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Artículo de método

El efecto de las fracciones de plástico de desecho de construcción y demolición en las propiedades compuestas de polímero de madera

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DOI:

10.3791/61064

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7 de junio de 2020

 ,  , 
1Re-Source Research Platform, School of Energy Systems, LUT University, 2Fiber Composite Laboratory, School of Energy Systems, LUT University

En este artículo

Resumen

Se ha demostrado que los flujos de materiales secundarios incluyen materias primas potenciales para la producción. Aquí se presenta un protocolo en el que se identifican los residuos de plástico CDW como materia prima, seguido de varios pasos de procesamiento (aglomeración, extrusión). Como resultado, se produjo un material compuesto y se analizaron las propiedades mecánicas.

Resumen

Los residuos de construcción y demolición (CDW), incluidos materiales valiosos como los plásticos, tienen una influencia notable en el sector de los residuos. Para que los materiales plásticos sean reutilizados, deben ser identificados y separados de acuerdo con su composición de polímeros. En este estudio, la identificación de estos materiales se realizó utilizando espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR), que identificó el material basado en sus propiedades físico-químicas. Las ventajas del método NIR son un bajo impacto ambiental y una medición rápida (en pocos segundos) en el rango espectral de 1600-2400 nm sin preparación especial de la muestra. Las limitaciones incluyen su incapacidad para analizar materiales oscuros. Los polímeros identificados se utilizaron como un componente para el compuesto de polímero de madera (WPC) que consiste en una matriz de polímeros, rellenos de bajo costo y aditivos. Los componentes se compararon por primera vez con un aparato de aglomeración, seguido de la producción por extrusión. En el proceso de aglomeración, el objetivo era componer todos los materiales para producir materiales distribuidos y granulados uniformemente como pellets. Durante el proceso de aglomeración, el polímero (matriz) se fundió y los rellenos y otros aditivos se mezclaron en el polímero fundido, estando listo para el proceso de extrusión. En el método de extrusión, se aplicaron fuerzas de calor y cizallamiento a un material dentro del barril de un extrusor cónico de doble tornillo contrarrotante, lo que reduce el riesgo de quemar los materiales y una menor mezcla de cizallamiento. La mezcla calentada y cizallada se transmitió a través de un troquel para dar al producto la forma deseada. El protocolo descrito anteriormente demostró la posibilidad de reutilización de materiales CDW. Las propiedades funcionales deben verificarse de acuerdo con las pruebas estandarizadas, como las pruebas de flexión, tracción y resistencia al impacto para el material.

Introducción

La generación mundial de residuos ha crecido significativamente a lo largo de la historia y se prevé que aumente en decenas de porcentajes en el futuro, a menos que se tomen medidas1. En particular, los países de ingresos altos han generado más de un tercio de los residuos del mundo, aunque representan sólo el 16% de la población mundial1. El sector de la construcción es un importante productor de estos residuos debido a la rápida urbanización y el crecimiento de la población. Según las estimaciones, aproximadamente un tercio de los residuos sólidos mundiales se forman mediante proyectos de construcción y demolición; sin embargo, faltan valores exactos de diferentes áreas2. En la Unión Europea (UE), la cantidad de residuos de construcción y demolición (CDW) es aproximadamente del 25 % al 30 % de la generación total de residuos3,e incluye materias primas secundarias valiosas y significativas, como el plástico. Sin la recolección y la gestión organizadas, el plástico puede contaminar e influir negativamente en los ecosistemas. En 2016, se generaron 242 millones de toneladas de residuos plásticos en el mundo1. La proporción de plástico reciclado en Europa fue de sólo el 31,1%4.

La escasez de recursos ha creado la necesidad de cambiar las prácticas hacia una economía circular, en la que los objetivos son utilizar los residuos como fuente de recursos secundarios y recuperar los residuos para su reutilización. El crecimiento económico y los impactos ambientales minimizados serán creados por la economía circular, que es un concepto popular en Europa. La Comisión Europea adoptó un plan de acción de la Unión Europea para una economía circular, que establece objetivos e indicadores para las contribuciones5.

Las regulaciones y leyes ambientales más estrictas están contribuyendo al sector de la construcción, poniendo más esfuerzo en la gestión de residuos y en cuestiones de reciclaje de materiales. Por ejemplo, la Unión Europea (UE) ha fijado objetivos para la recuperación de materiales. A partir del año 2020, la tasa de recuperación de material de la CDW no peligrosa debe ser del 70%6. La composición de la CDW puede variar ampliamente en lugares geográficos, pero se pueden identificar algunas características comunes, entre ellas, por ejemplo, el plástico que es una materia prima potencial y valiosa para los compuestos de polímeros de madera. La reutilización del plástico es un paso concreto hacia una economía circular en la que los polímeros plásticos vírgenes son sustituidos por polímeros reciclados.

Los materiales compuestos son un sistema multifásico, que consiste en un material de matriz y una fase de refuerzo. El compuesto de polímero de madera (WPC) normalmente contiene polímeros como la matriz, materiales de madera como refuerzo y aditivos para mejorar la adhesión, como agentes de acoplamiento y lubricantes. WPC puede ser conocido como un material respetuoso con el medio ambiente porque la materia prima puede obtenerse de materiales renovables, como el ácido poliláctico (PLA) y la madera. Según la última innovación7, los aditivos de WPC pueden basarse en fuentes renovables. Además, la fuente de la materia prima puede ser materiales reciclados (no vírgenes), que es una alternativa ecológica y técnicamente superior8. Por ejemplo, los investigadores han estudiado WPC extruido que contiene CDW, y han descubierto que las propiedades de los compuestos basados en CDW estaban en un nivelaceptable 9. La utilización de materias primas recicladas como componente para el WPC también es aceptable desde el aspecto ambiental, como lo demuestran varias evaluaciones. En general, se ha demostrado que la utilización de CDW en la producción de WPC puede disminuir las influencias ambientales de la gestión de CDW10. Además, se ha encontrado que el uso de plástico de polipropileno reciclado (PP) en WPC tiene el potencial de reducir el calentamiento global11.

La cantidad de polímeros reciclados disponibles aumentará en el futuro. La producción mundial de plástico ha aumentado aproximadamente un 9% a partir del año, en promedio, y se espera que este incremento continúe en el futuro12. Los tipos de polímeros plásticos más generales son, entre otros, polipropileno (PP) y polietileno (PE). Las cuotas de la demanda total de PE y PP fueron del 29,8% y del 19,3%, respectivamente, en Europa en 20174. Se espera que el mercado mundial de reciclaje de plástico crezca a una tasa de crecimiento anual del 5,6% durante el período 2018-202613. Una de las principales aplicaciones en las que se utilizan los plásticos es la construcción y la construcción. Por ejemplo, casi el 20 % de la demanda total de plástico europeo se asoció con aplicaciones de construcción y construcción4. Desde una perspectiva económica, el uso de polímeros reciclados en la fabricación de WPC es una alternativa interesante, lo que conduce a la producción de materiales con bajo costo. Investigaciones anteriores han demostrado que los efectos físicos tienen una mayor influencia en los materiales extruidos hechos de plástico secundario en comparación con el material virgen correspondiente, pero las propiedades dependen de la fuente de plástico14. Sin embargo, el uso de plástico reciclado disminuye la resistencia de WPC debido a la menor compatibilidad15. La variación entre las estructuras de polímeros plásticos causa preocupaciones para la reutilización y el reciclaje, que contribuyen a la importancia de la clasificación de plástico basada en el polímero.

Este estudio tiene la intención de evaluar la utilización de material plástico de la CDW como materia prima para el WPC. Las fracciones de polímero evaluadas en el estudio son acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) y polietileno (PE). Estas se conocen como fracciones de plástico universales dentro de CDW. Las fracciones de polímero se tratan con procesos generales de fabricación, como la aglomeración y la extrusión, y se prueban con pruebas de propiedad mecánica universal. El objetivo principal del estudio es descubrir cómo las propiedades de WPC se alterarían si los polímeros reciclados se utilizaran como materia prima en la matriz en lugar de polímeros vírgenes primarios.

Sobre la base del centro de gestión de residuos (local) (Etel-Karjalan J-tehuolto Oy), se mostró cómo se almacena la CDW rica en plástico. Se demostró que se incluye una gran cantidad de material plástico y se mostraron algunos ejemplos de polímeros plásticos CDW. Los investigadores recogieron los polímeros más adecuados para su posterior procesamiento, como ABS, PP y PE. Los polímeros deseados (PE, PP, ABS) se identificaron utilizando espectroscopía portátil de infrarrojo cercano (NIR). Se presentaron ejemplos de productos WPC en los que los materiales plásticos recogidos podían utilizarse como materia prima. Se explicó la definición del compuesto y sus ventajas.

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Protocolo

1. Identificación y pretratamiento

  1. Identifique polímeros en plástico con la herramienta de espectroscopia portátil de infrarrojo cercano (NIR) en el rango espectral de 1600–2400 nm. Póngase en contacto con el polímero con la herramienta de espectroscopia y determine el polímero por la reflectancia medida.
    1. De acuerdo con la curva de identificación de la espectroscopia, analizar los resultados de identificación de la pantalla en el laboratorio.
  2. En función del resultado de la identificación, clasifre los materiales entre los polímeros y mida sus respectivos pesos.
    NOTA: El material se clasifó y se ha ponderado según los resultados de identificación medidos. Los polímeros seleccionados para su posterior procesamiento fueron ABS, PE y PP con las cantidades, 27,1, 14,2 y 44,7 kg, respectivamente.
  3. Realice la reducción de tamaño para los materiales plásticos seleccionados en condiciones de laboratorio con un aparato de trituradora. Colocar materiales recogidos e identificados en el aparato que tritura los materiales con la fuerza mecánica de los impactos del martillo.
    1. Aplastar materiales plásticos utilizando un sistema de trituración de un solo eje con un aparato de triturador/destructor equipado con un tamaño de tamiz que varía de 10 a 20 mm.
    2. Somete los fragmentos de plástico a una trituradora de baja velocidad, equipada con un tamiz de 5 mm. Asegúrese de que el material es homogéneo.
  4. Mida las cantidades de material para los compuestos. Muestre una receta como ejemplo y presente estos materiales en las cantidades relativas de plástico, madera, agente de acoplamiento y lubricante (64, 30, 3 y 3 % de wt, respectivamente).
    NOTA: En este estudio se estudiaron tres compuestos diferentes. Los polímeros de plástico reciclados de la CDW eran ABS, PP y PE. El relleno del material compuesto era harina de madera, que se preparó a partir de una especie de abeto seco (Picea abies) tamaño reducido utilizando equipos de trituración y tamizado para un tamaño homogéneo (malla de 20 mm). Se utilizaron aditivos comerciales de agente de acoplamiento y lubricante. Las composiciones y el nombre de los materiales preparados se muestran en la Tabla 1.
MaterialPolímero
/ cantidad		MaderaCaLubr
CDW-ABSABS / 306433
CDW-PPPP / 306433
CDW-PEPE / 306433

Tabla 1: La composición de los materiales estudiados. El nombre de la muestra consiste en el componente de matriz incluido, acrilonitrilo reciclado butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) y polietileno (PE) de los residuos de construcción y demolición (CDW). Las cantidades de madera, agente de acoplamiento (CA) y lubricante (Lubr.) eran las mismas en todas las muestras.

2. Procesamiento de materiales WPC con tecnología de extrusión después del tratamiento de reducción de tamaño

  1. Transfiera los materiales identificados y pretratados a la siguiente etapa de procesamiento (aglomeración).
    ADVERTENCIA: El material plástico de ABS incluye un componente de estireno. La Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer considera que el estireno es "posiblemente cancerígeno para los seres humanos". Por lo tanto, el paso de aglomeración en acción no se incluyó en la filmación, pero su proceso se describe en esta obra. Además, sólo se utilizó polímero PP o PE en la producción de extrusión durante la filmación.
  2. Realizar la aglomeración del material.
    1. Mezclar todos los componentes del proceso (polímero, madera, agente de acoplamiento y lubricante) en un aparato que consiste en un turbomezclador y un enfriador. Aglomerar los materiales en el turbomezclador hasta que la temperatura de los materiales alcance los 200 oC. Debido al efecto combinado de temperatura y fricción, los materiales de los gránulos se formaron después del proceso de tratamiento de la aglomeración.
    2. Enfríe los materiales después del tratamiento del turbomezclador durante 4-7 minutos en un aparato más frío.
  3. Evacuar el material del proceso y recoger material aglomerado.
  4. Transfiera los materiales tratados con aglomeración al siguiente paso del proceso (extrusión).
    1. Haga clic en el panel de control de la máquina de extrusión y compruebe los parámetros correctos. Las temperaturas medias del cañón y de la herramienta variaron entre 167 y 181 oC, y 183 y 207 oC, respectivamente. La temperatura de fusión varió entre 164 y 177 oC, y las presiones de troquel estaban entre 3,7 y 5,9 MPa. Ajuste los parámetros porque los materiales reciclados son heterogéneos y el proceso requiere un control profesional.
    2. Componer los componentes utilizando un extrusor de doble tornillo contrarrotante cónico con salida de material de 15 kg/h. Los parámetros de los materiales se presentan en la Tabla 2. Después del proceso de extrusión, se generó el material de perfil del compuesto.
MaterialBarril T a CHerramienta T a CDerretir T a CDerretir
Presión (bar)		Alimentación
tasa (kg/h)		Avg.Screw
velocidad (rpm)
CDW-ABS181 ± 11,9189 ± 14,7177501514
CDW-PP170 ± 10,4207 ± 8,62164371515
CDW-PE167 ± 8,51183 ± 10,1164591513

Tabla 2: Parámetros de procesamiento de los materiales compuestos. (Los valores posteriores a la marca '±' indican desviaciones estándar. Promedio de promedio)

3. Muestreo de materiales producidos y análisis de propiedades

  1. Preparar muestras para pruebas de propiedad mecánica en el laboratorio.
    1. Cortar muestras de perfiles extruidos con una máquina (es decir, una sierra de mesa deslizante). Se necesitan tres muestras de diferentes tamaños para las pruebas: flexural, tracción y resistencia al impacto.
    2. Determinar el tamaño de las muestras de ensayo de acuerdo con las normas aplicables, sobre la base de la recomendación de EN 1553416. De acuerdo con la norma, pruebe un mínimo de cinco especímenes, pero el número de mediciones puede ser superior a cinco si se requiere una mayor precisión del valor medio.
  2. Sierra de muestras de prueba de los materiales extruidos para la prueba de propiedad de flexión, según la norma EN 31017.
    1. Utilice una sierra de mesa deslizante con las siguientes dimensiones para la muestra: 800 mm x 50 mm x 20 mm (largo, ancho, espesor).
    2. Fabricación de 20 muestras para el análisis de propiedades flexurales (fuerza y módulo).
  3. Sierra de muestras de prueba de los materiales extruidos para la prueba de propiedad de tracción, según la norma EN ISO 527 218. Utilice la sierra de mesa deslizante para cortar el material en las siguientes dimensiones: 150 mm x 20 mm x 4 mm (largo, ancho, espesor).
    1. Establezca las preformas de material para el mecanizado de una forma de campana tonta a través del control numérico por ordenador (CNC). La anchura de la muestra en su porción estrecha era de 10 mm, y la superficie transversal de la muestra era de 4 mm x 10 mm, donde se abordó la tensión de tracción. La longitud de la parte estrecha era de 60 mm, terminando en una esquina redondeada con un radio de 60 mm.
    2. Haga 20 muestras para el análisis de las propiedades de tracción (fuerza y módulo).
  4. Sierra de muestras de prueba de los materiales extruidos para la prueba de resistencia al impacto, según la norma EN ISO 179-119.
    1. Utilice la sierra de mesa deslizante para cortar las muestras en las siguientes dimensiones: 80 mm x 10 mm x 4 mm (largo, ancho, espesor). Haga 20 muestras para el análisis de la propiedad de resistencia al impacto.
  5. Mueva el material de ensayo a la cámara de condición de humedad relativa de 23oC y 50%, según la norma EN ISO 29120,hasta alcanzar una masa constante. Asegúrese de que las muestras estén acondicionadas antes de la prueba de las propiedades del material.
  6. Realice las pruebas (flexural, tracción e impacto). Determinar las características mecánicas de las muestras mediante pruebas de flexión y resistencia a la tracción con una máquina de ensayo de acuerdo con las normas EN 31017 y EN ISO 527-218, respectivamente.
    1. Realizar pruebas de resistencia y módulo flexural para cada una de las 20 muestras, utilizando el aparato de prueba. Establezca la muestra de prueba flexural con el soporte de dos puntos y aplique una carga al centro de la muestra haciendo clic en Inicio de prueba en el programa informático que controla el aparato de prueba, con una precarga de 15 N y una velocidad de prueba de 10 mm/min. La prueba se detiene automáticamente después de grabar el resultado. Elimine la muestra de prueba de las herramientas de soporte y establezca una nueva muestra en las herramientas.
      1. Repita el procedimiento hasta que se probaron 20 muestras y se registraron los resultados del programa. El programa informático calcula los resultados medios de la prueba.
        NOTA: El protocolo se puede pausar aquí mientras que las herramientas de prueba se cambiarán para el aparato de prueba.
    2. Realice la prueba de resistencia a la tracción y módulo para 20 muestras mecanizadas (en forma de campana tonta). Establezca la muestra de prueba de tracción entre las herramientas de ensayo y conecte las abrazaderas neumáticas, que mantendrán la muestra en las herramientas durante la prueba. Inicie la prueba desde el panel de control del ordenador, con una precarga de 10 N y una velocidad de prueba de 2 mm/min, y conecte una herramienta de medidor de extensión inmediatamente después del inicio de la prueba.
      NOTA: La herramienta del medidor de extensión mide el módulo de tracción de la muestra. Cada prueba se detuvo automáticamente después de que se registrara su resultado.
      1. Quite la muestra de prueba de la herramienta después de cada prueba y establezca una nueva muestra en las herramientas. Repita el procedimiento para todas las muestras. El programa informático calcula los valores de resultado medios.
    3. Realice una prueba de resistencia al impacto con un probador de impacto, según la norma EN ISO 179-119. Establezca el tamaño de 10 mm x 4 mm de (ancho, espesor) de la muestra entre el soporte, restablezca la fuerza y suelte el martillo de impacto de 5 kpcm.
      NOTA: La muestra de la prueba de resistencia al impacto se rompe debido al impacto del martillo y la cantidad de energía absorbida es visible en el indicador del probador.
      1. Registre el resultado y repita el para las 20 muestras, después de lo cual se calcula el valor medio de la fuerza de impacto. Los resultados registrados fueron en unidad "kpcm", que se cambió a joule (J), y los resultados se presentaron como un kilojulio por metro cuadrado.
        NOTA: El intervalo entre el soporte de la muestra (distancia entre las líneas del contacto de la muestra) en la prueba de resistencia al impacto fue de 62 mm o, alternativamente, 20 veces su espesor.
  7. Analice los resultados de las pruebas mecánicas, que se presentan en la Figura 1, la Figura 2 y la Figura 3.

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Resultados

Para investigar el efecto del polímero plástico CDW en las propiedades mecánicas de WPC, se estudiaron tres tipos de polímeros diferentes como matriz. El Cuadro 1 presenta la composición de los materiales y el Cuadro 2 informa de los procesos de fabricación. El material de CDW-PP requiere una temperatura de tratamiento más alta para las herramientas, pero, en consecuencia, la presión de fusión fue menor en comparación con los otros materiales (CDW-ABS y CDW-PE).

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Discusión

Las propiedades mecánicas de WPC juegan un papel importante en la decisión de la idoneidad de estos productos en diversas aplicaciones. WPC consta de tres ingredientes principales: plástico, madera y aditivos. Las propiedades mecánicas de los compuestos a base de fibra dependen de la longitud de la fibra utilizada, donde "longitud de fibra crítica" es el término utilizado para indicar suficiente refuerzo25. Además de las propiedades de los ingredientes, la calidad de las materias primas es el fact...

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Divulgaciones

El proyecto Circwaste recibe apoyo financiero de la UE para la producción de su material. Las opiniones reflejadas en el contenido son enteramente propias del proyecto y la comisión de la UE no es responsable de ningún uso de los mismos.

Agradecimientos

Los autores reconocen el apoyo de la plataforma de investigación LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) coordinada por LUT University y la life IP on waste—Towards a circular economy in Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) project (LIFE 15 IPE FI 004). La financiación del proyecto se recibió del programa, las empresas y las ciudades integradas en la vida de la UE.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AglomeraciónPlasmecTRL100/FV/Waparato de turbomezclador
AglomeraciónPlasmecRFV 200aparato de enfriador
enrutador CNCRecontechF2 - 1325 CMáquina CNC
Cámara de condiciónMemmertHPP260cámara de clima constante
Agente de acoplamientoDuPontFusabond E226aditivo para agente de acoplamiento comercial
Trituradora 1 (trituradora/trituradora )UnthaUntha LR 630Tamiz de 10-20 mm
Trituradora 2 (trituradora de baja velocidad)ShiniShini Shini SG-1635N-CETamiz de 5 mm, granulador
ExtrusoraWeberWeber CE 7.2cónico contrarrotante
doble husillo LubricanteStruktolTPW 113aditivo lubricante profesional
Espectroscopía NIRThermo Fisher ScientificThermo Scientific microPHAZIR PC
Material reciclado ABS de CDW
Material reciclado PE de CDW
Material reciclado PP de CDW
Sierra de mesa deslizanteAltendorfF-90sierra circular/sierra de mesa deslizante
Aparatos de ensayoProbador de impactoZwick5102
Máquina de pruebaZwick RoellZ020máquina de prueba de materiales de línea completa
Material de harina de madera (abeto)
Material de ejemplo WPCTablero de terrazaUPM Profi

Referencias

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