Badania przeprowadzone na Politechnice w Grazu w Austrii pokazały, że materiały opakowaniowe z włókien celulozowych mogą być poddane recyklingowi nawet więcej niż 25 razy bez żadnego lub nieznacznego wpływu na ich strukturę. Raport podsumowujący badania podkreśla prośrodowiskowe korzyści wynikające ze zwielokrotnienia liczby cykli recyklingu tektury.

Przeprowadzone badanie polegało na wielokrotnym poddawaniu recyklingowi pudełek składanych z tektury, co pozwoliło zrozumieć jego wpływ na mechaniczne własności materiału, m.in. trwałość i odporność na zgniatanie. Badanie nie wykryło żadnego negatywnego wpływu tego procesu na mechaniczne własności surowca, nie dostrzeżono również zwiększonej podatności włókien na pęcznienie. Głównym czynnikiem ograniczającym liczbę cykli recyklingu, jakim można poddać papier, karton lub tekturę, jest procesu przygotowania surowca wtórnego– sposób zbierania i sortowania materiałów celulozowych na rynku.

Badania austriackiej Politechniki to kolejny dowód na niezwykłe właściwości oraz istotne znaczenie tektury dla rozwoju gospodarki obiegu zamkniętego i roli, jaką odgrywa ona w proekologicznej działalności firm i marek.

Opis badania (tłumaczenie własne):

Wstęp

Według Eurostatu papier, tektura i karton mają zdecydowanie najwyższy wskaźnik recyklingu spośród wszystkich materiałów opakowaniowych, osiągając w 2019 r. około 85%. Drugie miejsce zajmuje metal (81 proc.), szkło 76 proc., a plastik tylko około 40 proc. Europejski przemysł papierniczy dąży nadal do zwiększenia współczynnika recyklingu opakowań opartych na włóknach do nawet 90% do 2030 r.

Papier makulaturowy jest najważniejszym surowcem do produkcji papieru, tektury i kartonu w Europie. Biorąc pod uwagę wszystkie rodzaje, jego udział wynosi ponad 54%. Papier makulaturowy stosuje się głównie w papierze gazetowym i materiałach opakowaniowych, takich jak tektura falista, pudełka składane i papier opakowaniowy.

Podczas gdy gazety i tektura falista są produkowane w prawie 100% z makulatury, ilość makulatury w składanych pudełkach jest niższa i wynosi około 35%. Ze względu na wymagania niektórych produktów i przepisy dotyczące żywności, asortyment gatunków jest podzielony na produkty, które są w dużej mierze wytwarzane z makulatury (karton GT, GD) oraz na włóknie pierwotnym (karton GC i GZ).

Opakowania kartonowe są preferowane przez konsumentów ze względu na ich walory środowiskowe oraz łatwość i możliwość recyklingu. Zalety opakowań na bazie celulozy można dostrzec w wykorzystaniu włókien naturalnych, które są uzyskiwane z surowców odnawialnych ze zrównoważonej gospodarki leśnej i mogą być odzyskiwane ze strumienia odpadów po użyciu.

Maksymalny recykling ma znaczący pozytywny wpływ na ekobilans opakowania, ponieważ może zmniejszyć jednostkowe zużycie wody w produkcji włókien, a także, dzięki mniejszemu nakładowi energii, znacznie zmniejsza emisję CO2. Im częściej to samo opakowanie może zostać poddane recyklingowi, tym bardziej pozytywnie oddziałuje na środowisko.

Do produkcji tektury GT/GD na bazie makulatury używa się głównie makulatury mieszanej z odpadów domowych, w różnych proporcjach – gazet i czasopism oraz materiałów opakowaniowych, takich jak pudełka z tektury falistej. Czynnikami decydującymi o wyborze różnych rodzajów makulatury są nie tylko cena, dostępność i czystość, ale przede wszystkim cechy jakościowe. O ile właściwości kartonów składanych wykonanych z włókien pierwotnych są bardzo wyraźnie określone przez klasyfikację klasy, o tyle jest to znacznie trudniejsze w przypadku opakowań wykonanych z makulatury. Nie jest już możliwe ustalenie, czy użyty materiał został kiedykolwiek poddany recyklingowi, ani ile razy poddany został odzyskowi. W zależności od podziału i sposobu odzyskiwania materiału, istnieją dodatkowe czynniki, które wpływają na mieszankę włókien.

Używając makulatury do opakowań kartonowych, zwłaszcza aby zwiększyć wskaźnik zbiórki, ważne jest, aby rozumieć, czy i jak zmieniają się właściwości włókien w wyniku wielokrotnego recyklingu oraz ile razy  makulaturowe włókna były już poddawane temu procesowi. Pozwoli to określić, czy nadal nadają się do produkcji kartonu.

Co już wiemy

W przemyśle papierniczym, a także wielu opracowaniach źródłowych obowiązuje mit, że maksymalna liczba możliwych cykli recyklingu włókien papieru wynosi od 4 do 7. Bliższe spojrzenie na to, co już zostało opublikowane pokazuje, że liczba cykli recyklingu, które można przeprowadzić w układzie testowym, są często mniej ograniczone przez włókna lub ich jakość niż przez straty, które występują podczas procesu recyklingu [1]. Często trudno jest porównać wyniki, ponieważ warunki brzegowe (wstępne suszenie/początkowa wilgotność włókna, formowanie arkuszy, suszenie) są za każdym razem inne. Kluczowe jest to, że włókna pod względem zdolności zatrzymywania wody i potencjału wytrzymałościowego zmieniają się głównie w pierwszych dwóch do czterech cyklach recyklingu, w dalszych procesach zmiany są marginalne. Obecne badanie Putza i Schabela [2], na którym w dużej mierze opiera się niniejszy artykuł, również rozwiązuje ten problem z odpowiednim przygotowaniem do recyklingu. Badanie dotyczy materiału złożonego z mieszanki włókien w różnym wieku, który opiera się na strukturze gatunków papieru do produkcji tektury falistej w Niemczech (40% testliner 3, 40% fluting z recyklingu, 20% kraftliner), co odpowiada mieszance składającej się w 80% z włókien wtórnych w różnym wieku i w 20% z włókien pierwotnych. Rozwłóknianie przeprowadzono w pulperze LC o gęstości materiału 4%. Arkusz, o gramaturze 120 g/m², został wykonany ręcznie przy użyciu silnego obiegu wody. Wykonano 25 cykli odzysku podczas których nie dodano żadnych pierwotnych włókien ani minerałów. W ciągu 25 cykli nastąpił spadek retencji wody o 14,5%, nieznaczny spadek stopnia rozdrobnienia (o 4 punkty) oraz nieznaczny spadek zawartości popiołu, co wiąże się z nieuniknionymi stratami podczas formowania arkusza. Straty właściwości mechanicznych (długość zerwania, CMT, SCT itp.) w ciągu 25 cykli wahały się od 5,1% do 11,6%. Powodem tak niewielkiego spadku, jest niska zawartość włókien pierwotnych (20%), a jak już wspomniano wcześniej, włókna ulegają zmianie głównie w pierwszych 2-4 cyklach. W oparciu o ten eksperyment, zbadano zachowanie właściwości mieszanki włókien, stosowanej do produkcji tektury używanej w pudełkach składanych, w 25 cyklach. W przeciwieństwie do wcześniej przytoczonych badań, zawartość włókien pierwotnych w tej mieszance była nieco niższa i reprezentowana wyłącznie przez włókno wytwarzane mechanicznie, które według Stürmera i Göttschinga [3] prawie nie traci potencjału wytrzymałościowego podczas recyklingu. Co więcej, zawartość popiołu w zastosowanej tutaj mieszance była znacznie wyższa i wynosiła 21% (w mieszance z tektury falistej – 7,9%). Z jednej strony, znacznie niższa zawartość włókien pierwotnych powoduje, że oczekujemy mniejszych zmian w kolejnych cyklach recyklingu; z drugiej, konieczne jest uwzględnienie wysokiej zawartości popiołu w materiale testowym, ponieważ należy spodziewać się strat podczas formowania arkusza, które następnie mogą zakłócić właściwości technologiczne.

Przeprowadzenie badania recyklingu na pudełku składanym

Zastosowana w tym opracowaniu pudełko składane jest zbudowana w następujący sposób:

• Górna podszewka: 30 g/m², biały arkusz i otoczka
• Podkład: 35 g/m², mieszany papier z odzysku
• Warstwa wypełniająca: 213 g/m², 75% mieszany papier z odzysku, 25% RMP
• Warstwa spodnia: 40 g/m², 50% mieszany papier i tektura falista z odzysku, 50% odpady własne

W celu ułatwienia przeprowadzenia eksperymentu zastosowano niepowlekany, niewykończony karton. Z tego powodu zawartość włókien pierwotnych reprezentowana przez miazgę mechaniczną rafinera (RMP) używaną w warstwie wypełniacza wynosi nieco poniżej 18% (uwzględniając odpady). Zawartość popiołu wynosi 21%, jak już podano powyżej. Ta wysoka zawartość popiołu uniemożliwiłaby właściwą interpretację zmiany właściwości technologicznych włókna, ponieważ utrata popiołu podczas powtarzającego się formowania arkusza  poprawiałaby właściwości mechaniczne. Sytuację tę uwzględniono podczas badań, usuwając w dużym stopniu składniki mineralne z surowca na laboratoryjnym przesiewaczu ciśnieniowym wyposażonym w perforowany kosz sitowy o średnicy otworu 250 µm. Na tym etapie tracona jest również znaczna ilość drobnoziarnistego materiału włóknistego. Jednakże, ponieważ zmiana frakcji włókien jest głównym przedmiotem zainteresowania w badaniu, ta utrata drobnego materiału została świadomie zaakceptowana i nie ma wpływu na ostateczne wnioski. Zawartość popiołu jest zmniejszona z 21% do 5,9% podczas procesu sortowania, a stopień zmielenia jest zmniejszony z prawie 40 SR° do 17 SR° ze względu na zmniejszenie ilości drobnych włókien. Na właściwości mechaniczne pozytywnie wpływa redukcja składników mineralnych, które zakłócają wiązanie włókien. Zmianę rozkładu długości włókna przedstawiono na rys. 1 w części wyników. Zaczynając od tego posortowanego surowca, symulowano 25 cykli recyklingu. Ręczne tworzenie odbywało się na urządzeniu  Rapid-Köthen z cyrkulacją wody. Każda woda, która trafia do odpływu podczas formowania arkuszy, była zbierana, a następnie wykorzystywana podczas recyklingu. W ten sposób w cyklach recyklingu praktycznie nie używano świeżej wody, minimalizując w ten sposób straty materiału włóknistego podczas formowania arkusza. Mimo to pewna strata materiału przez pompę próżniową z pierścieniem wodnym jest nieunikniona. Odpowiada to średnio 0,98% na cykl. Do ponownego zdyspergowania uformowanych arkusików użyto ubijaka zgodnie z normą DIN EN ISO 5263-1. Redyspersję prowadzono przez 25 minut przy gęstości materiału 2%. Chociaż ten rozpad laboratoryjny można określić jako delikatny, to z literatury [4] wiadomo, że podczas tego etapu procesu, z powierzchni włókna usuwany jest drobny materiał. Przejawiało się to wzrostem stopnia rozdrobnienia (w przeciwieństwie do badań Putza i Schabela [4], w których odnotowano spadek stopnia rozdrobnienia) w ciągu 25 cykli. Stopień rozdrobnienia (EN ISO 5267-1), retencję wody (ISO 23714) i morfologię włókien (ISO 16065-2) określono po cyklach 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 i 25. Testy grubości arkusza /gęstość/objętość (EN ISO 534), wytrzymałość na rozciąganie (EN ISO 1924-2), sztywność zginania (ISO 2493-1) i prace rozszczepiające Scotta Bonda (ISO 16260) zostały przeprowadzone w każdym cyklu do 10, a następnei co drugi cykl. Ponadto zawartość popiołu (DIN 54370) oznaczono po cyklach 1, 5, 12 i 25.

Wyniki badania recyklingu na kartonie składanym

Jak już wspomniano, rozpad arkuszy w trzepaczce laboratoryjnej podczas cykli recyklingu prowadzi do wytwarzania miału, ponieważ jest on odrywany od ścianki włókna. Widać to zarówno w morfologii włókien (rys. 1), jak i we wzroście stopnia rozdrobnienia (rys. 2). Przedstawiony na rys. 1 rozkład długości włókien, ważony długością, pokazuje z jednej strony wpływ klasyfikacji surowca dla niniejszego badania, az drugiej – zmiany w cyklach recyklingu.

Wyraźnie widać, że chociaż recykling daje materiał drobnoziarnisty (patrz również szczegóły na schemacie), zasadniczo nie ma zmiany w rozkładzie długości, tj. nie ma skrócenia materiału włóknistego. Duża część wytworzonego drobnego materiału jednakże nie pojawia się na schemacie, ponieważ tylko obiekty o długości 200 µm lub więcej są uwzględnione w rozkładzie długości. Podobnych efektów można się spodziewać również w kontekście przygotowania arkuszy na linii produkcyjnej. Zakres ten będzie zależał od użytych agregatów, etapów procesu i wkładu energetycznego. Wzrost stopnia rozdrobnienia i rozwój zdolności retencyjnej wody można zobaczyć na rys. 2.

Należało oczekiwać spadku zdolności zatrzymywania wody z powodu rogowacenia włókien po wielokrotnym suszeniu. Na początku obserwuje się również nieznaczny spadek retencji wody (do cyklu 10), po czym następuje ponowne nieznaczne zwiększenie. Nakładają się tutaj dwa efekty, z jednej strony mamy do czynienia z postępującym rogowaceniem, które i tak nie powinno być bardzo wyraźne w przypadku materiału, które składa się głównie z włókien wtórnych z dodatkiem włókien drzewnych, z drugiej strony mamy wzrost stopnia rozdrobnienia z powodu powstawania miału, co z kolei zwiększa zdolność włókna do zatrzymywania wody. Powstawanie miału podczas recyklingu wpływa również na gęstość arkusza i wytrzymałość na rozciąganie (rys. 3). Zwiększona zawartość miału powoduje zagęszczenie arkusza, co zwiększa powierzchnię klejenia, a w konsekwencji także wytrzymałość na rozciąganie. Zawartość popiołu również może mieć na to wpływ, przynajmniej na początku, ponieważ spada z początkowych 5,8% do 3,8% w cyklu 5. W trakcie dodatkowych cykli do cyklu 25, zawartość popiołu pozostaje stała, tak że nie należy spodziewać się jego wpływu na właściwości mechaniczne. Innymi właściwościami mechanicznymi branymi pod uwagę był wskaźnik zginania (właściwy dla tej grupy produktów), a także wytrzymałość wiązań między włóknami Scotta Bonda (rys. 4). Te dwa parametry nie wykazują znaczących zmian w ciągu 25 cykli. Recykling nie ma żadnego wpływu na włókno w odniesieniu do tych właściwości, albo pogorszenie jego właściwości jest w mniejszym lub większym stopniu kompensowane przez wytwarzanie miału i związany z tym wzrost zdolności wiązania.

Wniosek

Inaczej niż w przypadku badania mieszanki tektury falistej [4], w której spadek właściwości mechanicznych o ok. 5 i 10% odnotowano w ciągu 25 cykli, w tym badaniu nie można wykazać żadnego negatywnego wpływu na omawiane właściwości mechaniczne. Zdolność pęcznienia włókna (reprezentowana tutaj przez zdolność zatrzymywania wody) również nie wykazuje wyraźnego negatywnego trendu. Mniej wyraźnego efektu należało oczekiwać w przypadku badanej mieszanki ze względu na niższą zawartość włókien pierwotnych, która była ograniczona do włókna drzewnego z rafinera. W przypadku zdolności pęcznienia, jak również w przypadku właściwości mechanicznych można przyjąć, że efekt przygotowania masy (w przypadku tego badania ponowne rozproszenie arkuszy w trzepaczce laboratoryjnej przez 25 minut przy gęstości 2%) kompensuje wszelkie negatywne skutki rogowacenia. Wpływ redyspersji i przygotowania masy będzie się różnić w zależności od użytych materiałów, etapów procesu i wkładu energii, co będzie odzwierciedlone we właściwościach mechanicznych. Na podstawie tego badania, można jednak wyraźnie stwierdzić, że samo włókno może być poddane 25 cyklom recyklingu bez problemów, a badanie nie pokazuje żadnych ograniczeń tego procesu. Czynnikami ograniczającymi recykling włókna będą przede wszystkim straty włókna w procesie sortowania makulatury, a także naprężenie włókna w procesie przygotowania, co prowadzi do produkcji miału i ewentualnie również do znacznego uszkodzenia włókna. Wyniki pokazują, że pudełka składane stanowią wysoce zrównoważone rozwiązanie opakowaniowe, które prawdopodobnie może być poddawane recyklingowi dowolną liczbę razy i którego liczba cykli recyklingu jest ograniczona głównie ze względu na sposób zbierania makulatury i straty powstające podczas czyszczenia materiału włóknistego.

Tekst arytkułu wraz z rysunkami, wykresami i przypisami jest dostępny pod adresem https://www.procarton.com/wp-content/uploads/2022/01/25-Loops-Study-English-v3.pdf

Źródło: procarton.com