廢棄液體包裝盒纖維回收及性能分析

張素風(fēng)， 孫召霞， 梅星賢， 王 森

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

0 引言

廢棄液體包裝盒是由紙、聚乙烯塑料和鋁箔復(fù)合而成的高濕強(qiáng)包裝材料[1,2]，具有很高的回收再利用價(jià)值.其中紙占整個(gè)復(fù)合材料的70%以上，是液體包裝材料的基材，用于提高紙盒的強(qiáng)度與硬度，并有避光的作用.回收其中的優(yōu)質(zhì)木漿用于造紙，是廢棄液體包裝盒再利用的首要工作.

由于液體包裝盒的紙基層與塑料是熱粘合的，層間沒有粘合劑，因而可以通過水力碎解來達(dá)到紙漿的分離和回收[3-6].將這種廢棄材料放入纖維解離器中，憑借轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪切力與液壓力，使其產(chǎn)生摩擦和擠壓；同時(shí)紙漿中的纖維會(huì)吸收水潤脹，分離成紙漿和鋁塑薄片.本文通過考察不同解離工藝下，回收的纖維得率，確定纖維回收工藝.并對(duì)回收纖維的形態(tài)、原料種類及相關(guān)配比，以及回收過程可能造成的損傷等進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

廢棄液體包裝盒為250 mL的“特侖蘇”磚型包裝，將包裝盒拆開備用.

實(shí)驗(yàn)儀器為：1107型漿料纖維疏解器；ZQS5型平板立式高頻振動(dòng)篩；法國TECHPAP Morfi compact纖維分析儀；S400A型FBRM(Focused Beam Reflectance Measurement)在線顆粒度分析儀.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將原料裁剪成不同尺寸的小片，并與水溶液按照一定比例加入到纖維解離器中，在不同碎解轉(zhuǎn)數(shù)、碎解溫度條件下，將材料解離開.解離結(jié)束后將紙漿放入篩漿機(jī)中篩選，用寬2 mm的孔篩去除鋁塑片，然后再用0.25 mm縫篩篩選，進(jìn)一步去除雜質(zhì)，最后測定紙漿纖維得率和鋁塑得率.

1.3 纖維得率和鋁塑得率的計(jì)算公式：

紙漿得率的計(jì)算公式：

S=m1/M

(1)

鋁塑得率的計(jì)算公式：

P=m2/M

(2)

式中：S—纖維得率；m1—回收的纖維總質(zhì)量；m2—回收的鋁塑總質(zhì)量；M—實(shí)驗(yàn)所用包裝盒原材料的總質(zhì)量.

1.4 檢測與分析

取適量的回收纖維，采用Morfi compact纖維分析儀，測量纖維的長、寬、分絲帚化、斷根、彎曲、扭結(jié)和細(xì)小纖維含量等；取回收纖維1 g(絕干量)，稀釋到濃度為0.5%，使用FBRM顆粒度分析儀觀察漿料中鋁粉顆粒的附著情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同回收工藝對(duì)纖維得率和鋁塑得率的影響

由于液體包裝盒的紙板和塑料之間采用的熱粘合，沒有其他粘合劑，所以在水力碎解過程中，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來的機(jī)械力及水對(duì)纖維的潤脹作用，使得紙和塑料之間產(chǎn)生脫離，形成纖維和鋁塑復(fù)合材料.實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，不添加任何化學(xué)藥品，使用纖維解離器就可以達(dá)到液體包裝盒中的紙基層碎解成漿.在解離和篩漿過程中，有少量纖維粘附在鋁塑膜上，經(jīng)洗滌和篩選后仍不能剝離.本文在無化學(xué)藥品添加的條件下，采用纖維解離器，考察原料尺寸、解離轉(zhuǎn)數(shù)、解離溫度、固液比對(duì)纖維得率和鋁塑得率的影響.

2.1.1 原料尺寸對(duì)纖維得率和鋁塑得率的影響

在纖維解離器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不同尺寸大小的包裝盒小片會(huì)產(chǎn)生不同的摩擦和分離效果，影響纖維和鋁塑復(fù)合物得率.在固液比為10 g∶2 000 mL，溫度為50 ℃，轉(zhuǎn)數(shù)為2 000轉(zhuǎn)條件下，纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率隨原料尺寸的變化如圖1所示.

圖1 原料尺寸對(duì)纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率的影響

從圖1可以看出，原料的尺寸為1.5×1.5 cm時(shí)，纖維得率為63.5%，鋁塑復(fù)合物得率最低為18.8%.原料的尺寸為3×3 cm時(shí)，纖維得率最低僅為59.6%，鋁塑復(fù)合物得率也不高.原料的尺寸在2×2 cm時(shí)，纖維得率最大，為65.3%，鋁塑得率也最大，為20.7%.因此，當(dāng)原料尺寸為2×2 cm時(shí)，纖維和鋁塑復(fù)合物的回收效果最好.

2.1.2 疏解轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)纖維得率的影響

疏解轉(zhuǎn)數(shù)的大小也是影響纖維回收的重要因素.轉(zhuǎn)數(shù)過低，機(jī)械作用較弱，纖維得不到很好的分離，得率也較少；轉(zhuǎn)數(shù)過多，既耗費(fèi)了功率，又增加了纖維的損害程度，鋁塑的破壞也會(huì)增加.這會(huì)使得纖維中含有大量的鋁粉和塑料小碎屑，最后會(huì)影響成紙性能.

在固液比為10 g∶2 000 mL，溫度為50 ℃，原料尺寸為2×2 cm的條件下，纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率隨解離轉(zhuǎn)數(shù)的變化如圖2所示.

圖2 解離轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率的影響

從圖2可以看出，纖維得率隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增加不斷上升，轉(zhuǎn)數(shù)在2000轉(zhuǎn)時(shí)纖維得率為63.5%，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)數(shù)，纖維得率增加速率不明顯.在2 500轉(zhuǎn)時(shí)纖維得率為66.2%，3 000轉(zhuǎn)纖維得率為66.5%.鋁塑復(fù)合物得率在500～2 000轉(zhuǎn)時(shí)，只有略微下降，500轉(zhuǎn)時(shí)，鋁塑復(fù)合物得率為21.5%；2 000轉(zhuǎn)時(shí)，鋁塑復(fù)合物得率為20.7%；當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到2 500轉(zhuǎn)甚至更高，鋁塑復(fù)合物得率減少非常明顯.綜合考慮，轉(zhuǎn)數(shù)在2 000轉(zhuǎn)時(shí)，解離效果很好.

2.1.3 解離溫度對(duì)纖維得率和鋁塑得率的影響

碎漿時(shí)溫度的高低會(huì)影響到紙基層中纖維的潤張速度，進(jìn)而影響到紙基層的解離速度.

在固液比為10 g∶2 000 mL，轉(zhuǎn)數(shù)為2 000轉(zhuǎn)，原料尺寸為2×2 cm的條件下，纖維得率和鋁塑得率隨解離溫度的變化如圖3所示.

圖3 解離溫度對(duì)纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率的影響

從圖3可以看出，在20～50 ℃時(shí)，纖維得率有較高的增加，20 ℃時(shí)，纖維得率為63.4%，50 ℃時(shí)，纖維得率為65.3%.溫度在50 ℃以后，纖維得率變化不明顯，而鋁塑復(fù)合物得率下降明顯.溫度60 ℃時(shí)，鋁塑復(fù)合物得率僅為18.7%.因此對(duì)纖維解離來說，50 ℃是一個(gè)很理想的溫度.

2.1.4 固液比對(duì)纖維得率和鋁塑得率的影響

原料的解離過程指的是紙板在水的剪切力和纖維之間的摩擦力作用下解離成為單根纖維的過程.因而，固液比會(huì)影響包裝盒小片之間的相互摩擦和漿料在纖維解離器中的循環(huán)狀況.在轉(zhuǎn)數(shù)為2000轉(zhuǎn)，溫度為50 ℃時(shí)，原料尺寸為2×2 cm的條件下，纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率隨固液比的變化如圖4所示.

圖4 固液比對(duì)纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率的影響

從圖4可以看出，固液比過低，鋁塑復(fù)合物破損嚴(yán)重，得率較低，在固液比為5 g∶2 000 mL時(shí)，鋁塑得率為17.8%.當(dāng)固液比為10 g∶2 000 mL時(shí)，纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率都較高，繼續(xù)增加固液比，纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率又逐漸降低.因此，實(shí)驗(yàn)得到固液比為10 g∶2 000 mL時(shí)效果較好.

以上實(shí)驗(yàn)可以得出，原料尺寸大小、解離轉(zhuǎn)數(shù)、解離溫度、固液比都不同程度影響著纖維回收，同時(shí)造成鋁塑復(fù)合物的損失.由于廢棄包裝盒中纖維紙漿占70%，通過分析纖維得率可以看出，當(dāng)纖維得率在65%時(shí)，回收得到的纖維占到實(shí)驗(yàn)所有包裝盒原料中纖維總量的93%.因此，在實(shí)驗(yàn)室解離條件下，可以通過水力解離有效實(shí)現(xiàn)纖維的回收.從纖維得率和鋁塑復(fù)合物得率綜合考慮，解離的最佳工藝為：原料尺寸2×2 cm，轉(zhuǎn)數(shù)2 000轉(zhuǎn)，溫度50 ℃，固液比10 g∶2 000 mL.

2.2 再生纖維的形態(tài)觀察和特性分析

在纖維回收的最佳工藝條件下，取出少量回收得到的纖維，對(duì)其進(jìn)行形態(tài)觀察和特性分析.同時(shí)觀察在碎解和篩選過程中，鋁塑復(fù)合物破損產(chǎn)生的顆粒狀鋁粉雜質(zhì)在纖維表面的附著情況.

2.2.1 Morfi compact纖維分析

廢棄液體包裝盒原紙板作為鋁塑復(fù)合材料的主體，纖維本身具有優(yōu)良的質(zhì)量[7-10]. 通過法國TECHPAP的Morfi compact纖維分析儀，可以同時(shí)觀察到回收纖維的形態(tài)，如圖5所示.雖然儀器的分辨率較低，但統(tǒng)計(jì)結(jié)果還是能看出，纖維長短不一，形態(tài)良好.

圖5 Morfi compact纖維分析儀下回收纖維的形態(tài)圖

對(duì)此時(shí)的纖維進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量，得到纖維的長、寬、分絲帚化、斷根、彎曲，扭結(jié)、細(xì)小纖維含量等平均參數(shù)值，如表1所示.

表1 Morfi compact 纖維分析儀測試結(jié)果

從表1可以看出，漿料中針葉木和闊葉木分別占72.6%和27.4%，纖維的長度加權(quán)平均值為1 294μm，測量過程中系統(tǒng)顯示，最長的纖維達(dá)到3 mm以上；纖維平均寬度為27μm，可以得出纖維具有較好的抗張和撕裂性能.回收的纖維平均粗度為2 171 mg·m-1，說明纖維硬度較強(qiáng).纖維彎曲程度為11.05%，回收的纖維不易形成較大絮聚團(tuán)而影響紙張的勻度.細(xì)小纖維含量為43.72%.解離過程會(huì)對(duì)纖維造成損傷，產(chǎn)生斷裂，斷裂纖維含量為34.79%.可以認(rèn)為，廢棄液體包裝盒的紙板由優(yōu)良的長短纖維配抄而成，其中長纖維、剛度高的針葉木漿為主要原料，混用部分闊葉木漿.通過對(duì)回收纖維平均長度、平均寬度和平均粗度等指標(biāo)的測量，可以看出回收的纖維品質(zhì)較好，具有很高的再利用價(jià)值.

2.2.2 顆粒度分析(FBRM)

解離過程中，由于原料的循環(huán)和相互之間的摩擦，會(huì)導(dǎo)致鋁塑復(fù)合物的部分破損.利用顆粒度分析儀(FBRM)[11,12]可以觀察不同轉(zhuǎn)速下纖維分散和鋁塑粉點(diǎn)在纖維上的附著情況.圖6為轉(zhuǎn)速分別在300、400、500 r/min時(shí)，纖維分散和鋁塑粉點(diǎn)在纖維上的附著情況圖.

圖6 不同解離轉(zhuǎn)數(shù)條件下纖維上的鋁粉點(diǎn)的FBRM圖

從圖6可以看出，解離過程中，鋁塑發(fā)生破損產(chǎn)生的鋁塑顆粒(圖片中的亮點(diǎn)為鋁粉顆粒)會(huì)附著在回收纖維上.由圖6(a)可看出，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，附著在纖維上的顆粒較多，纖維分散效果較差，這可能是由于鋁塑顆粒使纖維發(fā)生纏結(jié)，不利于纖維的分散.從圖6(b)中可看出，轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，附著在纖維上的顆粒也較多，纖維的分散效果也不是很好.轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，圖片中的亮點(diǎn)少了很多，纖維分散的也比較理想，如圖6(c)所示.因此，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鋁塑顆粒在纖維的附著越少，纖維分散越好.

3 結(jié)束語

(1)廢棄液體包裝盒在不添加任何化學(xué)藥品的情況下，通過水力解離可以將原料中的纖維有效地分離出來，同時(shí)會(huì)有一定程度鋁塑復(fù)合物破損.最佳的解離工藝條件為：原料尺寸2×2 cm，轉(zhuǎn)數(shù)2000 r/min，溫度50 ℃，固液比10 g∶2 000 mL.

(2)廢棄液體包裝回收纖維具有良好的纖維形態(tài)，由針葉木和闊葉木配抄而成.回收的纖維會(huì)有鋁塑顆粒的附著，鋁塑顆粒的附著越少，纖維分散越好.

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