Os fluxos de materiais secundários têm sido mostrados para incluir matérias-primas potenciais para a produção. Apresentado aqui é um protocolo no qual se identifica resíduos plásticos cdw como matéria-prima, seguido por várias etapas de processamento (aglomeração, extrusão). Como resultado, foi produzido um material composto e analisadas propriedades mecânicas.
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Artigo de método
O efeito das frações plásticas de resíduos de construção e demolição em propriedades compostas de polímeros de madeira
Neste artigo
Resumo
Resumo
Os resíduos de construção e demolição (CDW), incluindo materiais valiosos como plásticos, têm uma influência notável no setor de resíduos. Para que os materiais plásticos sejam reutilizados, devem ser identificados e separados de acordo com a composição do polímero. Neste estudo, a identificação desses materiais foi realizada utilizando-se espectroscopia quase infravermelha (NIR), que identificou material com base em suas propriedades físico-químicas. As vantagens do método NIR são um baixo impacto ambiental e uma medição rápida (dentro de alguns segundos) na faixa espectral de 1600-2400 nm sem preparação especial da amostra. As limitações incluem sua incapacidade de analisar materiais escuros. Os polímeros identificados foram utilizados como um componente para composto de polímero de madeira (WPC) que consiste em uma matriz de polímeros, enchimentos de baixo custo e aditivos. Os componentes foram primeiro compostos com um aparelho de aglomeração, seguido pela produção por extrusão. No processo de aglomeração, o objetivo foi compor todos os materiais para produzir materiais distribuídos uniformemente e granulados como pelotas. Durante o processo de aglomeração, o polímero (matriz) foi derretido e os enchimentos e outros aditivos foram então misturados no polímero derretido, estando pronto para o processo de extrusão. No método de extrusão, as forças de calor e corte foram aplicadas a um material dentro do barril de uma extrusora cônica contra-rotativa do tipo de parafuso duplo, o que reduz o risco de queima dos materiais e menor mistura de tesoura. A mistura aquecida e desarquivada foi então transmitida através de um dado para dar ao produto a forma desejada. O protocolo acima descrito comprovou o potencial de reutilização dos materiais CDW. As propriedades funcionais devem ser verificadas de acordo com os testes padronizados, como testes flexurais, tração e resistência ao impacto para o material.
Introdução
A geração global de resíduos cresceu significativamente ao longo da história e prevê-se que aumente em dezenas de percentuais no futuro, a menos que medidas sejam tomadas1. Em particular, os países de alta renda geraram mais de um terço do lixo mundial, embora respondam por apenas 16% da população global1. O setor da construção civil é um importante produtor desse resíduo devido à rápida urbanização e ao crescimento populacional. Segundo estimativas, aproximadamente um terço dos resíduos sólidos globais é formado por projetos de construção e demolição; no entanto, os valores exatos de diferentes áreas estão faltando2. Na União Europeia (UE), a quantidade de resíduos de construção e demolição (CDW) é de aproximadamente 25%-30% da geração total de resíduos3, e inclui matérias-primas secundárias valiosas e significativas, como o plástico. Sem coleta e gestão organizadas, o plástico pode contaminar e influenciar negativamente os ecossistemas. Em 2016, foram geradas 242 milhões de toneladas de resíduos plásticos no mundo1. A participação do plástico reciclado na Europa foi de apenas 31,1%4.
A escassez de recursos criou a necessidade de mudar as práticas em direção a uma economia circular, na qual os objetivos são utilizar o desperdício como fonte de recursos secundários e recuperar resíduos para reutilização. O crescimento econômico e os impactos ambientais minimizados serão criados pela economia circular, que é um conceito popular na Europa. A Comissão Europeia aprovou um Plano de Ação da União Europeia para uma economia circular, que estabeleceu metas e indicadores de contribuições5.
Regulamentações e leis ambientais mais rígidas estão contribuindo para que o setor da construção se esforce mais em questões de gestão de resíduos e reciclagem de materiais. Por exemplo, a União Europeia (UE) estabeleceu metas para a recuperação de materiais. A partir do ano de 2020, a taxa de recuperação de materiais de CDW não perigosa deve ser de 70%6. A composição do CDW pode variar amplamente entre os locais geográficos, mas algumas características comuns podem ser identificadas, incluindo, por exemplo, plástico que é uma matéria-prima potencial e valiosa para compósitos de madeira-polímero. A reutilização do plástico é um passo concreto em direção a uma economia circular na qual polímeros plásticos virgens são substituídos por polímeros reciclados.
Materiais compostos são um sistema multi-fase, consistindo em um material matricial e fase de reforço. O composto de polímero de madeira (WPC) normalmente contém polímeros como matriz, materiais de madeira como reforço e aditivos para melhorar a adesão, como agentes de acoplamento e lubrificantes. O WPC pode ser conhecido como um material ambientalmente amigável porque a matéria-prima pode ser proveniente de materiais renováveis, como ácido polilático (PLA) e madeira. De acordo com a última inovação7,os aditivos do WPC podem ser baseados em fontes renováveis. Além disso, a fonte da matéria-prima pode ser reciclada (não virgem), que é uma alternativa ecologicamente e tecnicamente superior8. Por exemplo, pesquisadores estudaram o WPC extrudado que contém CDW, e descobriram que as propriedades dos compósitos baseados em CDW estavam em um nível aceitável9. A utilização de matérias-primas recicladas como componente para o WPC também é aceitável a partir do aspecto ambiental, como comprovado por diversas avaliações. No geral, foi demonstrado que a utilização da CDW na produção de WPC pode diminuir as influências ambientais da gestão de CDW10. Além disso, verificou-se que o uso de plástico de polipropileno reciclado (PP) no WPC tem o potencial de reduzir o aquecimento global11.
A quantidade de polímeros reciclados disponíveis aumentará no futuro. A produção global de plástico aumentou aproximadamente 9% ao ano, em média, e espera-se que esse incremento continue no futuro12. Os tipos mais gerais de polímeros plásticos são, entre outros, polipropileno (PP) e polietileno (PE). As ações da demanda total por PE e PP foram de 29,8% e 19,3%, respectivamente, na Europa em 20174. Espera-se que o mercado global de reciclagem de plástico cresça a uma taxa de crescimento anual de 5,6% no período 2018-202613. Uma das principais aplicações em que os plásticos são utilizados é a construção e construção. Por exemplo, quase 20% da demanda total por plástico europeu estava associada a aplicações de construção e construção4. Do ponto de vista econômico, o uso de polímeros reciclados na fabricação de WPC é uma alternativa interessante, levando à produção de materiais de baixo custo. Pesquisas anteriores mostraram que os efeitos físicos têm uma influência mais forte sobre materiais extrudados feitos de plástico secundário em comparação com o material virgem correspondente, mas as propriedades dependem da fonte plástica14. No entanto, o uso de plástico reciclado diminui a força do WPC devido à menorcompatibilidade 15. A variação entre as estruturas dos polímeros plásticos causa preocupações com o reuso e a reciclagem, que contribuem para a importância da triagem plástica com base no polímero.
Este estudo pretende avaliar a utilização de material plástico da CDW como matéria-prima para o WPC. As frações de polímeros avaliadas no estudo são acrilonitrilo butadieno estileno (ABS), polipropileno (PP) e polietileno (PE). Estas são conhecidas como frações de plástico universais dentro do CDW. As frações de polímeros são tratadas com processos gerais de fabricação, como aglomeração e extrusão, e são testadas com testes universais de propriedade mecânica. O objetivo principal do estudo é descobrir como as propriedades do WPC alterariam se os polímeros reciclados fossem usados como matéria-prima na matriz em vez de polímeros virgens primários.
Com base no centro de gerenciamento de resíduos (local) (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), foi mostrado como a CDW rica em plástico é armazenada. Foi demonstrado que uma grande quantidade de material plástico está incluído e alguns exemplos de polímeros plásticos CDW foram mostrados. Os pesquisadores coletaram os polímeros mais adequados para posterior processamento, como ABS, PP e PE. Os polímeros desejados (PE, PP, ABS) foram identificados utilizando espectroscopia portátil perto do infravermelho (NIR). Foram apresentados exemplos de produtos WPC nos quais os materiais plásticos coletados poderiam ser utilizados como matéria-prima. A definição do composto e suas vantagens foram explicadas.
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Protocolo
1. Identificação e pré-tratamento
- Identifique polímeros em plástico com a ferramenta portátil de espectroscopia quase infravermelha (NIR) na faixa espectral de 1600-2400 nm. Entre em contato com o polímero com a ferramenta espectroscopia e determine o polímero pela reflectância medida.
- De acordo com a curva de identificação da espectroscopia, analise os resultados da identificação da tela em laboratório.
- Com base no resultado de identificação, classifique materiais entre os polímeros e meça seus respectivos pesos.
NOTA: O material foi classificado e ponderado de acordo com os resultados de identificação medidos. Os polímeros selecionados para posterior processamento foram ABS, PE e PP com os valores, 27,1, 14,2 e 44,7 kg, respectivamente. - Realizar redução de tamanho para os materiais plásticos selecionados em condições laboratoriais com um aparelho triturador. Coloque materiais coletados e identificados no aparelho que esmagou materiais com a força mecânica dos impactos do martelo.
- Esmague materiais plásticos usando um sistema de trituração de eixo único com um aparelho triturador/triturador equipado com um tamanho de peneira variando de 10 a 20 mm.
- Enseque os fragmentos de plástico até um triturador de baixa velocidade, equipado com uma peneira de 5 mm. Certifique-se de que o material é homogêneo.
- Meça os valores materiais para compósitos. Mostre uma receita como exemplo e apresente esses materiais nas quantidades relativas de plástico, madeira, agente de acoplamento e lubrificante (64, 30, 3 e 3 wt%, respectivamente).
NOTA: Três compósitos diferentes foram estudados neste estudo. Os polímeros plásticos reciclados do CDW foram ABS, PP e PE. O enchimento do material composto era a farinha de madeira, que foi preparada a partir de uma espécie de abeto seco (picea abies) tamanho reduzido usando equipamento de esmagamento e peneirado para um tamanho homogêneo (malha de 20 mm). Foram utilizados aditivos comerciais de agente de acoplamento e lubrificante. As composições e o nome dos materiais preparados estão mostrados na Tabela 1.
| Material | Polímero / quantidade | Madeira | Ca | Lubr |
| CDW-ABS | ABS / 30 | 64 | 3 | 3 |
| CDW-PP | PP / 30 | 64 | 3 | 3 |
| CDW-PE | PE / 30 | 64 | 3 | 3 |
Tabela 1: A composição dos materiais estudados. O nome da amostra é composto pelo componente matricial incluído, isenário de butadieno de acrilonitrila reciclado (ABS), polipropileno (PP) e polietileno (PE) a partir dos resíduos de construção e demolição (CDW). As quantidades de madeira, agente de acoplamento (CA) e lubrificante (Lubr.) foram as mesmas em todas as amostras.
2. Processamento de materiais WPC com tecnologia de extrusão após tratamento de redução de tamanho
- Transfira os materiais identificados e pré-tratados para mais perto da próxima etapa de processamento (aglomeração).
ATENÇÃO: O material plástico do ABS inclui um componente de estireno. A Agência Internacional de Pesquisa em Câncer considera que o estireno é "possivelmente cancerígeno para humanos". Portanto, a etapa de aglomeração em ação não foi incluída nas filmagens, mas seu processo está delineado neste trabalho. Além disso, apenas o polímero PP ou PE foi utilizado na produção de extrusão durante as filmagens. - Realizar aglomeração do material.
- Misture todos os componentes do processo (polímero, madeira, agente de acoplamento e lubrificante) em um aparelho composto por um turbomixer e um cooler. Agglomerar os materiais no turbomixer até que a temperatura dos materiais chegue a 200 °C. Devido ao efeito combinado de temperatura e atrito, os materiais dos grânulos foram formados após o processo de tratamento da aglomeração.
- Esfrie os materiais após o tratamento do turbomixer por 4-7 minutos em um aparelho refrigerador.
- Evacuar material do processo e coletar material aglomerado.
- Transfira os materiais tratados com aglomeração para a próxima etapa do processo (extrusão).
- Clique no painel de controle da máquina de extrusão e verifique os parâmetros corretos. As temperaturas médias do barril e da ferramenta variaram entre 167 e 181 °C e 183 e 207 °C, respectivamente. A temperatura de derretimento variou entre 164 e 177 °C, e as pressões de morte variaram entre 3,7 e 5,9 MPa. Ajuste os parâmetros porque os materiais reciclados são heterogêneos, e o processo requer controle profissional.
- Compone os componentes usando uma extrusora cônica contra-rotativa de dois parafusos com saída de material de 15 kg/h. Os parâmetros dos materiais são apresentados na Tabela 2. Após o processo de extrusão, o material de perfil do composto foi gerado.
| Material | Barril T °C | Ferramenta T °C | Derreter T °C | Derreter Pressão (barra) | Alimentação taxa (kg/h) | Avg.Parafuso velocidade (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 |
Tabela 2: Parâmetros de processamento dos materiais compostos. (Valores após a marca '±'indicam desvios padrão. Avg. = média)
3. Amostragem de materiais produzidos e análises de propriedades
- Prepare amostras para testes de propriedade mecânica em laboratório.
- Corte amostras de perfis extrudados com uma máquina (ou seja, uma serra de mesa deslizante). Três amostras de tamanho diferente são necessárias para testes: flexural, tração e resistência ao impacto.
- Determine o tamanho das amostras de teste de acordo com as normas aplicáveis, com base na recomendação de EN 1553416. De acordo com a norma, teste um mínimo de cinco amostras, mas o número de medições pode ser superior a cinco se for necessária maior precisão do valor médio.
- Amostras de teste de serra dos materiais extrudados para o teste de propriedade flexural, de acordo com o padrão EN 31017.
- Use uma serra de mesa deslizante com as seguintes dimensões para a amostra: 800 mm x 50 mm x 20 mm (comprimento, largura, espessura).
- Fabricação de 20 amostras para análise de propriedades flexural (força e módulo).
- Amostras de teste de serra dos materiais extrudados para o teste de propriedade de tração, de acordo com o padrão EN ISO 527 218. Use a serra de mesa deslizante para cortar o material nas seguintes dimensões: 150 mm x 20 mm x 4 mm (comprimento, largura, espessura).
- Defina as pré-formas de material para usinagem de uma forma de sino mudo através do controle numérico do computador (CNC). A largura da amostra em sua porção estreita foi de 10 mm, e a superfície transversal da amostra foi de 4 mm x 10 mm, onde o estresse da tração foi abordado. O comprimento da porção estreita foi de 60 mm, terminando em um canto arredondado com um raio de 60 mm.
- Faça 20 amostras para a análise de propriedades de tração (força e módulo).
- Amostras de teste de serra dos materiais extrudados para o teste de resistência ao impacto, de acordo com o padrão EN ISO 179-119.
- Use a serra de mesa deslizante para cortar as amostras nas seguintes dimensões: 80 mm x 10 mm x 4 mm (comprimento, largura, espessura). Faça 20 amostras para a análise da propriedade de força de impacto.
- Mova o material de teste para a câmara de condição de umidade relativa de 23 °C e 50%, de acordo com a norma EN ISO 29120, até que uma massa constante seja atingida. Certifique-se de que as amostras estão condicionadas antes do teste das propriedades do material.
- Realizar os testes (flexural, tração e impacto). Determine as características mecânicas das amostras por testes de resistência flexural e de tração com uma máquina de teste de acordo com as normas EN 31017 e EN ISO 527-218, respectivamente.
- Realize o teste de força flexural e módulo para cada uma das 20 amostras, utilizando o aparelho de teste. Defina a amostra de teste flexural com o suporte de dois pontos e aplique uma carga no centro da amostra clicando no início do teste no programa de computador que controla o aparelho de teste, com uma pré-carga de 15 N e velocidade de teste de 10 mm/min. O teste pára automaticamente após o registro do resultado. Remova a amostra de teste das ferramentas de suporte e defina uma nova amostra nas ferramentas.
- Procedimento de repetição até 20 amostras foram testadas e os resultados do programa foram registrados. O programa de computador calcula os resultados médios do teste.
NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui enquanto as ferramentas de teste serão alteradas para o aparelho de teste.
- Procedimento de repetição até 20 amostras foram testadas e os resultados do programa foram registrados. O programa de computador calcula os resultados médios do teste.
- Realize o teste de resistência à tração e módulo para 20 amostras usinadas (em forma de sino). Defina a amostra de teste de tração entre as ferramentas de teste e conecte grampos pneumáticos, que manterão a amostra nas ferramentas durante o teste. Inicie o teste a partir do painel de controle do computador, com uma pré-carga de 10 N e velocidade de teste de 2 mm/min, e conecte uma ferramenta de medidor de extensão imediatamente após o início do teste.
NOTA: A ferramenta do medidor de extensão mede o módulo de tração da amostra. Cada teste parou automaticamente após o resultado ser registrado.- Remova a amostra de teste da ferramenta após cada teste e defina uma nova amostra nas ferramentas. Repetir o procedimento para todas as amostras. O programa de computador calcula os valores médios dos resultados.
- Realize um teste de força de impacto com um testador de impacto, de acordo com a norma EN ISO 179-119. Ajuste a amostra de 10 mm x 4 mm (largura, espessura) entre o suporte, reinicie a força e solte o martelo de impacto de 5 kpcm.
NOTA: A amostra de teste de resistência ao impacto se rompe devido ao impacto do martelo e a quantidade de energia absorvida é visível no indicador do testador.- Registo o resultado e repita o para as 20 amostras, após as quais o valor médio da força de impacto é calculado. Os resultados registrados foram na unidade "kpcm", que foi transformada em joule (J), e os resultados foram apresentados como quilojoule por metro quadrado.
NOTA: O intervalo entre o suporte amostral (distância entre as linhas do contato da amostra) no teste de resistência ao impacto foi de 62 mm ou, alternativamente, 20x de espessura.
- Registo o resultado e repita o para as 20 amostras, após as quais o valor médio da força de impacto é calculado. Os resultados registrados foram na unidade "kpcm", que foi transformada em joule (J), e os resultados foram apresentados como quilojoule por metro quadrado.
- Realize o teste de força flexural e módulo para cada uma das 20 amostras, utilizando o aparelho de teste. Defina a amostra de teste flexural com o suporte de dois pontos e aplique uma carga no centro da amostra clicando no início do teste no programa de computador que controla o aparelho de teste, com uma pré-carga de 15 N e velocidade de teste de 10 mm/min. O teste pára automaticamente após o registro do resultado. Remova a amostra de teste das ferramentas de suporte e defina uma nova amostra nas ferramentas.
- Analisar os resultados dos testes mecânicos, que são apresentados na Figura 1, Figura 2 e Figura 3.
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Resultados
Para investigar o efeito do polímero plástico CDW nas propriedades mecânicas do WPC, foram estudados três tipos diferentes de polímeros como matriz. A Tabela 1 apresenta a composição dos materiais e a Tabela 2 relata os processos de fabricação. O material do CDW-PP requer uma temperatura de tratamento mais elevada para as ferramentas, mas, correspondentemente, a pressão de derretimento foi menor em comparação com os outros materiais (CDW-ABS e CDW-PE).
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Discussão
As propriedades mecânicas do WPC desempenham um papel importante na decisão da adequação desses produtos em diversas aplicações. O WPC consiste em três ingredientes principais: plástico, madeira e aditivos. As propriedades mecânicas dos compósitos à base de fibra dependem do comprimento da fibra utilizada, onde "comprimento crítico da fibra" é o termo usado para indicar reforço suficiente25. Além das propriedades dos ingredientes, a qualidade das matérias-primas é o fator importante para o desempe...
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Divulgações
O circwaste-project recebe apoio financeiro da UE para a produção de seu material. As opiniões refletidas no conteúdo são inteiramente do próprio projeto e a comissão da UE não é responsável por qualquer uso deles.
Agradecimentos
Os autores reconhecem o apoio da plataforma de pesquisa LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) coordenada pela LUT University e pelo Life IP on waste — Towards a Circular Economy in Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). O financiamento para o projeto foi recebido do programa UE Life Integrated, empresas e cidades.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Aglomeração | Plasmec | TRL100/FV/W | aparelho de turbomixer |
| Aglomeração | Plasmec | RFV 200 | aparelho de |
| refrigerador CNC router | Recontech | F2 - 1325 C | Máquina CNC |
| Condição câmara | Memmert | HPP260 | câmara de clima constante |
| Agente de acoplamento | DuPont | Fusabond E226 | aditivo de agente de acoplamento comercial |
| Triturador 1 (triturador / triturador) | Untha | Untha LR 630 | Peneira de 10-20 mm |
| Triturador 2 (triturador de baixa velocidade) | Shini | Shini SG-1635N-CE | Peneira de 5 mm, granulador |
| Extrusora | Weber | Weber CE 7.2 | cônico contra-rotativo duplo parafuso |
| Lubrificante | Struktol | TPW 113 | aditivo |
| Espectroscopia NIR | Thermo Fisher Scientific | Thermo Scientific microPHAZIR PC | |
| Material reciclado ABS da CDW | |||
| Material reciclado PE da CDW | |||
| Material reciclado PP da CDW | |||
| Serra de mesa deslizante | Altendorf | F-90 | serra circular/serra de mesa deslizante |
| Aparelho de teste | |||
| Máquina de teste | Zwick Roell | Z020 | de teste de materiais de linha completa |
| Farinha de madeira (abeto) material | |||
| WPC exemplo de material | UPM Profi | Placa de deck |
Referências
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Reimpressões e permissões
