舊報(bào)紙纖維增強(qiáng)回收聚丙烯復(fù)合材料性能研究

張效林 薄相峰

(1.西安理工大學(xué)印刷包裝工程學(xué)院，陜西西安，710048;2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710055)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平的提高，國(guó)內(nèi)紙和紙板消費(fèi)量不斷上升。據(jù)中國(guó)造紙工業(yè)年度報(bào)告統(tǒng)計(jì)［1-2］，國(guó)內(nèi)紙和紙板消費(fèi)量由2002年的4332萬(wàn)t上升至2012年的10048萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)率超過(guò)8%。紙和紙板消費(fèi)量的大幅提高，使國(guó)內(nèi)廢紙產(chǎn)量迅猛增加。廢紙的循環(huán)利用和資源化利用是解決環(huán)境污染、原料短缺及能源緊張的重要途徑［3］。然而，現(xiàn)階段我國(guó)廢紙資源化利用技術(shù)研究主要集中在利用脫墨漿生產(chǎn)紙或紙板等方面，技術(shù)較單一，產(chǎn)品附加值相對(duì)較低。探索開發(fā)廢紙資源化利用新技術(shù)在有效提高廢紙利用率和回收率、提高廢紙附加值以及環(huán)境保護(hù)等方面均有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

廢紙纖維結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與天然植物纖維相似，具有相對(duì)低廉的價(jià)格、較小的密度、較高的彈性模量，尤其是自身的生物降解性和可再生性等優(yōu)點(diǎn)，使其在新型材料的研發(fā)方面?zhèn)涫荜P(guān)注［3］。研究表明［4-6］，廢紙纖維完全具備用作熱塑性聚合物基復(fù)合材料無(wú)機(jī)填充料的基本條件。另一方面，我國(guó)廢塑料資源豐富、價(jià)格低廉，廢塑料與原生塑料在性能上僅有微小區(qū)別，完全可以進(jìn)行有效回收利用。廢塑料在復(fù)合材料領(lǐng)域的回收和再利用是解決廢塑料回用問(wèn)題的有效途徑之一，采用廢紙和廢塑料為原料制備新型復(fù)合材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用，而且，可以減少環(huán)境污染、變廢為寶，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本實(shí)驗(yàn)以舊報(bào)紙(ONP)和廢塑料(回收聚丙烯塑料，rPP)為原料，以馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(MAPP)為相容劑，探討了ONP纖維含量對(duì)廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料(WPC)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及吸水性能的影響，并采用紅外光譜儀(FTIR)、掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料的組成和拉伸斷面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

用食品攪拌機(jī)打碎自主收集的ONP，用Fiber-Tester 912纖維形態(tài)分析儀測(cè)得廢紙纖維質(zhì)均長(zhǎng)度約為1 mm，纖維長(zhǎng)徑比約為33.0，將碎解后的廢紙纖維干燥后裝入密封袋備用;rPP取自西安當(dāng)?shù)卦偕芰蠌S;MAPP，接枝率為1%，合肥安邦化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

SK-160B雙輥煉塑機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠;熱壓成型機(jī)，實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì);CMT6303電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司;FTIR-8400S傅里葉紅外光譜儀，日本島津;JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本株式會(huì)社(JEOL)。

1.3 復(fù)合材料的制備

將ONP與rPP按照一定比例混合均勻，采用開放式雙輥混煉機(jī)進(jìn)行混煉，混煉過(guò)程中均勻加入相容劑MAPP，充分混煉15 min制成廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料。冷卻后，經(jīng)過(guò)模壓制成測(cè)試所需試樣。復(fù)合材料原料配比如表1所示。

表1 復(fù)合材料原料配比

1.4 性能測(cè)試及表征

(1)力學(xué)性能

復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T 1447—2005進(jìn)行，試樣規(guī)格為100 mm×25 mm×2 mm，加載速度為5 mm/min;復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T 1449—2005進(jìn)行，試樣規(guī)格為100 mm×15 mm×4 mm，以2 mm/min的速度均勻加載。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境均參照GB/T 1446—2005進(jìn)行，即測(cè)試溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(50±10)%。

(2)吸水性能

復(fù)合材料吸水性能測(cè)試參照GB/T 1034—1998進(jìn)行，測(cè)試前先將標(biāo)準(zhǔn)試樣放入烘箱中，在80℃下干燥(24±1)h后，稱其質(zhì)量(m0，精確至1 mg);然后將試樣放入盛有蒸餾水的容器中，浸泡不同時(shí)間后，用清潔干布迅速擦去試樣表面的水，再次稱量其質(zhì)量(m1)，并按下式計(jì)算吸水率(W):

(3)紅外光譜分析(FT-IR)

取少量復(fù)合材料樣品在壓片機(jī)上壓制成薄片，壓制時(shí)間為5 min;然后，采用FTIR-8400S紅外光譜儀進(jìn)行分析。

(4)掃描電鏡分析(SEM)

采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料拉伸試樣斷口進(jìn)行觀察。測(cè)試時(shí)，樣品表面噴金2 h以上，以保證觀察效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

ONP纖維含量對(duì)廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響如圖1和圖2所示。

圖1 ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度有明顯影響;當(dāng)ONP纖維含量為10%時(shí)，復(fù)合材料PF10M2的拉伸強(qiáng)度即可達(dá)到24.51 MPa，與rPP相比，提高了25.8%;當(dāng)廢紙纖維含量增至30%，復(fù)合材料PF30M2的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值32.36 MPa，與rPP相比，拉伸強(qiáng)度提高了66.1%;繼續(xù)增加ONP纖維含量，拉伸強(qiáng)度開始下降。從圖2可以看出，當(dāng)ONP纖維含量由10%增至30%時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度逐漸提高，由PF10M2的35.71 MPa上升至PF30M2的43.37 MPa，與rPP相比，最大增幅達(dá)到69.6%;當(dāng)ONP纖維含量超過(guò)30%時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度急劇下降。

在rPP中添加適量的ONP纖維后，復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提升。這充分說(shuō)明廢紙纖維在復(fù)合體系中起到了“增強(qiáng)體”的作用，添加的相容劑MAPP改善了極性廢紙纖維與非極性聚丙烯基體界面間的結(jié)合性，并提高了廢紙纖維的分散性，從而使得復(fù)合體系更均勻、更穩(wěn)定。當(dāng)復(fù)合材料受到應(yīng)力作用時(shí)，大量的纖維參與到了承載應(yīng)力的“骨架結(jié)構(gòu)”中，植物纖維的剛性遠(yuǎn)高于純樹脂的剛性［7］，所以表現(xiàn)出復(fù)合材料力學(xué)性能提高;當(dāng)廢紙纖維含量過(guò)大時(shí)，廢紙纖維添加量超出了基體的“浸潤(rùn)”范圍以及相容劑的“改性”能力，復(fù)合材料的界面性能和力學(xué)性能相應(yīng)下降。

2.2 ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料吸水性能的影響

不同ONP纖維含量復(fù)合材料24～192 h自然吸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料吸水性能的影響

從圖3可以看出，ONP纖維含量對(duì)復(fù)合材料吸水率有明顯影響;當(dāng)ONP纖維含量為10%時(shí)，試樣PF10M2的24 h吸水率極低，僅為0.06%;ONP纖維含量為 20%、30%、40%及 50%時(shí)，試樣PF20M2、PF30M2、PF40M2及 PF50M2的24 h吸水率分別為 0.13%、0.30%、0.98%及 2.73%。隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣吸水率逐漸增大;當(dāng)ONP纖維含量在30%以下時(shí)，復(fù)合材料吸水率上升幅度均較小;ONP纖維含量為40%時(shí)的PF40M2及ONP纖維含量為50%時(shí)的PF50M2吸水率上升幅度較大。試樣浸泡192 h后，PF10M2、PF20M2、PF30M2、PF40M2及PF50M2的吸水率分別為 0.13%、0.68%、1.94%、5.86%及12.73%。當(dāng) ONP纖維含量為10% ～30%時(shí)，復(fù)合材料吸水率較低，說(shuō)明ONP纖維與rPP之間界面相容性較好，ONP纖維與rPP之間結(jié)合較緊密，暴露的羥基數(shù)目較少;當(dāng)ONP纖維含量超過(guò)40%以后，復(fù)合材料吸水量大幅增加，這可能是由于ONP纖維添加量超出了基體及相容劑的“改性”能力，復(fù)合材料界面性能相應(yīng)下降，過(guò)量ONP纖維在基體中發(fā)生“團(tuán)聚”、“結(jié)塊”等現(xiàn)象加劇，暴露的羥基數(shù)量增多，同時(shí)纖維與rPP之間的孔隙增多，從而導(dǎo)致復(fù)合材料吸水率大幅上升。總體來(lái)講，廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料吸水率較低，吸水過(guò)程緩慢，達(dá)到飽和吸水量的時(shí)間與纖維含量有直接關(guān)系。

2.3 FT-IR分析

ONP纖維含量不同的復(fù)合材料FT-IR分析結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)ONP纖維含量在30%以下時(shí)，3500～3200 cm-1范圍內(nèi)—OH吸收峰相對(duì)較窄;當(dāng)ONP纖維含量超過(guò)30%后，—OH吸收峰在3500～3200 cm-1范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增寬、增強(qiáng)趨勢(shì)，同時(shí)，1728 cm-1附近出現(xiàn)的C＝O吸收峰與1034 cm-1處 C—O—C鍵較強(qiáng)的吸收峰逐漸減弱，1465、1373、841 cm-1處吸收峰也逐漸減弱;而1635cm-1處吸附水特征吸收峰卻明顯增強(qiáng)，這說(shuō)明過(guò)量的ONP纖維超出了基體的“浸潤(rùn)”能力，復(fù)合體系中極性基團(tuán)羥基的數(shù)量迅速增加，使得復(fù)合體系界面性能逐漸變差，進(jìn)而出現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能下降和吸水性能提高的現(xiàn)象。

圖4 ONP纖維含量不同的復(fù)合材料的FT-IR譜圖

2.4 SEM分析

為了進(jìn)一步探討復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面性能，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)ONP纖維含量為30%和50%的復(fù)合材料的拉伸斷面進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，ONP纖維在rPP中分散均勻、纖維表面被聚丙烯包裹良好、纖維與rPP之間結(jié)合緊密。這些現(xiàn)象可以充分說(shuō)明，添加30%的ONP纖維可與rPP形成一個(gè)良好的復(fù)合體。當(dāng)復(fù)合材料承受拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力時(shí)，大量ONP纖維承受了應(yīng)力作用，從而使復(fù)合材料力學(xué)性能明顯提高。

圖5 不同復(fù)合材料拉伸斷面的SEM圖片

從圖5(b)可以明顯地看出，PF50M2試樣拉伸斷面結(jié)構(gòu)與PF30M2試樣拉伸斷面結(jié)構(gòu)存在較大差異;PF50M2試樣斷面暴露出較多的ONP纖維，且ONP纖維“團(tuán)聚”現(xiàn)象較為明顯，同時(shí)出現(xiàn)了因?yàn)槔w維“團(tuán)聚”而導(dǎo)致的較大的“孔洞”，纖維分散狀況較差，纖維與rPP之間存在明顯的間隙，這說(shuō)明過(guò)量的ONP纖維已經(jīng)超出rPP的“浸潤(rùn)”能力，rPP與ONP纖維之間的界面結(jié)合變差，復(fù)合體系中應(yīng)力破壞點(diǎn)增多，從而導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能降低、吸水性能提高。

3 結(jié)論

以舊報(bào)紙(ONP)和廢塑料(回收聚丙烯塑料，rPP)為原料，馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(MAPP)為相容劑，采用熱壓成型法制備了廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料。

3.1 ONP纖維對(duì)rPP具有增強(qiáng)作用，當(dāng)ONP纖維含量為30%時(shí)，廢紙纖維/回收聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值32.36 MPa，比rPP提高了66.1%;彎曲強(qiáng)度達(dá)到43.37 MPa，比rPP提高69.6%。

3.2 復(fù)合材料吸水率隨ONP纖維含量增加和浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而提高;當(dāng)ONP纖維含量超過(guò)30%時(shí)，吸水率明顯提高。

3.3 FT-IR分析發(fā)現(xiàn)，隨ONP纖維含量的增加，復(fù)合材料中羥基特征吸收峰逐漸增強(qiáng)。SEM分析顯示，當(dāng)ONP纖維含量較低時(shí)，ONP纖維與rPP之間具有良好的界面;ONP纖維含量超過(guò)30%后，復(fù)合體系中纖維“團(tuán)聚”現(xiàn)象加劇，界面相容性降低。

［1］中國(guó)造紙協(xié)會(huì).中國(guó)造紙工業(yè)2002年度報(bào)告［J］.造紙信息，2003(5):1.

［2］中國(guó)造紙協(xié)會(huì).中國(guó)造紙工業(yè)2012年度報(bào)告［J］.造紙信息，2013(6):11.

［3］張效林，王汝敏.脫墨方法對(duì)廢紙纖維結(jié)構(gòu)特性的影響［J］.中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2012，27(1):45.

［4］Alireza Ashori，Amir Nourbakhsh.A Comparative Study on Mechanical Properties and Water Absorption Behavior of Fiber-Reinforced Polypropylene Composites Prepared by OCC Fiber and Aspen Fiber［J］.Polymer Composites，2008，29(5):574.

［5］張效林，王汝敏.印刷包裝廢紙?jiān)趶?fù)合材料領(lǐng)域的回用技術(shù)新進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2010，24(9):96.

［6］Huda M S，Drzal L T，Mohanty A K.The effect of silane treated-and untreated-talc on the mechanical and physico-mechanical properties of poly(lactic acid)/newspaper fibers/talc hybrid composites［J］.Composites:Part B，2007，38(3):367.

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