Wp³yw stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z PET

Transkrypt

1 Wp³yw stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z PET 41 Maciej ROJEK, Gabriel WRÓBEL, Rudolf BAGSIK, Ma³gorzata SZYMICZEK* Politechnika Œl¹ska, Zak³ad Przetwórstwa Materia³ów Metalowych i Polimerowych * malgorzata.szymiczek@polsl.pl Wp³yw stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z PET Streszczenie. W ramach pracy scharakteryzowano proces filtracji materia³ów polimerowych. Przedstawiono wady i zalety procesu filtracji, który jest wykorzystywany przy recyklingu termoplastycznych materia³ów polimerowych. Omówiono proces recyklingu surowcowego politereftalanu etylenu (PET). W ramach badañ przygotowano próbki z folii wytworzonej na wyt³aczarce z trzema zestawami sit filtracyjnych. Zadaniem sit jest oczyszczenie roztopionego materia³u. Po przeprowadzeniu filtracji, zosta³y pobrane próbki folii odpowiadaj¹ce poszczególnym zestawom sit. Próbki poddano badaniom w³asnoœci wytrzyma³oœciowych. THE IMPACT OF THE DEGREE OF FILTRATION ON THE STRENGTH PROPERTIES OF THREE-LAYER PET FILM Summary. Within the paper the filtration process of the polymer materials is characterized. The pros and cons of the filtration process, which is applied during the recycling of thermoplastic polymer materials are discussed. Presented is the process of the recycling of polyethylene terephthalate (PET).Within the frame of the research the samples of film produced with the use of extruder with three sets of filtration sieves are prepared. The role of the sieves is the purification of the melted material. After the completion of the filtration, the samples of the film are taken. They are corresponding to the individual sets of nets, which were subjected to the examination of the strength properties. 1. WSTÊP Problemem, który w sposób istotny warunkuje pod wzglêdem spo³eczno-ekonomicznym zastosowanie materia³ów polimerowych w dzisiejszym œwiecie jest jednak ich utylizacja [1]. Materia³y polimerowe, dziêki swoim zaletom s¹ szeroko stosowane od folii opakowaniowych, po skomplikowane uk³ady konstrukcyjne [2 7]. Ze wzglêdu na du ¹ iloœæ odpadów, a tak e ich niezwykle d³ugi czas rozk³adu naturalnego wprowadzane s¹ technologie recyklingu, obejmuj¹ce szybsz¹ degradacjê lub przystosowanie do ich ponownego wykorzystania jako surowiec wtórny [1,2,7]. Wykorzystywanie recyklatów (materia³ów zawracanych do ponownego przetwórstwa) z materia³ów polimerowych wymaga stosowania odpowiedniego systemu filtracji, którego celem jest wyeliminowanie wszelkiego rodzaju zanieczyszczeñ [1,2,9]. Uplastyczniony materia³ polimerowy zawiera zanieczyszczenia ró nej wielkoœci. Do g³ównych zanieczyszczeñ zalicza siê wtr¹cenia mechaniczne, oderwane i przypalone resztki materia³u znajduj¹ce siê pomiêdzy cylindrem a œlimakiem, produkty korozji i inne. Najwiêcej zanieczyszczeñ mo na znaleÿæ jednak w regranulatach oraz dodatkach do tworzyw takich jak: barwniki, pigmenty i w³ókna lub w samym materiale np. nie do koñca spolimeryzowane tworzywo, nieroztopione granulaty czy ³atwo deformowalne ele. Nale- y d¹ yæ do wyeliminowania zanieczyszczeñ poniewa maj¹ one niekorzystny wp³yw na jakoœæ wyrobów koñcowych [8]. W zale noœci od zastosowania dodatek recyklatu mo e np. zmniejszyæ przepuszczalnoœæ i jakoœæ folii czy wytrzyma³oœæ elektryczn¹ w os³onach kablowych. Recyklat przyspiesza proces starzenia, zmienia kolor materia³u polimerowego oraz wp³ywa niekorzystnie na zu ycie czêœci takich jak: dysze, pompy tworzywa i inne. Jednym z wa nych aspektów recyklingu jest odpowiednie przygotowanie recyklatu m.in. przez sortowania, oczyszczenie, a w etapie koñcowym filtracjê uplastycznionego materia³u. Filtracja polega na oczyszczeniu polimeru w stanie plastycznym lub jego roztworze z mechanicznych niepo- ¹danych cz¹steczek za pomoc¹ materia³u filtracyjnego, którym mog¹ byæ w³ókna, piasek (kwarc), tkane siatki metalowe, proszki spiekane lub membrany. Ze wzglêdu na wymagania techniczne stawiane wyrobom wyt³aczanym, zanieczyszczenia w regranulacie nale y odseparowaæ za pomoc¹ siatek filtracyjnych wykonanych ze stali nierdzewnej. Wybór siatki filtracyjnej ma istotny wp³yw na jakoœæ wyrobu. Przy wyborze nale y zwróciæ szczególn¹ uwagê na zakres stosowania, dok³adnoœæ filtracji, warunki procesu produkcji (temperatura, ciœnienie), wymagania chemiczne i mechaniczne stawiane wyrobom [1,9]. W ramach pracy dokonano oceny wp³ywu stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z poli(tereftalanu etylenu) PET, która mo e byæ wykorzystywana na opakowania wytwarzane technologi¹ termoformowania [3]. Recykling poli(tereftalanu etylenu) spowodowany jest wielkoœci¹ produkcji, wyra an¹ w dziesi¹tkach tysiêcy ton (od roku 2006 produkowanych jest w kraju oko³o 500 mln sztuk opakowañ wykonanych z PET rocznie) oraz jego nisk¹ biodegradalnoœci¹. Koszty sk³adowania odpadów s¹ podstawowym czynnikiem przemawiaj¹cym za recyklingiem tego tworzywa. Ze wzglêdu na równowagowy charakter syntezy i stopniowy wzrost makrocz¹steczek mo liwy jest dla PET recykling surowcowy [8,9,11]. Polega on na rozk³adzie

2 42 Maciej ROJEK, Gabriel WRÓBEL, Rudolf BAGSIK, Ma³gorzata SZYMICZEK makrocz¹steczki w wyniku reakcji degradacji i depolimeryzacji z przejœciem do surowców wyjœciowych lub do oligomerów. Produkty otrzymane w ten sposób mog¹ zostaæ wykorzystane jako samodzielny surowiec lub domieszka do granulatu PET. Recykling surowcowy PET polega na wykorzystaniu procesu hydrolizy, alkoholizy lub glikolizy do otrzymania niskocz¹steczkowych zwi¹zków wyjœciowych, które s¹ nastêpnie wykorzystywane do powtórnej syntezy PET. Alkoholiza przeprowadzana jest z udzia³em katalizatorów alkalicznych (tj. octan sodu), w temperaturze C w czasie ok. 4 godzin. Katalizatory kwaœne powoduj¹ zakoñczenie reakcji w czasie min ju w temperaturze C. Rodzaj katalizatora ma mniejszy wp³yw na przebieg reakcji od u ytego dla niej ciœnienia. Do osi¹gniêcia wydajnoœci monomerów 99% stosowane jest ciœnienie atm i temperatura C [8] Metodyka badañ 2. PRACA W ASNA Celem pracy by³a ocena wp³ywu stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii wyt³aczane z miêdzywarstw¹ z regranulatu z PET. Do oceny wp³ywu stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe zastosowano trzy zestawy sit o ró nej gêstoœci odpowiednio 56 µm, 63 µm i 75 µm. Wykonane przy ich zastosowaniu folie zawiera³y 80%-wy udzia³ tworzywa pochodz¹cego z recyklatu i 20% czystego tworzywa PET (nazywanego w dalszej czêœci A-PET), u³o onego w ten sposób, e warstwa zawieraj¹ca recyklat tworzy rdzeñ ca³ej folii, natomiast udzia³ A-PET tworzy zewnêtrzne warstwy gotowej folii rys Rys Przekrój poprzeczny folii trójwarstwowej R-PET. Warstwy zewnêtrzne folii posiadaj¹ lepsze w³asnoœci, ze wzglêdu na udzia³ jedynie czystego politereftalanu etylenu. Ich zastosowanie spowodowane jest tak e wymogami dyrektywy Unii Europejskiej 94/62/WE, wg której two- rzywanaopakowaniamaj¹cestycznoœæzproduktamispo- ywczymi nie mog¹ pochodziæ z recyklingu. Zastosowanie warstwy recyklatu pozwala na znaczn¹ minimalizacjê kosztów produkcji, a tak e na ograniczenie zanieczyszczeñ œrodowiska. Surowiec potrzebny do wykonania recyklatu pozyskiwany jest g³ównie z u ywanych butelek, folii spo- ywczych, zakrêtek i opakowañ, w wyniku segregacji przez zajmuj¹ce siê tym przedsiêbiorstwa. Badaniom poddano próbki, w kszta³cie prostok¹ta o szerokoœci 15 mm (wg normy PN-EN ISO [12] szerokoœæ próbek powinna mieœciæ siê w zakresie od 10 do 25 mm), d³ugoœci nie mniejszej ni 150 mm. Gruboœæ okreœlono dla trzech punktów po³o onych w miejscach zamocowania w uchwytach i na œrodku rozci¹ganej czêœci próbki (rys. 2.2), co pozwoli³o na wyznaczenie œredniego rozk³adu gruboœci. Œrednia gruboœæ trójwarstwowej folii z A-PET wynosi³a 0,3 mm (zgodnie z norm¹ PN-EN ISO [12] nie powinna Rys Punkty pomiaru gruboœci próbki ona przekraczaæ 1 mm). Wykonano 10 próbek reprezentuj¹cych ka dy z badanych materia³ów (zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 527 [11] wartoœæ ta nie powinna byæ mniejsza ni 5 sztuk). W celu sprawdzenia anizotropii materia³u badania przeprowadzono na próbkach wycinanych wzd³u nie i prostopadle do kierunku wyt³aczania folii. Oceny w³asnoœci wytrzyma³oœciowych tak wykonanych folii dokonano na podstawie próby rozci¹gania przeprowadzonej na maszynie wytrzyma³oœciowej Zwick/Roell wg normy PN-EN ISO 527 [11]. Prêdkoœæ rozci¹gania wynosi³a 100 [mm/min] i by³a sta³a przez ca³y czas pomiaru. Odleg³oœæ pomiêdzy uchwytami maszyny wynosi³a 50 mm. W wyniku przeprowadzonych badañ okreœlono nastêpuj¹ce w³asnoœci wytrzyma³oœciowe: modu³ sprê ystoœci (E t ), naprê enia przy osi¹gniêciu granicy plastycznoœci ( Y ), wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie ( M ), wyd³u enie przy zniszczeniu ( tb ). Wszystkie w³asnoœci okreœlono zarówno dla próbek wyciêtych z folii wzd³u i prostopadle do kierunku wyt³aczania Wyniki badañ Na kolejnych rysunkach przedstawiono wykresy zale noœci: modu³ sprê ystoœci (E t ) rys. 2.3, naprê enia przy osi¹gniêciu granicy plastycznoœci ( Y ) rys. 2.4, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie ( M ) rys. 2.5, wyd³u enie przy zniszczeniu ( tb ) rys Wszystkie te w³asnoœci okreœlono w w zale noœci od stopnia filtracji i kierunku wycinania próbek z badanych folii (wzd³u i prostopadle do kierunku wyt³aczania).

3 Wp³yw stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z PET 43 Rys Porównanie modu³u sprê ystoœci w zale noœci od stopnia filtracji i kierunku wyciêcia próbek Rys Porównanie naprê eñ na granicy plastycznoœci w zale noœci od stopnia filtracji i kierunku wyciêcia próbek Na wykresach przedstawionych na rys przez A-PET oznaczono próbkê odniesienia z czystego PET oraz przez R-PET z dodatkiem recyklatu. Na rys obserwuje siê wyraÿnie wy szy modu³ sprê ystoœci dla próbek wycinanych zgodnie z kierunkiem wyt³aczania folii. Spoœród badanych grup próbek najwiêksz¹ wartoœci¹ modu³u sprê ystoœci charakteryzuje siê grupa A-PET. Nie przekracza ona jednak w znacz¹cy sposób modu³u sprê ystoœci wyznaczonego w grupie próbek folii z tworzywa poddanego filtracji na sitach o oczkach 63 µm (bêd¹cego zarazem najwy szym w grupie R-PET). Najni sz¹ wartoœæ modu³u sprê ystoœci posiadaj¹ próbki filtrowane na sitach 75 µm. Dla próbek wycinanych prostopadle do kierunku wyt³aczania modu³ sprê ystoœci jest o ok. 50 MPa ni szy od modu³u sprê ystoœci próbek filtrowanych na siatce 63 µm, który jest najwy szy ze wszystkich analizowanych rodzajów folii. Wykres przedstawiony na rys pozwala zaobserwowaæ, i folia wykonana z czystego A-PET osi¹ga granicê plastycznoœci przy najwy szych wartoœciach naprê- eñ. Próbki z recyklatem filtrowane na najgêstszych sitach osi¹gaj¹ granicê plastycznoœci przy najwy szych wartoœciach naprê eñ w grupie R-PET. W zestawieniu najgorzej prezentuj¹ siê w³asnoœci grupy o najni szym stopniu filtracji, wykazuj¹c ró nicê wartoœci granicy plastycznoœci 5,5 MPa w stosunku do czystego tworzywa. Dodatkowo mo na zaobserwowaæ, e jest to jedyny przypadek, gdzie próbki wycinanie prostopadle do kierunku wyt³aczania osi¹gaj¹ granicê plastycznoœci przy wy - szych wartoœciach naprê eñ. Analizuj¹c wykres przedstawiony na rys. 2.5 mo na zauwa yæ, e próbki wykonane z czystego A-PET wykazuj¹ zdecydowanie najwy sz¹, o ok. 10 MPa wiêksz¹ od innych badanych grup, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie. Dla próbek wykonanych z R-PET, jest ona zbli ona, niezale - nie od gêstoœci siatek filtracyjnych. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie dla ka dej z badanych grup jest porównywalna niezale nie od kierunku wycinania próbek. Próbki wykonane z A-PET wykazuj¹ znacznie wiêksze wyd³u enie ca³kowite (o ponad 150% d³ugoœci po-

4 44 Maciej ROJEK, Gabriel WRÓBEL, Rudolf BAGSIK, Ma³gorzata SZYMICZEK Rys Porównanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie w zale noœci od stopnia filtracji i kierunku wyciêcia próbek Rys Porównanie wyd³u enia przy zniszczeniu w zale noœci od stopnia filtracji i kierunku wyciêcia próbek cz¹tkowej), ni próbki wykonane z tworzywa R-PET (rys. 2.6). Serie filtrowane osi¹gaj¹ porównywalne wartoœci, przy czym próbki wyciête z folii, w których zastosowano recyklat filtrowany przez sita o gêstoœci oczek 56 µm i 63 µm odznaczaj¹ siê wy szym wyd³u eniem w kierunku prostopad³ym do kierunku wyt³aczania folii. Próbki filtrowane przez sita o gêstoœci 75 µm, charakteryzuj¹ siê wy szym wyd³u eniem dla próbek wycinanych zgodnie z kierunkiem wyt³aczania. Grupa filtrowana na sitach o gêstoœci 63 µm, wykazuje najwiêksz¹ rozbie noœæ pomiêdzy seriami: wycinan¹ zgodnie, wycinan¹ prostopadle do kierunku wyt³aczania, gdzie dla pierwszej z powy - szych, wartoœæ ta jest najni sza dla grup zawieraj¹cych recyklat, dla drugiej natomiast przewy sza ona pozosta³e. Przeprowadzona analiza wyników badañ potwierdza zale noœæ okreœlonej w³asnoœci od kierunku wyt³aczania tylko dla modu³u Young a. Wartoœæ œrednia modu³u jest wy sza dla próbek wyciêtych wzd³u ni prostopadle do kierunku wyt³aczania. Jest to zwi¹zane ze struktur¹ materia³u. Nale y tu podkreœliæ, e próbki wyciête wzd³u i prostopadle do kierunku wyt³aczania z czystego A-PET dla wszystkich wyznaczanych w³asnoœci wytrzyma³oœciowych s¹ wy sze ni próbki wyciête z R-PET o ró nym stopniu filtarcji. Natomiast w przypadku wyznaczonych naprê eñ na granicy plastycznoœci, wytrzyma³oœci na rozci¹ganie i wyd³u enia przy zniszczeniu brak jednoznacznej zale noœci od kierunku wyt³aczania. 3. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badañ mo na sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski: 1. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie folii wykonanej z czystego A-PET jest znacznie wiêksza od wytrzyma³oœci folii wykonanych z recyklatu. Jest ona odpowiednio o 25% wiêksza od wytrzyma³oœci materia³u filtrowanego na sicie o oczku 75 µm i o 20% wiêksza od wytrzyma³oœci w pozosta³ych grupach. Gêstoœæ sit filtracyj-

5 Wp³yw stopnia filtracji na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe trójwarstwowej folii z PET 45 nych ma niewielki wp³yw na poprawienie tej w³asnoœci. Dla ka dej grupy folii wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie ma podobn¹ wartoœæ dla prób wycinanych zgodnie z kierunkiem wyt³aczania, jak i poprzecznie do niego. 2. Naprê enia na granicy plastycznoœci maj¹ najwiêksz¹ wartoœæ dla czystego A-PET. Wartoœæ ta jest o 8% wiêksza ni dla folii poddanej filtracji z u yciem siatki o najmniejszej gêstoœci, 7% od materia³u wykonanego z u yciem sita o oczku 63 µm i o 6% wiêksza od trzeciego z badanych materia³ów. Wraz ze zwiêkszeniem stopnia filtracji naprê enia te wzrastaj¹ w foliach wykonanych z recyklatu. 3. Najwiêksze wyd³u enie przy zerwaniu osi¹ga folia z czystego politereftalanu etylenu, przy czym znacznie przewy sza ono wyd³u enia innych folii. Jest a o 40% wiêksze od wyd³u enia przy zerwaniu w grupie filtrowanej na siatce o gêstoœci 75 µm i o 38% wiêksze wyd³u enia próbek z grupy filtrowanej na siatce o najwiêkszej gêstoœci oczek. Najwy sz¹ wartoœæ wyd³u enia z grup zawieraj¹cych recyklat charakteryzuje próbki grupy filtrowanej na sicie 63 µm, przy czym jest ona o 30% mniejsza ni dla czystego politereftalanu etylenu. 4. Modu³ sprê ystoœci wszystkich folii zale ny jest w g³ównej mierze od orientacji kierunku badania. W kierunku wyt³aczania folia wykazuje zdecydowanie wiêkszy modu³ sprê ystoœci ni w kierunku poprzecznym. Dla materia³u poddanego filtracji na sitach o gêstoœci 63 µm jest ona porównywalna z modu- ³em sprê ystoœci materia³u porównawczego A-PET. Wzrost stopnia filtracji nie powoduje jednoznacznego zwiêkszenia wartoœci modu³u sprê ystoœci. Bibliografia [1] Morawiec J.: Wtórne zastosowanie polimerów. Referat w Centrum Badañ Molekularnych i Makromolekularnych PAN. ódÿ [2] Wróbel G., Bagsik R.: Systemy filtracji w recyklingu tworzyw termoplastycznych. Mteria³y Konferencyjne VIII Ukraiñsko-Polskiej Konferencji M³odych Naukowców Mechanika i Informatyka, Chmielnicki, Ukraina S [3] Wróbel G., Szymiczek M., Rojek M.: Ocena wp³ywu wybranych parametrów termoformowania na rozk³ad gruboœci œcianki wyrobu. Przetwórstwo Tworzyw 6(150)/2012. S [4] Bursa J., Rydarowski H., Szymiczek M., Sygut M.: Ocena wybranych w³asnoœci cieplnych i mechanicznych polietylenu nape³nionego bentonitem z 80% zawartoœci¹ montmorylonitu. Polimery i kompozyty konstrukcyjne. Wydawnictwo Politechniki Œl¹skiej. Gliwice pp [5] Wróbel G., Szymiczek M., Stawarz M.: W³asnoœci tribologiczne wybranych kompozytów z osnow¹ polimerow¹. Przetwórstwo Tworzyw 3(141) pp [6] Wróbel G., Bortel K., Rojek M., Chmielnicki B.: Wybrane w³aœciwoœci mieszanin recyklatów PE. Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne, Wydawnictwo Logos Press. Cieszyn s [7] Rojek M., Szymiczek M., Suchoñ., Wróbel G.: Mechanical properties of polyamide matrix composites filled with titanates modified-coal. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering Vol 46(1) pp [8] Æwiek-Ludwicka K.: Politereftalan etylenu (PET) aspekty zdrowotne i zastosowanie do pakowania ywnoœci. Pañstwowy Zak³ad Higieny Nr 2/2003. [9] Packaging Materials. 1. Polyethylene Terephtalate (PET) for Food Packaging Applications. ILSI Europe Report Series. Brussell [10] Strona internetowa [11] B³êdzki A.K.: Recykling tworzyw sztucznych. Politechnika Szczeciñska. Szczecin [12] PN-EN ISO 527 Tworzywa sztuczne. Oznaczenie w³asnoœci mechanicznych przy statystycznym rozci¹ganiu. [13] PN-EN ISO 527-3:1998: Tworzywa sztuczne Oznaczanie w³aœciwoœci mechanicznych przy statycznym rozci¹ganiu Warunki badañ folii i p³yt.