Введение
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 [7]. Легкая фракция ТБО представлена преимущественно бумагой и полимерными пленками, в основном полиолефинами – полиэтиленом низкой плотности (ПЭ) и полипропиленом (ПП). Одной из основных операций при сортировке ТБО на тяжелую и легкую фракции является аэросепарация. При этом легкая бумажно-полимерная фракция содержит 75 – 80 % бумаги и 20 – 25 % полиолефинов [4].
В связи с этим цель работы заключалась в исследовании возможности совместной переработки бумажной и полимерной фракций отходов упаковки.
При реализации поставленной цели решались следующие задачи:
- получение полимерно-бумажных композитов;
- изучение физико-механических свойств композитов;
- реализация полного факторного эксперимента по выявлению влияния некоторых технологических факторов на физико-механические свойства композитов.
Получение полимерно-бумажных композитов включало следующие стадии: измельчение, приготовление полимерно-бумажной суспензии, формование отливки, горячее прессование и сушка [3].
Подготовка массы заключалась в составлении композиции из вторичных целлюлозных волокон и полиолефинов (полиэтилена низкой плотности ПЭ и полипропилена ПП) и получения ее водной суспензии. Содержание полиолефинов в полимерно-бумажных композитах варьировалось от 10 до 30 %.
Роспуск макулатурных волокон в водной среде проводили в дезинтеграторе при температуре 40 оС 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 [3].
Приготовленные суспензии отфильтровывали под вакуумом. Избыток влаги из полученных композитов удалялся на прижимных валках. Прессование полимерно-бумажных композитов проводили при температуре 150 оС и усилии 29,7 Н. Время горячего прессования варьировали от 10 до 50 секунд. Сушку полимерно-бумажных композитов проводили при комнатной температуре на воздухе в течение 24 часов.
Для проклейки массы использовали два вида клея – силикатный клей и поливинилацетатную (ПВА) суспензию (1 % масс) [2, 5].
Физико-механические свойства полимерно-бумажных композитов (толщина, масса 1 м2, плотность, предел прочности при расслаивании, предел прочности при растяжении) были определены по существующим стандартным методикам. На рисунке 1 представлены зависимости массы 1 м2 полученных композитов от содержания полимерных фракций.
а) 
б) 
Рис. 1. Зависимость массы 1 м2 композитов от содержания полимерной фракции: а) ПЭ; б) ПП
Из анализа полученных результатов следует:
- с увеличением содержания полимерной фракции масса 1 м2 композита растет;
- введение в полимерно-бумажную суспензию клея ПВА приводит к увеличению массы 1 м2 от 5 до 18 %, что обусловлено прочным сцеплением целлюлозных волокон и частиц полимерных фракций.
Предел прочности при расслаивании композитов определяли по ГОСТ 13648.6-86 «Бумага и картон. Методы определения сопротивления расслаиванию». Сопротивление расслаиванию связано с действием расслаивающих сил, которые зависят от величины силы связи между целлюлозными волокнами. Расслаивание образца композита проводили на испытательной машине ИП 5158-0,5 под действием растягивающего усилия, перпендикулярного плоскости образца. Образец крепится к стальным пластинам приспособления разрывной машины двусторонней самоклеющейся лентой и выдерживается под нагрузкой 450 ± 50 Н в течение 300 ± 10 с. Если связи между частицами полимера и целлюлозными волокнами малы, то нарушается композиционная устойчивость материала и происходит внутреннее расслаивание [6].
Полученные результаты предела прочности при расслаивании композитов представлены на рисунке 2.
а) 
б) 
Рис. 2. Зависимость предела прочности при расслаивании композитов от содержания полимерной фракции: а) ПЭ; б) ПП
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 образцы с ПП. Температура прессования – 150 °С достаточна для расплавления частиц ПЭ (tпл = 100 – 108 оС), которые связывают целлюлозные волокна, и при последующей естественной сушке образуют жесткий бумажно-полимерный композит. При растягивающих усилиях композит не разрушается, а происходит отрыв образца от клеящей ленты. Поэтому показатель – предел прочности при расслаивании не является информативным и по нему нельзя судить о прочности композита. Температура плавления ПП составляет 160 – 168 оС, поэтому температура прессования недостаточна для плавления полипропилена. В результате частицы ПП слабо сцеплены с целлюлозными волокнами, образуется рыхлая структура композита, которая легко расслаивается при растягивающих усилиях. Поэтому, в дальнейших исследованиях изучались композиты на основе ПЭ-фракции с ПВА проклейкой.
Предел прочности при растяжении композитов определяли по ГОСТ 13525.1-79 «Бумага и картон. Метод определения прочности на разрыв и удлинение при растяжении». Предел прочности при растяжении композита является количественной характеристикой силы его межволоконных связей и определяется под действием усилия, направленного параллельно плоскости образца. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты определения предела прочности при растяжении композитов (МПа)
|
Время горячего прессования, с |
Содержание ПЭ, % |
||
|
10 |
20 |
30 |
|
|
10 |
3 |
4 |
2 |
|
30 |
7 |
6 |
6 |
|
50 |
4 |
5 |
1 |
Из предварительного анализа полученных результатов следует, что максимум предела прочности при растяжении полимерно-бумажных композитов достигается у всех образцов, подвергавшихся горячему прессованию в течение 30 с. Это время достаточно для наиболее 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.
В соответствии с данными источников [2] получаемый композит возможно использовать для получения бумажно-литьевых изделий для упаковки и транспортировки хрупких предметов как заменитель картона для изготовления коробок, а также как материал строительного назначения. Следовательно, целесообразно установить степень влияния технологических факторов (содержание полимерной фракции и время горячего прессования) на прочностные характеристики получаемых композитов, а именно на предел прочности при растяжении композита.
С этой целью был спланирован и реализован полный факторный эксперимент (ПФЭ).
В качестве базовых значений принимаются: содержание ПЭ 20 % с интервалом варьирования 10 %; время выдержки под горячим прессом 30 с с интервалом варьирования 20 с. Такой базовый уровень принят из учета 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.
В соответствии с методикой проведения ПФЭ была построена матрица планирования (таблица 2), согласно которой было проведено 4 опыта с различными содержаниями ПЭ и разным временем выдержки под прессом.
Таблица 2
Матрица планирования
|
№ опыта |
Значения факторов в натуральной форме |
Значения факторов в безразмерной форме |
у |
|||
|
Содержание ПЭ, % |
Время выдержки под прессом, с |
х0 |
х1 |
х2 |
|
|
|
1 |
10 |
10 |
1 |
-1 |
-1 |
2,36 |
|
2 |
30 |
10 |
1 |
1 |
-1 |
2,46 |
|
3 |
10 |
50 |
1 |
-1 |
1 |
3,76 |
|
4 |
30 |
50 |
1 |
1 |
1 |
0,98 |
По результатам проведения ПФЭ было получено адекватное результатам исследований следующее уравнение регрессии:
= 2,39 – 0,67х1 – 0,72х1х2.
Проверка коэффициентов полученного уравнения на значимость по критерию Стьюдента [1] показала, что коэффициент при х2 является незначимым и поэтому он должен быть исключён.
Полученное уравнение регрессии адекватно и позволяет судить о том, что на предел прочности при растяжении полимерно-бумажных композитов наибольшее влияние оказывает такой фактор, как содержание ПЭ (х1). Совместное воздействие двух факторов – содержание ПЭ в полимерно-бумажных композитах и время горячего прессования оказывается более существенным по сравнению с влиянием только содержания полимера в композите.
Проведённые эксперименты и анализ полученного уравнения регрессии позволили установить, что полимерно-бумажные композиты с оптимальными 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.
Заключение
Проведенный ПФЭ и анализ полученного уравнения регрессии показал, что полимерно-бумажные композиты с оптимальными 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.
Рецензенты:
Стеблянко В.Л., д.т.н., профессор; ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.
Медяник Н.Л., д.т.н., профессор, зав. кафедрой химии ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.