随着人们生活水平的提高和消费观念的变化，全球服装消费逐年增长。特别是棉纺织品因其舒适性、保暖性和耐用性而越来越受欢迎。据预测，到2030年，纺织品废弃物总量将达到1.48亿吨，其中废旧棉纺织品约占总量的三分之一。目前，废旧棉纺织品主要的回收策略是将其松解成纤维状态，然后再加工应用于纺织服装、农业、建筑和家具行业中。废旧棉纺织品的机械开松过程中会产生大量短纤维（长度≤7 mm），由于其长度太短，无法加工成纤维网或其它纺织品而没有被有效利用。然而，棉纤维中纤维素含量高达96%，这使棉短纤维成为造纸的最佳原料，如人民币的原材料中棉纤维占95%。纸张由于其天然可降解性和可持续性的特点而被广泛用作包装材料来代替不可降解的塑料，因此，如果将废旧棉回收并应用于造纸工业，不仅会极大地提高废旧棉纺织品的利用率和可持续性，同时也能解决造纸原料短缺的问题。
为此，西安工程大学樊威教授团队以废旧牛仔纺织品为原料，最大程度地利用极短的棉纤维，制备了一种纤维素自增强复合纸（CCP）。分别研究了废旧牛仔纺织品的漂白回收工艺、TEMPO氧化法制备纳米纤维素（CNF）工艺以及纤维素自增强复合纸的制备工艺。深入探讨了纳米纤维素对纸张力学性能的影响以及纳米纤维素增强纸张性能的增强机理，并拓展研究了其可回收性、以及在文创纸、力致发光纸和绿色包装纸等领域的应用前景。
该工作以“A sustainable strategy to transform cotton waste into renewable cellulose fiber self-reinforcing composite paper ”为题发表在《Journal of Cleaner Production》上（一区TOP期刊，IF=11.1）。第一作者为西安工程大学硕士研究生王婵，共一作者为西安工程大学硕士研究生苏金辉，通讯作者为西安工程大学樊威教授。该研究得到国家自然科学基金项目等项目支持。
图1 牛仔布废料制备流程图
图1展示了牛仔布废料的制备流程。主要分为四个步骤：（a）机械处理：将牛仔布废料剪裁成牛仔布条。（b）化学-机械处理：先对牛仔布条进行褪色处理，机械开松得到回收棉纤维；（c）将部分棉短纤维通过TEMPO氧化法制备成纤维素纳米纤维溶液；（d）将制备的CNF溶液和回收棉纤维充分均匀混合得到纸浆悬浮液，最后结合湿法成网工艺和热压工艺制备成CCP。
图2 回收棉纤维的结构与性能
图2a和2d给出了漂白前后棉纤维的SEM显微照片。通过对比发现，漂白的棉纤维表面平整光滑，说明表面杂质和有机污染物有效被清除。EDS分析则表明，漂白后棉纤维的N和S含量会明显降低。图2
g-i给出了红外光谱和热重分析结果。红外结果表明，回收的棉纤维中没有发现靛蓝染料的六元环特征峰(C=O)的强烈震动，说明靛蓝染料被成功去除。热重分析表明回收前后的棉纤维具有相似的热降解曲线，证明了回收后的棉纤维具有良好的热稳定性能。
图3 CNF的制备及其结构特征
图3a展示了TEMPO氧化法制备CNF的过程。在氧化过程中，纤维素C6上的-OH被氧化成-COOH(图3b)。通过TEM表征CNF，成功制备了直径范围为10-35纳米，长度范围为0.7-1.0微米纤维素纳米纤维(图3c-e)。图3g为不同浓度CNF悬浮液的丁达尔效应图。随着CNF浓度的增加，丁达尔效应变得更加明显。
图4 CCP的结构和力学性能
通过对不同CNF浓度的CCP的表面和截面形态进行SEM表征分析发现，随着CNF含量的增加，CCP的表面变得均匀光滑，结构变得更加致密（图4a-f）。此外，机械性能测试表明，CCP的应力和应变随着CNF浓度的增加而增加（图4g）。抗顶破性和抗撕裂性随着CNF浓度的增加也显著增加(图4h)。这是因为CNF起到粘合剂的作用，并且填充了纤维之间的空隙，从而使CCP达到致密状态，有效地改善了纸张的机械性能。
图5 CCP的自增强机理
纤维素C1s的C2峰和O1s1峰与纤维素大分子中的氢键密切相关。通过对不同浓度的CNF-CCP进行XPS表征（图5a），对纤维素中碳原子和氧原子的结合形式进行分析可得：C2 (C-OH)的相对含量从1% CNF-CCP的37.03%增加到5% CNF-CCP的72.03%（图5b），O1s1峰的相对含量从52.44% 增加到72.29%（图5c）。这表明随着浓度的增加，CCP中氢键的含量在增加。CNF与回收棉纤维中形成的氢键组成强大的物理交联网络，实现了纤维素的自增强作用（图5e）。
图6 CCP的回收和利用
CCP由全纤维素组成，具有可回收性和可重复使用性。图6a展示了其机械回收再利用过程。图6b为CCP干湿状态下的拉伸性能，其拉伸应力仅降低25%。此外，CCP具有优异的机械性能和可印刷性能，可成为特殊用途的潜在纸张，如书签(图6c)和包装纸(图6d)。图6e为ZnS:Cu力致发光纸的制备过程，展示了其可作为防伪纸张的应用。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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