不同废纸纤维增强聚乳酸基复合材料性能研究

迪静静 张效林 李少歌 段婧婷 吕金燕 王 毅 朱晓凤

（西安理工大学印刷包装与数字媒体学院，陕西西安，710048）

近年来，作为一种环境友好、无毒和可再生的材料——植物纤维增强树脂基复合材料在制造业，特别是包装业、建筑业、汽车业和家具业等领域均有广阔的应用空间［1］。与天然纤维相比，废纸纤维（即再生纤维）是一种数量巨大的可回用资源，实现其充分利用，能够节约植物纤维原料，同时减少固体废弃物的排放，并降低生产成本［2-3］。据统计，截至2019年，我国纸和纸板生产总量已达10765万t，消费量达10704万t，居世界第一［4-5］。然而，面对如此巨大的供应量，废纸的回收利用水平低、技术单一，目前主要局限于利用废纸纤维造纸［6］；对废纸纤维的研究着重于再造纸的使用性能及理化性质，而从形态及结构特性入手来研究废纸纤维后续回收及使用性能的研究相对较少。因此，提高废纸纤维的资源化利用率，尤其是高值化利用率将是今后研究热点之一。聚乳酸（PLA）是一种典型的生物基可降解材料［7］，可以在堆肥、燃烧等特定条件下被完全分解得到二氧化碳和水，实现源于自然、归于自然的生态碳循环，是一种理想的绿色高分子材料。

综合考虑对环境的影响及后续回收、处理等因素，废纸纤维和PLA均具有良好的发展及应用前景。目前，在复合材料领域，天然植物纤维作为增强体的技术已经相对成熟，而废纸纤维增强新型生物基树脂的复合材料还有较大的研究空间［8-9］。现有的研究表明，废纸纤维可以作为树脂基复合材料的增强体［10-13］。

本研究旨在探索废纸纤维在复合材料领域的资源化利用前景，利用纤维分析仪、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电镜对废新闻纸、废箱纸板、办公废纸、废书刊纸的纤维形态及结构特性进行分析；然后以PLA为基体，废纸纤维为增强体，利用注塑成形法制备废纸纤维/PLA生物可降解复合材料，并研究其力学性能和界面相容性。

1 实 验

1.1 原料

废新闻纸、废箱纸板、办公废纸、废书刊纸，其中废新闻纸为废旧陕西日报，废箱纸板为普通包装黄纸板箱，办公废纸为办公室废A4打印复印纸，废书刊纸为废旧书籍；PLA，3052D，购自美国Nature Works公司。

1.2 设备及仪器

多功能植物粉碎机，BJ-400T，德清拜杰电器有限公司；电热鼓风干燥箱，101-OA型及101-OAB型，天津市泰斯特仪器有限公司；电子天秤，FA1004型，上海良平仪器仪表有限公司；双滚筒混合机（开炼机），XH-401C型，东莞市锡华检测仪器有限公司；大爱立式注塑成型机，150型，大爱机械有限公司；纤维分析仪，912型，瑞典L&W；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），FTIR-8400S型，日本SHIMADZU CORPORATION；场发射扫描电镜（FESEM），SU-8010型，日本日立公司；微机控制电子万能试验机，XXW-20A型，上海皆准仪器设备有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 纤维试样制备

对废纸原料进行分拣，将不同类型的废纸裁切为2 cm×2 cm的碎片，利用多功能植物粉碎机处理废纸得到废纸纤维，在80℃鼓风干燥箱中烘干12 h后置于不同的试样袋中密封备用。

1.3.2 复合材料试样制备

利用开炼机将废纸纤维（质量分数20%）与PLA进行共混，设置混炼温度170℃；利用立式注塑成型机（注塑温度170℃，注塑射压力9 MPa）制得不同的废纸纤维/PLA复合材料试样（每种样品5个），放入试样袋备用。

1.4 性能测试及表征

1.4.1 纤维形态测试

从上述粉碎处理制得的废纸纤维中取少量试样分散于蒸馏水中，利用纤维分析仪测量废纸纤维长度、宽度、扭结角度和扭结指数等形态参数，并计算得到纤维长径比。

1.4.2 FT-IR表征

废纸纤维与KBr粉末经压片机冷压制得压片试样，利用FT-IR进行表征，扫描次数40次，分辨率4.0 cm−1，扫描范围400～4000 cm−1。

1.4.3 力学性能测试

利用万能试验机分别测试PLA样品和4种废纸纤维/PLA复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量。材料拉伸强度测定参照标准GB/T 1447—2005，加载速度10 mm/min；弯曲性能测定参照标准GB/T 1449—2005，加载速度2 mm/min；测试结果为多次测量取平均值。

1.4.4 SEM表征

利用SEM观测试样拉伸断面的微观形貌，设置扫描电压为2.0 kV，对纤维分别进行500倍和1000倍观测，对复合材料断面进行1500倍观测，测试前需对试样进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 纤维形态分析

经纤维分析得到4种废纸纤维质均长度分布如图1所示。由图1可知，4种废纸纤维的质均长度均呈正态分布，几乎所有的纤维都分布在0.001～3.5 mm区间内。相对其他3种废纸纤维，办公废纸纤维的长度分布相对集中，细小纤维和较长纤维数量较少，其纤维长度大多集中在0.2～1.0 mm区间内，占比达83%。纤维长度＞1.5 mm的区间内，废书刊纸纤维占比最大，说明书刊废纸纤维中较长纤维的含量最多。

图1 废纸纤维的质均长度分布Fig.1 Length distribution of wastepaper fibers

4种废纸纤维在各长度区间内的纤维平均宽度和基本形态参数分别如图2和表1所示。从图2可以看出，纤维长度＜1.0 mm的区间内，4种废纸纤维的平均宽度分布均较均匀且相差不大。其中，办公废纸纤维在各长度区间内的平均宽度最小，其他3种废纸纤维平均宽度相差不大，纤维的形态参数测量也显示了这一结果。由表1可知，办公废纸纤维平均宽度为19.4µm，明显小于其他3种废纸纤维。废箱纸板纤维具有最小的纤维平均长度和最大的纤维平均宽度，因此，其长径比最小；办公废纸纤维长径比最大，为31.4。对于扭结性能，废箱纸板纤维平均扭结角度为44.8°，平均扭结指数1.794，在4种废纸纤维中为最小，因此，废箱纸板纤维在强度方面的性能相对更优异。

图2 各长度区间内废纸纤维的平均宽度Fig.2 Mean width of wastepaper fibers in various length range

表1 废纸纤维的基本形态参数Table 1 Basic morphological parameters of wastepaper fibers

2.2 FT-IR分析

4种废纸纤维的FT-IR谱图及谱峰归属分别如图3和表2所示。由图3和表2可知，废书刊纸和办公废纸纤维有别于其他2种纤维，在1756 cm−1附近出现C＝O伸缩振动峰，880和710 cm−1处碳酸钙的C—O弯曲振动及1425 cm-1处碳酸钙的C—O不对称伸缩振动峰明显增强，这是由这两种废纸纤维中添加的碳酸盐填料所致。由图3还可知，从办公废纸、废书刊纸、废新闻纸到废箱纸板纤维，3400 cm−1处纤维素的—OH伸缩振动特征峰强度逐渐降低，表明—OH数量在这4种废纸纤维分子中依次减少［14］。

2.3 力学性能分析

废纸纤维/PLA复合材料的弯曲强度和弯曲模量如图4所示。由图4可知，与PLA材料相比，添加废新闻纸、废箱纸板、办公废纸和废书刊纸纤维的复合材料弯曲强度分别提高了1.33%、2.92%、1.34%和1.83%，弯曲模量分别提高34.17%、32.91%、32.88%和34.75%，说明添加4种废纸纤维均可提高复合材料的弯曲强度和弯曲模量；其中，废箱纸板纤维增强效果最佳，其对应的复合材料弯曲强度达100.5 MPa。而弯曲强度的提高说明纤维抵抗弯曲的能力增强，弯曲模量提高说明添加废纸纤维可提高PLA基体的刚性［16］。

图3 废纸纤维的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of wastepaper fibers

表2 红外光谱吸收及其对应的结构归属Table 2 Infrared spectra adsorption and structural assignment

图4 复合材料弯曲强度和弯曲模量Fig.4 Flexural strength and flexural modulus of composites

废纸纤维/PLA复合材料的拉伸强度如图5所示。由图5可知，与PLA材料相比，添加废新闻纸、废箱纸板、办公废纸和废书刊纸纤维的复合材料拉伸强度分别提高2.90%、4.68%、0.74%和4.11%，这是由于纤维的拉伸强度和模量高于PLA的拉伸强度和模量，向PLA基体中添加纤维材料可以提高复合材料的拉伸性能［17］。其中，废箱纸板和废书刊纸纤维增强PLA的效果相对较好，对应的复合材料拉伸强度分别达64.9和64.6 MPa；这是因为废箱纸板和废书刊纸纤维扭结程度相对较低，而扭结程度是表征纤维产生的不自然、不正常转折程度的指标，一定程度上，纤维扭结程度越低，纤维强度性能及其复合材料的性能越好［18］。虽然，办公废纸纤维长径比最大，理论上，在复合材料成形过程中，其纤维可以充分缠结交织从而具有更优异的结构特点及力学性能［19］，然而其较高的扭结程度一定程度制约了其机械性能的提高。总体，与PLA材料相比，4种废纸纤维/PLA复合材料的力学性能均有不同程度提高，归因于复合材料受外力作用时，部分应力从PLA基体分散转移到废纸纤维上，纤维起到承担载荷（外力作用）的作用［1，20］。

图5 复合材料拉伸强度Fig.5 Tensile strength of composites

2.4 SEM分析

4种废纸纤维的SEM图如图6和图7所示。由图6（a）和图6（c）可知，废新闻纸纤维破坏严重，细小纤维含量较多，且于多处发生扭结；办公废纸纤维存在明显的扭结，与表1中所得结果一致，二者的扭结程度较高；因此，在复合材料受到外部载荷时，其承力作用有限。由图6（b）和图6（d）可知，废箱纸板及废书刊纸纤维受损程度相对较轻，表面维持着良好的形态和结构，故承力效果较好，SEM分析与表1数据所得结论基本一致。将SEM扫描倍数放大至1000倍后，4种废纸纤维的表面微观特性如图7所示。从图7（a）可以看出，废新闻纸纤维表面遍布横节纹［21］，纤维表面较为粗糙。从图7（b）～图7（d）可以看出，废箱纸板、办公废纸和废书刊纸3种纤维表面均未有明显受损，纤维形态完整；不同的是，办公废纸纤维表面相对平整、光滑；而废箱纸板和废书刊纸纤维表面随机分布着多处凸起，一定程度上可增加其粗糙度，这将有助于纤维与纤维、纤维与PLA基体材料之间形成有效的机械交织力，从而改善复合材料的力学性能［22］。

纤维基复合材料拉伸断裂实验中，通常以纤维拔出、纤维脱粘、纤维断裂和基体断裂等形式来吸收能量，这种韧性机制可以提高纤维基复合材料的力学性能［19］。图8为废纸纤维/PLA复合材料的断面SEM图。从图8（b）和图8（d）可以看出，废新闻纸纤维/PLA及办公废纸纤维/PLA复合材料界面存在多处间隙，说明这两种废纸纤维与PLA基体的界面相容性差，而复合材料的力学性能很大程度上取决于纤维和PLA基体间的界面相容性，且这两种纤维的扭结程度较高、废新闻纸纤维表面受损严重，因此，这两种复合材料的拉伸性能和弯曲性能相对较差。从图8（c）和图8（e）可以看出，废箱纸板纤维/PLA复合材料界面结合情况理想，在复合材料断面处几乎不存在孔洞或间隙，表明废箱纸板纤维与PLA基体的界面相容性好，纤维能充分发挥承力作用［23］；FT-IR表征得到废箱纸板纤维表面—OH较少的结论也佐证了这一结果。另外，从图7可以看到，废箱纸板纤维形态相对完整，表面存在一定粗糙度，纤维分析也表明其受损程度相对较小，因此，可以更好地增强PLA基体的力学性能。

图6 废纸纤维SEM图（×500）Fig.6 SEM images of wastepaper fibers(×500)

图7 废纸纤维SEM图（×1000）Fig.7 SEM images of wastepaper fibers(×1000)

图8 废纸纤维/PLA复合材料SEM图（×1500）Fig.8 SEM images of wastepaper fiber/PLA composites(×1500)

3 结论

以聚乳酸（PLA）为基体、4种废纸（废新闻纸、废箱纸板、办公废纸、废书刊纸）纤维为增强体，利用注塑成形法制备废纸纤维/PLA生物可降解复合材料并探究废纸纤维对复合材料界面相容性和力学性能的影响。通过纤维分析仪、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、扫描电镜（SEM）和万能试验机表征4种废纸纤维及其复合材料，主要结论如下。

3.1 废新闻纸纤维表面受损严重，多处出现扭结及横节纹；废箱纸板及废书刊纸纤维形态完整，扭结程度低，平均扭结角度分别为44.8°和48.6°，平均扭结指数分别为1.794和1.955，纤维表面较为粗糙，且废箱纸板纤维表面羟基数量最少；办公废纸纤维长径比最大，为31.4，细小纤维含量较少，纤维形态特性良好但表面相对平滑。

3.2 4种废纸纤维对PLA基体的力学性能均有一定改善。其中，废箱纸板和废书刊纸纤维对PLA基体的增强效果更好，复合材料界面相容性也相对较好，其对应复合材料的弯曲强度分别为100.5和99.4 MPa，拉伸强度分别为64.9和64.6 MPa，弯曲模量较纯PLA材料分别提高32.91%和34.75%。