数字印刷废纸纤维/HDPE复合材料的制备及性能研究

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随着近年来数字印刷技术的发展,数字印刷废纸的产生量正在迅速增加。数字印刷用纸属于高品质印刷纸张,主要由化学或机械处理后的木浆制成,在纸张使用完成后,依然可以保持相对完整的纤维形态和结构,具有优良的纤维质量。然而,数字印刷过程中,采用的印刷方式及油墨/墨粉与传统印刷方式存在差异,数字印刷废纸脱墨难度相对较大,导致具有优良纤维品质的数字印刷废纸在传统废纸利用行业(再生纸)并不受重视,成为低值废纸。如何实现数字印刷废纸资源化及高值、高效利用是再生资源领域需要关注的现实问题。本文以数字印刷废纸(DPWF)为纤维原料,对其纤维形态结构特性及化学组分进行分析,并以热塑性树脂高密度聚乙烯(HDPE)为基体,通过熔融混炼和注塑成型工艺制备DPWF/HDPE 复合材料,研究纤维含量和偶联剂种类、比例对材料各项性能的影响,并对复合材料耐候性进行了相关研究。本文对 DPWF/HDPE 复合材料进行了从原料预处理分析、制备、改性到耐候性的全生命流程的系统研究。研究结果显示:(1) DPWF 主要成分为纤维素和半纤维素,水分和灰分含量分别为 3.8%、18.0%。其纤维形态完整,质量均一性好,长径比较大,且具有明显高于其他植物纤维的热稳定性是一种高品质的可再生纤维资源。(2)随 DPWF 含量增加,复合材料弯曲模量增加,拉伸、弯曲强度先增后减,界面边界逐渐明显。复合材料吸水相关的性能,包括吸水率、扩散系数、热力学溶解度和渗透率等也随纤维的加入而增加,而热稳定性和活化能则逐渐下降,结晶行为也受到阻碍。当纤维含量35%时,复合材料综合性能相对较好,此时拉伸强度、弯曲强度和模量较纯 HDPE分别提高了19.1%、58.4%及177.8%。(3)复合材料分别在偶联剂添加量 3%时显示最佳的力学性能,此时复合材料吸水性能及热分解反应中前期的热降解行为均得到改善。因此,偶联剂对 DPWF/HDPE 复合材料有很好的性能增强和改善效果。其中,乙烯基三甲氧基硅烷(A171)和y-甲基烯氧基三甲氧基硅烷(KH570)作用更为显著,对复合材料成核结晶也有很好的促进效果,结品度从68.3%分别增加到 71.4%、74.1%。(4)紫外老化过程中,未处理复合材料拉伸和弯曲性能都显示增-降-增的趋势,并在老化500 h后依然维持良好的力学强度,拉伸强度,弯曲强度、弯曲模量分别达到26.4、37.9、2900.9 MPa,羰基指数先降后增。改性复合材料力学保持度较高,当老化时间2000h后,各项性能依然保持良好,且KH570效果更为显著,羰基指数整体增加。对于纤维素指数,未处理及KH570处理复合材料在老化时间1000 h之前和之后分别显示增-降的变化。因此,偶联剂改性复合材料耐候性较好,在老化过程中有较好的质量、力学以及表面化学性能保持能力。综上,本文首次对数字印刷废纸纤维增强HDPE基复合材料进行了系统的研究,研究结果可为数字印刷废纸在复合材料领域的资源化利用提供理论依据。
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