废纸浆和废胶粉复合材料相容性研究

2021-02-26张国宁姬燕飞原晓城

橡塑资源利用 2021年5期

关键词：胶粉纸浆扫描电镜

张国宁姬燕飞原晓城

废纸浆和废胶粉复合材料相容性研究

张国宁姬燕飞原晓城

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

本文利用造纸生产中的废弃物——废纸浆和废旧的橡胶制品粉沫——废胶粉，制备废胶粉/废纸浆复合材料，通过力学测试确定了制备复合材料的配方，借助于扫描电镜、透射电镜和红外光谱等现代化仪器分析了废橡胶粉和废纸浆的相容性。

复合材料；废纸浆；废胶粉；相容性

1 前言

废纸浆主要来源于造纸生产中的废水纸浆沉淀物[1]。纸浆是以某种植物为原料加工而成的，是造纸的基本原料。纸浆的主要成分为纤维素还有半纤维素、木素、树脂、色素、果胶和灰分等物质，其中纤维素和半纤维素是纸张的基本成分[2]。

废纸浆本身做材料力学性能不是很好，它的硬度很高，易脆，拉伸强度低，单纯用废纸浆作材料易碎，不耐久，而废胶粉作为另一种工业废物具有韧性好的特点。本实验研究如何使废纸浆和废胶粉结合紧密，力学性能优越，从而得到废胶粉/废纸浆复合材料。废胶粉/废纸浆复合材料可代替一部分木材的应用，实现能源的二次利用。实验内容包括测定废纸浆的最佳含水率。通过测定硬度、拉伸强度、扯断伸长率确定废纸浆和废胶粉复合材料的最佳配方。借助于扫描电镜、透射电镜和红外光谱等现代化仪器分析了废橡胶粉和废纸浆的相容性，废纸浆和废胶粉的结构，制备废纸浆和废胶粉复合材料。

2 实验部分

2.1 主要原材料

实验用的废纸浆含水率为70%，平均纤维长度为30mm；胶粉为废旧轮胎粉，粒径为10目，其他实验原料见表2-1。

表2-1 实验原料

原料名称规格生产厂家废纸浆含水率70%富裕造纸厂废胶粉颗粒度10目市售防老剂D工业级佳通化学有限公司促进剂M工业级河南省开仑化工有限责任公司硫磺工业级市售

2.2 基本配方

废纸浆 100份，废胶粉x份，防老剂D 1/40x份，硫磺 1/40x份, 促进剂M 1/40x份。份均为质量份。本实验x分别取0，4，8，10，12，20。

2.3 主要设备与仪器

本实验所用主要设备及实验仪器见表2-2

表2-2 实验主要设备及仪器

仪器名称型号生产厂家双辊开炼机SK-160天津市电工机械厂平板硫化机XLB-D350 @350上海市第一橡胶机械厂电子万能试验机CSS-2200长春市智能仪器设备有限公司热老化试验箱401A江都市新真威试验机械有限责任公司透射电子显微镜H7650日本日立公司扫描电子显微镜S-4300日本日立公司红外光谱仪Nicolet 6700美国尼高力公司物理天平TW-05B天津市电工机械厂

2.5 试样制备

2.5.1 标准样的制备

先将废纸浆在辊温为45℃、辊距为4mm的开炼机上塑炼,加入废胶粉及配合剂进行混炼，然后在温度150℃和压力10MPa的条件下硫化30min。加料顺序为：废纸浆、废胶粉、促进剂M、防老剂D和硫磺，取出后马上进行裁样。

2.5.2 拉伸试样的制备

将试样从模板上取下来，用裁样设备把试样裁成哑铃型，哑铃型的细颈长400mm，宽6.00±0.5mm，厚3.0±0.5mm的试样。哑铃的两端作为拉力机的夹具夹取部分，制备成功后待测。

2.5.3透射电镜试样的制备

将试样切成两2mm圆柱形长条，用环氧树脂包埋12小时，包埋稳定后用超薄切片机把式样切成厚200nm超薄切片式样并做好式样标记，然后对式样进行干燥、除尘后放在碳网上，然后放入扫描电子显微镜中观察。

2.5.4 扫描电镜试样的制备

在待测试样上截取宽和厚小于5mm的条形，并做好试样标记，将样条用液氮冷冻处理，然后取出后扯断，扯断后取断面平整的作为实验试样。然后进行干燥、除尘、喷金处理后放入电镜中观察。

2.5.5红外光谱试样的制备

将所有制得的废胶粉和废纸浆复合材料、纯废纸浆、废胶粉均磨成粉末，将1～2mg试样与200mg纯KBr研细混合均匀，置于模具中，用（5～10）MPa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定（试样和KBr都应经干燥）。

3 结果与讨论

3.1 废纸浆的含水率对复合材料力学性能的影响

废纸浆的吸水性很好，暴露在空气中的废纸浆的含水率会发生变化从而影响废纸浆和废胶粉复合材料的物理性能，本实验选用含水率不同的废纸浆与废胶粉制成复合材料，通过测量复合材料的拉伸强度和拉断伸长率，确定废纸浆的最佳含水率。在制备过程可以发现含水率低时，废纸浆易结块，不易与胶粉混合均匀，含水率高时在混合过程中有水挤出。

图3-1 废纸浆含水率对拉伸强度和拉断伸长率的影响

从图3-1中我们可以看到，随着废纸浆含水率的增加拉伸强度先是增大，含水率为160%时拉伸强度达到最大值，然后随着含水率的增加拉伸强度缓慢下降。拉断伸长率随着含水率的增加缓慢变大，含水率超过160%之后，拉断伸长率有变大趋势，但是变化不大，这可能是由于在制备过程中水分被挤出流失有关。结合拉伸强度和拉断伸长率取最佳值，含水率为160%时复合材料的物理性能最佳，所以后续试验中废纸浆的含水率均按160%进行试验。

3.2 废胶粉用量对复合材料相容性的影响。

纯废纸浆做材料力学性能不好，本文通过添加废胶粉填补废纸浆纤维间的空隙，来改善废纸浆的力学性能。废胶粉的用量对废胶粉/废纸浆复合材料的相容性及力学性能存在影响。我们通过测试复合材料的硬度、拉伸强度以及拉断伸长率来探讨，废胶粉用量对废纸浆复合材料相容性的影响。

图3-2 废胶粉用量对废纸浆复合材料的邵氏A型硬度的影响

从图3-2可以看出随着废胶粉用量的增加，硬度随之减小，在废胶粉为10份时出现转折。

在研究了废胶粉用量对硬度的影响后，我们来讨论废胶粉用量对拉伸强度与拉断伸长率的影响。所得到的数据如图3-3所示。

图3-3 废胶粉用量对废纸浆复合材料拉伸强度的影响

从图3-3中我们可以看到随着废胶粉用量的增加，废纸浆复合材料的拉伸强度先增加后减少。在废胶粉为10份时。拉伸强度出现最大峰值。

图3-4 废胶粉用量对废纸浆复合材料的拉断伸长率的影响

从图3-4中可以看出，随着废胶粉用量的增加，废纸浆复合材料的拉断伸长率也逐渐增加，当废胶粉用量为10份时出现了拐点，之后拉断伸长率增加缓慢。

从图3-2至3-4可以看出，随着废胶粉用量的增大，废纸浆复合材料的邵尔A型硬度减小，拉伸强度先增大后减小。在废纸浆中加入废胶粉，相当于在植物纤维的空隙中填充了连接相，降低了材料的硬度，提高了材料的韧性。因此，当废胶粉用量为10份时，废胶粉/废纸浆复合材料的力学性能最佳，相容性也最好。

3.3 废胶粉/废纸浆复合材料SEM分析

扫描电镜可以很好的观察试样的形貌，本试验通过不同试样在扫描电镜的图像的对比，来探讨废胶粉和废纸浆界面相容性。

图3-7 废纸浆复合材料扫描电镜图像

a）为纯废纸浆，从图中可以看出空隙很多，b）图与c）图均为100倍扫描电镜照片，但很明显可以看出b）图的空隙比c）多，植物纤维与胶粉没有很好的结合在一起，断裂面不平整。所以b）图的相容性不如c）。

c）图、d）图、e）图均为100倍扫描电镜照片，三者非常相近，很难分辨出哪一个更加的好，但可以观察到c）图的孔隙较e）图f）图多了一点，其它的并无明显的差别。因此放大电镜倍数继续观察。

c’）图、d’）图均为在500倍电镜下的扫描图片，我们可以看到两者的明显的不同，c’）图中植物纤维与胶粉结合的非常不好，孔隙大，而d’）图中的纤维与橡胶很好的融合在一起。

e’）图、d’）图均为在500倍电扫描镜下，从两图中可以看到，e’）图的表面孔隙特别明显而且植物纤维的无序性较大，纤维与胶粉没有很好的结合在一起，断裂面不平整。所以e’）配方的相容性不如d’）。

f）图和g）图均为100倍扫描电镜照片，很明显可以观察到f）图和g）图的胶粉结块，废纸浆和废胶粉的相容性不好。

加入废胶粉后植物纤维与废胶粉表面形成结合紧密的界面层，增强了纤维与聚合物基体的相容性，减少了纤维间的空隙，从而使复合材料的力学性能得到明显的提高。从以上的10个图中，我们可以发现当废胶粉为10份时，在100倍、500倍扫描电镜下的扫描图像要比废胶粉为4份、8份、12份、14份、20份30份时结构紧密空隙少，所以当废胶粉含量为10份时废胶粉/废纸浆的相容性最好。

.4 废纸浆/废胶粉复合材料TEM分析

采用透射电镜（TEM）对废胶粉/废纸浆复合材料微观结构进行了表征，探讨废纸浆和废胶粉的相容性。

图3-8 废纸浆复合材料透射电镜图像

TEM观察结果表明，不同份数的废纸浆/废胶粉复合材料，其微观结构是不同的；硫化过程并没有使得纸浆纤维与胶粉熔融为一体，而是在纤维与胶粉间形成一个相互交叉的过渡区界面。图a）为纯废纸浆，图b）图c）和图d）对比可以看出图c）中的废胶粉和废纸浆结合最为紧密，空隙最少。所以当废胶粉含量为10份时废胶粉/废纸浆复合材料的相容性最好。