Проблема твердых бытовых отходов (ТБО) является актуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью охраны окружающей среды и ресурсосбережения. ТБО, образующиеся в результате жизнедеятельности населения, представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава, основными компонентами которой являются отходы упаковки. Кардинальный путь решения проблемы утилизации ТБО, учитывающий требования экологии, ресурсосбережения и экономики – это промышленная переработка отдельных фракций ТБО с получением различного вторичного сырья [5].
В настоящее время все более широкое применение находят комбинированные упаковочные материалы типа Tetra Pak. С учетом того, что отходы упаковок Tetra Pak практически не разлагаются в естественных условиях до 900 лет, единственный путь их утилизации – это вторичная переработка. В мире ежегодно перерабатывается более 25 млрд использованных упаковок. Большинство способов переработки основано на разделении сложного комбинированного материала на отдельные компоненты: целлюлозное волокно и полиалюминиевую смесь (смесь алюминиевой фольги и полиэтилена). Однако такие технологии способы требуют специального оборудования, разработки новых технологий, что экономически нецелесообразно. Наиболее простым и наименее затратным решением проблемы утилизации отходов упаковки Tetra Pak является совместная переработка всех компонентов этого комбинированного материала.
В состав комбинированного материала Tetra Pak входит около 75 % высококачественного картона, 20 % полиэтилена (ПЭ), 5 % алюминия [4].
В связи с этим целью работы являлось рассмотрение возможности вторичной переработки отходов упаковки Tetra Pak без их предварительного разделения на отдельные компоненты.
При реализации поставленной цели решались следующие задачи:
– определить технологические параметры процесса получения композитов из отходов Tetra Pak;
– получить композиты из отходов Tetra Pak;
– определить физико-механические показатели вторичных композитов.
Получение композитов из отходов упаковки Tetra Pak проводили по разработанной методике [2]. Технология получения композитов включала следующие стадии: измельчение упаковки Tetra Pak, приготовление водной суспензии, формование отливки и сушку.
Роспуск целлюлозных волокон измельченного материала Tetra Pak проводили в водной среде в дезинтеграторе при температуре 40 °С до получения однородной массы (суспензии). При этом происходит как чисто механический процесс изменения формы и размеров целлюлозных волокон, так и коллоидно-химический процесс, называемый гидратацией. Придание волокнистому материалу определённой степени гидратации необходимо для создания сил сцепления между волокнами для получения прочного и плотного композита [3].
Из приготовленной суспензии вакуумированием получали композиты. После удаления влаги на прижимных валках сушку композитов из отходов Tetra Pak проводили при комнатной температуре в естественных условиях в течение не мене 24 часов.
Физико-механические показатели полученных композитов на основе отходов Tetra Pak и упаковочного картона (толщина, масса 1 м2, плотность, пределы прочности при растяжении и расслаивании) приведены в табл. 1. Предел прочности при растяжении композита является количественной характеристикой силы его межволоконных связей и определяется под действием усилия, направленного параллельно плоскости образца. Сопротивление расслаиванию определяют под действием растягивающего усилия, направленного перпендикулярно плоскости образца. Оно связано с действием расслаивающих сил, которые зависят от величины силы связи между целлюлозными волокнами. Если эта сила мала, то нарушается композиционная устойчивость материала и происходит его внутреннее расслаивание [2].
Для композитов из отходов Tetra Pak характерна более рыхлая структура по сравнению с образцом из картона. Предел прочности при растяжении композитов Tetra Pak в 3,8 раза, а предел прочности при расслаивании в 5,3 раза меньше. Низкое значение предела прочности при расслаивании композита свидетельствует о плохом сцеплении разнородных частиц измельченного комбинированного материала Tetra Pak.
Для повышения плотности и, соответственно, прочностных свойств композитов использовали проклейку поливинилацетатной (ПВА) суспензией. ПВА-суспензию вводили в приготовленную пульпу в количестве 2 % (масс.). При введении ПВА-проклейки толщина композита уменьшается, а плотность растёт (табл. 1). При этом предел прочности при растяжении увеличивается в 1,9 раза, но не достигает уровня прочности композитов на основе картона.
Таблица 1
Физико-механические показатели композитов
|
Образец |
Толщина, мм |
Масса 1 м2, г/м2 |
Плотность, г/см3 |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Предел прочности при расслаивании, кПа |
|
Картон |
1,14 |
364 |
0,32 |
1,14 |
86 |
|
Tetra Pak |
1,17 |
367 |
0,31 |
0,30 |
16 |
|
Tetra Pak (2 % ПВА) |
1,08 |
372 |
0,34 |
0,57 |
40 |
Таблица 2
Физико-механические показатели композитов, полученных с применении горячего прессования
|
Образец |
Толщина, мм |
Плотность, г/см3 |
Предел прочности при растяжении, МПа |
|
Tetra Pak (без ПВА) |
0,47 |
0,76 |
0,84 |
|
Tetra Pak (2 % ПВА) |
0,56 |
0,79 |
1,77 |
Другим способом увеличения прочностных свойств являлось использования горячего прессования полученных композитов. Прессование композитов из отходов упаковки Tetra Pak проводили при температуре 150 °С и усилии 29,7 Н. Время термообработки составляло 30 секунд.
Физико-механические показатели композитов на основе отходов Tetra Pak, полученных с использованием горячего прессования приведены в табл. 2.
После горячего прессования толщина композитов уменьшается в 2,2–2,5 раза при одновременном увеличении плотности в 2,3–2,4 раза. В результате образования более плотной структуры предел прочности при растяжении композита увеличивается в 2,8 раза. Температура горячего прессования (150 °С) достаточна для расплавления частиц полиэтилена, температура плавления которого составляет 100–108 °С. Расплавленные частицы полиэтилена связывают целлюлозные волокна и частицы алюминиевой фольги с образованием более жесткой матрицы композита.
При совокупном действии ПВА-проклейки и горячего прессования предел прочности при растяжении композита возрастает в 5,9 раза. Его значение существенно превышает аналогичный показатель для упаковочного картона.
Анализ полученных результатов позволил сформулировать следующие выводы:
– композиты на основе отходов упаковки Tetra Pak по сравнению с образцами из картона имеют рыхлую структуру с низкими прочностными свойствами: предел прочности при растяжении композитов Tetra Pak в 3,8 раза, а предел прочности при расслаивании в 5,3 раза меньше;
– введение 2 % (масс.) клея ПВА приводит к увеличению плотности композитов и, соответственно, прочностных свойств: предел прочности при растяжении увеличивается в 1,9 раза, но не достигает уровня прочности композитов на основе картона;
– после горячего прессования уменьшается толщина композитов при одновременном увеличении плотности, при этом предел прочности при растяжении композита увеличивается в 2,8 раза;
– при совокупном действии ПВА-проклейки и горячего прессования предел прочности при растяжении композита возрастает в 5,9 раза. Он значительно превышает аналогичный показатель для упаковочного картона.
Проведенные эксперименты показали, что с использованием ПВА-проклейки и горячего прессования возможно получать прочные композиты из отходов упаковки Tetra Pak.