不同廢紙木質纖維素纖維的性能評價

郭秀艷，蔣正武，馬國金

（1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海200092；2.井岡山大學機電工程學院，江西吉安343009；3.井岡山大學建筑工程學院，江西吉安343009）

不同廢紙木質纖維素纖維的性能評價

郭秀艷1，2，蔣正武1，馬國金3

（1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海200092；2.井岡山大學機電工程學院，江西吉安343009；3.井岡山大學建筑工程學院，江西吉安343009）

木質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定型結構，被廣泛應用于水泥基材料中。廢紙的主要組成是木質纖維素纖維，兼具了木質纖維素纖維自身的優勢，可以考慮作為水泥基材料抗裂纖維來使用。本文以廢紙為原料、纖維長度為疏解效率指標，采用正交試驗方法確定了最佳的廢紙疏解工藝，并根據其特定使用領域，有針對性的研究了幾種廢紙漿纖維制備的木質纖維素纖維抗堿性、吸水性及其形態尺寸的分布規律。研究結果表明：12%漿濃、溫度60℃、疏解時間40 min，碎漿機轉速300 r／min的試驗條件下，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度相近且高于辦公紙漿纖維長度；4種木質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；木質纖維素纖維；正交試驗；抗堿性；吸水率；纖維長度；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展［1?2］。木質纖維素纖維因其具有三維網狀結構，在水泥基材料內部可以形成一種亂象支撐體系，尤其是獨特的親水性能，可以使水泥水化產物粘附于纖維表面，增強了水泥基體與骨料間的粘結性能，進而起到增韌阻裂的效果［3?4］。廢紙的重要組元是纖維素，使其具備了木質纖維素纖維的典型特征，因此，可以考慮用廢紙來取代原木漿纖維作為填料應用到水泥基材料中。有文獻表明應用到水泥基材料中的廢紙纖維無需脫墨處理，避免了脫墨廢水污染環境的問題，同時在強度要求不高的條件下，降低了生產成本［5?6］。但現有文獻大多集中在廢紙應用后的基體性能評價，并未對廢紙纖維本身的性能變化做過多的闡述，而且針對建材領域用的廢紙纖維各項性能指標尚無法查詢。因此，參考現有的原木質纖維素纖維性能指標，通過某種預處理手段來制備廢紙再生纖維，使其各項性能指標盡可能達到或接近水泥基材料用的原木質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，單絲纖維的產率下降，而且易造成纖維的切斷，這將對水泥基材料用的纖維產生負面影響。濕法碎漿完全可以避免這一缺陷，不存在機械性的纖維切斷，而且纖維疏解更完全，避免了纖維結塊對其分散性的影響。

本文選取城市生活中常見的幾種廢紙，通過濕法碎漿技術疏解廢紙纖維，并對其結構、形態等基本性能做了分析。該研究對廢紙纖維的二次利用提供了一條思路，并對廢紙纖維的性能研究具有一定的參考價值。

1 試驗工藝與測試方法

1.1 試驗工藝

取國產廢舊新聞紙、辦公紙、牛皮紙和箱板紙為原料，要求廢紙不含膠，雜質不超過1%，無用物不超過0.25%。將廢紙撕成碎片，浸泡水中12 h后加入到PL12-00高濃水力碎漿機中疏解。按4因素3水平設計正交試驗方案。以新聞紙漿為例，纖維長度為疏解效率指標，并根據數值方差來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目網篩過濾去除微小組分，真空抽濾后置于105℃電熱鼓風干燥箱中干燥24 h至恒重。采用自制毛化器將絕干漿分散得到絮狀木質纖維素纖維材料。

1.2 測試方法

參考國家標準GB／T 742?2008測定木質纖維素纖維灰分含量；參考國家標準GB／T 744?2004測定木質纖維素纖維在不同濃度堿液環境下的抗堿性能；參考國家標準GB／T 28218?2011，利用VMS3020影像測量儀觀察纖維形態，并隨機測量300根纖維尺寸，取其平均值作為數量平均纖維長度；參考國家標準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試企業標準（Q／320683KDW01?2007），采用浸水法測定木質纖維素纖維吸水倍率。

2 結果與討論

2.1 廢紙疏解工藝參數的選擇

纖維在水泥基材料中呈三維網狀分布，在混凝土或砂漿中起到很好的搭橋作用，纖維長度顯得尤其重要。較長的纖維能增強相連纖維及纖維與水泥混凝土基體的粘結強度，但過長纖維加入到基體中容易纏繞成團，不易分散，纖維過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以纖維長度為疏解效率指標，通過正交試驗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，如表1所示。根據表1中因素水平來設計正交試驗方案，如表2所示。以新聞紙、牛皮紙為例，根據表2中各因素的組配完成每組廢紙疏解試驗，并測其平均纖維長度，其結果亦如表2所示。

表1 因素水平表Table1 Factors and level

表2 實驗方案與結論Table2 The experimental program and results

以新聞紙為例，通過纖維長度計算各因素出現次數所得結果之和K及方差R。從R值可以看出，溫度C的方差值最大，即溫度對測定的影響嚴重，且K3＞K2＞K1，所以選擇第3個水平，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K值，選擇碎漿時間為40 min，碎漿機轉速300 r／min。

如用牛皮紙漿纖維長度計算K及R，其變化規律與上所述規律相同，故選擇這一疏解工藝參數作為4種廢紙的最佳疏解工藝參數。

2.2 木質纖維素纖維物理性能

2.2.1 灰分含量

灰分對紙張纖維性能有很大的影響，根據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］。幾種木質纖維素纖維灰分含量測定如表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12.51%；箱板紙的灰分含量次之，因為箱板紙中含有大量的草漿，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80目篩分過濾后，灰分含量明顯降低，其中普通辦公紙下降了近10個百分點，這主要是由于在碎漿過程中紙漿中的細小填料與纖維分開導致灰分大量流失。

表3 纖維灰分含量測定Table3 The ash content of lignocellulosic fibers %

灰分對水泥基材料用抗裂纖維沒有影響，無需考慮將其去除掉。事實上，為增加木質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，測其α-纖維素得率，如圖1所示。從圖中可以看出，當堿液濃度為5%時，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。但同時也可以觀察到，當堿液濃度達到18%時，4種纖維的α-纖維素得率均在70%以上，說明4種木質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境，抗裂纖維同樣要求具有優越的抗堿性能，4種不同木質纖維素纖維抗堿性能指標可以給堿環境下纖維的使用提供理論參數。

圖1 纖維抗堿性測定Fig.1 The alkali resistance of lignocellulosic fibers

2.2.3 吸水率

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

表4 木質纖維素纖維吸水性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要求。在水泥基材料中，木質纖維素纖維除了和化工纖維一樣對水泥基材料具有增韌阻裂外，其獨特的空腔結構和天然的親水性能使其在混凝土拌制過程中能吸收并保有部分水分，避免水分過快蒸發引起干縮裂縫，這也是木質纖維素纖維可增強水泥基材料早期抗收縮開裂的主要利用點。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數據也說明了其吸水能力，因此，可以考慮將廢紙再生纖維作為原木漿纖維的替代品，并作為填料應用到水泥基材料領域。

2.2.4 組織形態

圖2為4種木質纖維素纖維的光學照片。根據纖維的形態特征來判斷紙漿纖維的木質來源，根據纖維顯示顏色來判斷紙漿纖維制漿工藝。不同木質來源的纖維，其強度、抗堿性也是不同的。一般情況下，針葉木漿纖維強度好于闊葉木漿纖維，而草漿的纖維強度最差，木漿纖維的抗堿性能強于草漿纖維［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，纖維長短粗細不一，由于未進行脫墨處理，纖維表面存在大量的黑色油墨粒子。黃色纖維寬長且有針葉木特有的管胞出現，藍紫色纖維細短，兩頭尖銳，且有闊葉木特有的導管，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械針葉木漿和少量的化學闊葉木漿。

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。這主要是因為辦公紙張強度及平滑度要求高于新聞紙，為達到這一要求，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管出現，因此判斷辦公紙漿纖維由大量的化學針葉木漿和少量的化學闊葉木漿組成。

牛皮紙漿纖維（圖2（c））大部分呈灰色調，少量呈黃色和紫色。大部分纖維寬長且帶有明顯的針葉木管胞特點，少量纖維紋孔較少，屬闊葉木特點，所以認為牛皮紙是由大量的機械針葉木漿和少量的半化學闊葉木漿組成。

箱板紙漿纖維（圖2（d））有寬大的黃色纖維和細小的藍紫色纖維組成。黃色纖維較寬，部分有鋸齒出現，說明存在草漿纖維，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闊葉木漿、大量的草漿和針葉木漿組成。

NaOH處理后的木質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，而實際生產中也證實了箱板紙可以由再生廢紙來加工，這些都導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 廢紙纖維光學形態×200Fig.2 The morphologies of lignocellulosic fibers×200

2.2.5 長度、細度

纖維長度通常有3種表示方法：數均纖維長度、重均纖維長度和二重重均纖維長度。因纖維中含有較多的細小組分，細小組分的尺寸和質量所占比例也相對較小，因此細小纖維的個數對數量平均纖維長度有較大的影響［10］，而某些文獻也指出質量-重量平均纖維長度更能準確的反映出纖維長度及其處理過程中的變化［11］。長度測量結果如表5所示。

表5 纖維尺寸測定Table 5 The sizes of lignocellulosic fiber from waste paper

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

變異系數可以反映數據的離散程度。一般情況下，變異系數越高，離散程度越大。從表5可以看出，新聞紙漿長度變異系數最大，而辦公紙的最小。

圖3 纖維長度分布規律Fig.3 Length distribution regularity of lignocellulosic fibers

圖3 為4種廢紙漿總體長度分布趨勢，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以下的纖維長度占90%以上，故變異系數最小，這在圖2中也能得到很好的說明。牛皮紙漿和箱板紙漿的尺寸分布趨勢較為接近。新聞紙漿的尺寸跨度最大，變異系數也最大，說明新聞紙漿的纖維形態離散程度最高。不同長度的纖維在水泥基材料中亂象分布，可以起到互補的效果。

3 結論

本文通過濕法碎漿技術，對幾種常見的城市生活廢紙進行了疏解，并對廢紙制備的木質纖維素纖維的基本物理性能進行了研究，具體結論如下：

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

2）4種木質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要求；

3）確定了4種廢紙的木質來源和漿體來源，這對以后研究廢紙漿再生纖維的強度和近一步改性提供前期基礎；

4）本文研究的木質纖維素纖維各項性能指標基本符合水泥基材料用抗裂纖維的要求。但不同類型不同用途的水泥基材料，對纖維的各項性能要求亦不相同，故應綜合評價纖維應將其應用到合適的基體材料中。

［1］錢春香，耿飛，李麗.聚丙烯纖維提高水泥砂漿抗塑性開裂的機理［J］.東南大學學報：自然科學版，2005，35（5）：786?793.

QIAN Chunxiang，GENG Fei，LI Li.Mechanism research on improvement of resistance to plastic shrinkage and cracking of cement mortar by polypropylene fibers［J］.Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2005，35（5）：786?793.

［2］馬一平，仇建剛，王培銘.聚丙烯纖維對水泥砂漿塑性收縮行為的影響［J］.建筑材料學報，2005，8（5）：499?507.

MA Yiping，QIU Jiangang，WANG Peiming.Effect of poly? propylene fiber on the plastic shrinkage stress and plastic shrinkage ratio of mortar［J］.Journal of Building Materials，2005，8（5）：499?507.

［3］KAWASHIMA S，SHAH S P.Early?age autogenous and dr?ying shrinkage behavior of cellulose fiber?reinforced cementi?tious materials［J］.Cement and Concrete Composites，2011，33：201?208.

［4］NEITHALATH N.Damage assessment in cellulose?cement composites using dynamic mechanical characteristics［J］.Cement and Concrete Composites，2006，28：658?667.

［5］NASSAR M A.Contributions of polystyrene to the mechani?cal properties of blended mixture of old newspaper and wood pulp［J］.Carbohydrate Polymers，2009，76：417?421.

［6］PE'REA J.Use of thermally converted paper residue as a building material［C］／／Proceedings of the third CANMET／ACI International Symposium on Sustainable Development of Cement and Concrete.［S.l.］，2001：55?67.

［7］馮春，陳港，柴欣生.CaCO3-細小纖維復合填料對紙張物理性能的影響［J］.中國造紙，2010，29（2）：14?17.

FENG Chun，CHEN Gang，CHAI Xinsheng.Effect of Ca?CO3?fiber fines composite fillers on the paper properties［J］.China Pulp and Paper，2010，29（2）：14?17.

［8］韓躍新，陳曉龍，李啟亮.路用木質纖維制備方法［P］.CN 1405372A，2003?03?13.

HAN Yuexin，CHEN Xiaolong，LI Qiliang.The preparation method of cellulose fiber for road construction［P］.CN 1405372A，2003?03?13.

［9］楊淑蕙.植物纖維化學［M］.3版.北京：中國輕工業出版社，2001：86?97.

［10］張素風，索曉紅.三種廢紙纖維性能的分析［J］.陜西科技大學學報，2003，21（6）：15?20.

ZHANG Sufeng，SUO Xiaohong.Fibric properties analysis of three waste paper［J］.Journal of Shanxi University of Science and Technology，2003，21（6）：15?20.

［11］賴燕明，謝益民.纖維平均長度及其儀器法測定結果分析［J］.造紙科學與技術，2003，22（3）：35?39.

LAI Yanming，XIE yimin.Average fiber length and its in?strumental measurement result analysis［J］.Paper Science and Technology，2003，22（3）：35?39.

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.網絡出版時間：2014?11?27.

國家重點基礎研究發展計劃資助（2011CB013805）；國家自然科學基金資助項目（51478348，51278360，51308407）；國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B02）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20130072110047）；上海市科委重點資助項目（14DZ1202302）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目.

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

蔣正武，E?mail：jzhw＠tongji.edu.cn.