利用废弃饮料盒回收的纸浆和生物基聚乳酸（PLA）制作一次性吸油垫

《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》：Utilization of Recycled Pulp from Used Beverage Cartons and Bio-Based PLA for Disposable Oil-Absorbing Pads

本研究利用回收饮料纸板浆料与聚乳酸（PLA）非织造布复合，通过硅烷处理优化油吸附性能，开发出可生物降解的油吸收垫。实验表明，超细未处理纸板作为核心层，与螺杆转速13rpm制备的大型PLA非织造布结合，油吸附量达19.8g/g，优于传统聚丙烯材料，且完全符合环保要求。

　　近年来，随着人们对环境保护意识的不断增强，以及对可持续发展和资源循环利用的重视，研究者们开始探索如何将废弃材料转化为具有实用价值的产品。饮料纸盒作为日常生活中常见的包装废弃物，其处理和再利用成为环境科学和材料工程领域的重要课题。据统计，泰国每年消耗约7万至8万吨的饮料纸盒，然而仅有不到4%的纸盒被回收利用，这表明该类废弃物在环境管理方面仍面临巨大挑战。饮料纸盒主要由塑料、铝箔和纸板组成，其中纸板占75%，塑料占21%，铝箔仅占4%。这种结构不仅为液体食品提供了良好的保护，也使得其回收过程复杂化，因为需要将纸板与塑料和铝箔分离。尽管塑料和铝箔可以被再利用为替代燃料或加工成耐用的板材，但纸板仍面临回收率低的问题，因此如何将纸板转化为高附加值产品成为研究的重点。

在此背景下，一项创新性的研究提出利用饮料纸盒回收得到的纸浆作为油吸收材料的核心层，而以可生物降解的聚乳酸（PLA）作为表面层，以期开发出一种既环保又高效的油吸收垫。这一设想基于PLA的生物降解特性和纸浆的高油吸收能力，结合两者的优势，旨在减少传统油吸收材料（如聚丙烯）对环境的长期影响。PLA是一种由可再生资源如玉米淀粉和甘蔗制成的生物可降解热塑性材料，因其能够在自然环境中被分解而不产生有害物质，被视为可持续材料的重要组成部分。然而，PLA的机械性能相对较弱，限制了其在某些高强度应用中的使用。因此，将PLA与高油吸收能力的回收纸浆结合，不仅可以弥补PLA在吸油性能上的不足，还能通过纸浆的高吸收能力提高整体产品的效率。

在实验设计中，研究者首先对回收纸浆进行了不同的处理，包括通过不同时间的研磨工艺获得粗糙、中等和超细纸浆。这些纸浆随后被分别用日本（JAN）和德国（GER）两种硅烷溶液进行表面处理，硅烷浓度为1%、2%、3%、5%和10%。通过这种方式，研究人员希望提高纸浆的表面特性，使其更适用于油吸收应用。硅烷溶液在实验中被稀释为95%乙醇与5%去离子水的混合物，其pH值约为4.5至5.0。实验结果表明，未经处理的超细纸浆具有最高的油吸收能力，达到19.5 g/g，而经过硅烷处理的纸浆则显示出较低的吸油性能，这可能是因为硅烷处理增强了纸浆的疏水性，从而降低了其对油的亲和力。尽管如此，硅烷处理后的纸浆仍具有一定的油吸收能力，显示出其在特定条件下的应用潜力。

在油吸收垫的结构设计上，研究人员采用了三层复合结构：上层和下层为非织造PLA，而中间层则为回收纸浆。这种设计结合了PLA的生物降解特性和纸浆的高吸油能力，使得最终产品能够在吸收油污后被安全处理，从而减少环境污染。非织造PLA通过熔喷工艺制备，该工艺在不同螺杆转速下产生不同尺寸的纤维，包括大纤维和超细纤维。实验中发现，大纤维的非织造PLA具有更高的吸油能力，达到19.8 g/g，因此被选为油吸收垫的外层材料。而超细纤维虽然在某些情况下表现出优异的吸油性能，但其难以形成稳定的非织造结构，因此不适合直接用于表面层。

为了确保油吸收垫的结构稳定性和功能性，研究人员使用超声波焊接技术将不同层的材料进行密封处理。这种方法不仅能够有效连接各层，还能保持材料的完整性，避免在使用过程中发生分层或结构破坏。最终制成的油吸收垫尺寸为10 cm × 10 cm，经过实验测试，其在吸油能力、结构稳定性和生物降解性方面均表现出良好的性能。此外，实验还对不同比例的PLA和回收纸浆混合物进行了测试，以评估其在不同应用场景下的适应性。结果显示，随着PLA比例的增加，吸油能力逐渐下降，因此在实验中选择将90%的PLA与10%的回收纸浆混合，以达到最佳的综合性能。

在实验过程中，研究人员还通过一系列分析手段，如差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和熔融指数测试（MFI），对PLA的热性能和加工特性进行了深入研究。DSC测试结果显示，PLA的玻璃化转变温度为68°C，熔点为169°C，这些数据为后续熔喷工艺的参数设置提供了重要依据。TGA测试则揭示了PLA的降解温度，表明其在高温环境下具有良好的热稳定性，同时在特定条件下能够被降解。MFI测试进一步确认了PLA在不同温度下的流动行为，为熔喷工艺中的纤维形成提供了理论支持。

此外，研究者还通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了回收纸浆和PLA的表面结构和化学组成。SEM图像显示，未经处理的超细纸浆具有更高的纤维密度，这可能是其高吸油能力的主要原因。而FTIR分析则揭示了硅烷处理对纸浆表面化学结构的影响，表明处理后的纸浆中出现了新的化学键，如Si–O–Si和Si–O–C键，这些键的形成可能是硅烷与纸浆纤维表面羟基发生反应的结果。然而，实验结果也表明，硅烷处理并未显著提高纸浆的吸油性能，反而降低了其吸油能力，这可能是因为硅烷增强了纸浆的疏水性，从而减少了其对油的亲和力。

为了进一步验证回收纸浆和PLA的性能，研究人员还进行了水接触角测试，以评估材料的表面亲水性和疏水性。结果显示，未经处理的回收纸浆具有较高的水接触角，表明其对水的亲和力较低，而硅烷处理后的纸浆水接触角进一步升高，说明其疏水性得到了增强。相比之下，非织造PLA的水接触角较低，表明其对水具有一定的亲和力。这一特性对于油吸收垫的性能至关重要，因为材料需要在接触油污时表现出对油的亲和力，同时在接触水时保持一定的疏水性，以避免被水污染。

在实际应用测试中，研究人员将回收纸浆与PLA混合，并在油水混合物中测试其吸油能力。实验结果显示，回收纸浆能够在油水分离的环境中选择性地吸收油污，同时保持其在水面上的浮力，不会影响水体的稳定性。这一特性表明，回收纸浆在实际应用中具有较高的潜力，尤其是在处理油水混合物或油污泄漏的情况下。此外，实验还发现，不同比例的PLA与回收纸浆混合物在吸油性能上存在差异，其中90%PLA与10%回收纸浆的组合表现出最佳的吸油能力，达到15 g/g。

除了吸油性能，研究者还关注了材料的机械性能。通过拉伸测试，研究人员比较了非织造PP和非织造PLA的机械强度。结果显示，非织造PLA的拉伸强度低于非织造PP，这可能是由于PLA的分子结构和结晶度较低所致。然而，考虑到油吸收垫的主要应用场景是放置在机器周围以吸收泄漏的油污，其并不需要承受高强度的机械应力，因此PLA的机械性能已经足够满足需求。此外，PLA的生物降解特性使其在使用后能够被自然分解，从而减少对环境的长期影响。

从环境角度来看，使用回收纸浆和PLA作为油吸收垫的材料，不仅有助于减少固体废弃物的产生，还能促进资源的循环利用。回收纸浆来源于饮料纸盒，这些纸盒通常被丢弃后难以降解，因此将其转化为油吸收材料能够有效减少垃圾填埋量。而PLA作为生物可降解材料，其在使用后可以被自然分解，不会对环境造成持久污染。此外，PLA的生产过程基于可再生资源，相较于传统的石油基塑料，其碳足迹更低，有助于实现绿色制造的目标。

尽管该研究在实验室条件下取得了显著成果，但在实际应用中仍存在一些挑战。例如，发动机油的粘度和表面张力与其他常见油类（如植物油、原油或轻质烃类）存在差异，这可能会影响油吸收垫的实际吸油效果。因此，未来的研究可以进一步探讨该材料在不同油类中的表现，以提高其在多种应用场景中的适用性。此外，虽然PLA的机械性能在当前实验中已能满足基本需求，但进一步优化其性能，使其在高强度使用条件下也能保持良好的结构稳定性，将有助于扩大其应用范围。

总的来说，这项研究为废弃饮料纸盒的再利用提供了一种新的思路，即通过回收纸浆和PLA的结合，开发出一种高效、环保的油吸收垫。这种材料不仅能够有效吸收油污，还能在使用后被安全处理，符合当前社会对可持续发展的需求。未来，随着技术的不断进步和材料性能的进一步优化，这类油吸收垫有望在工业、农业和环保领域得到更广泛的应用，为减少环境污染和推动循环经济做出贡献。