Odpady tetrapaków i możliwości ich wykorzystania
W Polsce, podobnie jak w wielu innych krajach, zarządzanie odpadami jest tematem szeroko dyskutowanym na forum publicznym. Wśród odpadów komunalnych dużą grupę stanowią opakowania. Jeden z rodzajów odpadów opakowaniowych – tetrapaki (wielowarstwowe kartony laminowane do mleka i soków) – stanowią ok. 1% wszystkich odpadów komunalnych.
W opakowaniu składającym się z wielowarstwowych laminowanych kartonów papier stanowi 75% wag., polietylen 20% wag., a folia aluminiowa 5% wag. Papier stanowi główny składnik opakowań kartonowych. Charakteryzuje się długim włóknem, dzięki czemu karton jest bardzo mocny. Cienka warstwa polietylenu w opakowaniach typu tetrapak chroni produkt przed wilgocią i mikroorganizmami, a folia aluminiowa o grubości 0,0065 mm jest najcieńszą warstwą, która skutecznie chroni produkt przed szkodliwym działaniem światła i tlenu¹. Opakowania kartonowe mają wiele cech bardzo użytecznych zarówno dla konsumenta i producenta, jak i dla handlu, np. hermetyczność, nieprzepuszczalność światła, wysoka higiena (opakowania jednorazowe), lekkość, zwarta forma, łatwość magazynowania itp.
Recykling laminowanych opakowań kartonowych
Laminowane kartonowe opakowania po mleku i sokach mogą zostać poddane recyklingowi. Najbardziej popularną metodą recyklingu jest odzysk celulozy w papierni. Metoda ta od dwóch lat stosowana jest w Polsce. W Niemczech z wysokiej jakości surowców odzyskanych z zużytych opakowań kartonowych po mleku i sokach produkuje się trwałe i wodoodporne płyty Tectan (stapiane i prasowane pocięte kartony), które są wykorzystywane w branży budowlanej i przy produkcji mebli. Odpady kartonowe mają bardzo wysoką wartość energetyczną, stosowane są więc w spalarniach odpadów z odzyskiem energii (jeden karton o pojemności 1000 ml posiada wartość energetyczną pozwalającą zasilać żarówkę o mocy 40 W przez 1,5 godz.¹). Rozdrobnione tetrapaki można także stosować jako napełniacz w kompozytach z tworzyw termoplastycznych. Kompozyty celulozowe pod względem niektórych właściwości są zbliżone do termoplastów wzmacnianych napełniaczami mineralnymi, a nawet włóknem szklanym. Podczas pękania elementów z tych kompozytów nie powstają ostre krawędzie i drzazgi, co jest szczególnie ważne w przemyśle maszynowym i samochodowym2-6. Podstawową trudnością w stosowaniu laminowanych opakowań kartonowych jako napełniaczy tworzyw termoplastycznych jest konieczność ich rozdrabniania i rozwłókniania.
Metoda rozdrabniania kartonów
W Instytucie Chemii Przemysłowej (IChP) we współpracy z Centralnym Ośrodkiem Badawczo-Rozwojowym Maszyn Włókienniczych (COBRMW) w Łodzi opracowano metodę rozdrabniania kartonów7. Zastosowano tu specjalnie zaprojektowane urządzenie z charakterystycznym doborem noży i sit, wykonane przez COBRMW. Rozdrobnione i rozwłóknione odpady z wielowarstwowych laminowanych kartonów, uzyskane przy zastosowaniu tego urządzenia, są jednorodne i mają postać drobnych płatków.
Płatki te, ze względu na ok. 20-procentową zawartość polietylenu, można stosować jako napełniacz w kompozytach na bazie polietylenu. W IChP rozwłóknione kartony z tetrapaków zastosowano jako napełniacz w kompozytach polietylenu małej gęstości (LDPE), aglomerat LDPE (aglomerat), odpad polietylenowy z produkcji kabli (odpad z kabli) oraz polietylen dużej gęstości (HDPE). Kompozyty polietylenu z napełniaczem z odpadów kartonowych sporządzono na linii metodą wytłaczania, uzyskując granulat do dalszego przetwórstwa metodą wtrysku lub prasowania. Metodą tą można wprowadzić do 65% wag. rozwłóknionych kartonów, co w przeliczeniu na zawarty w nich papier daje do 50% wag. włókna celulozowego.
Przeprowadzono właściwości mechaniczne tak uzyskanych kompozytów zgodnie z normami PN-EN ISO 178, PN-EN ISO 527 i PN-EN ISO 1808 (moduł przy zginaniu, Ef, MPa; naprężenie zginające, σfM, MPa – PN-EN ISO 178, moduł przy rozciąganiu, Et, MPa; naprężenie przy zerwaniu, σB, MPa; wydłużenie względne przy zerwaniu, εB, % – PN-EN ISO 527, udarność z karbem Izoda, aiN, kJ/m² – PN-EN ISO 180).
Receptury (w przeliczeniu na włókno celulozowe zawarte w tetrapakach) i właściwości mechaniczne kompozytów polietylenowych przedstawiono na rys. 1 – 6.
Rys. 1. Zależność modułu sprężystości przy rozciąganiu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 2. Zależność modułu sprężystości przy zginaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 3. Zależność naprężenia przy zerwaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 4. Zależność naprężenia zginającego od ilości włókna celulozowego.
Rys. 5. Zależność wydłużenia przy zerwaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 6. Zależność udarności z karbem Izoda od ilości włókna
Przeprowadzone badania wskazują, że kompozyty napełniane rozdrobnionymi odpadami wielowarstwowych kartonów laminowanych do 65% wag., zawierających włókna celulozowe w ilości 20-50%, posiadają bardzo dobre właściwości mechaniczne. Stwierdzono, że charakter zmian poszczególnych właściwości mechanicznych jest taki sam jak przy napełnianiu tworzyw termoplastycznych. Zmiany właściwości w porównaniu z tworzywem niemodyfikowanym w kompozytach napełnianych włóknem celulozowym z tetrapaków są proporcjonalne do zawartości włókna. Kompozyty charakteryzują się:
obniżeniem udarności z karbem Izoda (typowe zachowanie wysoko napełnionego kompozytu) – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od ok. 10 razy dla odpadów z kabli, po ok. 5,5 razy dla LDPE i aglomeratu, do około sześciu razy dla HDPE.
Na rys. 7 i 8 przedstawiono porównanie właściwości mechanicznych kompozytów polietylenowych z włóknem celulozowym z laminowanych kartonów wielowarstwowych w porównaniu z taką samą ilością włókna celulozowego z makulatury, a na rys. 9 w porównaniu z taką samą ilością proszkowego napełniacza mineralnego – fosfogipsu (badania własne9).
Rys. 7. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z aglomeratu LDPE z włóknem celulozowym z makulatury włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych
Rys. 8. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z odpadów kabli LDPE z włóknem celulozowym z makulatury włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych
Rys. 9. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z LDPE z włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych oraz z fosfogipsem (napełniacz mineralny proszkowy).
Stwierdzono, że zastosowanie włókna celulozowego z tetrapaków wywołuje wyższe zmiany poszczególnych właściwości mechanicznych niż włókno celulozowe z makulatury. Wynika to z wysokiej jakości celulozy stosowanej w takich kartonach. Jeszcze wyższe zmiany poszczególnych właściwości, włókno celulozowe z tetrapaków, wywołuje w porównaniu z niektórymi fosfogipsami. Pod względem niektórych właściwości są zbliżone do termoplastów wzmacnianych np. włóknem szklanym, lecz charakteryzują się niższą gęstością.
Zakłady zainteresowane wykorzystaniem opracowanych przez nas kompozytów do otrzymywania tanich wyrobów, takich jak grubościenne profile lub listwy, doniczki, skrzynki, kontenery itp., prosimy o kontakt w celu ewentualnej współpracy nad opracowaniem nowych tanich technologii.
Źródła:
dr hab. inż. Ewa Kowalska
Longina Kuczyńska
Małgorzata Choroś
Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa
Śródtytuły od redakcji
W opakowaniu składającym się z wielowarstwowych laminowanych kartonów papier stanowi 75% wag., polietylen 20% wag., a folia aluminiowa 5% wag. Papier stanowi główny składnik opakowań kartonowych. Charakteryzuje się długim włóknem, dzięki czemu karton jest bardzo mocny. Cienka warstwa polietylenu w opakowaniach typu tetrapak chroni produkt przed wilgocią i mikroorganizmami, a folia aluminiowa o grubości 0,0065 mm jest najcieńszą warstwą, która skutecznie chroni produkt przed szkodliwym działaniem światła i tlenu¹. Opakowania kartonowe mają wiele cech bardzo użytecznych zarówno dla konsumenta i producenta, jak i dla handlu, np. hermetyczność, nieprzepuszczalność światła, wysoka higiena (opakowania jednorazowe), lekkość, zwarta forma, łatwość magazynowania itp.
Recykling laminowanych opakowań kartonowych
Laminowane kartonowe opakowania po mleku i sokach mogą zostać poddane recyklingowi. Najbardziej popularną metodą recyklingu jest odzysk celulozy w papierni. Metoda ta od dwóch lat stosowana jest w Polsce. W Niemczech z wysokiej jakości surowców odzyskanych z zużytych opakowań kartonowych po mleku i sokach produkuje się trwałe i wodoodporne płyty Tectan (stapiane i prasowane pocięte kartony), które są wykorzystywane w branży budowlanej i przy produkcji mebli. Odpady kartonowe mają bardzo wysoką wartość energetyczną, stosowane są więc w spalarniach odpadów z odzyskiem energii (jeden karton o pojemności 1000 ml posiada wartość energetyczną pozwalającą zasilać żarówkę o mocy 40 W przez 1,5 godz.¹). Rozdrobnione tetrapaki można także stosować jako napełniacz w kompozytach z tworzyw termoplastycznych. Kompozyty celulozowe pod względem niektórych właściwości są zbliżone do termoplastów wzmacnianych napełniaczami mineralnymi, a nawet włóknem szklanym. Podczas pękania elementów z tych kompozytów nie powstają ostre krawędzie i drzazgi, co jest szczególnie ważne w przemyśle maszynowym i samochodowym2-6. Podstawową trudnością w stosowaniu laminowanych opakowań kartonowych jako napełniaczy tworzyw termoplastycznych jest konieczność ich rozdrabniania i rozwłókniania.
Metoda rozdrabniania kartonów
W Instytucie Chemii Przemysłowej (IChP) we współpracy z Centralnym Ośrodkiem Badawczo-Rozwojowym Maszyn Włókienniczych (COBRMW) w Łodzi opracowano metodę rozdrabniania kartonów7. Zastosowano tu specjalnie zaprojektowane urządzenie z charakterystycznym doborem noży i sit, wykonane przez COBRMW. Rozdrobnione i rozwłóknione odpady z wielowarstwowych laminowanych kartonów, uzyskane przy zastosowaniu tego urządzenia, są jednorodne i mają postać drobnych płatków.
Płatki te, ze względu na ok. 20-procentową zawartość polietylenu, można stosować jako napełniacz w kompozytach na bazie polietylenu. W IChP rozwłóknione kartony z tetrapaków zastosowano jako napełniacz w kompozytach polietylenu małej gęstości (LDPE), aglomerat LDPE (aglomerat), odpad polietylenowy z produkcji kabli (odpad z kabli) oraz polietylen dużej gęstości (HDPE). Kompozyty polietylenu z napełniaczem z odpadów kartonowych sporządzono na linii metodą wytłaczania, uzyskując granulat do dalszego przetwórstwa metodą wtrysku lub prasowania. Metodą tą można wprowadzić do 65% wag. rozwłóknionych kartonów, co w przeliczeniu na zawarty w nich papier daje do 50% wag. włókna celulozowego.
Przeprowadzono właściwości mechaniczne tak uzyskanych kompozytów zgodnie z normami PN-EN ISO 178, PN-EN ISO 527 i PN-EN ISO 1808 (moduł przy zginaniu, Ef, MPa; naprężenie zginające, σfM, MPa – PN-EN ISO 178, moduł przy rozciąganiu, Et, MPa; naprężenie przy zerwaniu, σB, MPa; wydłużenie względne przy zerwaniu, εB, % – PN-EN ISO 527, udarność z karbem Izoda, aiN, kJ/m² – PN-EN ISO 180).
Receptury (w przeliczeniu na włókno celulozowe zawarte w tetrapakach) i właściwości mechaniczne kompozytów polietylenowych przedstawiono na rys. 1 – 6.
Rys. 1. Zależność modułu sprężystości przy rozciąganiu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 2. Zależność modułu sprężystości przy zginaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 3. Zależność naprężenia przy zerwaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 4. Zależność naprężenia zginającego od ilości włókna celulozowego.
Rys. 5. Zależność wydłużenia przy zerwaniu od ilości włókna celulozowego.
Rys. 6. Zależność udarności z karbem Izoda od ilości włókna
Przeprowadzone badania wskazują, że kompozyty napełniane rozdrobnionymi odpadami wielowarstwowych kartonów laminowanych do 65% wag., zawierających włókna celulozowe w ilości 20-50%, posiadają bardzo dobre właściwości mechaniczne. Stwierdzono, że charakter zmian poszczególnych właściwości mechanicznych jest taki sam jak przy napełnianiu tworzyw termoplastycznych. Zmiany właściwości w porównaniu z tworzywem niemodyfikowanym w kompozytach napełnianych włóknem celulozowym z tetrapaków są proporcjonalne do zawartości włókna. Kompozyty charakteryzują się:
- dużo większymi modułami przy zginaniu – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od czterech razy dla HDPE, przez sześć razy dla odpadów z kabli, do dziewięciu razy dla LDPE i aglomeratu,
- dużo większymi modułami przy rozciąganiu – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od około czterech razy dla HDPE, po pięć, sześć razy dla odpadów z kabli, do około dziewięciu razy dla LDPE i aglomeratu,
- wyższymi naprężeniami przy zerwaniu – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od 1,2 razy dla odpadów z kabli, po 2,8 razy dla HDPE, do ok. 1,7 razy dla LDPE i aglomeratu,
- wyższymi naprężeniami zginającymi – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od 4,3 razy dla odpadów z kabli, po 2,8 razy dla HDPE, do około sześciu razy dla LDPE i aglomeratu,
- obniżeniem wydłużenia względnego przy zerwaniu (typowe zachowanie wysoko napełnionego kompozytu) – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od ok. 60 razy dla odpadów z kabli, po 23-25 razy dla LDPE i aglomeratu, do ok. 13 razy dla HDPE,
obniżeniem udarności z karbem Izoda (typowe zachowanie wysoko napełnionego kompozytu) – przy zawartości włókna celulozowego 50% wag. – od ok. 10 razy dla odpadów z kabli, po ok. 5,5 razy dla LDPE i aglomeratu, do około sześciu razy dla HDPE.
Na rys. 7 i 8 przedstawiono porównanie właściwości mechanicznych kompozytów polietylenowych z włóknem celulozowym z laminowanych kartonów wielowarstwowych w porównaniu z taką samą ilością włókna celulozowego z makulatury, a na rys. 9 w porównaniu z taką samą ilością proszkowego napełniacza mineralnego – fosfogipsu (badania własne9).
Rys. 7. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z aglomeratu LDPE z włóknem celulozowym z makulatury włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych
Rys. 8. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z odpadów kabli LDPE z włóknem celulozowym z makulatury włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych
Rys. 9. Porównanie właściwości mechanicznych kompozytów z LDPE z włóknem celulozowym z wielowarstwowych kartonów laminowanych oraz z fosfogipsem (napełniacz mineralny proszkowy).
Stwierdzono, że zastosowanie włókna celulozowego z tetrapaków wywołuje wyższe zmiany poszczególnych właściwości mechanicznych niż włókno celulozowe z makulatury. Wynika to z wysokiej jakości celulozy stosowanej w takich kartonach. Jeszcze wyższe zmiany poszczególnych właściwości, włókno celulozowe z tetrapaków, wywołuje w porównaniu z niektórymi fosfogipsami. Pod względem niektórych właściwości są zbliżone do termoplastów wzmacnianych np. włóknem szklanym, lecz charakteryzują się niższą gęstością.
Zakłady zainteresowane wykorzystaniem opracowanych przez nas kompozytów do otrzymywania tanich wyrobów, takich jak grubościenne profile lub listwy, doniczki, skrzynki, kontenery itp., prosimy o kontakt w celu ewentualnej współpracy nad opracowaniem nowych tanich technologii.
Źródła:
- Zestaw informacyjny na temat recyklingu opakowań kartonowych TetraPak, 2003.
- Błędzki A.K., Gassan J., Wronkowska H.: Materiały Konferencyjne PTS, Warszawa 1998.
- Raj R.G., Kokta B.V., Dancault C.: Jnt. J. Polym. Mater., 14, 3-4, 1990.
- Matis S.N., Chawka C.P.: J. Polym. Mater., 4, 3, 1987.
- Chang-Sik Ha, Hac-Dong Park, Won Jci Cho: J. Appl. Pol. Sci, 74, 1999.
- Mattus V., Selzer R., Neitzel M.: Kunststoffberater, 42, 1997.
- PN- 370 290, 2004.
- Raport OBREM 2000 r.
- Kowalska E.: Badania modyfikacji tworzyw termoplastycznych odpadami poprodukcyjnymi i poużytkowymi, OWPW, Politechnika Warszawska. Prace Naukowe. Chemia. Z. 72, 2003.
dr hab. inż. Ewa Kowalska
Longina Kuczyńska
Małgorzata Choroś
Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa
Śródtytuły od redakcji
