Влияние композиции макулатурного сырья на потребительские свойства тарного картона

Статья посвящена исследованию влияния примесей макулатуры марки МС-6Б, МС-7Б и МС-11В на качество тарного картона из макулатуры марки МС-5Б. Установлены допустимые массовые доли таких примесей.

В России в сфере сбора и переработки макулатуры отсутствует система селективного сбора отходов, что сильно затрудняет её возврат в хозяйственный оборот.

В итоге, постоянно снижается качество макулатурного сырья, что усугубляется оттоком его высококачественных марок за рубеж, возникает дефицит макулатуры, следствием которого является повышение цен на неё.

К тому же идеальные условия для сбора макулатуры трудноосуществимы и в марку МС-5Б попадает много разносортного сырья, механические свойства которого существенно ниже.

Целью настоящего исследования было изучение влияния примесей макулатуры марок МС-6Б, МС-7Б и МС-11В и установление их допустимой массовой доли в композиции тарного картона, изготавливаемого из макулатуры МС-5Б.

Для осуществления указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  • определение зависимости физико-механических характеристик тарного картона из макулатуры марки МС-5Б от массовой доли примесей других её марок;
  • выявление допустимой доли содержания примесей марки МС-6Б, МС-7Б и МС-11В в модельных образцах картона, изготовленных из макулатуры МС-5Б;
  • визуальная оценка поверхности лабораторных образцов картона с точки зрения наличия в них цветных вкраплений.

На первом этапе работы в качестве объектов исследования использовалась макулатура марок OCC (old corrugated containers), МС-5Б/2-1 и МС-5Б/2-2 (бытовая макулатура марки МС-5Б 1-го и 2-го сорта), в числе прочего, отличающихся структурно-морфологическим строением, степенью повреждённости волокон, а также содержанием примесей других марок макулатуры и загрязнений.

В ходе эксперимента использовался размол исследуемого сырья в лабораторной мельнице Йокро до степени помола, равной 35 °ШР.

Примечание: Степень помола бумажной массы – это способность полуфабриката к обезвоживанию, которая позволяет судить о степени разработки волокна. Измеряется в градусах Шоппер-Риглера (°ШР)

Из полученного сырья были изготовлены лабораторные образцы картона (отливки) с массой одного квадратного метра, равной 125 граммам, которые, после кондиционирования в стандартных условиях, подвергались физико-механическим испытаниям (см. табл. 1).

Таблица 1. Физико-механические характеристики лабораторных образцов из макулатуры марки OCC, МС-5Б/2-1, МС-5Б/2-2

Образецσp, МПаεp, %L, мSt, кН/мE1, МПаAp, мДжPуд, кН/мBST, кПаSCT, кН/мСМТ30, Н
OCC80,53,4910050720456042012,87605,34270
МС-5Б/2-142,52,55585059031201688,15003,93265
МС-5Б/2-234,22,28550054025701547,24903,81260

Где,

σp разрушающее напряжение (МПа), определяемое как отношение разрушающего образец усилия к величине приращения его длины (ширины);
L – разрывная длина (м), определяемая как расчётная длина полоски бумаги или картона определённой равномерной ширины, которая, будучи подвешенной за один конец, разрывается под действием собственной массы;
Pудудельное сопротивление разрыву (кН/м), определяемое как отношение разрушающего усилия к ширине испытуемого образца;
St –жёсткость при растяжении (кН/м), характеризующая способность структуры сопротивляться внешней нагрузке в зоне деформирования;  
E1 – модуль упругости (МПа), определяемый как отношение приращения разрушающего напряжения к величине приращения возникающей при этом линейной деформации образца;
εpдеформация разрушения (%), определяемая как процентное отношение критической величины приращения длины испытуемого образца к его исходному значению;
Apвеличина механической работы, потраченной на разрушение образца (мДж), определяемая как интегральная сумма произведений приращений деформационных усилий на соответствующие им величины линейных деформаций испытуемого образца;
BST (Bursting Strength Test) – результат тестирования образца на значение его абсолютного сопротивления продавливанию (кПа);
SCT (Short-Span Compression Test) – результат тестирования образца на значение его сопротивления сжатию на коротком расстоянии (кН/м);
CMT30 (Concora Medium Test) – результат тестирования образца на значение сопротивления плоскостному сжатию после его кондиционирования в течение 30 минут (Н).

Очевидно, что прочностные (σр, L, BST, Руд), жесткостные (St, Е1) и деформационные (εр, Ар) характеристики образцов, изготовленных из макулатуры марки МС-5Б в среднем в 1,4…2,3 раза ниже, чем характеристики образцов из макулатуры марки ОСС. Это связано с пониженными бумагообразующими свойствами вторичных волокон макулатуры марки МС-5Б, обусловленными явлением «необратимого» ороговения.

На втором этапе эксперимента было установлено допустимое содержание примесей макулатуры марок МС-6Б, МС-7Б и МС-11В в модельных образцах картона, изготовленных из макулатуры марки МС-5Б. Для этого за основу была принята макулатура МС-5Б/2-1, являющаяся самым массовым видом макулатурного сырья.

К ней добавляли макулатуру МС-6Б, МС-7Б и МС-11В и моделировали следующие композиции по волокну:

1) 100 % МС-5Б/2-1;

2) 3, 5, 7 и 10 % МС-6Б;

3) 3, 5, 7 и 10 % МС-7Б;

4) 3 % МС-11В.

Добавку макулатуры МС-11В ограничили на уровне 3 %, поскольку она содержит битумированные и парафинированные покрытия, что создает проблему с точки зрения её налипания на оборудовании, забивания сеток и сит.

При составлении композиций размол производили совместный. Физико-механические показатели лабораторных образцов в относительном выражении представлены на рис. 1.

Рис. 1. Физико-механические показатели лабораторных образцов с добавлением макулатуры марки МС-6Б, МС-7Б и МС-11В

Эти данные демонстрируют планомерное снижение разрывной длины (L) на 12 % во всем диапазоне повышения доли макулатуры марки МС-6Б.

При добавке макулатуры марки МС-7Б, напротив, наблюдается повышение этого показателя на 11 %. Данный факт связан с тем, что макулатура МС-6Б подвергалась нескольким циклам переработки, а макулатура МС-7Б представляет собой использованные бумажно-беловые изделия, изготовленные из первичных волокон, способных к созданию плотного и прочного листа бумаги.

Уровень прочности образцов с добавкой 3 % макулатуры марки МС-11В аналогичен прочности образцов, изготовленных из 100 % макулатуры МС-5Б/2-1.

Жёсткость при растяжении (St) образцов при добавлении макулатуры МС-6Б снижается на 25 %, а при добавлении макулатуры МС-7Б и МС-11В практически не изменяется.

Наблюдается резкое снижение модуля упругости (Е1) при добавлении лишь 3 % макулатуры МС-6Б (на 20 %), а при добавлении 10 % и 3 % макулатуры МС-7Б и МС-11В, соответственно, этот показатель практически не изменяется.

Деформация разрушения (εр) для образцов с добавкой макулатуры МС-11В резко падает на 25 %, поскольку, как уже упоминалось, данная марка содержит битумированные включения, которые являются концентраторами напряжений в структуре бумажного полотна.

В случае добавления в композицию макулатуры марок МС-6Б и МС-7Б наблюдается снижение этого показателя от 3 до 8 процентных пунктов, что обусловлено негативным влиянием ороговения волокон при их многократной переработке. Данный факт приводит к снижению гибкости волокон и их способности к образованию связей в структуре материала.

Из стандартных физико-механических характеристик для картона были оценены следующие показатели: удельное сопротивление разрыву (Руд), сопротивление продавливанию (BST), сопротивление сжатию на коротком расстоянии (SCT) и сопротивление плоскостному сжатию (CMT30). Изменения значений этих параметров представлены на рис. 2.

Как правило, параметр сопротивления плоскостному сжатию гофрированного образца используется при описании характеристик флютинга, а не картона-лайнера. Тем не менее, есть две причины, по которым данный показатель зачастую включается в спецификации картонов для плоских слоёв.

Первая заключается в том, что зачастую потребитель тарного картона с целью удешевления себестоимости продукции применяет флютинг в качестве плоских слоев гофрокартона.

Вторая причина в том, что ряд производителей изготавливает так называемый универсальный картон, который может использоваться и как лайнер, и как флютинг.

Такие стандартные физико-механические показатели, как сопротивление сжатию кольца (RCT) и сопротивление торцевому сжатию (CCT) не были определены в исследовании, поскольку данные характеристики мало информативны.

В настоящем исследовании было сделано допущение сравнения физико-механических показателей изотропных лабораторных образцов с показателями качества анизотропного производственного картона-лайнера. Результаты, полученные в лабораторных условиях, были сопоставлены с нормативными показателями действующего ТУ 17.12.35-008-90445912-2021 (ООО «Сухонский КБК»).

Рис. 2. Влияние композиции макулатурного сырья на стандартные физико-механические характеристики исследуемых образцов

Красные линии (рис. 2) – это установленные нормы, ниже которых продукция должна отбраковываться. Вместе с тем, был определён допустимый процент снижения этих норм по основным показателям, который составил для SCT – 12 %, для BST и Руд – 15 % и для СМТ30 – 20 %.
Ограничивающим показателем является прочность материала, поскольку при добавлении 7 % макулатуры марки МС-6Б уровень сопротивления продавливанию и удельной прочности при разрыве граничат с допустимой нормой.

Сопротивление сжатию на коротком расстоянии (SCT), которое оказывает влияние на жёсткость тарного картона, также является ограничивающим показателем. Так, при 10 % добавлении макулатуры марки МС-6Б значения SCT опускаются ниже допустимого уровня.

Таким образом, допустимое содержание макулатуры марки МС-6Б по трем показателям SCT, BST и Руд оказалось не более 7 %.

Запас прочности всех рассматриваемых марок макулатуры по показателю плоскостного сопротивления сжатию (СМТ30) оказался достаточно большим.

Хотя присутствие в опытных образцах макулатуры марки МС-7Б позволяло сохранять их физико-механические показатели на достаточно высоком уровне, в случае добавления в них всего лишь 5 % данного вида макулатуры наблюдалось закономерно большое количество цветных вкраплений на поверхности исследуемых образцов (рис. 3а), что критически недопустимо для потребителей тарного картона и, в первую очередь, картона-лайнера.

Рис. 3. Иллюстрации цветных вкраплений при добавке 5 % МС-7Б (а), микрофотография налипания битумированных покрытий на волокно (б), чёрные вкрапления в образцах при добавке 3 % макулатуры МС-11В (в)

Сегодня требования к качеству тарного картона постоянно ужесточаются не только по физико-механическим показателям, но и по внешнему виду, вследствие чего потребитель зачастую возвращает производителю не удовлетворяющую его продукцию.

Добавление марки МС-11В недопустимо по причине наличия в ней битумированных и парафинированных покрытий.

На рис. 3б представлена микрофотография волокна с налипанием таких покрытий. Кроме того, как видно из рис. 3в, совершенно недопустимым является внешний вид картона при наличии в нём всего лишь 3% этой марки макулатуры: на его поверхности появляется огромное количество чёрных пятен.

По итогам данного исследования сделаны следующие выводы и рекомендации:

  1. Установлены допустимые массовые доли примесей макулатуры в тарном картоне, изготавливаемом из макулатуры марки МС-5Б: МС-6Б –7 %; МС-7Б –3 %; МС-11В –0 %.
  2. При использовании макулатуры марки МС-7Б переработчикам макулатуры необходимо совершенствовать технологию её очистки и сортирования, чтобы внешний вид готовой продукции отвечал требованиям к качеству тарного картона.

Авторами данного исследования являются:
• Виктория Валерьевна Гораздова, ведущий специалист по научно-технологическим вопросам УК ОБФ
• Дернова Елена Валентиновна, консультант по научно-технологическим вопросам УК ОБФ
• Дулькин Дмитрий Александрович, руководитель компании ОБФ
• Анастасия Владимировна Попова, бакалавр кафедры ЦБиЛХП САФУ.