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聚乙烯 造纸污泥废弃物复合材料 柴希娟 1,2 孙可伟 1,2 王木平 1,2 1.昆明理工大学环境科学与工程学院, 云南 650093; 2.废弃物资源化国家工程研究中心, 昆明 650093 摘要 研究填料粒径和用量对聚乙烯 造纸污泥废弃物复合材料力学性能的影响。 采用氢氧化钠和 KH -550 硅烷作为 填料的表面处理剂, 马来酸酐接枝聚乙烯作为体系的相容剂改善复合材料的综合性能。 实验结果表明, 这 2 种方法均 可不同程度地提高复合材料的力学性能, 马来酸酐接枝聚乙烯的加入可以有效改善基体与填料之间的相互作用。 关键词 聚乙烯 造纸污泥 废弃物复合材料 近年来,随着保护自然资源和减小环境污染意识 的加强 ,我国的废纸回用有了较大的发展 ,二次纤维 在造纸原料中所占比率也不断增加 [ 1] 。然而, 在废纸 回用过程中,势必会产生相当数量的废渣、废水。这 些废渣 、 废水不但造成了二次污染, 也大大制约了再 生纸业的发展。在造纸废渣中, 污泥是主要废弃物, 其产生量是原生纤维浆厂产出污泥的 2～ 4 倍 ,每生 产1 t 纸, 污泥的产量就超过200 kg [ 2] 。直到目前为 止,大多数污泥的处置方式是填埋 、 散放或焚烧,而这 些处理方式又不同程度地存在投资高, 容易造成二次 污染等问题。因此, 如何更有效地解决造纸污泥排放 带来的问题,并将其合理利用具有非常重要的意义 。 一般而言, 造纸污泥由约 50的纤维和 50的 填料组成 。其中 ,填料的主要成分为存在于原纸张中 的方解石、滑石和高岭土 ,这两个组分分别回收比它 们结合在一起回收更有价值。试验以废塑料和从造 纸污泥中分离出的存在于原纸张中的填料为主要原 料,制备聚乙烯 造纸污泥废弃物复合材料 ,探讨填料 的粒径和用量、表面改性剂以及增容剂对复合材料性 能的影响 。 1 试验部分 1. 1 原料 γ -氨丙基三乙氧基硅烷 KH-550 ,氢氧化钠 化 学纯 ; 马来酸酐接枝聚乙烯 PEMA , 接枝率0. 8。 1. 2 原料预处理 从造纸污泥中分离填料的工艺流程如图 1 所示 。 所得填料用 60、 80、 100、 200 和 360 目的标准筛过筛,对 应筛下物的粒径分别标记为300、 180、 154、 74和 40 μ m 。 1. 3 试样制备 1 将预处理后的污泥和废塑料按照填料用量 图 1 填料分离工艺流程图 质量分数 分别为 10、20、30、40、50, 于 160～ 170 ℃下在 SK-160B 双辊炼塑机上熔融混炼 15 min后出料 ,样品冷压成型后 ,待用 。 2 将预处理后的污泥和增容剂按一定比例充分 混合,然后按照填料用量 质量分数 分别为 10、 20、 30、 40、 50与废塑料于 160 ～ 170 ℃下在 SK- 160B 双辊炼塑机上熔融混炼 15 min 后出料 ,样品 冷压成型后 ,待用。 1. 4 测试与表征 1 力学性能测试 WES-20CN 数显万能试验机 , 拉伸 强度按 GB1040-93 进 行测试 , 弯 曲强 度按 GB9341 -88 进行测试。 2 扫描电子显微镜 SEM JSM-5600LV 扫描电 子显微镜, 观察弯曲试样断面形态。 2 结果与讨论 2. 1 填料粒径对复合材料力学性能的影响 不同粒径填料的复合材料力学性能变化规律见 图2, 其中填料的质量分数为 30。由图 2 可知, 复 合材料的拉伸强度和弯曲强度均随填料粒径的增大 而呈不同程度的减小趋势。造成这种趋势的原因可 能是粒径大的颗粒比小颗粒在基体中产生的应力集 中大, 而且小粒径填料具有较大的比表面积 ,与基体 具有较强的相互作用力和结合力。与此同时 ,粒径小 的填料与基体间的活性作用点多,浸润作用良好。而 对于大粒径的填料而言, 即使在较小的应力作用下, 59 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 填料与基体间也容易发生反浸润作用 [ 3,4] 。因此, 粒 径小的颗粒增强作用较好 。 图 2 填料粒径对复合材料力学性能的影响 2. 2 填料用量对复合材料力学性能的影响 图3 为复合材料力学性能随填料用量的变化规 律,其中填料的粒径为 154 μ m 。由图 3 可知 ,复合材 料在填料用量为 25左右时达到最大值, 在此之后 强度开始下降, 且用量较少材料的综合力学性能略优 于用量较多者。这可能是由以下两种作用的综合效 应所致,一是用量较少的填料在基体中能达到均匀分 散,当用量超过某一临界值后 ,均匀分散比较困难 ,颗 粒之间出现重叠的几率增大, 容易引起应力集中; 二 是球形颗粒出现的几率随着填料用量的增加而减少, 而球形颗粒较其他形态的颗粒具有更好的增强 效果 [ 5] 。 图 3 填料用量对复合材料强度的影响 2. 3 表面处理剂对复合材料力学性能的影响 填料与聚乙烯基体间的界面结构与复合材料性 能有关,填料的亲水性强 ,而聚乙烯是疏水性材料 ,两 者间的相容性较差 。为改善填料与聚乙烯基体间的 相容性 ,提高两者的复合效果, 需要对填料进行适当 的表面处理。表 1 为表面处理剂 KH- 550 硅烷型和氢 氧化钠对复合材料的力学性能的影响。 由表 1 可知, 经表面处理剂作用后, 复合材料的 强度均有提高。填料经过氢氧化钠溶液处理后,清除 其表面黏附的杂质, 表面变的粗糙 ,比表面积增大 ,填 料与基体的界面咬合作用增强 。而 KH- 550 硅烷偶联 剂在填料和基体之间起到了一定的桥联作用 ,使基体 被界面粘结力强烈束缚 [ 6] ,因此强度提高。 表 1 表面处理剂对复合材料性能的影响 处理剂拉伸强度 MPa 弯曲强度 MPa 无10. 6721. 98 6 NaOH, 处理时间20 min11. 6323. 74 1 KH -550, 处理时间 35 min11. 9524. 22 2. 4 增容剂对复合材料界面和力学性能的影响 选用马来酸酐接枝聚乙烯 PEMA 作为增容剂, 以期降低聚乙烯基体与填料之间的极性差异 ,从而达 到有效提高基体与填料之间界面性能的目的。由表 2 可以看出, 在复合材料中引入增容剂 PEMA 后, 材 料的各项性能均得到一定的提高。此外 ,通过扫描电 镜 图 4,5 可以发现, 引入 PEMA 后填料表面的树脂 包裹状况得到改善,PEMA 起到明显的增容作用。 表 2 PEMA对复合材料性能的影响 项目无 PEMA 加入 5PEMA 加入 10PEMA 拉伸强度 MPa10. 6712. 7613. 43 弯曲强度 MPa21. 9824. 6126. 22 图4 聚乙烯 造纸污泥复合材料的 SEM 照片 图 5 聚乙烯 造纸污泥 PEMA 复合材料的 SE M 照片 3 结论 1 当填料用量一定时 ,复合材料的力学性能随 着填料粒径的增大而降低 ; 而填料用量的增加使复合 材料的强度呈现先增大后减小的趋势。 下转第 63 页 60 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 表 1 环境监测点位贴近度排序及优选结果表 排序 点位d＊ i d- i C＊ i 优选组合分析说明5个优选点 4个优选点 1 2 3 9 5 6 0. 5964 0. 5980 0. 5780 0. 0235 0. 0310 0. 0445 0. 9620 0. 9507 0. 9283 9,5,6 环境质量优,总体 可达二 级标准, TSP符合三级 5 4 5 6 7 2 3 1 8 0. 4404 0. 4412 0. 4478 0. 4535 0. 1775 0. 1840 0. 1920 0. 2023 0. 7127 0. 7057 0. 6999 0. 6915 2,3,1,8 环境质量良,总体 可达二 级标准, TSP符合三级 1 5 8 9 10 11 10 17 7 12 0. 3985 0. 3889 0. 3527 0. 3170 0. 2223 0. 2402 0. 3183 0. 3006 0. 6419 0. 6182 0. 5256 0. 5133 10,17, 7,12 环境质量中,总体 可达三 级标准, TSP超三级 1717 12 13 14 4 15 16 0. 1719 0. 1506 0. 1501 0. 4733 0. 4756 0. 5166 0. 2664 0. 2405 0. 2251 4,15,16 环境质量差,总体 可达三 级标准, TSP超三级 1515 15 16 17 13 11 14 0. 1068 0. 1033 0. 0930 0. 5565 0. 5752 0. 5477 0. 1610 0. 1522 0. 1452 13,11,14 环境质量最差,总 体可达三级标准, TSP超三级 1414 注 环境质量评价中的优、良、中、差均为相对而言。 表 2 各种优化方法比较 优选方法优选点 物元分析[ 1]5171214 系统聚类法[ 1]511714 模糊聚类法[ 1]5171514 最优指标法[ 6] 95171215 熵权多目标决策5 1171514 监测的效用及便利角度分析 , 以 5 为佳 ; 12 烟 厂 与 17 郑纺厂 环境质量相近 ,从功能区划分而 言同属工业区, 两者可以合并; 而 1 肉联厂 作为 环境质量相对良好的监测点位的代表, 在条件许可情 况下应增设。 5 结束语 熵是热力学中的重要概念 ,信息熵表示一个信息 源发出的信号状态的不确定的程度 ,熵权则表明了某 指标在决策或评估问题中提供有用信量的多少,即指 标的相对重要程度 。监测优化过程中不仅需注重测 点间总体质量的差异 ,同时也应注重指标间的差异, 熵权的性质正好可以满足环境监测点优化的这一不 同与环境评价的特殊要求。本文建立了熵权多目标 决策环境监测优选模型, 并应用于某市大气环境监测 优化布点, 结果表明该优选模型在污染因子权重分析 中有独到之处, 环境监测点优选结果合理 。 参考文献 [ 1] 孙中党, 赵勇, 李静等. 郑州市大气监测优化布点的研究. 重庆 环境科学, 1999, 21 6 16-18. [ 2] 李祚泳. 用物元分析法优选大气环境测点. 环境科学研究, 1996,9 6 45 -48. [ 3] 窦素珍, 王黎虹, 侯存东等. 城市大气环境监测优化布点模糊优 选模型及应用实例. 城市环境与城市生态, 2001, 14 5 55 -58. [ 4] 罗龙胜, 熊维川, 黎红. 广安市大气环境质量现状评价与优化布 点监测. 四川环境, 2002, 21 3 55 -60. [ 5] 王晓军, 柳毅, 冯治宇等. 沈阳经济技术开发区环境空气监测点 位优化布点研究, 环境保护科学,2001, 27 12 36 -38. [ 6] 张苗云, 张迎, 钱益跃等. 最优指标法在环境监测优化布点中的 应用. 安全与环境学报, 2004, 4 2 66 -67. [ 7] 邱宛华. 管理决策与应用熵学. 北京 机械工业出版社, 2002 193 -196. 作者通讯处 张江山 350007 福州市 福建师范大学环境科学研究所 E -mail xxgglp 163. com 2006- 04-17 收稿 上接第 60页 2 造纸污泥填料经表面处理后, 可以提高复合 材料的综合力学性能 。 3 在复合材料中引入增容剂 PEMA 可以有效地 改善基体与填料之间的相互作用, 使材料的性能得到 提高 。 参考文献 [ 1] 田中建, 邱化玉. 二次纤维的造纸特性. 黑龙江造纸, 2004, 3 14-15. [ 2] 王海毅, 郝妮 译 . 直接加填与纤维加填对碳酸钙在循环中留着 的影响. 国际造纸,2005, 24 2 37 -40. [ 3] U. Yilmazer, R. J. Farris, J. Appl. Polym. 1983, 28 3369 -3372. [ 4] A. Y. Kandeil . R. R. Zahran, ect. Polymers and other advanced material Emerging technologies and business opportunities, Plenum, New York, 1995 125 -128. [ 5] R. R. Zahran. Effect of sand addition on the tensile properties of compression moulded sand polyethylene composite system. Materials Letters, 1998, 34 161 -167. [ 6] H. S. 卡茨, J. V . 米路西凯. 塑料用填料及增强剂手册. 北京 化学 工业出版社, 1985, 24. 作者通讯处 柴希娟 650093 昆明理工大学莲花校区宿舍 5栋 2006- 03-24 收稿 63 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 STUDY ONPOLYETHYLENE WASTE SLUDGE OF PAPERMAKING WASTE COMPOSITE Chai Xijuan Sun Kewei Wang Muping 59 Abstract The effect of filler particle size and content on the mechanical behavior of waste sludge of papermaking -reinforced polyethylene waste composite was investigated. In order to improve the general perance of the composite, the sodium hydroxide andKH -550 silane acting as filler modification agents and maleic anhydride modified polyethylene acting as additive of the system were applied. The results show the two kinds of agents can enhance the mechanical perance of the composite. At the same time, the maleic anhydride modified polyethylene canimprove the adhesion between the matrix and the filler. Keywords polyethylene, waste sludge of papermaking and waste composite OPTIMIZATION OF ENVIRONMENTAL MONITORING SITES BY ENTROPY WEIGHT MULTI- OBJECT DECISION MODELXu Lizhong Zhang Jiangshan Wang Feifeng 61 Abstract Entropy, one of the important concepts in thermodynamics, indicates the uncertain degree of a signal from the ination source, while entropy weight indicates the relatively important degree of a index inthe multi-object decision. It isintroduced the concept of entropy weight, property, analysis of its originality in the application to the optimization of environmental monitoring sites, and the entropy multi -object decision model is set up,which is proved to be feasible and reasonable in the case study . Keywords entropy weight, multi -object decision and optimal number of sites THE VELOCITY FIELD CONSTANT AND ITS AUTOMATIC CHECKING DEVICE Wang Shilong Wang Zhicheng 64 Abstract By means of study on velocity field constant for a flue, a to measure average velocity of gasin flue by constant of velocity fieldwas presented. Automatic checking device for velocity field constant simultaneously was developed. The technical difficult problem for automatic monitoring average velocity of flue gas was solved. Keywords velocity field constant, automatic continuous monitoring, average flow rate and gross emission EXPERIMENTONFLUEGASCONTINUOUSEMISSIONMONITORINGBASEDON DIFFERENTIAL OPTICAL ABSORPTION SPECTROSCOPYZheng Haiming Cai Xiaoshu 66 Abstract Differential optical absorption spectroscopy DOASmakes use of the flue gas pollutant different optical absorption characteristic at the UV -VIS wave band to measure their average concentration. By DOAS principle, experimental study was carried out to measure different concentration of SO2, NO2andNO. The DOAS technology can eliminate the influence of dust etc. The DOAS can be applied to monitoring the flue gas emission concentration and should correct the temperature effect on flue gas differential absorption characteristics. Keywords flue gas continuous emission monitoring , differential optical absorption spectroscopy DOAS, gas contamination and on -line monitoring APPLICATION OF BP MODELING BASED -ON RANDOM SAMPLES TO ASSESSMENT ON NATURAL WATER QUALITYZou Zhihong Wang Xueliang 69 Abstract This paper presents an error back propagation model to uate water quality comprehensively. Aiming at the problems of few training samples and no testing sampleswhen error back propagation model is applied in the field of water quality assessment, a great number of data can be generated through uni distribution random function as training samples and testing samples. Trying to anlysize the relationships of the output of testing samples and the expecting output using the MSE function inMATLAB 7 could raise the accountability of new sampling. This can greatly improve the accurancy of the ANN model in the water quality uation. Keywords BPANN, water quality synthetic uation, random samples and testing TECHNIQUES OF CORN STARCH WASTEWATER TREATMENT Cai Jing Chai Sheli Rui Mingxian et al 72 Abstract It is presented the characteristics of corn starch wastewater, the processes for this kind of wastewater treatment, some problems worth of considering and the choices of parameters in process design. Keywords corn starch wastewater and treatment processes THEINFLUENCEOFXIAOLANGDIRESERVOIRONRIVERWAYWATERQUALITY PURIFICATION ABILITYShi Yang Xu Zhixiu Mao Yuxia 74 Abstract According to “ Surface Water Environment Quality Standard” GB3838 -2002, it was uated the riverway water quality of 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007