廢紙回收材料化利用研究進展*

鄭彬煒 章偉偉 關麗濤 古 今 胡傳雙

（華南農業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642 )

1 國內外廢紙回收利用現(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磚和結構粘土磚的抗壓強度及英國標準BS6073室內結構建筑用材的要求[9]。Wang等研究了廢紙?zhí)盍蠈λ嗷皾{性能的影響及相關機理，結果發(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域，表明低質量廢紙可轉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，結果發(fā)現(xiàn)：在59%濃度下制備的纖維素納米晶結晶度達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，經混合或層疊組坯后，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、室內地板、汽車內飾等行業(yè)[14]。根據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?，使其作為填料均勻地分散在熱塑性基體中。

纖維表面含有大量的極性羥基，與非極性的樹脂相容性差，結合界面容易產生孔隙，降低轉移負荷的能力，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之間的結合界面，降低復合材料吸水率[17]。

2.3.2 纖維網絡增強

紙張是由纖維網絡形成的多孔薄層材料，具有明顯的孔隙結構，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 結語

目前國內外利用廢紙制備復合材料的研究已經取得了顯著進展。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。根據紙張的用途適當添加相關的加工助劑，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。

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，提高生產效率，降低其制備成本。