Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Het effect van bouw- en sloopafval plastic fracties op hout-polymeer composiet eigenschappen

Published: June 7, 2020 doi: 10.3791/61064
Automatic Translation
1, 2, 2
1Re-Source Research Platform, School of Energy Systems, LUT University, 2Fiber Composite Laboratory, School of Energy Systems, LUT University

Summary

Er is aangetoond dat secundaire materiaalstromen potentiële grondstoffen voor de productie bevatten. Hier wordt een protocol gepresenteerd waarin CDW-plastic afval als grondstof wordt geïdentificeerd, gevolgd door verschillende verwerkingsstappen (agglomeratie, extrusie). Als gevolg hiervan werd een composietmateriaal geproduceerd en werden mechanische eigenschappen geanalyseerd.

Abstract

Bouw- en sloopafval (CDW), inclusief waardevolle materialen zoals kunststoffen, hebben een opmerkelijke invloed op de afvalsector. Om kunststofmaterialen opnieuw te kunnen gebruiken, moeten ze worden geïdentificeerd en gescheiden op basis van hun polymeersamenstelling. In deze studie werd de identificatie van deze materialen uitgevoerd met behulp van nabij-infraroodspectroscopie (NIR), die materiaal identificeerde op basis van hun fysisch-chemische eigenschappen. Voordelen van de NIR-methode zijn een lage milieu-impact en een snelle meting (binnen enkele seconden) in het spectrale bereik van 1600-2400 nm zonder speciale monsterpreparaat. Beperkingen zijn onder meer het onvermogen om donkere materialen te analyseren. De geïdentificeerde polymeren werden gebruikt als een component voor hout-polymeer composiet (WPC) dat bestaat uit een polymeer matrix, lage kosten vulstoffen, en additieven. De componenten werden eerst samengesteld met een agglomeratieapparaat, gevolgd door productie door extrusie. In het agglomeratieproces was het de bedoeling om alle materialen te vermengden om gelijkmatig verdeelde en gegranuleerde materialen als pellets te produceren. Tijdens het agglomeratieproces werd het polymeer (matrix) gesmolten en werden vulstoffen en andere additieven gemengd in het gesmolten polymeer, klaar voor het extrusieproces. In de extrusiemethode werden warmte- en afschuifkrachten toegepast op een materiaal in het vat van een conische contraroterende twin-screw type extruder, wat het risico op het verbranden van de materialen en het onderste schuinmen vermindert. Het verwarmde en vormige mengsel werd vervolgens overgebracht door een matrijs om het product de gewenste vorm te geven. Het hierboven beschreven protocol bewees het potentieel voor hergebruik van CDW-materialen. Functionele eigenschappen moeten worden geverifieerd aan de hand van de gestandaardiseerde tests, zoals flexurale, trek- en slagsterktetests voor het materiaal.

Introduction

De wereldwijde afvalproductie is in de loop van de geschiedenis aanzienlijk gegroeid en zal naar verwachting in de toekomst met tientallen percentages toenemen, tenzij er actie wordt ondernomen1. Met name de landen met een hoog inkomen hebben meer dan een derde van het afval in de wereld gegenereerd , hoewel zij slechts 16% van de wereldbevolking vertegenwoordigen1. De bouwsector is een belangrijke producent van dit afval als gevolg van de snelle verstedelijking en bevolkingsgroei. Volgens schattingen wordt ongeveer een derde van het wereldwijde vaste afval gevormd door bouw- en sloopprojecten; exacte waarden uit verschillende gebieden ontbreken echter2. In de Europese Unie (EU) bedraagt de hoeveelheid bouw- en sloopafval (CDW) ongeveer 25 tot 30% van de totale afvalproductie3, en omvat waardevolle en belangrijke secundaire grondstoffen, zoals plastic. Zonder georganiseerde inzameling en beheer kan plastic ecosystemen vervuilen en negatief beïnvloeden. In 2016 werd 242 miljoen ton plastic afval geproduceerd in de wereld1. Het aandeel van plastic gerecycleerd in Europa was slechts 31,1%4.

De schaarste van hulpbronnen heeft geleid tot de noodzaak om praktijken te veranderen in de richting van een circulaire economie, waarin het doel is om afval te gebruiken als een bron van secundaire hulpbronnen en afval terug te vorderen voor hergebruik. Economische groei en geminimaliseerde milieueffecten zullen worden gecreëerd door de circulaire economie, die een populair concept is in Europa. De Europese Commissie heeft een actieplan van de Europese Unie voor een circulaire economie aangenomen, waarin doelstellingen en indicatoren voor bijdragen zijn vastgelegd5.

Strengere milieuvoorschriften en -wetten dragen ertoe bij dat de bouwsector zich meer inzet voor afvalbeheer en materiaalrecycling. Zo heeft de Europese Unie (EU) doelen gesteld voor materiaalherstel. Vanaf 2020 moet het materiaalterugwinningspercentage van niet-gevaarlijke CDW 70%6bedragen . De samenstelling van CDW kan sterk verschillen tussen geografische locaties, maar er kunnen enkele gemeenschappelijke kenmerken worden vastgesteld, waaronder bijvoorbeeld plastic dat een potentiële en waardevolle grondstof is voor houtpolymeercomposieten. De reutilisatie van plastic is een concrete stap naar een circulaire economie waarin virgin plastic polymeren worden vervangen door gerecycled polymeer.

Composietmaterialen zijn een meerfasensysteem, bestaande uit een matrixmateriaal en versterkingsfase. Hout-polymeer composiet (WPC) bevat meestal polymeren als de matrix, hout materialen als wapening, en additieven voor het verbeteren van hechting, zoals koppelingsmiddelen en smeermiddelen. WPC kan bekend staan als een milieuvriendelijk materiaal omdat de grondstof kan worden afkomstig uit hernieuwbare materialen, zoals polymelkzuur (PLA) en hout. Volgens de laatste innovatie7kunnen de additieven van WPC worden gebaseerd op hernieuwbare bronnen. Bovendien kan de bron van de grondstof worden gerecycled (niet-maagdelijke) materialen, dat is een ecologisch en technisch superieur alternatief8. Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben bestudeerd geëxtrudeerd WPC die CDW bevat, en vond dat de eigenschappen van CDW-gebaseerde composieten waren op een aanvaardbaar niveau9. Het gebruik van gerecycleerde grondstoffen als onderdeel voor WPC is ook aanvaardbaar vanuit het milieuaspect, zoals blijkt uit verschillende beoordelingen. Over het geheel genomen is aangetoond dat het gebruik van CDW in de productie van WPC de milieu-invloeden van CDW-beheer kan verminderen10. Bovendien is gebleken dat het gebruik van gerecycled polypropyleen (PP) plastic in WPC het potentieel heeft om de opwarming van de aarde te verminderen11.

De hoeveelheid beschikbare gerecycleerde polymeren zal in de toekomst toenemen. De wereldwijde kunststofproductie is gemiddeld met ongeveer 9% per jaar gestegen en de verwachting is dat deze toename in de toekomst zal aanhouden12. De meest algemene soorten plastic polymeer zijn onder meer polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE). De aandelen van de totale vraag naar PE en PP bedroegen respectievelijk 29,8% en 19,3% in Europa in 20174. De wereldwijde markt voor plasticrecycling zal naar verwachting in de periode 2018-2026 met 5,6% opjaarbasisgroeien . Een van de belangrijkste toepassingen waarin kunststoffen worden gebruikt is de bouw en de bouw. Zo ging bijna 20% van de totale vraag naar Europees plastic gepaard met bouw- en bouwtoepassingen4. Vanuit economisch oogpunt is het gebruik van gerecycleerde polymeren in de WPC-productie een interessant alternatief, wat leidt tot de productie van materialen met lage kosten. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat fysieke effecten een sterkere invloed hebben op geëxtrudeerde materialen gemaakt van secundair plastic in vergelijking met het overeenkomstige virgin materiaal, maar eigenschappen zijn afhankelijk van de plastic bron14. Het gebruik van gerecycled plastic vermindert echter de sterkte van WPC als gevolg van lagere compatibiliteit15. Variatie tussen de structuren van kunststof polymeren veroorzaakt zorgen voor hergebruik en recycling, die bijdragen aan het belang van kunststofsoring op basis van het polymeer.

Deze studie is bedoeld om het gebruik van kunststof uit CDW als grondstof voor WPC te beoordelen. De polymeerfracties die in de studie worden beoordeeld, zijn acrylonitril butadieen styreen (ABS), polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE). Deze staan bekend als universele plastic fracties binnen CDW. De polymeerfracties worden behandeld met algemene productieprocessen, zoals agglomeratie en extrusie, en worden getest met universele mechanische eigendomstests. Het primaire doel van de studie is om te ontdekken hoe de eigenschappen van WPC zouden veranderen als gerecycleerde polymeren werden gebruikt als grondstof in matrix in plaats van primaire maagdelijke polymeren.

Op basis van het (lokale) afvalbeheercentrum (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) werd getoond hoe plastic-rijk CDW wordt opgeslagen. Het werd aangetoond dat een grote hoeveelheid plastic materiaal is opgenomen en enkele voorbeelden van CDW plastic polymeren werden getoond. Onderzoekers verzamelden de meest geschikte polymeren voor verdere verwerking, zoals ABS, PP en PE. De gewenste polymeren (PE, PP, ABS) werden geïdentificeerd met behulp van draagbare near infrared (NIR) spectroscopie. Er werden WPC-productvoorbeelden gepresenteerd waarin ingezamelde plastic materialen als grondstof konden worden gebruikt. De definitie van de composiet en de voordelen ervan werden toegelicht.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Identificatie en voorbehandeling

  1. Identificeer polymeren in kunststof met het draagbare near-infrared (NIR) spectroscopiegereedschap in het spectrale bereik van 1600-2400 nm. Neem contact op met het polymeer met spectroscopiegereedschap en bepaal het polymeer aan de ene op de andere manier.
    1. Volgens de identificatiecurve van spectroscopie, analyseren van de identificatie resultaten van het scherm in het laboratorium.
  2. Sorteer op basis van het identificatieresultaat materialen tussen de polymeren en meet hun respectieve gewichten.
    OPMERKING: Het materiaal is gesorteerd en gewogen op basis van de gemeten identificatieresultaten. Geselecteerde polymeren voor verdere verwerking waren ABS, PE en PP met de bedragen, respectievelijk 27,1, 14,2 en 44,7 kg.
  3. Uit te voeren grootte reductie voor de geselecteerde kunststof materialen in laboratoriumomstandigheden met een breker apparaat. Plaats verzamelde en geïdentificeerde materialen in het apparaat dat materialen verpletterd met de mechanische kracht van hamer effecten.
    1. Verpletter kunststof materialen met behulp van een enkelschachtversnippersysteem met een breker/shredderapparaat dat is uitgerust met een zeefgrootte variërend van 10 tot 20 mm.
    2. Onderwerp de plastic fragmenten aan een low-speed breker, uitgerust met een 5 mm zeef. Zorg ervoor dat het materiaal homogeen is.
  4. Meet de materiaalhoeveelheden voor composieten. Toon een recept als voorbeeld en presenteer deze materialen in de relatieve hoeveelheden plastic, hout, koppelingsmiddel en smeermiddel (respectievelijk 64, 30, 3 en 3 wt%).
    OPMERKING: In deze studie werden drie verschillende composieten bestudeerd. De gerecyclede plastic polymeren van de CDW waren ABS, PP en PE. De vuller van het composietmateriaal was houtmeel, dat werd bereid van een gedroogde sparrensoort(Picea abies) grootte verminderd met behulp van breekapparatuur en gezeefd voor een homogene grootte (20 mm gaas). Er werden commerciële additieven van koppelingsmiddel en smeermiddel gebruikt. De composities en de naam van de bereide materialen zijn opgenomen in tabel 1.
Materiaal Polymeer
/ bedrag		 Hout Ca Lubr (Lubr)
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tabel 1: De samenstelling van de bestudeerde materialen. De naam van het monster bestaat uit de meegeleverde matrixcomponent, gerecycleerd acrylonitril butadieen styreen (ABS), polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE) uit het bouw- en sloopafval (CDW). De hoeveelheden hout, koppelingsmiddel (CA) en smeermiddel (Lubr.) waren in alle monsters hetzelfde.

2. Verwerking van WPC-materialen met extrusietechnologie na behandeling van groottevermindering

  1. Breng de geïdentificeerde en voorbehandelde materialen over in de volgende (agglomeratie)verwerkingsstap.
    LET OP: Het kunststofmateriaal van ABS bevat een styreencomponent. Het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek is van mening dat styreen "mogelijk kankerverwekkend is voor de mens". Daarom is de agglomeratiestap in actie niet opgenomen in de film, maar het proces ervan wordt in dit werk beschreven. Bovendien werd alleen PP- of PE-polymeer gebruikt in de extrusieproductie tijdens het filmen.
  2. Voer agglomeratie van het materiaal uit.
    1. Meng alle onderdelen van het proces (polymeer, hout, koppelingsmiddel en smeermiddel) in een apparaat dat bestaat uit een turbomixer en een koeler. Agglomeraat de materialen in de turbomixer tot de temperatuur van de materialen 200 °C bereikte. Door het gecombineerde effect van temperatuur en wrijving werden de granulaatmaterialen gevormd na het behandelingsproces van agglomeratie.
    2. Koel de materialen na turbomixerbehandeling gedurende 4-7 minuten af in een koeler apparaat.
  3. Evacueer materiaal uit het proces en verzamel agglomereerd materiaal.
  4. Breng de agglomeratie-behandelde materialen over naar de volgende processtap (extrusie).
    1. Klik op het bedieningspaneel van de extrusiemachine en controleer op de juiste parameters. De gemiddelde vat- en gereedschapstemperaturen varieerden tussen respectievelijk 167 en 181 °C en 183 en 207 °C. De smelttemperatuur varieerde tussen 164 en 177 °C, en de matrijsdruk lag tussen 3,7 en 5,9 MPa. Pas parameters aan omdat gerecycleerde materialen heterogeen zijn en het proces professionele controle vereist.
    2. Verwerk de componenten met behulp van een conische contraroterende twin-screw extruder met 15 kg/h materiaalvermogen. De parameters van de materialen worden gepresenteerd in tabel 2. Na het extrusieproces werd het profielmateriaal van de composiet gegenereerd.
Materiaal Vat T °C Gereedschap T °C Smelt T °C Smelten
Druk (bar)		 Voederen
snelheid (kg/h)		 Avg.Schroef
snelheid (rpm)
CDW-ABS 181 ± 11,9 189 ± 14,7 177 50 15 14
CDW-PP 170 ± 10,4 207 ± 8,62 164 37 15 15
CDW-PE 167 ± 8,51 183 ± 10.1 164 59 15 13

Tabel 2: Verwerkingsparameters van de composietmaterialen. (Waarden na het '±'-merk geven standaarddeviaties aan. Avg. = gemiddeld)

3. Bemonstering van geproduceerde materialen en analyses van eigenschappen

  1. Bereid monsters voor mechanische eigendomstests in het laboratorium.
    1. Snijd monsters van geëxtrudeerde profielen met een machine (d.w.z. een schuiftafelzaag). Drie verschillende grootte exemplaren zijn nodig voor tests: flexural, trek, en impact sterkte.
    2. Bepaal de grootte van de testmonsters volgens de toepasselijke normen, op basis van de aanbeveling van EN 1553416. Volgens de norm, test een minimum van vijf monsters, maar het aantal metingen kan meer dan vijf zijn als een grotere nauwkeurigheid van de gemiddelde waarde vereist is.
  2. Zaagmonsters van de geëxtrudeerde materialen voor de flexurale eigenschappentest, volgens de standaard EN 31017.
    1. Gebruik een schuiftafelzaag met de volgende afmetingen voor het monster: 800 mm x 50 mm x 20 mm (lengte, breedte, dikte).
    2. Vervaardiging 20 monsters voor de analyse van buigeigenschappen (sterkte en modulus).
  3. Zaagmonsters van de geëxtrudeerde materialen voor de trekplaatstest, volgens de standaard EN ISO 527 218. Gebruik de schuiftafelzaag om het materiaal in de volgende afmetingen te snijden: 150 mm x 20 mm x 4 mm (lengte, breedte, dikte).
    1. Stel de materiaalvoorvormen in voor bewerking van een dumb-bell vorm via computer numerieke besturing (CNC). De breedte van het monster in het smalle gedeelte was 10 mm, en het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster was 4 mm x 10 mm, waar de trekspanning werd aangepakt. De lengte van het smalle gedeelte was 60 mm, eindigend in een afgeronde hoek met een straal van 60 mm.
    2. Maak 20 monsters voor de analyse van trekeigenschappen (sterkte en modulus).
  4. Zaagmonsters van de geëxtrudeerde materialen voor de botssterkte test, volgens de standaard EN ISO 179-119.
    1. Gebruik de schuiftafelzaag om de monsters in de volgende afmetingen te snijden: 80 mm x 10 mm x 4 mm (lengte, breedte, dikte). Maak 20 monsters voor de analyse van de eigenschap impact sterkte.
  5. Verplaats het testmateriaal in de 23 °C en 50% relatieve vochtigheidsconditiekamer, volgens norm EN ISO 29120, totdat een constante massa is bereikt. Zorg ervoor dat monsters worden geconditioneerd voordat de materiaaleigenschappen worden getest.
  6. Voer de tests uit (flexural, trek en impact). Bepaal de mechanische kenmerken van specimens door middel van flexurale en treksterktetests met een testmachine overeenkomstig respectievelijk de EN 31017- en EN ISO 527-218-normen.
    1. Voer flexurale sterkte en modulus test voor elk van de 20 monsters, met behulp van het testapparaat. Stel flexural testmonster op de steun van twee punten en breng een belasting toe op het midden van het monster door te klikken op Test start in het computerprogramma dat het testapparaat regelt, met een pre-load van 15 N en testsnelheid van 10 mm/min. De test stopt automatisch na het opnemen van het resultaat. Verwijder het testmonster uit de ondersteuningstools en stel een nieuw voorbeeld in op de gereedschappen.
      1. Herhaal procedure tot 20 monsters werden getest en de resultaten van het programma werden geregistreerd. Het computerprogramma berekent de gemiddelde resultaten van de test.
        OPMERKING: Het protocol kan hier worden onderbroken terwijl testgereedschappen worden gewijzigd voor het testapparaat.
    2. Voer treksterkte en modulustest uit voor 20 bewerkte (domme klokvormige) monsters. Stel het trekproefmonster tussen de testgereedschappen in en bevestig pneumatische klemmen, die het monster tijdens de test in de gereedschappen houden. Start de test vanaf het bedieningspaneel van de computer, met een voorbelasting van 10 N en een testsnelheid van 2 mm/min, en bevestig direct na de start van de test een verlengmetergereedschap.
      OPMERKING: Het gereedschap uitbreidingsmeter meet de trekmodulus uit het monster. Elke test werd automatisch gestopt nadat het resultaat was geregistreerd.
      1. Verwijder het testmonster na elke test uit het gereedschap en stel een nieuw monster in op de gereedschappen. Herhaal de procedure voor alle monsters. Het computerprogramma berekent de gemiddelde resultaatwaarden.
    3. Voer een impactsterktetest uit met een impacttest, volgens standaard EN ISO 179-119. Stel het monster van 10 mm x 4 mm groot (breedte, dikte) tussen de steun in, reset de kracht en laat de slaghamer van 5 kpcm los.
      OPMERKING: Het botsstertestmonster scheurt door de impact van de hamer en de hoeveelheid geabsorbeerde energie is zichtbaar in de tester-indicator.
      1. Nota van het resultaat en herhaal de voor de 20 monsters, waarna de gemiddelde waarde van de impactsterkte wordt berekend. De geregistreerde resultaten waren in "kpcm" eenheid, die werd veranderd in joule (J), en de resultaten werden gepresenteerd als een kilojoule per vierkante meter.
        OPMERKING: De overspanning tussen de monsterondersteuning (afstand tussen de lijnen van het contact van het monster) in de botssterktetest was 62 mm of, als alternatief, 20x de dikte ervan.
  7. Analyseer de resultaten van de mechanische tests, die worden gepresenteerd in figuur 1, figuur 2 en figuur 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Om het effect van CDW plastic polymeer op de mechanische eigenschappen van WPC te onderzoeken, werden drie verschillende polymeertypes als matrix bestudeerd. Tabel 1 presenteert de samenstelling van materialen en tabel 2 rapporteert de productieprocessen. Het materiaal van CDW-PP vereist een hogere behandelingstemperatuur voor gereedschappen, maar de smeltdruk was navenant lager in vergelijking met de andere materialen (CDW-ABS en CDW-PE).

Figuur 1 presenteert de buigsterkte van materiaal (een gemiddelde van 20 metingen) als staafdiagrammen, inclusief standaardafwijkingen als foutbalk. De hoogste buigsterktewaarden werden bereikt met materiaal dat een gerecycled ABS-polymeer in een matrix bevat. Bijna congruente hoge sterkte kwaliteit werd bereikt in het materiaal waarin gerecycleerd PE polymeer werd gebruikt in een matrix. De laagste buigsterkte werden bereikt met materiaal dat een gerecycled PP-polymeer in een matrix bevat. Figuur 1 presenteert ook vergelijkbare resultaten voor de flexurale modulus van materialen, die gelijktijdig met de sterkte-eigenschap werd gemeten. Hoewel gerecycleerde ABS- en PE-polymeren congruente resultaten hebben zoals in de sterktetests, waren de flexuralmodulusresultaten verschillend. De gerecyclede PE-materialen hebben een aanzienlijk lagere moduluswaarde in vergelijking met de waarde van gerecycled ABS-polymeer.

Figure 1
Figuur 1: De buigeigenschappen van de bestudeerde materialen.
De flexural sterkte wordt gepresenteerd in de vaste kleur gevulde balken (rood, groen en blauw) en de flexural modulus wordt gepresenteerd met dezelfde kleuren in patroon gevulde balken. De standaarddeviaties worden beschreven als foutbalken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2 toont de treksterkte en modulus (een gemiddelde van 20 metingen) als staafdiagrammen, inclusief standaarddeviaties als foutbalk. De materialen, waarin gerecyclede ABS en PE werden gebruikt, hebben bijna congruente treksterkte resultaten, maar de standaarddeviatie was hoger voor het materiaal waarin gerecycled ABS werd gebruikt. De zwakste treksterkte werd bereikt materiaal dat een gerecycleerd PP-polymeer in een matrix bevat. De resultaten van trekmodulus kwamen overeen met de resultaten van flexurale modulus, waarbij de beste modulus werd bereikt met het gerecycleerde ABS-polymeer.

Figure 2
Figuur 2: De trekeigenschappen van de bestudeerde materialen.
De treksterkte wordt gepresenteerd in de vaste kleur gevulde balken (rood, groen en blauw) en de trekmodulus wordt gepresenteerd met dezelfde kleuren in met patronen gevulde balken. De standaarddeviaties worden beschreven als foutbalken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3 geeft de eigenschappen van de impactsterkte van materialen (een gemiddelde van 20 metingen) weer als staafdiagrammen, inclusief standaarddeviaties als foutbalk. De slagkracht van gerecycleerde ABS- en PP-polymeren waren bijna op hetzelfde niveau, maar een grotere slagkracht werd bereikt met het gerecycleerde PE-polymeer, dat in deze studie de beste eigenschap van de sterkte van de impact had.

Figure 3
Figuur 3: De sterkte-eigenschappen van de bestudeerde materialen.
De slagsterkte wordt gepresenteerd in de vaste kleur gevulde balken en de standaarddeviaties worden beschreven als foutbalken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

ABS polymeer bestaat uit drie monomeren, die het gunstige gedrag binnen de WPC zou kunnen verhogen. Zo draagt de acrylonitrilcomponent kracht bij, dragen butadieencomponenten een impactbestendigheid bij en dragen styreencomponenten stijfheid bij. PE-based WPC is goed voor het grootste marktaandeel, bijvoorbeeld in Noord-Amerika, en het is gemakkelijk te nagel, schroef, en zaag. PE wordt echter vervaardigd in verschillende polymere vormen, zoals polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE) en polyethyleen met een lage dichtheid (LDPE), die verschillende kenmerken hebben. De pp-gebaseerde WPC had de zwakste eigenschappen in deze studie, in overeenstemming met het feit dat haar marktaandeel relatief klein is. Hoewel het heeft verschillende superieure eigenschappen in vergelijking met polyethyleen, zoals lichter en sterker, het is ook brozer dan polyethyleen21.

Over het geheel genomen is recycling van composieten het ecologisch verkiezen traject8, en gerecycled afvalplastic is een geschikte grondstof voor composieten, waarin de prestaties kunnen worden verbeterd met behulp van compatibilizers22. De reden voor de verschillende mechanische eigenschappen kan te wijten zijn aan de samenstelling van materialen en met name het koppelingsmiddel kan een aanzienlijk effect hebben. De mechanische eigenschappen van gerecycleerde polymeren in WPC werden verbeterd met compatibilizers, maar de effecten zijn sterk afhankelijk van het gebruikte middel en de hoeveelheid in de structuur, waardoor een grote variatie tussen de gebruikte middelen23. Een eerdere studie wees uit dat de hoogste prestaties van PP-gebaseerde WPC werden bereikt met hoeveelheden compatibilizers op drie procent niveau24, wat in overeenstemming is met het bedrag dat in deze studie wordt gebruikt. Zo kan het gebruikte koppelingsmiddel problematischer zijn dan het niveau van de agent. Het is echter algemeen aanvaard dat de mechanische prestaties van WPC's worden verbeterd wanneer koppelingsmiddelen onder geoptimaliseerde omstandigheden worden gebruikt25.

Elk polymeer heeft individuele eigenschappen in materiaal, wat aantoont dat de scheiding van polymeren de waarde van WPC verhoogt met de juiste additieven. In de toekomst kunnen nieuwe milieuvriendelijke alternatieve koppelingsmiddelen voor gerecycleerde polymeercomposieten worden gebruikt om aan de vraag te voldoen, zoals het zetmeelbed dat wordt getoond in een nieuwe studie van Rocha en Rosa26. Bovendien moet het hergebruik van plastic economisch zinvol zijn en dus ook toekomstige actie vereisen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De mechanische eigenschappen van WPC spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de geschiktheid van deze producten in verschillende toepassingen. WPC bestaat uit drie hoofdingrediënten: plastic, hout en additieven. De mechanische eigenschappen van vezelgebaseerde composieten zijn afhankelijk van de lengte van de gebruikte vezel, waarbij "kritische vezellengte" de term is die wordt gebruikt om voldoende versterking aan te geven25. Naast de eigenschappen van ingrediënten is de kwaliteit van grondstoffen de belangrijke factor voor de prestaties van WPC. In deze studie, met name, waar gerecycleerde grondstoffen werden gebruikt, werd veel aandacht besteed aan de grondstoffen. Deze studie gebruikte materialen afkomstig van CDW die kunnen variëren tussen bouwplaatsen, en deze variabiliteit is een kritische factor in de vergelijking van verschillende studies. Daarom moet het materiaal worden bestudeerd volgens de gestandaardiseerde tests die een uniforme productkwaliteit garanderen.

In een buigtest ervaart het WPC-materiaal drukspanning aan de dragende zijde en dienovereenkomstig trekspanning aan de andere kant. De testmethode is gebaseerd op de standaard van houtpanelen (EN 310), die de buigeigenschappen van een geëxtrudeerd profiel in daadwerkelijk gebruik illustreren. De buigtest veroorzaakt compressie (op het bovenste oppervlak) en trekspanning (aan de onderzijde) voor het materiaal, daarom is het belangrijk dat het geëxtrudeerde (holle) profiel symmetrisch is. Een andere test voor flexurale eigenschappen (bijvoorbeeld de standaard EN ISO 17827),waarbij de afmetingen van het monster kleiner waren, zal niet de werkelijke waarde opleveren voor het gebruikte extrusieprofiel, maar zal de eigenschap van het materiaal analyseren zonder het effect van een hol profiel. Het is belangrijk om een gestandaardiseerde afstand tussen de steunspanne te gebruiken, omdat dit van invloed is op de resultaten. De flexurale sterkte is lineair afhankelijk van de draagspanne, waarbij een verhoogde ondersteuningsspanne leidt tot een evenredige afname van de belasting28.

Over het algemeen neemt trekmodulus toe met het toenemende gehalte PP-polymeer binnen houtvezel25. Daarom kunnen we aannemen dat de samenstelling van materialen, waaronder additieven zoals een koppelingsmiddel, niet optimaal was voor dit materiaal. De grootste variatie tussen de diktes van trekproeven was 0,94 mm; deze variatie geeft aan dat het vastmaken van monsters een kritieke stap is. De testmachine omvatte pneumatische bevestigingsmiddelen die overbodige kracht veroorzaken met de verschillende diktes van monsters. Daarom moet de krachtmeting aan het begin van de trekproef worden gereset, zodat de pneumatische bevestigingsmiddelen de resultaten niet verstoren. Als alternatief kan deze probleemoplossing worden geëlimineerd door homogene testmonsters te vervaardigen tijdens de bemonsteringsfase.

De effectsterktetest illustreert een ander mechanisch kenmerk van het materiaal omdat het een kortstondige stam meet, terwijl de meeste andere tests de langetermijnstam van het materiaal meten. Het stijgende gehalte van houtvezel verminderde de effectsterkte25. De afmetingen van de monsters moeten in alle tests worden gemeten en er kunnen verschillen zijn tussen onderzoekers in het gebruik van meetapparatuur (bijvoorbeeld compressiekracht bij het gebruik van een remklauw of micrometer). Daarom is het belangrijk dat dezelfde persoon de afmetingen van monsters in elke test meet, waardoor menselijke fouten in de metingen worden uitgesloten. Een andere optie als modificatietechniek is het gebruik van een apparaat dat een moment voor compressie bevat. Bovendien kan de testatmosfeer een invloed hebben op de bestudeerde eigenschappen. In deze studie werden alle bestudeerde tests uitgevoerd onder dezelfde omstandigheden, dus het effect van de atmosfeer was vergelijkbaar en had een samenvallend effect voor elke test. Als toekomstige toepassing kunnen de tests worden uitgevoerd in een ruimte waar de atmosfeer stabiel zal zijn.

Omdat WPC uit ten minste twee materialen bestaat, zoals hout en polymeer, kan het de selectie van een standaard bemoeilijken. Er kunnen bijvoorbeeld geschikte normen zijn voor houtmaterialen, evenals voor polymeermaterialen, die beperkingen zullen veroorzaken bij de selectie van een geschikte standaard voor studie. De standaardorganisatie heeft standaarden gepubliceerd (EN 15534-1:2014+A1:2017) waarin testmethoden voor composieten gemaakt van op cellulose gebaseerde materialen en thermoplasten werden gekarakteriseerd. De norm stelt onderzoekers die de Europese norm volgen in staat om op een universele manier te handelen in hun studies. Een complicatie kan ontstaan als een aanzienlijk deel van de onderzoekers volgt een andere norm (bijvoorbeeld ASTM International), die problemen zal veroorzaken in de vergelijkingen van de resultaten. Een toekomstige ontwikkeling kan één standaardorganisatie zijn waarvan de normen wereldwijd geldig zouden zijn.

De normen van WPC's bevatten gedetailleerde instructies voor het meten van eigenschappen, maar de interpretatie hiervan kan per onderzoeker verschillen. Benchmarking tussen onderzoeksorganisaties zou operatiemethoden kunnen verenigen, maar zijn mogelijk niet toegestaan omdat de onderzoeksorganisaties vaak beperkte instellingen zijn die zich bezighouden met vertrouwelijke informatie. Daarom zorgt dit soort visueel beschreven werk ervoor dat testpraktijken universeel zijn voor een breder aantal mensen, waardoor de mogelijkheden voor misverstanden worden beperkt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Circwaste-project krijgt financiële steun van de EU voor de productie van zijn materiaal. De standpunten die in de inhoud worden weergegeven, zijn volledig van het eigen project en de EU-commissie is niet verantwoordelijk voor enig gebruik ervan.

Acknowledgments

De auteurs erkennen de steun van het LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) onderzoeksplatform gecoördineerd door LUT University en het door het Life IP on waste-Towards a circular economy in Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) project (LIFE 15 IPE FI 004). De financiering voor het project werd ontvangen uit het EU Life Integrated-programma, bedrijven en steden.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agglomeration Plasmec TRL100/FV/W apparatus of turbomixer
Agglomeration Plasmec RFV 200 apparatus of cooler
CNC router Recontech F2 - 1325 C CNC machine
Condition chamber Memmert HPP260 constant climate chamber
Coupling agent DuPont Fusabond E226 commercial coupling agent additive
Crusher 1 (crusher/shredder ) Untha Untha LR 630 10-20 mm sieve
Crusher 2 (low-speed crusher) Shini Shini SG-1635N-CE 5 mm sieve, granulator
Extruder Weber Weber CE 7.2 conical counter-rotating twin-screw
Lubricant Struktol TPW 113 commercial lubricant additive
NIR spectroscopy Thermo Fisher Scientific Thermo Scientific microPHAZIR PC
Recycled material ABS from CDW
Recycled material PE from CDW
Recycled material PP from CDW
Sliding table saw Altendorf F-90 circular saw/sliding table saw
Testing apparatus Zwick 5102 impact tester
Testing machine Zwick Roell Z020 allround-line materials testing machine
Wood flour (Spruce) material
WPC example material UPM Profi Decking board

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The World Bank. What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank. , Washington, DC. (2018).
  2. Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
  3. Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC). , Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019).
  4. Plastics - the Facts 2018. PlasticsEurope. , Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018).
  5. European Commission (EC). Communication from the Commission to the European Parliament, the Council the European Economic and Social Committee and the committee and the Committee of the Regions, COM. European Commission (EC). , (2015).
  6. Directive 2008/98/EC. European Union (EU). , Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0098&from=EN (2008).
  7. Anugwom, I., et al. Lignin as a functional additive in a biocomposite: Influence on mechanical properties of polylactic acid composites. Industrial Crops & Products. 140, 111704 (2019).
  8. Sommerhuber, P. F., et al. Life cycle assessment of wood-plastic composites: Analysing alternative materials and identifying an environmental sound end-of-life option. Resources, Conservation and Recycling. 117, 235-248 (2017).
  9. Hyvärinen, M., et al. The effect of the use of construction and demolition waste on the mechanical and moisture properties of a wood-plastic composite. Composites Structures. 210, 321-326 (2019).
  10. Liikanen, M., et al. Construction and demolition waste as a raw material for wood polymer composites - Assessment of environmental impacts. Journal of Cleaner Production. 225, 716-727 (2019).
  11. Väntsi, O., Kärki, T. Environmental assessment of recycled mineral wool and polypropylene utilized in wood polymer composites. Resources, Conservation and Recycling. 104, 38-48 (2015).
  12. Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
  13. Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research. , Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018).
  14. Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
  15. Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
  16. National Standards Authority of Ireland. CEN - EN 15534-1:2014 + A1:2017, Composites made from cellulose-based materials and thermoplastics (usually called wood-polymer composites (WPC) or natural fibre composites (NFC)) - Part 1: Test methods for characterisation of compounds and products. National Standards Authority of Ireland. , (2014).
  17. International Organization for Standardization. EN 310:1993, Wood-based panels - Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. International Organization for Standardization. , (1993).
  18. International Organization for Standardization. EN ISO 527 2, Plastics - Determination of tensile properties - Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. International Organization for Standardization. , (2012).
  19. International Organization for Standardization. EN ISO 179-1, Plastics - Determination of Charpy impact properties - Part 1: Non-instrumented impact test. International Organization for Standardization. , (2010).
  20. International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics - Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
  21. Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 50-74 (2007).
  22. Martikka, O., et al. Improving durability of wood-mixed waste plastic composites with compatibilizers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 490, 1-9 (2019).
  23. Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
  24. Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
  25. Sain, M., Pervaiz, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. Oksman Niska, K., Sain, M. , Woodhead Publishing Limited. Cambridge, England. 101-117 (2008).
  26. Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
  27. International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics - Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
  28. Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 225-318 (2007).

Tags

Deze maand in JoVE Circulaire economie bouw- en sloopafval (CDW) kunststof scheiding sortering recycling gebruik hout-polymeercomposiet (WPC) mechanische eigenschappen
Het effect van bouw- en sloopafval plastic fracties op hout-polymeer composiet eigenschappen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lahtela, V., Hyvärinen, M.,… More

Lahtela, V., Hyvärinen, M., Kärki, T. The Effect of Construction and Demolition Waste Plastic Fractions on Wood-Polymer Composite Properties. J. Vis. Exp. (160), e61064, doi:10.3791/61064 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter