鄭彬煒 章偉偉 關(guān)麗濤 古 今 胡傳雙

（華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642 )

1 國內(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]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們環(huán)保意識的增強，廢紙的回收利用得到了社會各界廣泛的關(guān)注。廢紙在世界各地均具有較高的回收量及回收率，是世界上回收利用最好的二級材料之一[2]。 2018年，我國廢紙回收量和消耗量高達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，我國也是最大的廢紙進口國，2018年，我國進口廢紙總量達1 703萬t[3]。廢紙作為一種可再生資源，其回收與利用對節(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)濟和社會效益[4]。

廢紙是可再生的造紙原料，目前廢紙回收利用最主要的途徑是脫墨后生產(chǎn)再生紙[5]。然而，廢紙的反復回收和造紙過程會對纖維造成損傷，降低纖維的機械性能，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展

廢紙中含有大量的纖維成分，紙纖維的長度、質(zhì)量和機械性能一致性高，具有較高的拉伸強度和楊氏模量，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，壓縮強度提高了3倍，在性能測試中樣品未出現(xiàn)脆性斷裂，滿足美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM C 67磚和結(jié)構(gòu)粘土磚的抗壓強度及英國標準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λ嗷皾{性能的影響及相關(guān)機理，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天時形成Ca(OH)2，從而提高其抗壓強度和韌性，然而，隨著廢紙含量的增加，水泥基砂漿會產(chǎn)生更多的微孔，并且需要更長的凝固時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徑比和良好的機械性能，已開始被應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，通常在堿性的有機溶劑中實現(xiàn)纖維素的羧甲基化。ünlü 等以回收的報紙纖維為原料，在NaOH溶液中合成羧甲基纖維素，對羧甲基纖維素的流變性和熱穩(wěn)定性進行表征，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的柔性纖維組成，纖維長度和直徑為5～50 nm，主要通過高強度的機械研磨制得。Hietala等以報紙、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性能，研究發(fā)現(xiàn)：從混合廢紙中提取的納米纖維素的機械性能與從辦公用紙和報紙?zhí)崛〉腃NF相當甚至更高，其拉伸強度最高可達100 MPa，且剛度約為7 GPa，足以滿足沒有高純度要求的材料應用領(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，從而提高廢紙原料的使用價值[12]。

纖維素納米晶是高度結(jié)晶的針狀納米纖維，長150～300 nm，直徑5～15 nm，主要通過酸水解去除纖維素無定形區(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，表明纖維素納米晶是一種良好的包裝涂層[13]。

2.3 紙纖維復合材料

近十幾年來，紙纖維復合材料快速發(fā)展。紙纖維復合材料是指以紙或紙纖維為增強相，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合材料。由于其具有強度高、可降解、重量輕等特點，如今，已應用于食品包裝、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，紙纖維在復合材料中有不同的增強效果。

2.3.1 纖維分散增強

目前，最常用的紙纖維復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)移負荷的能力，同時，具有高親水性的纖維在加工過程中會發(fā)生團聚現(xiàn)象，導致纖維在基體中的分散性差，產(chǎn)生應力集中點，復合材料容易發(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）添加量對辦公廢紙?zhí)畛涞兔芏染垡蚁秃喜牧狭W性能和熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：復合材料的拉伸強度和楊氏模量隨著纖維含量的增加逐漸上升，MAPE的加入可以提高復合材料的力學性能和熱穩(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合材料，探究了制備工藝、纖維含量和MAPE添加量對復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合材料，其紙纖維含量可達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，降低復合材料吸水率[17]。

2.3.2 纖維網(wǎng)絡增強

紙張是由纖維網(wǎng)絡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)絡中纖維之間的氫鍵作用有利于提高復合材料的力學性能[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，有利于進一步提高復合材料的機械強度?；诖?近年來對利用整紙制備復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合材料，研究了廢紙類型和用量對復合材料機械性能的影響，結(jié)果表明：由復印紙、報紙制備的聚丙烯復合材料的拉伸性能和彎曲性能較好，具有建筑和工業(yè)應用潛力，當廢紙含量為40 vol%時，復印紙復合材料的拉伸強度和彎曲強度最高，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，導致復合材料的吸水率往往處于較高水平。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)外利用廢紙制備復合材料的研究已經(jīng)取得了顯著進展。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用范圍。在未來的廢紙材料化研究工作中，還需重點解決以下問題：

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。研究應用環(huán)保型改性方法降低廢紙纖維及其復合材料的吸水性，提高復合材料的界面相容性，實現(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合材料，開發(fā)廢紙材料的專用設備，提高生產(chǎn)效率，降低其制備成本。