠组坯，采用热压成型工艺制备复合材料，研究了废纸类型和用量对复合材料机械性能的影响，结果表明：由复印纸、报纸制备的聚丙烯复合材料的拉伸性能和弯曲性能较好，具有建筑和工业应用潜力，当废纸含量为40 vol%时，复印纸复合材料的拉伸强度和弯曲强度最高，分别为85 MPa和90 MPa[21]。

然而，由于纸张中连续的纤维网络难以被疏水的聚合物基体完全包覆，而极性纤维和非极性基体的结合界面较弱，水分容易通过毛细管作用传递到纤维和基体结合界面的间隙以及未被基体填充的纸张孔隙中，导致复合材料的吸水率往往处于较高水平。