Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

تأثير البناء والهدم نفايات الجزيئات البلاستيكية على خصائص الخشب والبوليمر المركب

Published: June 7, 2020 doi: 10.3791/61064
Automatic Translation
1, 2, 2
1Re-Source Research Platform, School of Energy Systems, LUT University, 2Fiber Composite Laboratory, School of Energy Systems, LUT University

Summary

وقد تبين أن تدفقات المواد الثانوية تتضمن مواد أولية محتملة للإنتاج. هنا هو بروتوكول الذي يتم تحديد النفايات البلاستيكية CDW كمادة خام، تليها خطوات معالجة مختلفة (التجمع، البثق). ونتيجة لذلك، تم إنتاج مادة مركبة، وتم تحليل الخصائص الميكانيكية.

Abstract

نفايات البناء والهدم، بما في ذلك المواد القيمة مثل البلاستيك، لها تأثير ملحوظ على قطاع النفايات. من أجل المواد البلاستيكية التي يمكن إعادة استخدامها، يجب تحديدها وفصلها وفقا لتكوين البوليمر. وفي هذه الدراسة، تم تحديد هذه المواد باستخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR)، الذي حدد المواد استناداً إلى خصائصها الفيزيائية والكيميائية. مزايا طريقة NIR هي تأثير بيئي منخفض وقياس سريع (في غضون ثوان قليلة) في النطاق الطيفي من 1600-2400 نانومتر دون إعداد عينة خاصة. وتشمل القيود عدم قدرتها على تحليل المواد المظلمة. وقد استخدمت البوليمرات المحددة كمكون للخشب البوليمر المركب (WPC) الذي يتكون من مصفوفة البوليمر، حشوات منخفضة التكلفة، والمواد المضافة. وتضاعفت المكونات أولاً مع جهاز التكتل، يليه الإنتاج عن طريق البثق. في عملية التكتل ، كان الهدف هو مضاعفة جميع المواد لإنتاج مواد موزعة ومحببة بشكل موحد ككريات. خلال عملية التكتل ، تم ذوبان البوليمر (المصفوفة) ثم تم خلط الحشوات وغيرها من المواد المضافة في البوليمر الذائب ، حيث تكون جاهزة لعملية البثق. في طريقة البثق، تم تطبيق الحرارة والتهز القوات على مادة داخل برميل من مخروطية مضادة للبرغي المزدوج نوع الطارد، مما يقلل من خطر حرق المواد وانخفاض الاختلاط القص. ثم تم نقل الخليط الساخن والم القص من خلال يموت لإعطاء المنتج الشكل المطلوب. 10 - أثبت البروتوكول المذكور أعلاه إمكانية إعادة استخدام مواد برنامج الطاقة النظيفة. يجب التحقق من الخصائص الوظيفية وفقا للاختبارات الموحدة، مثل الثنية، الشد، واختبارات قوة التأثير للمادة.

Introduction

وقد نما توليد النفايات على الصعيد العالمي بشكل كبير على مر التاريخ، ومن المتوقع أن يزداد بعشرات النسب المئوية في المستقبل ما لم يتم اتخاذ إجراءات1. وعلى وجه الخصوص، فإن البلدان المرتفعة الدخل قد ولدت أكثر من ثلث النفايات في العالم على الرغم من أنها لا تمثل سوى 16 في المائة من سكان العالم1. وقطاع البناء منتج هام لهذه النفايات بسبب التوسع الحضري السريع والنمو السكاني. ووفقا للتقديرات، فإن ما يقرب من ثلث النفايات الصلبة العالمية تتشكل من مشاريع البناء والهدم؛ ومع ذلك، القيم الدقيقة من مناطق مختلفة مفقودة2. في الاتحاد الأوروبي (EU)، كمية نفايات البناء والهدم (CDW) حوالي 25٪ -30٪ من إجمالي النفايات توليد3،وتشمل قيمة وكبيرة المواد الخام الثانوية، مثل البلاستيك. وبدون جمع وإدارة منظمين، قد يلوث البلاستيك النظم الإيكولوجية ويؤثر عليها سلبا. في عام 2016، تم توليد 242 مليون طن من النفايات البلاستيكية في العالم1. وكانت حصة البلاستيك المعاد تدويره في أوروبا فقط 31.1٪4.

وقد أدت ندرة الموارد إلى نشوء حاجة إلى تغيير الممارسات نحو اقتصاد دائري، حيث تهدف إلى استخدام النفايات كمصدر للموارد الثانوية واستعادة النفايات من أجل إعادة استخدامها. وسينشأ النمو الاقتصادي والآثار البيئية إلى أدنى حد من خلال الاقتصاد الدائري، وهو مفهوم شائع في أوروبا. واعتمدت المفوضية الأوروبية خطة عمل للاتحاد الأوروبي من أجل اقتصاد دائري، تحدد الأهداف والمؤشرات للمساهمات5.

وتسهم الأنظمة والقوانين البيئية الأكثر صرامة في قطاع البناء في بذل المزيد من الجهد في قضايا إدارة النفايات وإعادة تدوير المواد. فعلى سبيل المثال، حدد الاتحاد الأوروبي أهدافاً لاسترداد المواد. من عام 2020 فصاعدا، ينبغي أن يكون معدل استرداد المواد من CDW غير الخطرة 70٪6. وقد يختلف تكوين الـ CDW اختلافاً كبيراً من حيث المواقع الجغرافية، ولكن يمكن تحديد بعض الخصائص المشتركة، بما في ذلك، على سبيل المثال، البلاستيك الذي هو مادة خام محتملة وقيمة لمركبات الأخشاب والبوليمرات. إعادة استخدام البلاستيك هو خطوة ملموسة نحو اقتصاد دائري حيث يتم استبدال البوليمرات البلاستيكية البكر من البوليمر المعاد تدويرها.

المواد المركبة هي نظام متعدد المراحل ، ويتألف من مادة مصفوفة ومرحلة التعزيز. الخشب البوليمر المركب (WPC) وعادة ما تحتوي على البوليمرات والمصفوفة ، والمواد الخشبية كتعزيز ، والمواد المضافة لتحسين التصاق ، مثل عوامل اقتران ومواد التشحيم. ويمكن أن يعرف WPC كمادة صديقة للبيئة لأن المواد الخام يمكن أن يكون مصدرها من المواد المتجددة، مثل حمض متعدد الولاتيك (جيش التحرير الشعبي) والخشب. وفقا لأحدث الابتكارات7، يمكن أن تستند إضافات WPC على مصادر متجددة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تدوير مصدر المواد الخام (غير عذراء) المواد ، وهو بديل أفضل بيئيا وتقنيا8. على سبيل المثال، درس الباحثون WPC مقذوف يحتوي على CDW، ووجدت أن خصائص المركبات المستندة إلى CDW كانت في مستوى مقبول9. كما أن استخدام المواد الخام المعاد تدويرها كعنصر من عناصر مؤتمر ال WPC هو أيضاً استخدام مقبول من الجانب البيئي، كما أثبتت عدة تقييمات. عموما، وقد ثبت أن استخدام CDW في إنتاج WPC يمكن أن تقلل من التأثيرات البيئية لإدارة CDW10. وبالإضافة إلى ذلك، فقد وجد أن استخدام البولي بروبلين المعاد تدويرها (PP) البلاستيك في WPC لديه القدرة على الحد من الاحترار العالمي11.

وسوف تزيد كمية البوليمرات المعاد تدويرها المتاحة في المستقبل. وقد زاد الإنتاج العالمي من البلاستيك حوالي 9٪ سنويا، في المتوسط، ومن المتوقع أن تستمر هذه الزيادة في المستقبل12. وأكثر أنواع البوليمرات البلاستيكية شيوعاً هي، في جملة أمور، البولي بروبلين (PP) والبولي إيثيلين (PE). وكانت أسهم إجمالي الطلب على الـPE وPP 29.8% و19.3% على التوالي، في أوروبا في عام 20174. من المتوقع أن ينمو السوق العالمي لإعادة تدوير البلاستيك بمعدل نمو سنوي قدره 5.6٪ خلال الفترة 2018-202613. أحد التطبيقات الرئيسية التي تستخدم فيها البلاستيك هو البناء والبناء. على سبيل المثال، ارتبط ما يقرب من 20٪ من إجمالي الطلب على البلاستيك الأوروبي مع تطبيقات البناء والتشييد4. من منظور اقتصادي، واستخدام البوليمرات المعاد تدويرها في تصنيع WPC هو بديل مثير للاهتمام، مما يؤدي إلى إنتاج المواد بتكلفة منخفضة. وقد أظهرت الأبحاث السابقة أن الآثار المادية لها تأثير أقوى على المواد المقذوفة المصنوعة من البلاستيك الثانوي مقارنة مع المواد العذراء المقابلة، ولكن خصائص تعتمد على مصدر البلاستيك14. ومع ذلك ، فإن استخدام البلاستيك المعاد تدويره يقلل من قوة WPC بسبب انخفاض التوافق15. الاختلاف بين هياكل البوليمرات البلاستيكية يسبب مخاوف لإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، مما يساهم في أهمية الفرز البلاستيكي على أساس البوليمر.

تهدف هذه الدراسة إلى تقييم استخدام المواد البلاستيكية من CDW كمادة خام ل WPC. كسور البوليمر التي تم تقييمها في الدراسة هي الاكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS) ، البولي بروبلين (PP) ، والبولي ايثيلين (PE). وتعرف هذه الكسور البلاستيكية العالمية داخل CDW. يتم التعامل مع كسور البوليمر مع عمليات التصنيع العامة، مثل التكتل والبثق، ويتم اختبارها مع اختبارات الملكية الميكانيكية العالمية. والهدف الرئيسي من الدراسة هو اكتشاف كيف يمكن أن تتغير خصائص WPC إذا تم استخدام البوليمرات المعاد تدويرها كمادة خام في المصفوفة بدلاً من البوليمرات البكر الأولية.

واستنادا إلى مركز إدارة النفايات (المحلي) (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy)، فقد تبين كيف يتم تخزين CDW الغنية بالبلاستيك. وقد ثبت أن كمية كبيرة من المواد البلاستيكية مدرجة وبعض الأمثلة على البوليمرات البلاستيكية CDW تم عرضها. جمع الباحثون البوليمرات الأكثر ملاءمة لمزيد من المعالجة، مثل ABS، PP، وPE. تم تحديد البوليمرات المطلوبة (PE، PP، ABS) باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء (NIR) المحمولة. وقدمت أمثلة عن منتجات WPC حيث يمكن استخدام المواد البلاستيكية المجمعة كمادة خام. وشرحت اللجنة تعريف المركب ومزاياه.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1- تحديد الهوية والمعالجة المسبقة

  1. تحديد البوليمرات في البلاستيك باستخدام أداة التحليل الطيفي المحمولة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR) في النطاق الطيفي من 1600 إلى 2400 نانومتر. اتصل بالبوليمر باستخدام أداة التحليل الطيفي وحدد البوليمر بواسطة العاكسة المقاسة.
    1. وفقا لمنحنى تحديد من التحليل الطيفي، وتحليل نتائج تحديد الهوية من الشاشة في المختبر.
  2. استنادا إلى نتيجة تحديد، فرز المواد بين البوليمرات وقياس الأوزان الخاصة بها.
    ملاحظة: تم فرز المواد ورجحت وفقا لنتائج التحديد المقاسة. وكانت البوليمرات المختارة لمزيد من المعالجة ABS وPE و PP مع الكميات، 27.1، 14.2، و 44.7 كجم، على التوالي.
  3. تنفيذ خفض حجم للمواد البلاستيكية المختارة في ظروف المختبر مع جهاز الكسارة. مكان جمعها وحددت المواد في الجهاز الذي سحق المواد مع القوة الميكانيكية من آثار المطرقة.
    1. سحق المواد البلاستيكية باستخدام نظام تمزيق رمح واحد مع جهاز محطم / التقطيع مجهزة بحجم منخل تتراوح بين 10 إلى 20 ملم.
    2. إخضاع الشظايا البلاستيكية لمحطم منخفض السرعة، مجهز منخل عيار 5 ملم. تأكد من أن المادة متجانسة.
  4. قياس كميات المواد للمواد المركبة. اعرض وصفة كمثال على ذلك، وقدم هذه المواد في الكميات النسبية من البلاستيك والخشب وعامل الاقتران ومواد التشحيم (64، 30، 3، و 3 wt، على التوالي).
    ملاحظة: تمت دراسة ثلاثة مركبات مختلفة في هذه الدراسة. كانت البوليمرات البلاستيكية المعاد تدويرها من CDW ABS و PP و PE. وكان حشو المادة المركبة الدقيق الخشب، الذي تم إعداده من أنواع التنوب المجففة (Picea abies) حجم مخفضة باستخدام سحق المعدات وغربلة لحجم متجانس (20 مم شبكة). واستخدمت الإضافات التجارية من وكيل اقتران ومواد التشحيم. تظهر تركيبات واسم المواد المعدة في الجدول 1.
المواد البوليمر
/ المبلغ		 الخشب كاليفورنيا لوبر
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

الجدول 1: تكوين المواد المدروسة. يتكون اسم العينة من مكون المصفوفة المُتضمن، والأكريلونيتريل بوتاديين (ABS)، والبولي بروبلين (PP)، والبولي إيثيلين (PE) من نفايات البناء والهدم. وكانت كميات الخشب، وكيل اقتران (CA) ومواد التشحيم (لوبر. ) هي نفسها في جميع العينات.

2. تجهيز مواد WPC مع تكنولوجيا البثق بعد معالجة تقليل الحجم

  1. نقل المواد المحددة والمعالجة مسبقا إلى أقرب الخطوة التالية (التكتل) المعالجة.
    تنبيه: تتضمن المادة البلاستيكية من ABS مكون الستايرين. وتعتبر الوكالة الدولية لبحوث السرطان أن الستيرين "قد يكون مسرطناً للبشر". لذلك، لم يتم تضمين خطوة التجمع في العمل في التصوير ولكن يتم عرض سيريتها في هذا العمل. بالإضافة إلى ذلك، فقط PP أو البوليمر PE استخدمت في إنتاج البثق أثناء التصوير.
  2. إجراء تجمع المواد.
    1. اخلط جميع مكونات العملية (البوليمر، الخشب، وكيل الاقتران، ومواد التشحيم) في جهاز يتكون من جهاز شاحن توربيني ومبرد. Agglomerate المواد في turbomixer حتى وصلت درجة حرارة المواد 200 درجة مئوية. بسبب التأثير المشترك لدرجة الحرارة والاحتكاك ، تشكلت مواد الحبيبات بعد عملية المعالجة للتكتل.
    2. تبريد المواد بعد العلاج turbomixer لمدة 4-7 دقائق في جهاز أكثر برودة.
  3. إخلاء المواد من العملية وجمع ما يصل المواد التكتل.
  4. نقل المواد المعالجة للتكتل إلى الخطوة التالية العملية (البثق).
    1. انقر فوق لوحة التحكم في جهاز البثق وتحقق من المعلمات الصحيحة. وتراوح متوسط درجات حرارة البرميل والأداة بين 167 و181 درجة مئوية، و183 و 207 درجة مئوية على التوالي. اصهر درجة حرارة بين 164 و177 °C، وكانت ضغوط الموت بين 3.7 و 5.9 MPa. ضبط المعلمات لأن المواد المعاد تدويرها غير متجانسة، وتتطلب العملية مراقبة مهنية.
    2. مركب المكونات باستخدام مخروطية مضادة الدورية التوأم المسمار الطارد مع 15 كجم / ساعة إخراج المواد. يتم عرض المعلمات من المواد في الجدول 2. بعد عملية البثق، تم إنشاء مادة ملف التعريف المركب.
المواد برميل T °C أداة T °C تذوب T °C تذوب
الضغط (شريط)		 تغذيه
معدل (كجم / ساعة)		 Avg.Screw
السرعة (دورة في الدقيقة)
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

الجدول 2: بارامترات تجهيز المواد المركبة. (تشير القيم بعد علامة '±'إلى الانحرافات المعيارية. متوسط = متوسط)

3. أخذ عينات من المواد المنتجة وتحليلات الخصائص

  1. إعداد عينات لاختبارات الملكية الميكانيكية في المختبر.
    1. قطع عينات من ملامح مقذوف مع آلة (أي، منشار جدول انزلاق). هناك حاجة إلى ثلاث عينات مختلفة الحجم للاختبارات: الشد والشد وقوة التأثير.
    2. تحديد حجم عينات الاختبار وفقا للمعايير المعمول بها، استنادا إلى توصية EN 1553416. ووفقاً للمعيار، اختبر ما لا يقل عن خمس عينات ولكن قد يكون عدد القياسات أكثر من خمسة إذا كان هناك حاجة إلى دقة أكبر للقيمة المتوسطية.
  2. عينات اختبار منشار من المواد مقذوف لاختبار الممتلكات المرن، وفقا لEN القياسية 31017.
    1. استخدام جدول منزلق منشار مع الأبعاد التالية للعينة: 800 مم × 50 مم × 20 ملم (الطول والعرض والسمك).
    2. تصنيع 20 عينة لتحليل الخصائص الثنية (القوة والمصنع).
  3. عينات اختبار من رأى من المواد مقذوف لاختبار خاصية الشد، وفقا لمعيار EN ISO 527 218. استخدام الجدول انزلاق منشار لقطع المواد إلى الأبعاد التالية: 150 مم × 20 مم × 4 ملم (الطول والعرض والسمك).
    1. تعيين التشكيلات المادية لماكينات شكل البكم جرس عبر التحكم الرقمي الكمبيوتر (CNC). وكان عرض العينة عند جزائها الضيق 10 مم، وكانت مساحة السطح المقطعي العرضي للعينة 4 مم × 10 مم، حيث تم معالجة الإجهاد الشدي. وكان طول الجزء الضيق 60 ملم، وينتهي في زاوية مستديرة مع دائرة نصف قطرها 60 ملم.
    2. جعل 20 عينات لتحليل خصائص الشد (القوة ومعامل).
  4. عينات اختبار من رأى من المواد مقذوف لاختبار قوة تأثير، وفقا لمعيار EN ISO 179-119.
    1. استخدام الجدول انزلاق منشار لقطع العينات إلى الأبعاد التالية: 80 مم × 10 مم × 4 ملم (الطول والعرض والسمك). جعل 20 عينات لتحليل تأثير قوة الملكية.
  5. نقل المواد الاختبار في 23 درجة مئوية و 50٪ غرفة شرط الرطوبة النسبية، وفقا لمعيار EN ISO 29120،حتى يتم التوصل إلى كتلة ثابتة. التأكد من أن العينات مكيفة قبل اختبار خصائص المواد.
  6. إجراء الاختبارات (ثنائية، الشد، والتأثير). تحديد الميزات الميكانيكية للعينات من خلال اختبارات قوة الشد والثني مع آلة اختبار وفقا لمعايير EN 31017 و EN ISO 527-218 على التوالي.
    1. تنفيذ اختبار القوة وال ومعامل المرونة لكل عينة من 20 عينة، باستخدام جهاز الاختبار. تعيين عينة اختبار flexural في دعم نقطتين وتطبيق الحمل على مركز العينة عن طريق النقر فوق اختبار بدء في برنامج الكمبيوتر الذي يتحكم في جهاز الاختبار، مع ما قبل تحميل 15 N وسرعة الاختبار من 10 مم / دقيقة. يتوقف الاختبار تلقائياً بعد تسجيل النتيجة. إزالة عينة اختبار من أدوات الدعم وتعيين نموذج جديد على الأدوات.
      1. كرر الإجراء حتى تم اختبار 20 عينة وتسجيل نتائج البرنامج. يقوم برنامج الكمبيوتر بحساب متوسط النتائج من الاختبار.
        ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول هنا أثناء تغيير أدوات الاختبار لجهاز الاختبار.
    2. قم بإجراء اختبار قوة الشد ومعامل 20 عينة (على شكل جرس البكم). تعيين عينة اختبار الشد بين أدوات الاختبار وإرفاق المشابك الهوائية، والتي سوف تبقي العينة في الأدوات أثناء الاختبار. ابدأ الاختبار من لوحة التحكم في الكمبيوتر، مع حمولة مسبقة تبلغ 10 N وسرعة اختبار 2 مم/دقيقة، وارفق أداة عداد التمديد بعد بدء الاختبار مباشرة.
      ملاحظة: أداة مقياس التمديد تقيس معامل الشد من العينة. توقف كل اختبار تلقائيا بعد تسجيل نتيجته.
      1. قم بإزالة عينة الاختبار من الأداة بعد كل اختبار ثم قم بتعيين عينة جديدة على الأدوات. تكرار الإجراء لكافة العينات. يقوم برنامج الكمبيوتر بحساب متوسط قيم النتائج.
    3. إجراء اختبار قوة تأثير مع اختبار تأثير، وفقا لمعيار EN ISO 179-119. تعيين 10 مم × 4 ملم حجم (العرض، سمك) عينة بين الدعم، وإعادة تعيين القوة والافراج عن مطرقة تأثير 5 kpcm.
      ملاحظة: تتمزق عينة اختبار قوة التأثير بسبب تأثير المطرقة وكمية الطاقة الممتصة مرئية في مؤشر المختبر.
      1. تسجيل النتيجة وتكرار ل 20 عينات، وبعد ذلك يتم حساب متوسط قيمة قوة تأثير. وكانت النتائج المسجلة في وحدة "kpcm" التي تم تغييرها إلى جول (J)، وتم تقديم النتائج على شكل كيلوجول لكل متر مربع.
        ملاحظة: كان الامتداد بين نموذج الدعم (المسافة بين خطوط الاتصال من العينة) في اختبار قوة التأثير 62 مم أو، بدلاً من ذلك، 20x سمكه.
  7. تحليل نتائج الاختبارات الميكانيكية، التي ترد في الشكل 1، الشكل 2 والشكل 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

للتحقيق في تأثير البوليمر البلاستيك CDW على الخصائص الميكانيكية للWPC، تمت دراسة ثلاثة أنواع بوليمر مختلفة كمصفوفة. ويعرض الجدول 1 تكوين المواد، ويقدم الجدول 2 تقارير عن عمليات التصنيع. المواد من CDW-PP يتطلب درجة حرارة أعلى للمعالجة الأدوات ولكن، في المقابل، كان ضغط الذوبان أقل مقارنة مع المواد الأخرى (CDW-ABS و CDW-PE).

ويعرض الشكل 1 القوة الثنية للمواد (بمعدل من 20 قياسا) كرسوم بيانية شريطية، بما في ذلك الانحرافات المعيارية كشريط خطأ. وقد تحققت أعلى قيم القوة الثنية مع المواد التي تحتوي على البوليمر ABS المعاد تدويرها في مصفوفة. وقد تحققت تقريبا مطابقة عالية القوة الجودة في المواد التي تم إعادة تدويرها البوليمر PE استخدمت في مصفوفة. وقد تحققت أدنى مواطن قوة ثنائية مع المواد التي تحتوي على بوليمر PP المعاد تدويره في مصفوفة. كما يعرض الشكل 1 نتائج مماثلة لم ومعاملات المواد الثنية، والتي تم قياسها في وقت واحد مع خاصية القوة. ومع ذلك، على الرغم من أن البوليمرات المعاد تدويرها ABS وPE لها نتائج متطابقة كما هو الحال في اختبارات القوة، كانت نتائج معامل الثنية مختلفة. مواد PE المعاد تدويرها لها قيمة معامل أقل بكثير مقارنة بقيمة البوليمر ABS المعاد تدويره.

Figure 1
الشكل 1: الخصائص الثنية للمواد المدروسة.
يتم تقديم القوة الثنية في الألوان الصلبة الألواح المملوءة (الأحمر والأخضر والأزرق) ويتم تقديم معامل الثنية باستخدام نفس الألوان في الحانات المليئة بالنقش. يتم وصف الانحرافات المعيارية كأشرطة خطأ. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ويبين الشكل 2 قوة الشد ومعامل (متوسط من 20 قياساً) كرسوم بيانية، بما في ذلك الانحرافات المعيارية كشبكة خطأ. المواد، التي تم فيها استخدام ABS المعاد تدويرها وPE، لها نتائج قوة الشد متطابقة تقريبا ولكن الانحراف المعياري كان أعلى بالنسبة للمواد التي تم فيها استخدام ABS المعاد تدويرها. وقد تحققت أضعف قوة الشد المواد التي تحتوي على البوليمر PP المعاد تدويرها في مصفوفة. وكانت نتائج معامل الشد متطابقة مع نتائج معامل الثنية، حيث تم تحقيق أفضل معامل مع بوليمر ABS المعاد تدويره.

Figure 2
الشكل 2: خصائص الشد للمواد المدروسة.
يتم عرض قوة الشد في الأعمدة المملوءة باللون الخالص (الأحمر والأخضر والأزرق) ويتم تقديم معامل الشد باستخدام نفس الألوان في أشرطة مملوءة بالنقش. يتم وصف الانحرافات المعيارية كأشرطة خطأ. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يعرض الشكل 3 خصائص قوة التأثير للمواد (متوسط من 20 قياس) كرسوم بيانية شريطية، بما في ذلك الانحرافات المعيارية كشريط خطأ. وكانت نقاط القوة تأثير من البوليمرات ABS و PP المعاد تدويرها تقريبا في نفس المستوى، ولكن تم تحقيق قوة تأثير أكبر مع البوليمر PE المعاد تدويرها، والتي كان لها أفضل تأثير قوة الملكية في هذه الدراسة.

Figure 3
الشكل 3: خصائص قوة التأثير للمواد المدروسة.
يتم عرض قوة التأثير في الأشرطة المملوءة باللون الخالص ويتم وصف الانحرافات المعيارية كأشرطة خطأ. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ABS البوليمر يتكون من ثلاثة مونومرات، والتي قد تزيد من السلوك الإيجابي داخل WPC. على سبيل المثال، يساهم مكون الأكريلونيتريل في القوة، وتساهم مكونات بوتاديين في مقاومة التأثير، وتساهم مكونات الستايرين في الصلابة. حسابات شركة WPC المستندة إلى PE لأكبر حصة في السوق ، على سبيل المثال في أمريكا الشمالية ، ومن السهل الظفر ، المسمار ، ورأى. ومع ذلك، يتم تصنيع البوليمرات البوليمرية في شكل البولي اثيلين عالي الكثافة (HDPE) والبولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، والتي لها ميزات مختلفة. وكان WPC المستندة إلى PP أضعف الخصائص في هذه الدراسة، بما يتفق مع حقيقة أن حصتها في السوق صغيرة نسبيا. على الرغم من أن لديها العديد من الخصائص المتفوقة مقارنة بالبولي ايثيلين، مثل كونها أخف وزنا وأقوى، بل هو أيضا أكثر هشاشة من البولي ايثيلين21.

عموما، وإعادة تدوير المركبات هو المسار المفضل بيئيا8،والنفايات البلاستيكية المعاد تدويرها هو مادة خام مناسبة للمواد المركبة، والتي يمكن تحسين الأداء باستخدام compatibilizers22. قد يكون السبب في اختلاف الخصائص الميكانيكية بسبب تكوين المواد، وعلى وجه الخصوص، قد يكون لوكيل اقتران تأثير كبير. تم تحسين الخصائص الميكانيكية للبوليمرات المعاد تدويرها في WPC مع compatibilizers ولكن الآثار تعتمد بقوة على العامل المستخدم وكميته في الهيكل ، مما تسبب في اختلاف كبير بين العوامل المستخدمة23. أشارت دراسة سابقة إلى أن أعلى أداء لـ PP أساس WPC تم تحقيقه مع كميات من الكومباتابيلات عند ثلاثة مستويات مئوية24، وهو ما يتماشى مع الكمية المستخدمة في هذه الدراسة. وبالتالي، قد يكون عامل اقتران المستخدمة أكثر إشكالية من مستوى وكيل. ومع ذلك، فمن المسلم به عموما أن يتم تحسين الأداء الميكانيكي ل برامج برامج البرامج عندما يتم استخدام عوامل اقتران في ظل الظروف المثلى25.

كل البوليمر له ميزات فردية في المواد، مما يدل على أن فصل البوليمرات يزيد من قيمة WPC مع المواد المضافة الصحيحة. في المستقبل، يمكن استخدام وكلاء اقتران بديل جديد صديق للبيئة لمركبات البوليمر المعاد تدويرها لتلبية الطلب، مثل علكة النشا التي تظهر في دراسة جديدة من روشا وروزا26. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون إعادة استخدام البلاستيك منطقيًا اقتصاديًا، وبالتالي يتطلب أيضًا إجراءً في المستقبل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تلعب الخواص الميكانيكية لـ WPC دورًا مهمًا في تحديد مدى ملاءمة هذه المنتجات في التطبيقات المختلفة. تتكون WPC من ثلاثة مكونات رئيسية: البلاستيك والخشب والمواد المضافة. تعتمد الخصائص الميكانيكية للمركبات القائمة على الألياف على طول الألياف المستخدمة ، حيث "طول الألياف الحرجة" هو المصطلح المستخدم للإشارة إلى التعزيز الكافي25. بالإضافة إلى خصائص المكونات، فإن جودة المواد الخام هي العامل المهم لأداء WPC. في هذه الدراسة، على وجه الخصوص، حيث تم استخدام المواد الخام المعاد تدويرها، تم إيلاء الكثير من الاهتمام للمواد الخام. استخدمت هذه الدراسة مواد مصدرها CDW والتي يمكن أن تختلف بين مواقع البناء، وهذا التباين هو عامل حاسم في المقارنة بين الدراسات المختلفة. لذلك، يجب دراسة المواد وفقا للاختبارات الموحدة التي تضمن جودة المنتج موحدة.

في اختبار مرن، المواد WPC الخبرات الإجهاد الاجهاد في الجانب الحاملة، وبالتالي، الشد الإجهاد في الطرف المقابل. وتستند طريقة الاختبار إلى معيار الألواح الخشبية (EN 310)، مما يوضح الخصائص الثنية للمواصفات البثقية في الاستخدام الفعلي. سوف يسبب اختبار flexural ضغط (على السطح العلوي) وشد (على الجانب السفلي) الإجهاد للمادة، ولذلك فمن المهم أن البثق (جوفاء) الملف هو متماثل. اختبار آخر لخاصية ثنائية (على سبيل المثال، معيار EN ISO 17827)،حيث كانت أبعاد العينة أصغر، لن تسفر عن قيمة حقيقية لملف تعريف البثق المستخدمة ولكن سيتم تحليل خاصية المواد دون تأثير ملف شخصي جوفاء. من المهم استخدام مسافة قياسية بين نطاقات الدعم لأن هذا له تأثير على النتائج. تعتمد القوة الثنية خطياً على امتداد الدعم، حيث يؤدي زيادة فترة الدعم إلى انخفاض نسبي في الحمل28.

عموما، معامل الشد يزيد مع زيادة محتوى PP البوليمر داخل الخشب الألياف25. لذلك، يمكننا أن نفترض أن تكوين المواد، بما في ذلك المواد المضافة مثل وكيل اقتران، لم تكن الأمثل لهذه المواد. وكان أعلى تباين بين سماكة عينات اختبار الشد 0.94 ملم؛ يشير هذا الاختلاف إلى تثبيت العينات خطوة حاسمة. وشملت آلة الاختبار السحابات الهوائية التي تسبب قوة زائدة عن الحاجة مع سماكات مختلفة من العينات. لذلك، يجب إعادة تعيين قياس القوة في بداية اختبار الشد من أجل أن السحابات الهوائية لن تشوه النتائج. بدلاً من ذلك، يمكن التخلص من هذا استكشاف الأخطاء وإصلاحها بواسطة تصنيع عينات اختبار متجانسة أثناء مرحلة أخذ العينات.

يوضح اختبار قوة التأثير ميزة ميكانيكية مختلفة للمادة لأنها تقيس سلالة لحظة ، في حين أن معظم الاختبارات الأخرى تقيس السلالة طويلة الأجل من المادة. انخفض المحتوى المتزايد من الألياف الخشبية قوة تأثير25. يجب قياس أبعاد العينات في جميع الاختبارات، وقد تكون هناك اختلافات بين الباحثين في استخدام أجهزة القياس (على سبيل المثال، قوة الضغط في استخدام الفرجر أو ميكرومتر). ولذلك، من المهم أن يقوم نفس الشخص بقياس أبعاد العينات في كل اختبار، وبالتالي استبعاد الأخطاء البشرية في القياسات. خيار آخر كتقنية تعديل هو استخدام جهاز يتضمن لحظة للضغط. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون لأجواء الاختبار تأثير على الخصائص المدروسة. في هذه الدراسة، تم إجراء جميع الاختبارات المدروسة في ظل نفس الظروف، وبالتالي كان تأثير الغلاف الجوي مشابهًا، وكان له تأثير متزامن لكل اختبار. وكتطبيق مستقبلي، يمكن إجراء الاختبارات في غرفة حيث من المقرر أن يكون الجو مستقراً.

لأن WPC يتكون من ما لا يقل عن اثنين من المواد، مثل الخشب والبوليمر، فإنه يمكن تعقيد اختيار معيار. فعلى سبيل المثال، قد تكون هناك معايير مناسبة للمواد الخشبية، وكذلك للمواد البوليمرية، من شأنها أن تسبب قيوداً في اختيار معيار مناسب للدراسة. وقد نشرت المنظمة القياسية معايير (EN 15534-1: 2014 +A1:2017) التي تم فيها وصف طرق الاختبار للمواد المركبة المصنوعة من المواد المستندة إلى السليلوز واللدائن الحرارية. ويسمح هذا المعيار للباحثين الذين يتبعون المعيار الأوروبي بالتصرف بطريقة عالمية في دراساتهم. قد تنشأ مضاعفات إذا كان جزء كبير من الباحثين يتبع معيارا آخر (مثل ASTM الدولية)، والتي سوف تسبب مشاكل في مقارنات النتائج. وقد يكون التطور المقبل منظمة موحدة واحدة تكون معاييرها صالحة على الصعيد العالمي.

تتضمن معايير برامج المرأة تعليمات مفصلة لقياس الخصائص ولكن تفسيرها قد يختلف بين الباحثين. ويمكن أن يؤدي وضع معايير مرجعية بين منظمات البحوث إلى توحيد أساليب التشغيل ولكن قد لا يُسمح بها لأن منظمات البحوث كثيراً ما تكون مؤسسات مقيدة تتعامل مع المعلومات السرية. ولذلك، فإن هذا النوع من العمل الموصوف بصرياً يضمن أن تكون ممارسات الاختبار عالمية بالنسبة لعدد أكبر من الناس، مما يحد من احتمالات سوء الفهم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

يتلقى مشروع "Circwaste"" دعماً مالياً من الاتحاد الأوروبي لإنتاج مواده. الآراء التي تعكسها المحتويات هي بالكامل من وجهة نظر المشروع، ولا تتحمل مفوضية الاتحاد الأوروبي المسؤولية عن أي استخدام لها.

Acknowledgments

يعترف المؤلفون بدعم منصة البحث LUT RESOURCE (عمليات الإنتاج الفعالة للموارد وسلاسل القيمة) التي تنسقها جامعة LUT و IP Life ON WASTE -نحو اقتصاد دائري في فنلندا (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). وقد تم تلقي التمويل للمشروع من برنامج الاتحاد الأوروبي المتكامل للحياة والشركات والمدن.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agglomeration Plasmec TRL100/FV/W apparatus of turbomixer
Agglomeration Plasmec RFV 200 apparatus of cooler
CNC router Recontech F2 - 1325 C CNC machine
Condition chamber Memmert HPP260 constant climate chamber
Coupling agent DuPont Fusabond E226 commercial coupling agent additive
Crusher 1 (crusher/shredder ) Untha Untha LR 630 10-20 mm sieve
Crusher 2 (low-speed crusher) Shini Shini SG-1635N-CE 5 mm sieve, granulator
Extruder Weber Weber CE 7.2 conical counter-rotating twin-screw
Lubricant Struktol TPW 113 commercial lubricant additive
NIR spectroscopy Thermo Fisher Scientific Thermo Scientific microPHAZIR PC
Recycled material ABS from CDW
Recycled material PE from CDW
Recycled material PP from CDW
Sliding table saw Altendorf F-90 circular saw/sliding table saw
Testing apparatus Zwick 5102 impact tester
Testing machine Zwick Roell Z020 allround-line materials testing machine
Wood flour (Spruce) material
WPC example material UPM Profi Decking board

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The World Bank. What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank. , Washington, DC. (2018).
  2. Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
  3. Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC). , Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019).
  4. Plastics - the Facts 2018. PlasticsEurope. , Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018).
  5. European Commission (EC). Communication from the Commission to the European Parliament, the Council the European Economic and Social Committee and the committee and the Committee of the Regions, COM. European Commission (EC). , (2015).
  6. Directive 2008/98/EC. European Union (EU). , Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0098&from=EN (2008).
  7. Anugwom, I., et al. Lignin as a functional additive in a biocomposite: Influence on mechanical properties of polylactic acid composites. Industrial Crops & Products. 140, 111704 (2019).
  8. Sommerhuber, P. F., et al. Life cycle assessment of wood-plastic composites: Analysing alternative materials and identifying an environmental sound end-of-life option. Resources, Conservation and Recycling. 117, 235-248 (2017).
  9. Hyvärinen, M., et al. The effect of the use of construction and demolition waste on the mechanical and moisture properties of a wood-plastic composite. Composites Structures. 210, 321-326 (2019).
  10. Liikanen, M., et al. Construction and demolition waste as a raw material for wood polymer composites - Assessment of environmental impacts. Journal of Cleaner Production. 225, 716-727 (2019).
  11. Väntsi, O., Kärki, T. Environmental assessment of recycled mineral wool and polypropylene utilized in wood polymer composites. Resources, Conservation and Recycling. 104, 38-48 (2015).
  12. Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
  13. Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research. , Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018).
  14. Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
  15. Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
  16. National Standards Authority of Ireland. CEN - EN 15534-1:2014 + A1:2017, Composites made from cellulose-based materials and thermoplastics (usually called wood-polymer composites (WPC) or natural fibre composites (NFC)) - Part 1: Test methods for characterisation of compounds and products. National Standards Authority of Ireland. , (2014).
  17. International Organization for Standardization. EN 310:1993, Wood-based panels - Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. International Organization for Standardization. , (1993).
  18. International Organization for Standardization. EN ISO 527 2, Plastics - Determination of tensile properties - Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. International Organization for Standardization. , (2012).
  19. International Organization for Standardization. EN ISO 179-1, Plastics - Determination of Charpy impact properties - Part 1: Non-instrumented impact test. International Organization for Standardization. , (2010).
  20. International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics - Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
  21. Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 50-74 (2007).
  22. Martikka, O., et al. Improving durability of wood-mixed waste plastic composites with compatibilizers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 490, 1-9 (2019).
  23. Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
  24. Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
  25. Sain, M., Pervaiz, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. Oksman Niska, K., Sain, M. , Woodhead Publishing Limited. Cambridge, England. 101-117 (2008).
  26. Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
  27. International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics - Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
  28. Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 225-318 (2007).

Tags

هذا الشهر في JoVE، القضية 160، الاقتصاد الدائري، والبناء والنفايات الهدم (CDW)، والبلاستيك، وفصل، والفرز، وإعادة التدوير، واستخدام، الخشب البوليمر المركب (WPC)، والخصائص الميكانيكية
تأثير البناء والهدم نفايات الجزيئات البلاستيكية على خصائص الخشب والبوليمر المركب
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lahtela, V., Hyvärinen, M.,… More

Lahtela, V., Hyvärinen, M., Kärki, T. The Effect of Construction and Demolition Waste Plastic Fractions on Wood-Polymer Composite Properties. J. Vis. Exp. (160), e61064, doi:10.3791/61064 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter