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。
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本文内容
摘要
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....
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方案
1. 鉴定与预处理
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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....
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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。
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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.......
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披露
Circwaste项目获得了欧盟对其材料生产的财政支持。内容中反映的观点完全由项目方自行负责，欧盟委员会对其任何使用不承担任何责任。
致谢
作者感谢由拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学（LUT University）协调的LUT RESOURCE（资源高效型生产流程与价值链）研究平台，以及“废物领域的生命计划——迈向芬兰的循环经济”（Life IP on waste—Towards a circular economy in Finland，LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND）项目（LIFE 15 IPE FI 004）提供的支持。该项目资金来自欧盟生命综合计划（EU Life Integrated Program）、企业及城市。
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材料
| 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 |
参考文献
- 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).
- Llatas, C. A model for quan....
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重印与许可
