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摘 要： 摘要:研究造紙污泥資源化利用，分析偶聯劑對玻璃纖維布增強造紙脫墨污泥纖維板物理性能的影響.結果表明，隨著偶聯劑的加入，纖維板的各項性能均有明顯提高，但偶聯劑的加入量超過1.0%后，纖維板性能的改善不再顯著.紅外光譜分析發現，偶聯劑改善玻璃纖維表面
摘要:研究造紙污泥資源化利用，分析偶聯劑對玻璃纖維布增強造紙脫墨污泥纖維板物理性能的影響.結果表明，隨著偶聯劑的加入，纖維板的各項性能均有明顯提高，但偶聯劑的加入量超過1.0%后，纖維板性能的改善不再顯著.紅外光譜分析發現，偶聯劑改善玻璃纖維表面極性，使得玻璃纖維與酚醛樹脂膠產生共價連接.掃描電鏡觀察發現，偶聯劑能增加玻璃纖維表面粗糙度，由于酚醛樹脂對玻璃纖維表面是潤濕的，改善了玻璃纖維表面的潤濕性，有利于膠合.
關鍵詞:建筑材料;環境科學;造紙脫墨污泥;纖維板;玻璃纖維布;力學性能;資源化利用
造紙工業是污染環境的主要行業之一.2008年中國紙和紙板產量達7980萬噸，為世界第一，其中約60%為廢紙脫墨漿，年產污泥量在1000萬噸以上，絕大部分都以填埋方式處理.造紙污泥資源化利用是解決環境污染的處理與處置方向之一.目前，在污泥資源化方面做了許多研究，包括土地利用[1-3]、肥料利用[4-6]和制造各種材料[7-9]，但在纖維板上的應用較少見.與此同時，人造板工業快速發展所面臨的主要問題是原料的供應.因此以造紙廠污泥為原料制造纖維板，是污泥資源化利用的方向之一.單純用污泥制造纖維板，各項性能很難達到國家標準，玻璃纖維具有較高的抗拉強度(單絲抗拉強度為1770～2500MPa)和較高的彈性模量(約70GPa)[10].本研究利用玻璃纖維布增強污泥纖維板，以提高污泥纖維板的力學性能，尤其是靜曲強度和彈性模量，同時解決造紙行業產生的大量污泥的處理問題，使廢料得以再生利用，減少了環境污染，也為生產人造板開辟了廣泛的原料來源.
1實驗研究
1.1材料
造紙脫墨污泥，取自安徽馬鞍山山鷹紙業股份有限公司的污泥脫水車間，運回后置于5℃左右冷庫中保存，隨用隨取.測得濕污泥水的質量分數為72.70%;干污泥有機物質量分數為49.85%;pH值為6.6;干污泥纖維質量分數為34.09%;造紙污泥中大部分的纖維都很短，約77%纖維的長度在0.20mm以下.污泥灰分中銅離子等重金屬離子含量低于GB4284—84《農用污泥中污染物控制標準》[11].
酚醛樹脂膠(PF)，取自浙江中嘉化工有限公司.水溶性，固體質量分數為50%，黏度800～900mPa·s(25℃)，游離醛質量分數<0.1%，游離酚質量分數<0.1%，pH值為11～12.
偶聯劑，KH-550型，即3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltrietoxysilane)，南京曙光化工集團生產，分子式為NH2(CH2)3Si(OCH2CH3)3，質量分數為99%.
玻璃纖維布，屬于無堿玻璃纖維布，購自南京玻璃纖維研究院，為未處理布，其厚度為0.20mm，單位面積質量為200g/m2，浸潤劑為石蠟.
1.2實驗設備
熱壓機和XLB型平板硫化機，用于污泥纖維板熱壓;電子天平，LP-502型，用于實驗過程中稱重;微機控制電子萬能試驗機，CMT6104型，用于污泥纖維板力學性能測試;烘箱，DHG-9203A型，用于干燥污泥;大型磨粉機，自制，用于干燥污泥的磨粉;MAGNA-IR550傅里葉變換紅外光譜儀;掃描電鏡，3400-I型，日本日立公司生產.
1.3實驗過程
1.3.1造紙污泥纖維板熱壓
將造紙污泥在105℃烘干，再用自制電磨機磨成細小顆粒.其中，5～10目的占30%;10～20目的占35%;20～40目的占30%;40目以下的細粉占5%.使用前再次將備用粉末在105℃烘干，裝入密封袋1天內用完，使用時含水率約為3%～5%.
玻璃纖維生產中，單絲經過浸潤劑槽集束成原絲.浸潤劑的作用是使纖維黏合集束、潤滑、耐磨等.浸潤劑一般用石蠟乳液，減弱了玻璃纖維與基體污泥纖維板的結合力，因此本實驗使用玻璃纖維布前必須進行脫蠟.將2.0869g玻璃纖維布放在200℃烘箱中烘4h，每小時稱量1次，稱得質量分別采用2.0835、2.0776、2.0762和2.0760g，第3和第4小時僅差0.0002g，因此可以認為第3小時以后玻璃纖維布重量變化不大，本實驗脫蠟時間取3h(因為時間短，不影響強度).
實驗工藝參數為:溫度120℃;時間8min;單位壓力1MPa;板子尺寸為300mm×300mm×10mm，用厚度規控制厚度，設計密度0.85g/cm3.污泥纖維板施膠量為13%，使用前將PF膠用60目篩網過濾掉雜質備用，施膠方式為直接拌入.污泥纖維板上下兩面用玻璃纖維布增強，單面PF膠加入量為120g/m2;PF膠按固體含量100%計，偶聯劑加入量分別采用0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%.偶聯劑分兩種方式加入，一種是直接加入PF膠中，再涂刷于玻璃纖維布表面，涂膠后放置20min;另一種是偶聯劑加入與涂膠所需PF膠量相同質量的乙醇中，涂刷在玻璃纖維布表面，放置1h，自然晾干，再涂刷PF膠.
1.3.2玻璃纖維布預處理
玻璃纖維布先在200℃烘3h進行脫蠟處理，放至室溫.置于用無水乙醇溶液配制的2%偶聯劑溶液中，搖晃浸泡15min，取出，室溫放置1h;二甲苯抽提3h洗去表面殘留的偶聯劑;取出，用無水乙醇洗3遍，在120℃烘10min，備用.
1.3.3玻璃纖維布增強纖維板評價指標及方法
按GB/T17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]測試靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內結合強度(IB)、沸騰實驗后內結合強度(IBb)和24h吸水厚度膨脹率(TS).板材放置72～96h后開始測試，此時水的質量分數為7%～8%.采用極差、方差分析方法研究各工藝參數對材料性能影響的顯著性，使用SAS統計軟件進行分析.
2結果與討論
2.1玻璃纖維布增強污泥纖維板的物理力學性能
偶聯劑施加量(CC)、密度(SG)、含水率(MC)和物理力學性能測試結果見表1，方差及顯著性分析結果見表2.由表1和表2可知，偶聯劑加入量對材料各項性能增加影響顯著，但超過1.0%，增加不顯著.偶聯劑施加方式對材料MOR影響顯著，對其余性能影響不顯著，這表明偶聯劑可以采用直接加入膠黏劑的方式，因為這種方式工藝操作比較簡單.隨著偶聯劑的加入各項性能均有所提高，但超過1.0%，增加不明顯，由于偶聯劑有一個最佳使用量，要達到最佳的改性效果，理想的狀態是在材料表面形成一個完整的偶聯劑單分子層.偶聯劑用量太少，不能將填料表面完全包覆;用量太大，則在填料表面形成多分子層，這種偶聯劑多分子層會對材料的性能產生負面影響[10].偶聯劑混合加入方式比分開加入方式效果略好，但達不到顯著差別.這是因為混合法的作用過程是硅烷偶聯劑從樹脂遷移到纖維面，并與纖維表面作用.因此硅烷偶聯劑摻入樹脂后須放置一段時間，以完成遷移過程，而后再進行固化，方能獲得較佳的效果.從理論上推測硅烷偶聯劑分子遷移到填料表面的量，僅相當于填料表面生成單分子層的量，同時也可以改善酚醛樹脂膠與高無機物含量污泥的結合.而分開加入方式，偶聯劑在纖維表面聚集，可能形成多分子層.對于兩種偶聯劑加入方式，偶聯劑加入大于1.0%時，材料各項性能均達到或超過國家中密度纖維板標準[13].
2.2玻璃纖維布增強污泥纖維板機理
2.2.1紅外光譜分析
圖1是玻璃纖維布紅外光譜分析圖，分別表示未經硅烷偶聯劑處理(untreated)和經過硅烷偶聯劑處理(treated).由圖1可知，未處理玻璃纖維絲表面在3432cm-1和1497cm-1附近處有吸收峰，這是由于分別存在O-H伸縮振動和面內振動，這是醇羥基的吸收峰，因此可認為玻璃纖維表面存在醇類化合物[14].1636cm-1附近處有吸收峰，可認為是有水分存在.經過偶聯劑處理后可看出，在2928cm-1附近處增加了1個吸收峰，這是伯胺(R-NH2)的吸收峰;同時在1115cm-1附近處增加了1個吸收峰，這是醚鍵(Ar-O-R)不對稱伸縮振動的吸收峰[15].由于硅醇間進行醚化反應及硅醇與吸水的玻璃纖維表面進行醚化反應，Si-O-Si增多，并且伯胺(R-NH2)在3400cm-1附近處有吸收峰，因此在1057cm-1和3400cm-1附近處，吸收峰均比未處理玻璃纖維時寬.在1057cm-1附近處是玻璃纖維表面Si-O-Si的吸收峰[16]，其后兩個吸收峰也可以認為是石英(SiO2)的吸收峰[17-18].因此有理由認為，偶聯劑之間，以及偶聯劑與玻璃纖維之間，發生了一系列的反應[19]，改變了玻璃纖維表面原來的性質，使之具有親樹脂基體性質.
2.2.2掃描電鏡觀察
從經過偶聯劑處理和未處理的玻璃纖維布中各抽取少量玻璃纖維(直徑8μm左右)，固定于樣品臺上，噴金，掃描電鏡觀測.圖2為未經偶聯劑處理和經偶聯劑處理的玻璃纖維布掃描電鏡照片，圖2玻璃纖維布掃描電鏡照片Fig.2SEMimagesoffiberglassfabric放大15.0×103倍.由圖2可知，經過偶聯劑處理后玻璃纖維表面明顯變粗糙，變得坑坑洼洼，同時也增大了玻璃纖維的表面積.如果不使用偶聯劑處理，樹脂黏度較大，不能完全填滿表面空穴，而用偶聯劑處理，則可以通過“拋錨”效應來提高界面性能[20].表面粗糙和有污染時，對潤濕過程會產生影響.潤濕時，粗糙度越大，接觸角越小，更易潤濕;不潤濕時，粗糙度越大，越不利于潤濕[21].酚醛樹脂膠是強極性物質，對玻璃纖維表面是潤濕的.偶聯劑化學處理使得玻璃纖維表面極性增大，表面自由能提高.從玻璃纖維布中抽取玻璃纖維絲，接觸角實際測量未處理絲的接觸角為40.67°，偶聯劑處理絲的接觸角為35.65°，接觸角變小.Ziman浸潤理論認為:要得到良好的界面，樹脂必須能很好地潤濕界面，玻璃纖維表面能的提高更有利于基體的潤濕.
綜上，偶聯劑處理從化學和物理兩個方面改善了玻璃纖維表面的化學鍵及潤濕性，有利于膠合.
結語
使用玻璃纖維布進行增強造紙脫墨污泥纖維板研究，發現隨著偶聯劑的加入，各項性能均有所提高，但偶聯劑的加入量超過1.0%后，纖維板性能的改善不再明顯.工藝參數對材料各項性能影響顯著，回歸方程擬和不佳.紅外光譜分析發現，偶聯劑改善玻璃纖維表面極性，使得玻璃纖維與酚醛樹脂膠產生共價連接.掃描電鏡觀察發現，偶聯劑能增加玻璃纖維表面粗糙度，由于酚醛樹脂對玻璃纖維表面是潤濕的，因此進一步改善了玻璃纖維表面的潤濕性，有利于膠合.——論文作者：劉賢淼，江澤慧，費本華
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