Проблема твёрдых бытовых отходов (ТБО) является актуальной, поскольку её решение связано с необходимостью охраны окружающей среды и ресурсосбережения. ТБО, образующиеся в результате жизнедеятельности населения, представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава [6], основными компонентами которой являются отходы упаковки (около 50 %). Кардинальный путь решения проблемы утилизации ТБО – это промышленная переработка их отдельных фракций.
Лёгкая фракция ТБО представлена преимущественно бумагой и полимерными плёнками, в основном полиолефинами – полиэтиленом (ПЭ) и полипропиленом (ПП). Одной из основных операций при сортировке ТБО на тяжёлую и лёгкую фракции является аэросепарация. При этом выделяется лёгкая бумажно-полимерная фракция, которая содержит 75–80 % бумаги и 20–25 % полиолефинов [3].
Таким образом, цель работы заключалась в исследовании возможности совместной переработки бумажной и полимерной фракций отходов упаковки.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
– получить полимерно-бумажные композиты;
– изучить физико-механические свойства композитов;
– предложить технологическую схему производства полимерно-бумажных композитов из отходов упаковки;
– провести полный факторный эксперимент для установления влияния основных технологических факторов на физико-механические свойства композитов.
Материалы и методы исследования
Получение полимерно-бумажных композитов включало следующие стадии: измельчение, приготовление полимерно-бумажной суспензии, формование отливки, горячее прессование и сушка [4]. Содержание полиолефинов в полимерно-бумажных композитах варьировалось от 10 до 30 %. Для проклейки массы использовали два вида клея – силикатный и поливинилацетатный (ПВА) (1 % масс) [5].
Роспуск макулатурных волокон в водной среде осуществлялся в дезинтеграторе при температуре 40 °С до получения однородной массы. При этом происходит как чисто механический процесс изменения формы и размеров волокон, так и коллоидно-химический процесс, называемый гидратацией. Придание волокнистому материалу определенной степени гидратации необходимо для создания сил сцепления между волокнами для получения прочного и плотного композита [2].
Из приготовленной суспензии вакуумированием получали полимерно-бумажные отливки. Прессование полимерно-бумажных композитов проводили при температуре 150 °С и усилии 29,7 Н. Время горячего прессования варьировали от 10 до 50 с. Сушку полимерно-бумажных композитов проводили при комнатной температуре на воздухе в течение 24 часов [4].
Полученные полимерно-бумажные композиты с предварительно определённой массой композита площадью 1 м2 по ГОСТ 13199-88 «Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения массы продукции площадью 1 м2» были подвергнуты испытаниям на расслаивание по ГОСТ 13648.6-86 «Бумага и картон. Методы определения сопротивления расслаиванию» и растяжение по ГОСТ 13525.1-79 «Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Методы определения прочности на разрыв и удлинения при растяжении». Исследования проводились на испытательной машине ИП 5158-0,5 производства ООО «Импульс» (г. Иваново) в Лаборатории физико-химических испытаний упаковочных материалов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Для установления степени влияния технологических факторов на свойства композитов, а именно на предел прочности при растяжении (σ, МПа), был спланирован полный факторный эксперимент (ПФЭ). В качестве варьируемых факторов были выбраны содержание ПЭ (CПЭ, % (x1 в нормированном виде)) с основным уровнем 20 % и интервалом варьирования ± 10 % и время выдержки под горячим прессом (tвыд, с (x2 в нормированном виде)) с основным уровнем 30 с и интервалом варьирования ± 20 с. Такие значения основного уровня варьируемых факторов были приняты, исходя из того, что примерно 20–25 % ПЭ включает в себя ламинированная бумага (один из источников сырья для получения полимерно-бумажных композитов в промышленных условиях), а при 30 с происходит наиболее полное расплавление ПЭ и сцепление целлюлозных волокон без их разрушения [4].
В соответствии с методикой проведения ПФЭ [1] была построена матрица планирования эксперимента (табл. 1), согласно которой было проведено четыре опыта с различным содержанием ПЭ и разным временем выдержки под прессом.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены зависимости массы 1 м2 полученных композитов от содержания полимерных фракций.
Из анализа полученных результатов следует, что с увеличением содержания полимерной фракции масса 1 м2 композита растёт, введение в полимерно-бумажную суспензию клея ПВА приводит к повышению массы 1 м2 от 5 до 18 %. Это объясняется прочным сцеплением целлюлозных волокон и частиц полимерных фракций [5].
При введении в суспензию ПВА также возрастает прочность при расслаивании полимерно-бумажных композитов. Полученные результаты испытаний по определению предела прочности при расслаивании композитов представлены на рис. 2.
Установлено, что при введении клея ПВА предел прочности при расслаивании увеличивается на 56–121 %, при введении силикатного клея – на 16–58 %. Композиты с ПЭ в целом имеют более высокие значения предела прочности при расслаивании, чем с ПП. Это объясняется тем, что температура прессования достаточна для расплавления частиц ПЭ, которые связывают целлюлозные волокна и при последующей сушке образуют жёсткий полимерно-бумажный композит. При растягивающих усилиях он не разрушается, а происходит отрыв образца от клеящей ленты, поэтому показатель «предел прочности при расслаивании» не является достаточно информативным для композитов с ПЭ-фракцией. Для плавления ПП температура горячего прессования недостаточна, в результате чего его частицы слабо сцеплены с целлюлозными волокнами, структура композита рыхлая. По этой причине в дальнейших исследованиях изучались композиты на основе ПЭ-фракции с ПВА-проклейкой [5].
Предел прочности при растяжении композитов является количественной характеристикой силы его межволоконных связей. На рис. 3 представлены деформационно-прочностные кривые, построенные при растяжении полимерно-бумажных композитов, которые были получены с применением ПВА-проклейки и временем горячего прессования 30 с.
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента
|
№ опыта |
Значения факторов в натуральном масштабе |
Нормированные значения факторов |
||||
|
CПЭ, % |
tвыд, с |
x0 |
х1 |
х2 |
х1х2 |
|
|
1 |
10 |
10 |
1 |
– 1 |
– 1 |
1 |
|
2 |
30 |
10 |
1 |
1 |
– 1 |
– 1 |
|
3 |
10 |
50 |
1 |
– 1 |
1 |
– 1 |
|
4 |
30 |
50 |
1 |
1 |
1 |
1 |
а) 
б)
Рис. 1. Зависимость массы 1 м2 композитов от содержания полимерной фракции: а) ПЭ; б) ПП
а) 
б)
Рис. 2. Зависимость предела прочности при расслаивании композитов от содержания полимерной фракции: а) ПЭ; б) ПП
Рис. 3. Деформационно-прочностные кривые для полимерно-бумажных композитов (используемый клей – ПВА, время горячего прессования – 30 с)
Таблица 2
Результаты определения предела прочности при растяжении композитов (МПа)
|
Время горячего прессования tвыд, с |
Содержание ПЭ CПЭ, % |
||
|
10 |
20 |
30 |
|
|
10 |
3 |
4 |
2 |
|
30 |
7 |
6 |
6 |
|
50 |
4 |
5 |
1 |
Сопротивление разрыву у композитов с полимерной фракцией в сравнении с бумагой возрастает на 100–168 %. Также увеличивается и удлинение до разрыва на 56,5–100 %. Результаты измерения предела прочности при растяжении композитов, полученные при варьировании времени горячего прессования, представлены в табл. 2.
Анализ полученных результатов показывает, что наибольшее значение предела прочности при растяжении полимерно-бумажных композитов достигается у всех образцов, подвергшихся горячему прессованию в течение 30 с. Этого времени достаточно для полного расплавления ПЭ и сцепления целлюлозных волокон без их разрушения. При более длительном времени горячего прессования, вероятно, происходит частичное разрушение целлюлозных волокон с появлением подпалин [5].
В соответствии с данными источников [6] получаемый композит возможно использовать для получения таких бумажно-литьевых изделий, как картон и др. Традиционно данные изделия изготавливают из макулатуры. Технологии их производства известны, они имеют схожий между собой характер.
Новизна настоящей работы заключается в предложении переработки не только макулатуры, но и полиолефиновых плёнок совместно с макулатурой в изделия. Технологическая схема переработки отходов упаковки с получением полимерно-бумажных композитов и изделий из них включает: измельчение ТБО, аэросепарацию, пульпирование, составление композиции, формование изделия, горячее прессование, сушку, контроль качества, упаковку.
Из измельчённого потока ТБО на стадии аэросепарации выделяется лёгкая фракция, представленная бумагой и полиолефиновой плёнкой. На стадии пульпирования подготовленную макулатуру и плёнку загружают в гидроразбиватель, дезинтегратор или пульпер, где происходит роспуск макулатурных волокон и смешивание их с частицами полимера. Следующая стадия – стадия составления композиции, после которой можно приступать к формованию изделий. Часто формование изделий и горячее прессование происходят одновременно. Формование изделий осуществляют с помощью вакуум-насосов на формующих матрицах или сеточных столах. Прессование может проходить на нагретых валах или с помощью пуансонов, что зависит от вида изготавливаемого изделия. Далее изделие высушивают для удаления остатков влаги и приобретения окончательного вида. Сушка может производиться на воздухе или в сушилках различного типа. Затем изделие проверяют на качество и упаковывают.
По результатам проведённого ПФЭ было получено адекватное результатам исследований уравнение регрессии:
.
Данное уравнение позволяет судить о том, что на предел прочности при растяжении полимерно-бумажных композитов наибольшее влияние оказывает такой фактор, как содержание ПЭ. Также на значение выходной величины влияет взаимодействие двух факторов – содержания ПЭ и времени горячего прессования [5].
Заключение
Проведённые эксперименты и анализ полученного уравнения регрессии позволили установить, что полимерно-бумажные композиты с наилучшими физико-механическими свойствами могут быть получены при следующих условиях: содержание полимерной ПЭ фракции – 20 %, время горячего прессования – 30 с, использование ПВА-суспензии для проклейки массы.