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

Samenvatting

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.

Samenvatting

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.

Inleiding

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% op^jaarbasisgroeien . 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.

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 310^17- en EN ISO 527-2^18-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.

Resultaten

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).

Discussie

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 gron...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Agglomeratie	Plasmec	TRL100/FV/W	apparaat van turbomixer
Agglomeratie	Plasmec	RFV 200	apparaat van koeler
CNC router	Recontech	F2 - 1325 C	CNC-machine
Conditiekamer	Memmert	HPP260	constante klimaatkamer
Koppelmiddel	DuPont	Fusabond E226	commercieel koppelmiddeladditief
Knipper (knipper/versnipperaar)	Untha	Untha LR 630	10-20 mm zeef
Knipper 2 (laagsnelheidsknipper)	Shini	Shini SG-1635N-CE	5 mm zeef, granulator
Extruder	Weber	Weber CE 7.2	conische tegenroterende dubbelschroef
Smeermiddel	Struktol	TPW 113	commercieel smeermiddeladditief
NIR-spectroscopie	Thermo Fisher Scientific	Thermo Scientific microPHAZIR PC
Gerecycled materiaal ABS uit CDW
Gerecycled materiaal PE uit CDW
Gerecycled materiaal PP uit CDW
Schuiftafelzaag	Altendorf	F-90	cirkelzaag/schuiventafelsaagbewerking
Testapparaat	Zwick	5102	impacttester
Testmachine	Zwick Roell	Z020	allround-lijnmateriaaltestmachine
Houtmeel (spar) materiaal
WPC-voorbeeldmateriaal	UPM Profi		Terrasplank