不同廢紙木質(zhì)纖維素纖維的性能評(píng)價(jià)

郭秀艷，蔣正武，馬國(guó)金

（1.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西吉安343009；3.井岡山大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西吉安343009）

不同廢紙木質(zhì)纖維素纖維的性能評(píng)價(jià)

郭秀艷1，2，蔣正武1，馬國(guó)金3

（1.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西吉安343009；3.井岡山大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西吉安343009）

木質(zhì)纖維素纖維是世界上最大的可再生資源，因其具有較好的吸水性和無(wú)定型結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于水泥基材料中。廢紙的主要組成是木質(zhì)纖維素纖維，兼具了木質(zhì)纖維素纖維自身的優(yōu)勢(shì)，可以考慮作為水泥基材料抗裂纖維來(lái)使用。本文以廢紙為原料、纖維長(zhǎng)度為疏解效率指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)方法確定了最佳的廢紙疏解工藝，并根據(jù)其特定使用領(lǐng)域，有針對(duì)性的研究了幾種廢紙漿纖維制備的木質(zhì)纖維素纖維抗堿性、吸水性及其形態(tài)尺寸的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：12%漿濃、溫度60℃、疏解時(shí)間40 min，碎漿機(jī)轉(zhuǎn)速300 r／min的試驗(yàn)條件下，廢紙纖維疏解效果最佳；在濃堿條件下，幾種再生纖維的α-纖維素得率均在70%以上，抗堿性能較好；新聞紙、牛皮紙和箱板紙漿再生纖維平均長(zhǎng)度相近且高于辦公紙漿纖維長(zhǎng)度；4種木質(zhì)纖維素纖維的吸水率均在自身重力的6倍左右，基本滿足水泥基材料的減縮抗裂使用要求。

廢紙；木質(zhì)纖維素纖維；正交試驗(yàn)；抗堿性；吸水率；纖維長(zhǎng)度；抗裂纖維

水泥基材料是典型的脆性材料，早期的收縮裂紋直接影響它的耐久性，纖維的加入在一定程度上緩解了其早期收縮裂紋的生成及擴(kuò)展［1?2］。木質(zhì)纖維素纖維因其具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水泥基材料內(nèi)部可以形成一種亂象支撐體系，尤其是獨(dú)特的親水性能，可以使水泥水化產(chǎn)物粘附于纖維表面，增強(qiáng)了水泥基體與骨料間的粘結(jié)性能，進(jìn)而起到增韌阻裂的效果［3?4］。廢紙的重要組元是纖維素，使其具備了木質(zhì)纖維素纖維的典型特征，因此，可以考慮用廢紙來(lái)取代原木漿纖維作為填料應(yīng)用到水泥基材料中。有文獻(xiàn)表明應(yīng)用到水泥基材料中的廢紙纖維無(wú)需脫墨處理，避免了脫墨廢水污染環(huán)境的問(wèn)題，同時(shí)在強(qiáng)度要求不高的條件下，降低了生產(chǎn)成本［5?6］。但現(xiàn)有文獻(xiàn)大多集中在廢紙應(yīng)用后的基體性能評(píng)價(jià)，并未對(duì)廢紙纖維本身的性能變化做過(guò)多的闡述，而且針對(duì)建材領(lǐng)域用的廢紙纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)尚無(wú)法查詢。因此，參考現(xiàn)有的原木質(zhì)纖維素纖維性能指標(biāo)，通過(guò)某種預(yù)處理手段來(lái)制備廢紙?jiān)偕w維，使其各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能達(dá)到或接近水泥基材料用的原木質(zhì)纖維素纖維性能要求是值得嘗試的。

廢紙破碎工藝可以采用干法和濕法2種途徑，干法破碎容易造成紙漿疏解不徹底，單絲纖維的產(chǎn)率下降，而且易造成纖維的切斷，這將對(duì)水泥基材料用的纖維產(chǎn)生負(fù)面影響。濕法碎漿完全可以避免這一缺陷，不存在機(jī)械性的纖維切斷，而且纖維疏解更完全，避免了纖維結(jié)塊對(duì)其分散性的影響。

本文選取城市生活中常見(jiàn)的幾種廢紙，通過(guò)濕法碎漿技術(shù)疏解廢紙纖維，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形態(tài)等基本性能做了分析。該研究對(duì)廢紙纖維的二次利用提供了一條思路，并對(duì)廢紙纖維的性能研究具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)工藝與測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)工藝

取國(guó)產(chǎn)廢舊新聞紙、辦公紙、牛皮紙和箱板紙為原料，要求廢紙不含膠，雜質(zhì)不超過(guò)1%，無(wú)用物不超過(guò)0.25%。將廢紙撕成碎片，浸泡水中12 h后加入到PL12-00高濃水力碎漿機(jī)中疏解。按4因素3水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案。以新聞紙漿為例，纖維長(zhǎng)度為疏解效率指標(biāo)，并根據(jù)數(shù)值方差來(lái)確定最佳的廢紙疏解工藝。在最佳疏解工藝條件下，充分解離4種廢紙，將疏解后的紙漿纖維于80目網(wǎng)篩過(guò)濾去除微小組分，真空抽濾后置于105℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h至恒重。采用自制毛化器將絕干漿分散得到絮狀木質(zhì)纖維素纖維材料。

1.2 測(cè)試方法

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 742?2008測(cè)定木質(zhì)纖維素纖維灰分含量；參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 744?2004測(cè)定木質(zhì)纖維素纖維在不同濃度堿液環(huán)境下的抗堿性能；參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 28218?2011，利用VMS3020影像測(cè)量?jī)x觀察纖維形態(tài)，并隨機(jī)測(cè)量300根纖維尺寸，取其平均值作為數(shù)量平均纖維長(zhǎng)度；參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 461.3?2005和南通江潮超吸水纖維有限公司的吸水倍率測(cè)試企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q／320683KDW01?2007），采用浸水法測(cè)定木質(zhì)纖維素纖維吸水倍率。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢紙疏解工藝參數(shù)的選擇

纖維在水泥基材料中呈三維網(wǎng)狀分布，在混凝土或砂漿中起到很好的搭橋作用，纖維長(zhǎng)度顯得尤其重要。較長(zhǎng)的纖維能增強(qiáng)相連纖維及纖維與水泥混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度，但過(guò)長(zhǎng)纖維加入到基體中容易纏繞成團(tuán)，不易分散，纖維過(guò)短則起不到搭接作用，從而影響纖維增韌阻裂的效果。因此，本研究的廢紙纖維最佳疏解工藝參數(shù)以纖維長(zhǎng)度為疏解效率指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)方法確定最佳的廢紙疏解工藝。

采取L9（34）正交表，按4因素3水平安排試驗(yàn)，如表1所示。根據(jù)表1中因素水平來(lái)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，如表2所示。以新聞紙、牛皮紙為例，根據(jù)表2中各因素的組配完成每組廢紙疏解試驗(yàn)，并測(cè)其平均纖維長(zhǎng)度，其結(jié)果亦如表2所示。

表1 因素水平表Table1 Factors and level

表2 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)論Table2 The experimental program and results

以新聞紙為例，通過(guò)纖維長(zhǎng)度計(jì)算各因素出現(xiàn)次數(shù)所得結(jié)果之和K及方差R。從R值可以看出，溫度C的方差值最大，即溫度對(duì)測(cè)定的影響嚴(yán)重，且K3＞K2＞K1，所以選擇第3個(gè)水平，疏解溫度為60±5℃，A因素影響也很大，同樣K3＞K2＞K1，故選擇廢舊新聞紙漿疏解漿濃為12%，B、D因素影響不大，但根據(jù)K值，選擇碎漿時(shí)間為40 min，碎漿機(jī)轉(zhuǎn)速300 r／min。

如用牛皮紙漿纖維長(zhǎng)度計(jì)算K及R，其變化規(guī)律與上所述規(guī)律相同，故選擇這一疏解工藝參數(shù)作為4種廢紙的最佳疏解工藝參數(shù)。

2.2 木質(zhì)纖維素纖維物理性能

2.2.1 灰分含量

灰分對(duì)紙張纖維性能有很大的影響，根據(jù)造紙纖維的不同用途，添加不同的灰分，較高的灰分含量可以提高紙張的白度和折光率［7］。幾種木質(zhì)纖維素纖維灰分含量測(cè)定如表3所示。

從表中可以看出，在4種紙漿纖維中，白度要求最高的是辦公紙，其灰分含量也最高，達(dá)12.51%；箱板紙的灰分含量次之，因?yàn)橄浒寮堉泻写罅康牟轁{，而草漿的灰分含量高于木漿，致使箱板紙的灰分含量較高；牛皮紙的灰分含量最低，僅有7.98%。原紙漿經(jīng)80目篩分過(guò)濾后，灰分含量明顯降低，其中普通辦公紙下降了近10個(gè)百分點(diǎn)，這主要是由于在碎漿過(guò)程中紙漿中的細(xì)小填料與纖維分開(kāi)導(dǎo)致灰分大量流失。

表3 纖維灰分含量測(cè)定Table3 The ash content of lignocellulosic fibers %

灰分對(duì)水泥基材料用抗裂纖維沒(méi)有影響，無(wú)需考慮將其去除掉。事實(shí)上，為增加木質(zhì)纖維素纖維在水泥基體中的分散效果，通常需要加入一定量的礦物微粉來(lái)提高它的分散性［8］。

2.2.2 抗堿性

將4種不同纖維分別浸泡濃度為5%、10%和18%的NaOH溶液中2 h后，測(cè)其α-纖維素得率，如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)堿液濃度為5%時(shí)，4種纖維的α-纖維素得率相近且均高于85%。隨著堿液濃度的增加，4種纖維的抗堿性能均下降，但下降趨勢(shì)略有不同。其中，由廢舊新聞紙漿制備的纖維α-纖維素得率最高，而箱板紙漿的α-纖維素得率最低，下降程度最大。但同時(shí)也可以觀察到，當(dāng)堿液濃度達(dá)到18%時(shí)，4種纖維的α-纖維素得率均在70%以上，說(shuō)明4種木質(zhì)纖維素纖維均具有較好的抗堿性能。

眾所周知，水泥混凝土屬于典型的堿性環(huán)境，抗裂纖維同樣要求具有優(yōu)越的抗堿性能，4種不同木質(zhì)纖維素纖維抗堿性能指標(biāo)可以給堿環(huán)境下纖維的使用提供理論參數(shù)。

圖1 纖維抗堿性測(cè)定Fig.1 The alkali resistance of lignocellulosic fibers

2.2.3 吸水率

吸水率是衡量木質(zhì)纖維素纖維在水泥基材料中減縮抗裂作用的一個(gè)重要指標(biāo)，通常要求纖維的吸水率為自重的6～8倍。廢紙經(jīng)疏解后得到的木質(zhì)纖維素纖維，經(jīng)浸水法測(cè)得各纖維的吸水率如表4所示。

表4 木質(zhì)纖維素纖維吸水性Table4Water absorption of lignocellulosic fibers

從表4可以看出，4種不同廢紙制備的纖維吸水倍率均在自重的6倍左右，基本滿足水泥基材料用抗裂纖維的指標(biāo)要求。在水泥基材料中，木質(zhì)纖維素纖維除了和化工纖維一樣對(duì)水泥基材料具有增韌阻裂外，其獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和天然的親水性能使其在混凝土拌制過(guò)程中能吸收并保有部分水分，避免水分過(guò)快蒸發(fā)引起干縮裂縫，這也是木質(zhì)纖維素纖維可增強(qiáng)水泥基材料早期抗收縮開(kāi)裂的主要利用點(diǎn)。廢紙的主要成分是纖維素，具備纖維素纖維天然的親水性，表4數(shù)據(jù)也說(shuō)明了其吸水能力，因此，可以考慮將廢紙?jiān)偕w維作為原木漿纖維的替代品，并作為填料應(yīng)用到水泥基材料領(lǐng)域。

2.2.4 組織形態(tài)

圖2為4種木質(zhì)纖維素纖維的光學(xué)照片。根據(jù)纖維的形態(tài)特征來(lái)判斷紙漿纖維的木質(zhì)來(lái)源，根據(jù)纖維顯示顏色來(lái)判斷紙漿纖維制漿工藝。不同木質(zhì)來(lái)源的纖維，其強(qiáng)度、抗堿性也是不同的。一般情況下，針葉木漿纖維強(qiáng)度好于闊葉木漿纖維，而草漿的纖維強(qiáng)度最差，木漿纖維的抗堿性能強(qiáng)于草漿纖維［9］。

新聞紙漿纖維（圖2（a））由大量的黃色和少量的淡紫色組成，纖維長(zhǎng)短粗細(xì)不一，由于未進(jìn)行脫墨處理，纖維表面存在大量的黑色油墨粒子。黃色纖維寬長(zhǎng)且有針葉木特有的管胞出現(xiàn)，藍(lán)紫色纖維細(xì)短，兩頭尖銳，且有闊葉木特有的導(dǎo)管，部分黃色纖維帶有橫截紋，由此可判斷廢舊新聞紙漿纖維主要由大量的機(jī)械針葉木漿和少量的化學(xué)闊葉木漿。

辦公紙漿纖維（圖2（b））全部呈淡紫色，纖維較均整，雜細(xì)胞少。與新聞紙相比，絕大部分纖維較短，兩頭尖銳，具有針葉木特有的管胞。這主要是因?yàn)檗k公紙張強(qiáng)度及平滑度要求高于新聞紙，為達(dá)到這一要求，針葉木漿纖維被切短。圖中還顯示有少量闊葉木特有的短粗導(dǎo)管出現(xiàn)，因此判斷辦公紙漿纖維由大量的化學(xué)針葉木漿和少量的化學(xué)闊葉木漿組成。

牛皮紙漿纖維（圖2（c））大部分呈灰色調(diào)，少量呈黃色和紫色。大部分纖維寬長(zhǎng)且?guī)в忻黠@的針葉木管胞特點(diǎn)，少量纖維紋孔較少，屬闊葉木特點(diǎn)，所以認(rèn)為牛皮紙是由大量的機(jī)械針葉木漿和少量的半化學(xué)闊葉木漿組成。

箱板紙漿纖維（圖2（d））有寬大的黃色纖維和細(xì)小的藍(lán)紫色纖維組成。黃色纖維較寬，部分有鋸齒出現(xiàn)，說(shuō)明存在草漿纖維，針葉木特有的管胞也較明顯，所以整體上箱板紙廢紙漿由半化學(xué)闊葉木漿、大量的草漿和針葉木漿組成。

NaOH處理后的木質(zhì)纖維素纖維含有大部分纖維素和抗堿的半纖維素，一般禾木科植物的半纖維素含量大于闊葉材，闊葉材大于針葉材［9］。

從圖2分析可知普通辦公紙半纖維素含量較少，故即使在灰分較高的情況下，辦公紙漿纖維仍具有較高的纖維素得率；箱板紙漿纖維含有大量的草漿，而實(shí)際生產(chǎn)中也證實(shí)了箱板紙可以由再生廢紙來(lái)加工，這些都導(dǎo)致了箱板紙漿纖維具有較高的灰分和半纖維素含量，故其纖維素得率最低，抗堿性能最差。

圖2 廢紙纖維光學(xué)形態(tài)×200Fig.2 The morphologies of lignocellulosic fibers×200

2.2.5 長(zhǎng)度、細(xì)度

纖維長(zhǎng)度通常有3種表示方法：數(shù)均纖維長(zhǎng)度、重均纖維長(zhǎng)度和二重重均纖維長(zhǎng)度。因纖維中含有較多的細(xì)小組分，細(xì)小組分的尺寸和質(zhì)量所占比例也相對(duì)較小，因此細(xì)小纖維的個(gè)數(shù)對(duì)數(shù)量平均纖維長(zhǎng)度有較大的影響［10］，而某些文獻(xiàn)也指出質(zhì)量-重量平均纖維長(zhǎng)度更能準(zhǔn)確的反映出纖維長(zhǎng)度及其處理過(guò)程中的變化［11］。長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 纖維尺寸測(cè)定Table 5 The sizes of lignocellulosic fiber from waste paper

一般草漿原纖維長(zhǎng)1～1.5 mm，闊葉木為1～2 mm，針葉木為2～6 mm［9］。表5測(cè)量結(jié)果顯示，不同廢紙疏解后纖維明顯變短，這是由于原造紙過(guò)程中打漿的切斷作用、二次纖維疏解過(guò)程中的撕裂作用以及細(xì)小纖維對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等幾個(gè)方面導(dǎo)致的。在4種纖維中，數(shù)均纖維平均長(zhǎng)度呈箱板紙、牛皮紙、新聞紙、辦公紙依次遞減的規(guī)律。辦公紙最短，其數(shù)均纖維長(zhǎng)度1. 033 mm，二重重均纖維長(zhǎng)度為1.490 mm。文獻(xiàn)［10］中測(cè)得的辦公紙漿數(shù)均纖維長(zhǎng)度為0.191 mm，二重重均纖維長(zhǎng)度為1.407 mm，其中數(shù)均纖維長(zhǎng)度相差較大，而二重重均纖維長(zhǎng)度卻很接近，由此也證實(shí)了二重重均纖維長(zhǎng)度更能反映纖維的實(shí)際平均長(zhǎng)度。美國(guó)Buck?eye公司使用原木漿為原料，研發(fā)了新一代建筑工程用纖維——UF500纖維素纖維，該纖維被美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）譽(yù)為“混凝土用纖維產(chǎn)品的重大突破”，是目前最具影響力的纖維素纖維產(chǎn)品［12］。UF500平均纖維長(zhǎng)度為2.1 mm，本實(shí)驗(yàn)所測(cè)纖維長(zhǎng)度雖小于這一參數(shù)，但除辦公紙外，纖維平均長(zhǎng)度可達(dá)到1.6 mm以上，基本滿足混凝土用纖維的長(zhǎng)度指標(biāo)。

變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)的離散程度。一般情況下，變異系數(shù)越高，離散程度越大。從表5可以看出，新聞紙漿長(zhǎng)度變異系數(shù)最大，而辦公紙的最小。

圖3 纖維長(zhǎng)度分布規(guī)律Fig.3 Length distribution regularity of lignocellulosic fibers

圖3 為4種廢紙漿總體長(zhǎng)度分布趨勢(shì)，圖中交叉處為平均值所在位置。從圖中可以看出，由辦公紙漿再生纖維尺寸分布較為集中，1.5 mm以下的纖維長(zhǎng)度占90%以上，故變異系數(shù)最小，這在圖2中也能得到很好的說(shuō)明。牛皮紙漿和箱板紙漿的尺寸分布趨勢(shì)較為接近。新聞紙漿的尺寸跨度最大，變異系數(shù)也最大，說(shuō)明新聞紙漿的纖維形態(tài)離散程度最高。不同長(zhǎng)度的纖維在水泥基材料中亂象分布，可以起到互補(bǔ)的效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)濕法碎漿技術(shù)，對(duì)幾種常見(jiàn)的城市生活廢紙進(jìn)行了疏解，并對(duì)廢紙制備的木質(zhì)纖維素纖維的基本物理性能進(jìn)行了研究，具體結(jié)論如下：

1）4種木質(zhì)纖維素纖維均表現(xiàn)出較好的抗堿性能，在堿液濃度為18%的環(huán)境下，各再生纖維的α-纖維素得率均在70%以上；

2）4種木質(zhì)纖維素纖維吸水倍率均在自重的6倍左右，基本滿足水泥基材料用抗裂纖維的指標(biāo)要求；

3）確定了4種廢紙的木質(zhì)來(lái)源和漿體來(lái)源，這對(duì)以后研究廢紙漿再生纖維的強(qiáng)度和近一步改性提供前期基礎(chǔ)；

4）本文研究的木質(zhì)纖維素纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)基本符合水泥基材料用抗裂纖維的要求。但不同類(lèi)型不同用途的水泥基材料，對(duì)纖維的各項(xiàng)性能要求亦不相同，故應(yīng)綜合評(píng)價(jià)纖維應(yīng)將其應(yīng)用到合適的基體材料中。

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Performance evaluation of various lignocellulosic fibers from waste paper

GUO Xiuyan1，2，JIANG Zhengwu1，MA Guojin3
（1.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials，Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Jinggangshan University，Ji'an 343009，China；3.School of Building Engineering，Jinggangshan University，Ji'an 343009，China）

Lignocellulosic fiber is the world largest resource of renewable energy.It's widely used in cement?based materials because of good water absorption and amorphous structure.Taking waste paper as the raw material and fi?ber length as an index for evaluating defibering efficiency，the optimum waste paper defibering process was deter?mined by orthogonal test method.According to the specific application field，the study was focused on the lignocel?lulosic fibers prepared from several kinds of waste paper pulp，involving in alkali resistance，water absorption，and the distribution rule of morphologies and sizes.The results indicated that the optimal pulping conditions were 12% of pulp consistency，60℃，40 min of operating time and 300 r／min of machine's rotation speed.In addition，the yields of various lignocellulosic fibers soaked in 18%NaOH were higher than 70%，proving higher alkali resistance.The lengths of three kinds of lignocellulose fibers made from waste newsprint，kraft paper and liner board were simi?lar and longer than chancery paper，respectively.The water absorption of every lignocellulosic fiber was about six times of weight basically meeting the shrinkage?reducing and anti?crack requirements of cement?based materials.

waste paper；lignocellulosic fibers；orthogonal test；alkali resistance；water absorption；fiber length；anti?crack fiber

10.3969／j.issn.1006?7043.201311004

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006?7043.201311004.html

TU528.2

A

1006?7043（2015）02?0147?05

2013?11?04.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014?11?27.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助（2011CB013805）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51478348，51278360，51308407）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAL03B02）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20130072110047）；上海市科委重點(diǎn)資助項(xiàng)目（14DZ1202302）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目.

郭秀艷（1980?），女，講師，博士研究生；蔣正武（1973?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

蔣正武，E?mail：jzhw＠#edu.cn.