CC BY
0Аннотация. В работе определены технологические параметры получения композитов из отходов упаковки Тетра Пак. Анализ полученных результатов показал, что композиты на основе отходов упаковки Тетра Пак имеют рыхлую структуру с более низкими прочностными свойствами по сравнению с образцами из картона. Применение горячего прессования приводит к образованию более плотного композита, при этом предел прочности при растяжении образца увеличивается в 2,8 раза. При совместном действии ПВА-проклейки и горячего прессования предел прочности при растяжении композита возрастает в 5,9 раза и становится существенно выше аналогичного показателя для упаковочного картона.
Ключевые слова: комбинированная упаковка, Тетра Пак, композиты, картон, поливинилацетатный клей (ПВА), прочность
УДК 628.477.6
Коляда Л.Г., Смирнова А.В, Тарасюк Е.В.
ПРОБЛЕМА УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ УПАКОВКИ ТЕТРА ПАК
Проблема твердых коммунальных отходов является актуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью охраны окружающей среды и ресурсосбережения. Отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности населения, представляют собой гетерогенную смесь, основными компонентами которой являются отходы упаковки. Кардинальный путь решения проблемы утилизации отходов, учитывающий требования экологии, ресурсосбережения и экономики - это промышленная переработка отдельных фракций отходов с получением различного вторичного сырья [2, 9, 12].
В настоящее время широкое применение находят комбинированные упаковочные материалы типа Тетра Пак, в состав которых входит около 75 % высококачественного картона, 20 % полиэтилена (ПЭ), 5 % алюминия [7-8]. В мире ежегодно перерабатывается более 25 млрд. использованных упаковок. На сегодняшний день существуют различные технологии переработки отходов упаковки Тетра Пак [4-12]: переработка с разделением компонентов, переработка без разделения и термохимическая конверсия. Большинство способов переработки основано на разделении сложного комбинированного материала на отдельные компоненты: целлюлозное волокно, смесь алюминиевой фольги и полиэтилена (полиалюминий) [7]. С помощью стандартного оборудования получают целлюлозное волокно, которое снова идет на производство вторичных бумаг и картонов высокого качества. Такой подход снижает зависимость производства от первичного, как правило, более дорогого сырья и позволяет добиться существенной экономии [1, 3, 7]. Сложность заключается в
переработке полиалюминиевой смеси, поскольку требуется специальное оборудование, разработка новых технологий, что экономически нецелесообразно.
Наиболее простым и наименее затратным решением проблемы утилизации отходов упаковки Тетра Пак является совместная переработка всех компонентов комбинированного материала.
Целью работы являлось изучение возможности вторичной переработки отходов упаковки Тетра Пак без их предварительного разделения на отдельные компоненты в композиты, пригодные для дальнейшего использования.
Технология получения композитов включала следующие стадии: измельчение упаковки Тетра Пак, приготовление водной суспензии, формование отливки, сушка. Для измельчения отходов упаковки использовали роторную ножевую мельницу РМ-120. Роспуск целлюлозных волокон проводили в водной среде при температуре 40 °С до получения однородной суспензии. Для этого использовали дезинтегратор марки РТ-2. Из приготовленной суспензии вакуумированием получали композиты. После удаления влаги на прижимных валках сушку композитов проводили при комнатной температуре в естественных условиях в течение не менее 24 часов. Дополнительной и заключительной стадией являлось горячее прессование, которое проводилось при температуре 150 °С и усилии 30 Н. Для сравнительного анализа были получены композиты на основе вторичного картона. Плотность композитов определяли по ГОСТ 27015-86, массу 1 м2 образцов композитов определяли по ГОСТ 13199-88. Деформационно-прочностные свой-
ства композитов были определены на испытательной машине ИП 5158-0,5 с цифровой системой управления согласно ГОСТ 13525.1-79 и ГОСТ 13648.6-86.
Физико-механические
Результаты определения физико-механических свойств композитов из отходов в сравнении с композитами из картона приведены в табл. 1.
Таблица 1
азатели композитов
Композит Масса 1 м2, г/м2 Плотность, г/см3 Предел прочности при растяжении, МПа Предел прочности при расслаивании, кПа
Картон 364 0,32 1,14 86
Тетра Пак 367 0,31 0,30 16
Как видно из табл. 1, для композитов из отходов Тетра Пак предел прочности при растяжении в 3,8 раза, а предел прочности при расслаивании в 5,3 раза меньше, чем у композита из картона. Это свидетельствует о плохом сцеплении разнородных частиц измельченного комбинированного материала Тетра Пак.
Для повышения плотности и прочностных свойств композитов использовали добавку поливинилацетатной суспензии (клей ПВА) в количестве 2-6 %. При введении клея ПВА в количестве 3-5 % прочностные свойства композита на основе Тетра Пак увеличились, при этом превысили прочность картона.
Другим альтернативным способом повышения прочности композитов на основе отходов упаковки Тетра Пак являлось использо-
вание горячего прессования. Время термообработки варьировалось от 10 до 40 секунд. В результате опыта было установлено, чем дольше проводится горячее прессование, тем выше предел прочности при растяжении получаемых композитов. Максимальные значения плотности и предела прочности при растяжении достигаются при термообработке композита в течение 30 секунд. При более длительном времени горячего прессования происходит частичное разрушение целлюлозных волокон с появлением подпалин.
В табл. 2 приведены результаты определения физико-механических свойств композитов из отходов, полученные при совокупном действии клея ПВА и горячего прессования.
Таблица 2
Физико-механические показатели композитов, полученных с применением горячего
Композит Толщина, мм Плотность, г/см3 Предел прочности при растяжении, МПа
Тетра Пак (без ПВА и горячего прессования) 1,17 0,31 0,30
Тетра Пак (без ПВА) 0,47 0,76 0,84
Тетра Пак (горячее прессование и с ПВА) 0,56 0,79 1,77
Как видно из табл. 2, предел прочности при растяжении композита возрастает в 5,9 раза по сравнению с композитом, полученным без добавления клея ПВА и горячего прессования. Температура горячего прессования достаточна для расплавления частиц полиэтилена, что способствует связыванию целлюлозных волокон и частиц алюминиевой фольги между собой с образованием более жесткой матрицы композита [6].
В настоящей работе установлена возможность совместной переработки отходов упаковки Тетра Пак без предварительного разделения на отдельные компоненты и определены физико-механические показатели полу-
ченных композитов. Анализ полученных результатов показал, что композиты на основе отходов упаковки Тетра Пак имеют рыхлую структуру с более низкими прочностными свойствами по сравнению с образцами из картона. Введение в суспензию поливинилацетат-ного 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. Применение горячего прессования приводит к образованию более плотного композита, при этом предел прочности при растяжении образца увеличивается в 2,8 раза.
При совокупном действии ПВА-проклейки и горячего прессования предел прочности при растяжении композита возрастает в 5,9 раза и становится существенно выше аналогичного показателя для упаковочного картона.
Полученные композиты из отходов упаковки Тетра Пак являются перспективным материалом, поскольку их возможно использовать в качестве заменителя картона для производства упаковки для хрупких изделий и пищевых продуктов (например, фруктов и овощей), можно рекомендовать применять в строительных целях, например, для обшивки стен, потолков, перегородок жилых, производственных и складских помещений, дач, гаражей и др.
Список литературы:
1. Агеев, М.А. Облагораживание макулатуры в производстве бумаги : монография / М.А. Агеев. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т. -2008. - 254 с.
2. Бобович, Б.Б., Девяткин В.В. Переработка отходов производства и потребления / Бобович, В.В. Девяткин. - М: «Интермет Инжиниринг». -2000. - 495 с.
3. Вураско, А.В. Технология получения, обработки и переработки бумаги и картона: учеб. пособие.-Екатеринбург / А.В. Вураско, А.Я. Агеев, М.А. Агеев. - Урал. гос. лесотехн. ун-т. - 2011. -272 с.
4. Деркач, Я.В. Переработка тары и упаковки из комбинированных материалов // Тара и упаковка. - 2004. - № 1. - с. 26-28.
5. Кирван, М. Д. Упаковка на основе бумаги и картона / Пер. с англ. В. Ашкенази; науч. ред. Э.Л. Аким, Л.Г. Махотина. -СПб.: Профессия. -2008. - 488 с.
6. Кремнева,_ А.В. Получение и результаты испытания полимерно-бумажных композитов из отходов упаковки на расслаивание и растяжение / А.В. Кремнева, Л.Г. Коляда. // Качество в обработке материалов. - 2015. - № 1 (3). - С. 54-58.
7. Кряжев, А.М. Проблемы и возможности переработки макулатуры в России / А.М. Кряжев, М.А. Акежев, Ф.В. Шпаков, К.В. Быцан. // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1997. - № 9 - 10.
8. Медяник, Н.Л. Способы упаковывания пищевых продуктов: учеб. пособие / Н.Л. Медяник, Л.Г. Коляда, А.П. Пономарев. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. - 2016. - 77 с.
9. Медяник, Н.Л. Утилизация отходов упаковки / Н.Л. Медяник, О.В. Ершова, Л.Г. Коляда. -Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова. - 2015. - 170 с.
10. Переработка сложных отходов - упаковок Тетра Пак: отраслевой портал. - Режим доступа: http://www.parmatech.org.
11. Смоляков, А.И. Перерабатываемый неперерабатываемый TETRA PAK / А.И. Смоляков, Е.С. Клеванова. // Твердые бытовые отходы. - 2018. - №12.- С. 22-25.
12. Утела, Э. Перспективы использования вторичного волокна в производстве бумаги и картона / Э. Утела, Ф.Я. Пеуро. // Ноу-хау уайер. -1990. - с. 22-24.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE PROBLEM OF RECYCLING TETRA PAK PACKAGING WASTE Kolyada L. G. , PhD. Tech. Sci., associate professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, e-mail: kl174@mail.ru Tarasyuk E. V., PhD. Chem. Sci., associate professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, e-mail: gepod@inbox.ru Smirnova A. V., Senior Lecturer
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, e-mail: a-kremneva@mail.ru
Abstract. Technological parameters of receiving composites from Tetra Pak packaging waste are determined in the work. Physical - mechanical characteristics of the received composites are defined. The analysis of the received results showed that composites from Tetra Pak packaging waste have loose structure and lower strength properties in comparison with cardboard. Application of hot pressing result in formation of more dense composite, thus tensile strength of a sample increases by 2,8 times. Cumulative effect of PVA glue and hot pressing leads to increase of composite tensile strength by 5,9 times. It becomes significantly higher than the similar characteristic for a packing cardboard.
Keywords: combined packaging, Tetra Pak, composites, cardboard, polyvinyl acetate glue (PVA), strength.
