建筑与拆除废料中塑料组分对木塑复合材料性能的影响

摘要

已有研究表明，二次物料流可能包含可用于生产的潜在原材料。本文介绍了一种以建筑垃圾中的塑料废弃物作为原材料的处理方案，随后经过一系列加工步骤（包括团聚、挤出），最终制备出一种复合材料，并对其力学性能进行了分析。

摘要

建筑与拆除废弃物（CDW）包含塑料等有价值材料，对废弃物处理领域具有显著影响。为了实现塑料材料的再利用，必须根据其聚合物组成对其进行识别和分离。本研究采用近红外光谱法（NIR）进行材料识别，该方法基于材料的物理化学特性进行判定。NIR方法的优点包括环境影响小、测量速度快（数秒内完成），在1600–2400 nm光谱范围内无需特殊样品制备即可实现检测。其局限性在于无法分析深色材料。所识别出的聚合物被用作木塑复合材料（WPC）的组分，该复合材料由聚合物基体、低成本填料及添加剂构成。各组分首先通过团聚装置进行共混，随后通过挤出工艺成型。在团聚过程中，目标是将所有材料共混，制成均匀分布且颗粒化的粒料。在此过程中，聚合物（基体）被熔融，填料及其他添加剂随后被混入熔融态聚合物中，从而为挤出工序做好准备。在挤出工艺中，热量和剪切力作用于物料，设备采用锥形异向双螺杆挤出机的机筒结构，可降低材料烧焦风险并实现较低剪切强度的混合。经加热与剪切的混合物随后通过口模挤出，形成所需形状的产品。上述方案验证了CDW材料再利用的可行性。材料的功能性能需依据标准测试方法进行验证，例如弯曲强度、拉伸强度和冲击强度测试。

引言

历史上，全球废物产生量显著增长，若不采取行动，未来预计还将增加数十个百分点¹。特别是高收入国家，虽然仅占全球人口的16%，却产生了全球超过三分之一的废物¹。由于快速的城市化和人口增长，建筑行业是此类废物的重要来源之一。据估计，全球约三分之一的固体废物来自建筑和拆除工程；然而，不同地区的精确数据尚缺乏²。在欧洲联盟（EU）中，建筑和拆除废物（CDW）约占总废物产生量的25%–30%³，其中包含塑料等具有价值且数量可观的二次原材料。若缺乏有组织的收集与管理，塑料可能对生态系统造成污染并产生不利影响。2016年，全球产生的塑料废物达2.42亿吨¹，而在欧洲，仅有31.1%的塑料被回收利用⁴。

资源短缺促使人们需要转变实践，向循环经济转型，其目标是将废物作为二次资源的来源，并回收废物以实现再利用。循环经济将在实现经济增长的同时最小化环境影响，这一概念在欧洲广受欢迎。欧盟委员会通过了《欧盟循环经济行动计划》，该计划设定了相关贡献的目标和指标⁵。

日益严格的环境法规推动建筑行业更加重视废弃物管理和材料回收问题。例如，欧盟（EU）已设定了材料回收目标：自2020年起，非危险性建筑与拆除废弃物（CDW）的材料回收率应达到70%⁶。CDW的组成在不同地理区域间可能存在显著差异，但可识别出一些共性特征，例如其中所含的塑料可作为木塑复合材料的一种潜在且有价值的原材料。塑料的再利用是迈向循环经济的具体举措，即用回收聚合物替代原生塑料聚合物。

复合材料是一种多相体系，由基体材料和增强相组成。木塑复合材料（WPC）通常以聚合物为基体，木材材料为增强相，并添加偶联剂和润滑剂等助剂以改善界面粘附性。WPC可被视为一种环境友好型材料，因为其原材料可来源于聚乳酸（PLA）和木材等可再生资源。根据最新研究进展⁷，WPC所用的添加剂也可基于可再生资源制备。此外，原材料来源还可以是可回收（非原生）材料，这是一种在生态和技术上均具优势的替代方案⁸。例如，研究人员已对含有建筑废弃物（CDW）的挤出成型WPC进行了研究，发现基于CDW的复合材料性能处于可接受水平⁹。从环境角度看，将可回收原材料作为WPC组分的利用方式也是可行的，这一点已得到多项评估的证实。总体而言，已有研究表明，在WPC生产中利用CDW可降低CDW管理带来的环境影响¹⁰。此外，研究还发现，在WPC中使用回收的聚丙烯（PP）塑料具有减轻全球变暖潜力的作用¹¹。

未来可获得的再生聚合物数量将增加。全球塑料产量平均每年增长约9%，预计未来这一增长趋势仍将持续¹²。最常见的塑料聚合物类型包括聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。2017年，欧洲地区聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）在总需求量中所占份额分别为29.8%和19.3%⁴。全球塑料回收市场预计在2018年至2026年期间将以5.6%的年增长率增长¹³。塑料应用的主要领域之一是建筑行业。例如，2017年欧洲塑料总需求中近20%与建筑应用相关⁴。从经济角度来看，在木塑复合材料（WPC）制造中使用再生聚合物是一种具有吸引力的选择，有助于生产低成本材料。先前的研究表明，与原始材料相比，物理效应对由再生塑料制成的挤出材料影响更大，但材料性能取决于塑料来源¹⁴。然而，由于相容性较低，使用再生塑料会降低木塑复合材料（WPC）的强度¹⁵。塑料聚合物结构之间的差异给再利用和回收带来了挑战，因此基于聚合物类型的塑料分选显得尤为重要。

本研究旨在评估将建筑垃圾（CDW）中的塑料材料作为木塑复合材料（WPC）原料的可行性。研究中评估的聚合物组分包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE），这些是建筑垃圾中常见的通用塑料组分。这些聚合物组分经过团聚和挤出等常规加工工艺处理，并通过通用的机械性能测试进行评估。本研究的主要目标是探究：若在基体中使用再生聚合物替代原始 virgin 聚合物作为原料，木塑复合材料（WPC）的性能将如何变化。

根据（当地）废物管理中心（Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy）的情况，展示了富含塑料的建筑拆迁废物（CDW）的储存方式。结果表明，此类废物中含有大量塑料材料，并展示了若干种CDW中塑料聚合物的实例。研究人员收集了适合进一步加工处理的最适宜聚合物，例如ABS、PP和PE。采用便携式近红外（NIR）光谱法对目标聚合物（PE、PP、ABS）进行了鉴定。展示了可利用所收集塑料材料作为原料的木塑复合材料（WPC）产品实例，并解释了复合材料的定义及其优势。

方案

1. 鉴定与预处理

1. 使用便携式近红外（NIR）光谱仪在1600–2400 nm光谱范围内识别塑料中的聚合物。将光谱仪与聚合物接触，并通过测得的反射率确定聚合物种类。
   1. 根据光谱仪的识别曲线，在实验室中分析屏幕上显示的识别结果。
2. 根据识别结果，将不同聚合物材料进行分类，并分别称重。
   注：材料按照测定的识别结果进行分类和称重。用于后续处理的选定聚合物为ABS、PE和PP，其质量分别为27.1、14.2和44.7 kg。
3. 在实验室条件下，使用破碎装置对选定的塑料材料进行尺寸减小处理。将收集并识别后的材料放入装置中，通过锤击的机械力进行破碎。
   1. 使用配备筛网（筛孔尺寸为10至20 mm）的单轴破碎系统对塑料材料进行破碎。
   2. 将塑料碎片进一步置于低速破碎机中处理，该破碎机配备5 mm筛网。确保物料均匀一致。
4. 测量复合材料所需各组分的用量。以一个配方为例，展示塑料、木粉、偶联剂和润滑剂的相对含量（分别为64、30、3和3 wt%）。
   注：本研究共研究了三种不同的复合材料。来自建筑废弃物（CDW）的再生塑料聚合物为ABS、PP和PE。复合材料的填料为木粉，由干燥的云杉（Picea abies）经破碎设备粉碎后过筛（20 mm筛网）制得，以确保粒径均匀。偶联剂和润滑剂为市售商用添加剂。所制备材料的组成及名称见表1。

材料	聚合物 / 用量	木粉	CA	润滑剂
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

表1：所研究材料的组成。 样品名称由所含基体组分组成，包括来自建筑和拆除废物（CDW）的再生丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。所有样品中木粉、偶联剂（CA）和润滑剂（Lubr.）的用量均相同。

2. 经尺寸减小处理后采用挤出技术加工WPC材料

1. 将已鉴定并预处理的材料转移至下一工序（团聚处理）附近。
   注意：ABS塑料材料含有苯乙烯组分。国际癌症研究机构认为苯乙烯“可能对人类致癌”。因此，在拍摄过程中未包含团聚步骤的实际操作，但本文中仍概述了该步骤的流程。此外，在拍摄期间的挤出生产中仅使用了PP或PE聚合物。
2. 进行材料的团聚处理。
   1. 将工艺中的所有组分（聚合物、木粉、偶联剂和润滑剂）加入由涡轮混合机和冷却装置组成的设备中。在涡轮混合机中对材料进行团聚处理，直至材料温度达到200 °C。由于温度和摩擦的共同作用，经过团聚处理后形成了颗粒状材料。
   2. 在冷却装置中对经过涡轮混合机处理的材料冷却4–7分钟。
3. 将材料从工艺流程中排出，并收集团聚后的物料。
4. 将经过团聚处理的材料转移至下一工序（挤出）。
   1. 点击挤出机的控制面板，检查参数设置是否正确。机筒平均温度介于167至181 °C之间，模头工具温度介于183至207 °C之间。熔体温度范围为164至177 °C，口模压力在3.7至5.9 MPa之间。由于回收材料具有异质性，工艺过程需要专业调控，因此应根据实际情况调整参数。
   2. 使用锥形反向旋转双螺杆挤出机进行组分复合，材料输出速率为15 kg/h。材料的具体参数见表2。挤出工艺完成后，生成了复合材料的型材。

材料	料筒温度 °C	模具温度 °C	熔体温度 °C	熔体 压力 (bar)	进料 速率 (kg/h)	平均螺杆 转速 (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

表2：复合材料的加工参数。（“±”符号后的数值表示标准偏差。Avg. = 平均值）

3. 产物取样与性质分析

1. 在实验室中准备用于力学性能测试的样品。
   1. 使用机器（例如滑动台锯）从挤出型材上切割样品。测试需要三种不同尺寸的试样：弯曲强度、拉伸强度和冲击强度试样。
   2. 根据EN 15534¹⁶的建议，按照适用标准确定测试样品的尺寸。根据该标准，至少测试五个试样，但如果需要更高的平均值精度，测量次数可超过五个。
2. 根据标准EN 310¹⁷，使用滑动台锯从挤出材料上锯取用于弯曲性能测试的试样。
   1. 使用滑动台锯切割尺寸为800 mm × 50 mm × 20 mm（长度、宽度、厚度）的样品。
   2. 制备20个样品用于弯曲性能（强度和模量）分析。
3. 根据标准EN ISO 527-2¹⁸，使用滑动台锯从挤出材料上锯取用于拉伸性能测试的试样。将材料切割成以下尺寸：150 mm × 20 mm × 4 mm（长度、宽度、厚度）。
   1. 将材料毛坯通过计算机数控（CNC）加工成哑铃形。样品最窄部分的宽度为10 mm，横截面面积为4 mm × 10 mm，此处承受拉伸应力。窄部长度为60 mm，末端为半径60 mm的圆角。
   2. 制备20个样品用于拉伸性能（强度和模量）分析。
4. 根据标准EN ISO 179-1¹⁹，使用滑动台锯从挤出材料上锯取用于冲击强度测试的试样。
   1. 使用滑动台锯将样品切割成以下尺寸：80 mm × 10 mm × 4 mm（长度、宽度、厚度）。制备20个样品用于冲击强度性能分析。
5. 根据标准EN ISO 291²⁰，将测试材料放入温度23 °C、相对湿度50%的环境调节箱中，直至质量恒定。确保在进行材料性能测试前完成样品的状态调节。
6. 进行测试（弯曲、拉伸和冲击）。依据EN 310¹⁷和EN ISO 527-2¹⁸标准，分别使用试验机测定试样的弯曲强度和拉伸强度等力学性能。
   1. 使用测试装置对20个样品逐一进行弯曲强度和模量测试。将弯曲测试样品置于两点支承上，通过控制测试装置的计算机程序点击Test start按钮施加载荷，预加载力为15 N，测试速度为10 mm/min。记录结果后测试自动停止。从支承工具上取下测试样品，并安装新的样品。
      1. 重复上述步骤，直至完成20个样品的测试并记录程序结果。计算机程序将自动计算测试的平均值。
         注：此时可暂停本方案，更换测试装置的测试工具。
   2. 对20个经机加工的（哑铃形）样品进行拉伸强度和模量测试。将拉伸测试样品安装在测试工具之间，并使用气动夹具固定，以确保测试过程中样品保持稳定。通过计算机控制面板启动测试，预加载力为10 N，测试速度为2 mm/min，并在测试开始后立即安装引伸计工具。
      注：引伸计工具用于测量样品的拉伸模量。每次测试在结果记录完成后自动停止。
      1. 每次测试后从工具上取下样品，并安装下一个样品。重复此过程直至完成所有样品测试。计算机程序将自动计算平均结果值。
   3. 根据标准EN ISO 179-1¹⁹，使用冲击测试仪进行冲击强度测试。将尺寸为10 mm（宽度）× 4 mm（厚度）的样品置于支承之间，归零力值后释放5 kpcm的冲击锤。
      注：冲击锤撞击导致冲击强度测试样品断裂，吸收能量的数值可在测试仪指示器上读取。
      1. 记录测试结果，并对20个样品重复测试，之后计算冲击强度的平均值。记录结果单位为“kpcm”，需转换为焦耳（J），最终结果以千焦每平方米表示。
         注：冲击强度测试中样品支承间距（样品接触线之间的距离）为62 mm，或 alternatively 为其厚度的20倍。
7. 分析力学测试结果，结果见图1、图2和图3。

结果

为了研究建筑废弃物塑料聚合物对木塑复合材料（WPC）力学性能的影响，选用了三种不同类型的聚合物作为基体进行研究。表1列出了材料的组成，表2报告了制造工艺。CDW-PP材料需要对工具采用较高的处理温度，但与其它材料（CDW-ABS和CDW-PE）相比，其熔体压力较低。

图1以柱状图形式展示了材料的弯曲强度（基于20次测量的平均值），并以误差线表示标准偏差。使用回收ABS聚合物作为基体的材料表现出最高的弯曲强度。使用回收PE聚合物作为基体的材料也获得了几乎相当的高强度性能。而使用回收PP聚合物作为基体的材料则表现出最低的弯曲强度。图1还展示了材料弯曲模量的类似结果，该参数与强度性能同时测定。然而，尽管在强度测试中回收ABS和PE聚合物的结果相近，其弯曲模量结果却存在差异。与回收ABS聚合物相比，回收PE材料的模量值显著较低。

讨论

木塑复合材料（WPC）的力学性能在其各类应用中的适用性评估中起着关键作用。WPC主要由三种成分组成：塑料、木材和添加剂。基于纤维的复合材料的力学性能取决于所用纤维的长度，其中“临界纤维长度”是用于表示充分增强效果的术语²⁵。除了各组分本身的性能外，原材料的质量也是影响WPC性能的重要因素。本研究特别使用了再生原材料，因此对原材料给予了高度关注。本研究所用材料来源于建筑垃圾（CDW），而不同工地的建筑垃圾成分可能存在差异，这种变异性是不同研究之间进行比较时的关键影响因素。因此，必须依据标准化测试方法对材料进行研究，以确保产品品质的均一性。

在弯曲试验中，木塑复合材料在承重侧受到压应力，相应地在另一侧受到拉应力。该试验方法基于人造板标准（EN 310），用于表征挤出型材在实际使用中的弯曲性能。弯曲试验将使材料上表面承受压缩应力，下表面承受拉伸应力，因此挤出（中空）型材的对称性至关重要。另一种弯曲性能测试方法（例如标准 EN ISO 178²⁷），其试样尺寸较小，无法真实反映所用挤出型材的性能...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
团聚	Plasmec	TRL100/FV/W	涡流混合器装置
团聚	Plasmec	RFV 200	冷却装置
数控铣床	Recontech	F2 - 1325 C	数控机床
环境试验箱	Memmert	HPP260	恒定气候箱
偶联剂	DuPont	Fusabond E226	商用偶联剂添加剂
破碎机1（破碎/粉碎机）	Untha	Untha LR 630	10–20 mm 筛网
破碎机2（低速破碎机）	Shini	Shini SG-1635N-CE	5 mm 筛网，造粒机
挤出机	Weber	Weber CE 7.2	锥形反向双螺杆
润滑剂	Struktol	TPW 113	商用润滑剂添加剂
近红外光谱	Thermo Fisher Scientific	Thermo Scientific microPHAZIR PC
来自建筑垃圾的再生ABS材料
来自建筑垃圾的再生PE材料
来自建筑垃圾的再生PP材料
滑动台圆锯	Altendorf	F-90	圆锯/滑动台锯
测试装置	Zwick	5102	冲击试验机
试验机	Zwick Roell	Z020	通用型材料试验机
木粉（云杉）材料
木塑复合材料示例	UPM Profi		铺板