木高分子複合物に及ぼす構造・解体廃プラスチック分率の影響

サマリー

二次材料の流れは生産のための潜在的な原料を含むように示されている。ここで提示されるCDW-プラスチック廃棄物を原料として識別し、その後に様々な処理ステップ(凝集、押出)を行うプロトコルが提示される。その結果、複合材料が作製され、機械的特性が解析された。

要約

プラスチックなどの貴重な材料を含む建設・解体廃棄物(CDW)は、廃棄物部門に顕著な影響を与えます。プラスチック材料を再利用するためには、ポリマー組成に従って特定し、分離する必要があります。本研究では、近赤外分光法(NIR)を用いて、その物質を物理的化学的特性に基づいて同定した。NIR法の利点は、特殊なサンプル調製なしで1600-2400 nmのスペクトル範囲での低い環境負荷および迅速な測定(数秒以内)である。制限には、暗い材料を分析できないことが含まれます。同定されたポリマーは、ポリマーマトリックス、低コスト充填剤、および添加剤から構成される木ポリマー複合材料(WPC)の成分として利用された。この成分を、最初に凝集装置で配合し、次いで押出による生産を行った。凝集プロセスでは、すべての材料を複合化し、ペレットとして均一に分布および顆粒化された材料を製造することを目的としました。凝集プロセス中に、ポリマー(マトリックス)を溶融し、充填剤および他の添加剤を溶融ポリマーに混合し、押出プロセスの準備を整えた。押出方法では、熱とせん断力が円錐逆回転双ねじ型押出機のバレル内の材料に適用され、材料を燃焼させるリスクと低いせん断混合のリスクを低減しました。加熱され、せわされた混合物は、製品に所望の形状を与えるためにダイを介して搬送された。上記のプロトコルはCDW材料の再利用の可能性を証明した。機能特性は、材料の曲げ、引張、衝撃強度テストなどの標準化されたテストに従って検証する必要があります。

概要

世界の廃棄物発生は歴史を通じて大幅に増加しており、行動を起こしていない限り、将来的には数十%増加すると予測^{されています。}特に、高所得国は世界の廃棄物の3分の1以上を生み出しているが、世界人口¹の16%に過ぎない。建設部門は、急速な都市化と人口増加のために、この廃棄物の重要な生産国です。推定によると、世界の固形廃棄物の約3分の1は建設および解体プロジェクトによって形成されています。ただし、異なるエリアからの正確な値は²がありません。欧州連合(EU)では、建設・解体廃棄物(CDW)の量は、廃棄物発生^量3の約25~30%であり、プラスチックのような貴重で重要な二次原料が含まれています。収集と管理を組織化しないと、プラスチックが生態系を汚染し、悪影響を及ぼす可能性があります。2016年には、世界で2億4,200万トンのプラスチック廃棄物が発生しました^。ヨーロッパでリサイクルされたプラスチックの割合はわずか31.1%4でした⁴。

資源不足は、廃棄物を二次資源の源泉として使用し、再利用のための廃棄物を回収することを目的とする循環経済に向けて慣行を変える必要性を生み出した。経済成長と環境への影響の最小化は、ヨーロッパで一般的な概念である循環経済によって生み出されます。欧州委員会は、循環経済のための欧州連合行動計画を採択しました, 貢献のための目標と指標を設定しました⁵.

環境規制や法規制の強化が建設部門に貢献し、廃棄物管理や材料リサイクルの問題に力を入れています。例えば、欧州連合(EU)は、材料回収の目標を設定しています。2020年以降、非危険CDWの物質回収率は^70%6である必要があります。CDWの組成は地理的な場所によって大きく異なる可能性がありますが、例えば、木材ポリマー複合材料の可能性と貴重な原料であるプラスチックを含むいくつかの一般的な特性を特定することができます。プラスチックの再利用は、バージンプラスチックポリマーがリサイクルポリマーによって置換される循環経済への具体的な一歩です。

複合材料は、マトリックス材料と補強フェーズからなる多相システムです。木ポリマー複合材料(WPC)は、典型的には、マトリックスとしてポリマー、補強材としての木材材料、およびカップリング剤および潤滑剤などの接着性を向上させる添加剤を含む。WPCは、原料がポリ乳酸(PLA)や木材などの再生可能な材料から供給することができるので、環境に優しい材料として知ることができます。最新の技術革新⁷によると、WPCの添加物は再生可能な供給源に基づくことができます。さらに、原料の供給源は、生態学的かつ技術的に優れた代替⁸であるリサイクル(非処女)材料、することができます。例えば、CDWを含む押し出しWPCを研究し、CDWベースの複合材料の特性が許容レベル⁹であることを発見しました。WPCの部品としてリサイクルされた原料の利用は、いくつかの評価によって証明されるように、環境面からも許容される。全体として、WPC生産でCDWを利用することで、CDW管理¹⁰の環境影響を低減できることが実証されている。また、WPCにリサイクルポリプロピレン(PP)プラスチックを使用すると、地球温暖化を低減する可能性がある^{ことがわかりました11.}

今後、リサイクルポリマーの使用量が増加します。世界のプラスチック生産量は、平均で年平均で約9%増加しており、今後もこの増加は^12%に続くと予想されています。最も一般的なプラスチックポリマータイプは、とりわけ、ポリプロピレン(PP)およびポリエチレン(PE)である。2017年の欧州におけるPEおよびPPの総需要の割合はそれぞれ29.8%と19.3%^であった。世界のプラスチックリサイクル市場は、2018年から2026年の¹³年間で年間成長率5.6%の成長が見込んでいます。プラスチックが使用されている主なアプリケーションの一つは、建物と建設です。例えば、ヨーロッパのプラスチックの総需要のほぼ20%は、建築および建設アプリケーション⁴に関連していました。経済的な観点から、WPC製造におけるリサイクルポリマーの使用は興味深い代替手段であり、低コストで材料を生産することにつながります。これまでの研究では、物理的な効果は、対応するバージン材料と比較して二次プラスチックから作られた押し出し材料に強い影響を与えることを示しているが、特性はプラスチック源¹⁴に依存する。しかし、リサイクルプラスチックの使用は、低い互換性¹⁵のためにWPCの強度を低下させます。プラスチックポリマーの構造間のばらつきは、再利用とリサイクルの懸念を引き起こし、ポリマーに基づくプラスチック選別の重要性に寄与する。

本研究では、CdWのプラスチック材料をWPCの原料として利用する評価を行う。研究で評価されたポリマー画分は、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)です。これらは、CDW内の普遍的なプラスチック分画として知られています。ポリマー画分は、凝集や押出などの一般的な製造プロセスで処理され、普遍的な機械的特性試験でテストされます。この研究の主な目的は、リサイクルポリマーが一次バージンポリマーの代わりにマトリックスの原料として使用された場合、WPCの特性がどのように変化するかを発見することです。

(地元の)廃棄物管理センター(エテラ・カルジャラン・ヤテフオルト・オイ)に基づいて、プラスチックが豊富なCDWがどのように貯蔵されているかを示した。大量のプラスチック材料が含まれていることを実証し、CDWプラスチックポリマーのいくつかの例を示した。研究者は、ABS、PP、PEなどのさらなる処理に最も適したポリマーを収集しました。所望のポリマー(PE、PP、ABS)を、携帯用近赤外(NIR)分光法を用いて同定した。WPC製品の例として、集めたプラスチック材料を原料として利用できる事例を紹介しました。コンポジットの定義とその利点を説明した。

プロトコル

1. 識別と前処理

1. 1600~2400 nmのスペクトル範囲にあるポータブル近赤外(NIR)分光法ツールを使用して、プラスチック中のポリマーを特定します。分光法ツールでポリマーを接触させ、測定された反射率によってポリマーを決定する。
   1. 分光法の同定曲線に従って、研究室の画面から同定結果を分析する。
2. 同定結果に基づいて、ポリマー間の材料をソートし、それぞれの重量を測定する。
   注: 測定された識別結果に従って、材料がソートされ、重み付けされました。さらに処理するために選択されたポリマーは、それぞれ27.1、14.2、および44.7kgの量を有するABS、PE、およびPPであった。
3. クラッシャー装置を用いて、実験室条件で選択したプラスチック材料のサイズ縮小を行います。収集され、ハンマー衝撃の機械的な力で材料を粉砕する装置に特定された材料を配置します。
   1. 10~20mmのふるいサイズを装備したクラッシャー/シュレッダー装置を備えたシングルシャフトシュレッダーシステムを使用して、プラスチック材料を粉砕します。
   2. プラスチック片を低速クラッシャーに付け、5mmのふるいを装備します。材料が均質であることを確認します。
4. 複合材料の材料量を測定します。レシピを例として示し、これらの材料をプラスチック、木材、カップリング剤、および潤滑剤(それぞれ64、30、3、および3重量%)の相対量で提示する。
   注:本研究では3種類の複合材料が研究された。CDWのリサイクルプラスチックポリマーはABS、PP、PEであった。複合材料の充填剤は、木粉であり、粉砕装置を用いて減らされた乾燥トウヒ種(ピセア・アビー)サイズから調製し、均質なサイズ(20mmメッシュ)にふるいにかける。カップリング剤および潤滑剤の市販添加剤が使用された。準備された材料の構成と名前を 表 1に示します。

材料	ポリマー /金額	木	Ca	ルブル
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

表1:研究した材料の組成。 サンプルの名前は、含まれるマトリックス成分、リサイクルされたアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリプロピレン(PP)、および建設および解体廃棄物(CDW)からのポリエチレン(PE)から構成されています。木材、カップリング剤(CA)および潤滑剤(Lubr.)の量は、すべてのサンプルで同じであった。

2. サイズ縮小処理後の押出技術によるWPC材料の加工

1. 識別された材料と前処理された材料を、次の(凝集)処理ステップに近づけます。
   注意: ABSのプラスチック材料はスチレン成分を含んでいる。国際がん研究機関は、スチレンは「ヒトに発がん性がある」と考えています。したがって、この作品では、その実習ステップは撮影には含まれていませんでしたが、そのプロセスは、この作品で概説されています。さらに、撮影中に押出生産に使用されたのはPPまたはPEポリマーのみであった。
2. 材料の凝集を行います。
   1. ターボミキサーと冷却器で構成される装置でプロセスのすべてのコンポーネント(ポリマー、木材、カップリング剤、および潤滑剤)を混合します。材料の温度が200°Cに達するまで、ターボミキサーで材料を凝集します。 温度と摩擦の組み合わせ効果により、凝集処理プロセスの後に顆粒材料が形成されました。
   2. ターボミキサー処理後、冷却装置で4~7分間材料を冷却します。
3. プロセスから材料を避難させ、凝集した材料を収集します。
4. 次のプロセスステップ(押し出し)に凝集処理材料を転送します。
   1. 押し出し機のコントロールパネルをクリックし、正しいパラメータを確認します。バレルと工具の平均温度はそれぞれ167~181°C、183°C、207°Cの間で変化しました。溶融温度は164~177°Cで、ダイ圧力は3.7~5.9MPaであった。リサイクルされた材料は異種であり、プロセスは専門的な制御を必要とするため、パラメータを調整します。
   2. 15 kg/h の材料出力を持つ円錐対回転双ねじ押出機を使用してコンポーネントを複合化します。材料のパラメータは 表 2に示されています。押し出し処理の後、複合材料のプロファイル材料が生成された。

材料	バレル T °C	ツール T °C	メルト T °C	溶融 圧力(バー)	供給 レート (kg/h)	平均スクリュー 速度 (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:複合材料の処理パラメータ ('±'マークの後の値は標準偏差を示します。平均= 平均)

3. 生産材料のサンプリングと特性分析

1. 実験室で機械的な特性テストのためのサンプルを準備します。
   1. 機械で押し出されたプロファイルからサンプルを切り取ります(つまり、スライドテーブルソー)。試験には、曲げ、引張、衝撃強度の3つの異なるサイズの標本が必要です。
   2. EN 15534¹⁶の推奨に基づいて、該当する標準に従ってテスト サンプルのサイズを決定します。標準に従って、試験は最低5つの標本ですが、平均値のより大きな精度が必要な場合は、測定数が5つ以上になることがあります。
2. 標準EN 310¹⁷に従って、曲げ特性試験のための押出材料からの試験サンプルを見た。
   1. サンプルに対しては、800 mm x 50 mm x 20 mm (長さ、幅、厚さ) のスライディング テーブルソーを使用します。
   2. 曲げ特性(強度と弾性率)の分析用に20サンプルを製造します。
3. 標準 EN ISO 527 2¹⁸に従って、引張特性試験のための押し出された材料からのテストサンプルを見た。スライドテーブルソーを使用して、材料を次の寸法にカットします:150 mm x 20 mm x 4 mm(長さ、幅、厚さ)。
   1. コンピュータ数値制御(CNC)を介してダムベル形状の加工のための材料プリフォームを設定します。狭い部分でのサンプルの幅は10mmで、サンプルの断面表面積は4mm×10mmで、引張応力に対処した。狭い部分の長さは60mmで、半径60mmの丸い角で終わる。
   2. 引張特性(強度と弾性率)の分析のために20サンプルを作ります。
4. 標準 EN ISO 179-1¹⁹に従って、衝撃強度試験のための押出材料からのテストサンプルを見た。
   1. スライドテーブルソーを使用してサンプルを次の寸法にカットします:80 mm x 10 mm x 4 mm(長さ、幅、厚さ)。衝撃強度特性の解析のために 20 個のサンプルを作成します。
5. 一定の質量に達するまで、試験材料を23°Cおよび50%相対湿度条件室に移動します( EN ISO 291^20)。材料特性のテスト前に、サンプルが条件を設定されていることを確認します。
6. テスト(曲げ、引張、衝撃)を実行します。EN 310¹⁷ および EN ISO 527-2¹⁸ 規格に準拠した試験機による曲げおよび引張強度試験により、標本の機械的特徴を決定します。
   1. 試験装置を使用して、20サンプルのそれぞれについて曲げ強度と弾性率試験を行います。2 点のサポートで曲げテストサンプルを設定し、テスト装置を制御するコンピュータ プログラムの [テスト開始 ] をクリックして、15 N のプリロードと 10 mm/min のテスト速度で、サンプルの中心に負荷を適用します。結果を記録すると、テストは自動的に停止します。サポート ツールからテスト サンプルを削除し、ツールに新しいサンプルを設定します。
      1. 20サンプルまで繰り返し手順を試験し、プログラムからの結果を登録した。コンピュータプログラムは、テストの平均結果を計算します。
         メモ:テストツールがテスト装置のために変更される間、プロトコルはここで一時停止することができます。
   2. 20個の機械加工(ダムベル形)サンプルの引張強度と弾性率試験を行います。試験ツール間の引張試験サンプルをセットし、空気圧クランプを取り付け、テスト中にサンプルを工具に保持します。10 Nのプリロードと2mm/分のテスト速度で、コンピュータのコントロールパネルからテストを開始し、テスト開始直後に延長メーターツールを取り付けます。
      注: 拡張メーター ツールは、サンプルからの引張弾性率を測定します。各テストは、結果が記録された後に自動的に停止しました。
      1. 各テストの後に、ツールからテスト サンプルを削除し、ツールに新しいサンプルを設定します。すべてのサンプルに対して手順を繰り返します。コンピュータプログラムは平均結果値を計算します。
   3. 標準EN ISO 179-1¹⁹に従って、衝撃試験機で衝撃強度試験を実施します。支持体間の10mm x 4mmサイズ(幅、厚さ)サンプルをセットし、力をリセットして5kpcmの衝撃ハンマーを放します。
      注:衝撃強度テストサンプルは、ハンマーの衝撃と吸収されたエネルギーの量による破裂をテスターインジケータに表示されます。
      1. 結果を記録し、20個のサンプルについてを繰り返し、その後衝撃強度の平均値を計算します。記録された結果は「kpcm」単位でジュール(J)に変更され、その結果は1平方メートル当たりのキロジュールとして提示された。
         注: 衝撃強度試験におけるサンプル支持間(サンプルの接点の線の間の距離)は62 mm、あるいは、厚さの20倍でした。
7. 図 1、図 2、図3に示す機械的テストの結果を分析します。

結果

CDWプラスチックポリマーがWPCの機械的特性に及ぼす影響を調べるため、マトリックスとして3種類の異なるポリマータイプが検討された。 表1 は材料の組成を示し、 表2 は製造プロセスを報告する。CDW-PPの材料は、ツールのためのより高い処理温度を必要とするが、それに応じて、溶融圧力は、他の材料(CDW-ABSおよびCDW-PE)と比較して低かった。

図 1 は、材料の曲げ強度 (20 測定値からの平均) を、誤差バーとしての標準偏差を含む棒グラフとして示しています。最も高い曲げ強度値は、マトリックス内に再生ABSポリマーを含む材料で達成された。リサイクルされたPEポリマーをマトリックスに使用した材料でほぼ一致した高強度品質が達成された。最も低い曲げ強度は、マトリックス内にリサイクルされたPPポリマーを含む材料で達成された。 図1 は、強度特性と同時に測定された材料の曲げ弾性率についても同様の結果...

ディスカッション

WPCの機械的特性は、様々な用途でこれらの製品の適合性を決定する上で重要な役割を果たしています。WPCは、プラスチック、木材、および添加物の3つの主成分で構成されています。繊維系複合材料の機械的特性は、使用される繊維の長さに依存し、「臨界繊維長」は十分な補強²⁵を示すために用いられる用語である。原材料の特性に加えて、原材料の品質は、WPCの性能のための重要な要因です。本研究では、特に、リサイクル原料を使用した場所において、原材料に多くの注意が払われました。この研究では、建設現場によって異なる可能性のあるCDWから供給される材料を使用し、この変動性は異なる研究の比較において重要な要因である。したがって、均一な製品品質を保証する標準化された試験に従って材料を研究する必要があります。

曲げ試験では、WPC材料は耐荷重側で圧縮応力を経験し、反対端の引張応力を経験します。試験方法は、木製パネル(EN 310)の規格に基づいており、実際に使用する際の押し出しプロファイルの曲げ特性を示す。曲げテストは材料の圧縮(上面)と引張(下側)応力を引き起こす...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
凝集	プラズメック	TRL100/FV/W	ターボミキサーの装置
凝集	プラズメック	RFV 200	クーラー
の装置 CNCルーター	レコンテック	F2 - 1325 C	CNCマシン
コンディションチャンバー	メマート	HPP260	恒温チャンバー
カップリング剤	デュポン	フサボンド E226	商業カップリング剤添加剤
ッシャー1(クラッシャー/シュレッダー)	Untha	Untha LR 630	10-20 mmふるい
クラッシャー2(低速クラッシャー)	Shini	Shini SG-1635N-CE	5 mmふるい、造粒機
押出機ウェ	ーバー	ウェーバーCE 7.2	円錐形逆回転ツインスクリュー
潤滑剤	Struktol	TPW 113	商用潤滑剤
近赤外分光	サーモフィッシャーサイエンティフィック	サーモサイエンティフィック microPHAZIR PC
リサイクル材料 ABS from CDW
リサイクル材料 PE from CDW
材料 PP from CDW
スライディングテーブルソー	アルテンドルフ	F-90	丸鋸/スライディングテーブルソー
試験装置	ツウィック	5102	衝撃試験機
試験機	ツウィックローエル	Z020	オールラウンドライン材料試験機
木粉(トウヒ)材料
WPC例材料	UPMプロファイ		デッキボード

クラ添加剤 リサイクル