廢棄紡織品纖維與木漿配抄紙的性能

孟 靜，黃良輝，徐衛(wèi)林，姚 翔

(1.紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室培育基地，湖北武漢 430200;2.武漢紡織大學紡織科學與工程學院，湖北武漢 430200;3.武漢紡織大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430200)

我國是紡織品生產、消費大國，每年消耗棉、麻、化纖等各類紡織纖維原料達3500萬t［1］。若衣服的平均周期以3～4年計，紡織品的廢棄物以70%計［2］，全世界每年在生產環(huán)節(jié)產生的邊角料和家庭廢棄的紡織品合計將超過2000萬t［3］。廢舊紡織品循環(huán)利用第一次被寫入中國紡織工業(yè)“十二五”規(guī)劃［4］。目前，廢棄紡織品纖維的循環(huán)再利用主要集中在單一纖維原料上，比如通過生物酶法分離回收廢棄滌棉中的滌綸［5］;提取利用廢棄羊毛中的角蛋白［6］;回收再利用廢舊棉紡織品［7］等。這些方法共同的缺點是在回收利用過程中的“挑剔”性，即只針對一種原料的回收，因而降低了效率。而把廢棄紡織品纖維應用在造紙工業(yè)則可以克服這個缺陷，不必分出單一成分的纖維，提高利用率。與此同時我國造紙資源不足，人均林木蓄積量僅10 m3，為世界人均林木蓄積量的 17.2%［8］，2010—2011年，我國造紙原料的對外依存度高達44%［9］，已引起業(yè)界的嚴重擔憂。2011年12月發(fā)布的造紙工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確指出:要科學合理利用非木資源，實施清潔生產新工藝，提高節(jié)能減排和綜合利用水平，提高非木纖維制漿造紙質量［10］。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

廢棄紡織品:T恤衫，長袖衫，牛仔褲，毛巾等。木漿由蘇州工業(yè)園區(qū)金華盛紙業(yè)提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 分揀開松處理

將收集的廢棄紡織品按顏色深淺及成分分為4類:合成纖維(淺色)、純棉纖維(淺色)、纖維素纖維(淺色)、纖維素纖維(深色)。去除紐扣、拉鏈、金屬裝飾物等非纖維類物質，剪成尺寸為3 cm×4 cm的布條，進行開松除雜粉碎處理成短纖維。

1.2.2 原材料的預處理

分別稱取4種原材料各40 g，在質量分數(shù)為3%的氫氧化鈉溶液中，80℃水浴加熱處理2 h，原材料與氫氧化鈉溶液的浴比為1∶20。處理完畢后用大量水沖洗纖維，擠出水分后放到真空干燥箱里在120℃干燥12 h。用98%的醋酸中和預處理液中未反應的氫氧化鈉，pH值控制在6.5～7.5之間，將處理后的廢液倒入廢水池處理。

1.2.3 抄造成型

根據QB/T 3703—1999《紙漿的實驗室紙頁的制備常規(guī)紙頁成型器法》，按照木漿與廢棄纖維的干態(tài)質量比為1∶1稱取纖維，每組稱取6個樣品;將樣品放入燒杯用清水浸泡，使纖維浸潤并充分分散于水中。用攪拌器攪拌充分疏解浸泡過的纖維，水用量為1.5 L，使用紙頁成型器抄造紙張，把抄好的紙張使用壓片器進行壓平，用滾筒干燥器進行干燥，放置到恒溫恒濕室平衡24 h。

1.3 性能測定

待測試樣在標準恒溫恒濕室內平衡24 h。紙張定量使用YQ-Z-45型紙張定量測定標準試樣取樣器(中國)測定;紙張白度的測定使用Technidyne Color Touch PC型殘余油墨測定儀(美國);紙張厚度測定參照GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》，使用L＆W 250型厚度儀(瑞典);紙張抗張指數(shù)參照GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》，使用L＆W CE062型抗張強度儀(瑞典)測定;紙張撕裂指數(shù)參照GB/T 455—2002《紙和紙板撕裂度的測定》，使用L＆W 009型撕裂度儀(瑞典)測定;紙張透氣度參照GB/T 458—2008《紙和紙板透氣度的測定》，使用L＆W 166型透氣度儀(瑞典)測定;紙張耐破度參照GB/T 454—2002《紙耐破度的測定》，使用L＆W CE180型耐破度儀(瑞典)測定。

2 結果與討論

2.1 手抄紙厚度和透氣度

按照QB/T 3703—1999，絕對干態(tài)定量(60±3)g抄造，5種不同組分纖維的回潮率不同，所以5種手抄紙在標準恒溫恒濕室內的定量略有差異，手抄紙的樣品名稱和對應編號如表1所示。

表1 各組手抄紙名稱與對應編號Tab.1 Name of each group of handsheets and corresponding number

表2示出各組手抄紙的厚度、定量和透氣度。5種手抄紙的厚度差異較大，其中木漿(對比樣)手抄紙最薄，為121.93 μm，木漿與合成纖維(淺色)手抄紙最厚，為172.03 μm，比木漿(對比樣)手抄紙增厚了41.10%。這是因為合成纖維的吸水性較差，相互間的結合力比較差，從而導致紙張相對蓬松，比較厚。

表2 各組手抄紙的厚度、定量和透氣度Tab.2 Thickness，permeability and quantitative of each group of handsheets

5種紙張透氣度的變化趨勢與厚度的變化趨勢一致，由于纖維間的結合力強，紙張致密，所以木漿(對比樣)手抄紙透氣度較低，為9.58 μm/(Pa·s);而木漿與合成纖維(淺色)手抄紙由于合成纖維間的結合力差，紙張蓬松，透氣度比較好，為100.00 μm/(Pa·s)，是木漿 (對比樣)手抄紙的10.44倍。木漿與纖維素纖維手抄紙和木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的透氣度與木漿與合成纖維(淺色)手抄紙相近，相差不大。

2.2 各組手抄紙的結構

各組手抄紙均為表面平整的片狀物，其結構如圖1所示。可以看出，000#木漿(對比樣)手抄紙的纖維間結合致密，木漿纖維呈扁平狀，有分絲帚化出的細絲相互糾纏，增加結合力。001#木漿與合成纖維(淺色)手抄紙纖維間的結合明顯疏松，存在許多孔洞，因此具有優(yōu)異的透氣性。002#木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙、003#木漿與纖維素纖維(深色)手抄紙和004#木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙3種材料類似，其結構也較為相似，但002#木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙的結構相對更為致密。

圖1 各組手抄紙掃描電鏡圖(×150)Fig.1 SEM images of each group of handsheet(×150).(a)Wood pulp(control sample)handsheet;(b)Synthetic fiber(light)handsheet;(c)Cellulose fiber(light)handsheet;(d)Cellulose fiber(dark)handsheet;(e)Cotton fiber(light)handsheet

2.3 各組手抄紙力學性能

表3示出各組手抄紙的力學性能。可以看出，手抄紙耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)和抗張指數(shù)的數(shù)值變化趨勢大體一致，木漿(對比樣)手抄紙的這3種性能都要優(yōu)于其他4種手抄紙。耐破指數(shù):木漿(對比樣)手抄紙為 3.09 kPa·m2/g，木漿與纖維素纖維(深色)手抄紙為0.81 kPa·m2/g，前者是后者的3.81倍;木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的耐破性能是4種廢棄纖維配抄紙張中最好的，耐破指數(shù)為1.51 kPa·m2/g，木漿與合成纖維(淺色)手抄紙為1.48 kPa·m2/g，與木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的相近，這是因為雖然合成纖維間的結合力不強，但是合成纖維本身的強力較高。

撕裂指數(shù):木漿(對比樣)為14.55 mN·m2/g，木漿與合成纖維(淺色)手抄紙為4.16 mN·m2/g，前者是后者的3.50倍;木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙與木漿與合成纖維(淺色)手抄紙的相近為4.18 mN·m2/g，最大的是木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙的，為6.96 mN·m2/g。抗張指數(shù):木漿(對比樣)手抄紙的為39.50 N·m/g，木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的為11.06 N·m/g，前者是后者的3.46倍;木漿與合成纖維(淺色)手抄紙和木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的相近，為11.41 N·m/g，最大的是木漿與纖維素纖維(深色)手抄紙的，為21.38 N·m/g。

表3 各組手抄紙的力學性能Tab.3 Mechanical properties of each group of handsheets

2.4 各組手抄紙的白度和不透明度

表4示出各組手抄紙的白度和不透明度。可以看出，木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙和木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙的白度和木漿(對比樣)手抄紙的比較相近，都在82.57%以上。木漿與合成纖維(淺色)手抄紙的略低，為64.41%，木漿與纖維素纖維(深色)手抄紙的白度最低，為49.73%，這是因為這組材料是藍色牛仔褲，所以顏色比較深。不透明度與白度的趨勢相反，纖維的顏色越深不透明度越高，因為深色的材料可吸收更多的光波，從而導致不透明度高。

表4 各組手抄紙的白度和不透明度Tab.4 Whiteness and opacity of each group of handsheets

3 結論

廢棄紡織品纖維與木漿配抄手抄紙的透氣性非常好，最大的是木漿與合成纖維(淺色)手抄紙為100.00 μm/(Pa·s)，是木漿(對比樣)手抄紙的10.44倍。廢棄紡織品纖維與木漿配抄手抄紙的力學性能都比木漿(對比樣)手抄紙的差;耐破性能最好的是木漿與純棉纖維(淺色)手抄紙，耐破指數(shù)為1.51 kPa·m2/g;撕裂指數(shù)最大的是木漿與纖維素纖維(淺色)手抄紙，為6.96 mN·m2/g;抗張指數(shù)最大的是木漿與纖維素纖維(深色)手抄紙，為21.38 N·m/g。廢棄紡織品纖維與木漿配抄手抄紙的白度與紡織纖維本來的顏色相關，顏色最淺的白度可達83.07%，深色為49.73%。

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