Globalne wytwarzanie odpadów znacznie wzrosło na przestrzeni dziejów i przewiduje się, że w przyszłości wzrośnie o kilkadziesiąt procent, chyba że zostaną podjęte działania1. W szczególności kraje o wysokich dochodach wygenerowały ponad jedną trzecią odpadów na świecie, chociaż stanowią tylko 16% światowej populacji1. Sektor budowlany jest znaczącym producentem tych odpadów ze względu na szybką urbanizację i wzrost liczby ludności. Szacuje się, że około jedna trzecia światowych odpadów stałych powstaje w wyniku projektów budowlanych i rozbiórkowych; Brakuje jednak dokładnych wartości z różnych obszarów2. W Unii Europejskiej (UE) ilość odpadów budowlanych i rozbiórkowych (CDW) wynosi około 25%–30% całkowitego wytwarzania odpadów3 i obejmuje cenne i znaczące surowce wtórne, takie jak tworzywa sztuczne. Bez zorganizowanej zbiórki i zagospodarowania tworzywa sztuczne mogą zanieczyszczać i niekorzystnie wpływać na ekosystemy. W 2016 roku na świecie wyprodukowano 242 miliony ton odpadów z tworzyw sztucznych1. Udział tworzyw sztucznych poddanych recyklingowi w Europie wyniósł tylko 31,1%4.
Niedobór zasobów stworzył potrzebę zmiany praktyk w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym, w której celem jest wykorzystanie odpadów jako źródła zasobów wtórnych i odzyskiwanie odpadów do ponownego wykorzystania. Wzrost gospodarczy i zminimalizowany wpływ na środowisko zostaną stworzone przez gospodarkę o obiegu zamkniętym, która jest popularną koncepcją w Europie. Komisja Europejska przyjęła Plan Działania Unii Europejskiej na rzecz gospodarki o obiegu zamkniętym, w którym określono cele i wskaźniki wkładu5.
Bardziej rygorystyczne przepisy i prawa dotyczące ochrony środowiska przyczyniają się do tego, że sektor budowlany wkłada więcej wysiłku w kwestie związane z gospodarką odpadami i recyklingiem materiałów. Na przykład Unia Europejska (UE) wyznaczyła cele w zakresie odzysku materiałów. Począwszy od roku 2020, wskaźnik odzysku materiału z bezpiecznych płyt budowlanych i remontowych powinien wynosić 70%6. Skład konstrukcji budowlanych i remontowych może się znacznie różnić w zależności od lokalizacji geograficznej, ale można zidentyfikować pewne wspólne cechy, w tym na przykład tworzywo sztuczne, które jest potencjalnym i cennym surowcem do produkcji kompozytów drewniano-polimerowych. Ponowne wykorzystanie tworzyw sztucznych jest konkretnym krokiem w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym, w której pierwotne polimery z tworzyw sztucznych są zastępowane polimerami pochodzącymi z recyklingu.
Materiały kompozytowe to system wielofazowy, składający się z materiału matrycy i fazy wzmacniającej. Kompozyt drewniano-polimerowy (WPC) zazwyczaj zawiera polimery jako matrycę, materiały drewniane jako zbrojenie oraz dodatki poprawiające przyczepność, takie jak środki sprzęgające i smary. WPC może być znany jako materiał przyjazny dla środowiska, ponieważ surowiec może pochodzić z materiałów odnawialnych, takich jak kwas polimlekowy (PLA) i drewno. Zgodnie z najnowszą innowacją7, dodatki WPC mogą być oparte na źródłach odnawialnych. Dodatkowo, źródłem surowca mogą być materiały pochodzące z recyklingu (nie pierwotne), które są ekologicznie i technicznie lepszą alternatywą8. Na przykład, naukowcy badali wytłaczany WPC, który zawiera CDW i odkryli, że właściwości kompozytów na bazie CDW były na akceptowalnym poziomie9. Wykorzystanie surowców pochodzących z recyklingu jako składnika WPC jest również dopuszczalne z punktu widzenia ochrony środowiska, co zostało udowodnione w kilku ocenach. Ogólnie rzecz biorąc, wykazano, że wykorzystanie CDW w produkcji WPC może zmniejszyć wpływ zarządzania CDW na środowisko10. Ponadto stwierdzono, że użycie tworzywa polipropylenowego (PP) pochodzącego z recyklingu w WPC może potencjalnie zmniejszyć globalne ocieplenie11.
Ilość dostępnych polimerów pochodzących z recyklingu wzrośnie w przyszłości. Światowa produkcja tworzyw sztucznych wzrosła średnio o około 9% rocznie i oczekuje się, że wzrost ten utrzyma się w przyszłości12. Najbardziej ogólnymi rodzajami polimerów tworzyw sztucznych są m.in. polipropylen (PP) i polietylen (PE). Udział w całkowitym popycie na PE i PP wynosił odpowiednio 29,8% i 19,3% w Europie w 2017 r4. Oczekuje się, że globalny rynek recyklingu tworzyw sztucznych będzie rósł w tempie 5,6% rocznie w latach 2018–202613. Jednym z głównych zastosowań, w których wykorzystywane są tworzywa sztuczne, jest budownictwo. Na przykład prawie 20% całkowitego popytu na tworzywa sztuczne w Europie było związane z zastosowaniami budowlanymi4. Z ekonomicznego punktu widzenia zastosowanie polimerów pochodzących z recyklingu w produkcji WPC jest ciekawą alternatywą, prowadzącą do produkcji materiałów o niskich kosztach. Wcześniejsze badania wykazały, że efekty fizyczne mają silniejszy wpływ na materiały wytłaczane wykonane z wtórnego tworzywa sztucznego w porównaniu z odpowiadającym im materiałem pierwotnym, ale właściwości zależą od źródła tworzywa sztucznego14. Jednak użycie plastiku pochodzącego z recyklingu zmniejsza wytrzymałość WPC ze względu na niższą kompatybilność15. Różnice między strukturami polimerów z tworzyw sztucznych powodują obawy związane z ponownym użyciem i recyklingiem, co przyczynia się do znaczenia sortowania tworzyw sztucznych na podstawie polimeru.
To badanie ma na celu ocenę wykorzystania tworzywa sztucznego z CDW jako surowca dla WPC. Frakcje polimerowe oceniane w badaniu to akrylonitryl-butadien-styren (ABS), polipropylen (PP) i polietylen (PE). Są one znane jako uniwersalne frakcje tworzyw sztucznych w CDW. Frakcje polimerowe są poddawane ogólnym procesom produkcyjnym, takim jak aglomeracja i wytłaczanie, i są testowane za pomocą uniwersalnych testów właściwości mechanicznych. Głównym celem badania jest odkrycie, jak zmieniłyby się właściwości WPC, gdyby polimery pochodzące z recyklingu zostały użyte jako surowiec w matrycy zamiast pierwotnych polimerów pierwotnych.
Na podstawie (lokalnego) centrum gospodarki odpadami (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), pokazano, jak bogate w plastik jest CDW. Wykazano, że w zestawie znajduje się duża ilość tworzywa sztucznego i pokazano kilka przykładów polimerów z tworzywa sztucznego CDW. Naukowcy zebrali najbardziej odpowiednie polimery do dalszego przetwarzania, takie jak ABS, PP i PE. Pożądane polimery (PE, PP, ABS) zidentyfikowano za pomocą przenośnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIR). Przedstawiono przykłady produktów WPC, w których zebrane tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane jako surowiec. Wyjaśniono definicję kompozytu i jego zalety.