建筑与拆迁废塑料馏分对木聚合物复合性能的影响

Summary

二次材料流已证明包括生产的潜在原材料。此处介绍的是一个协议，其中识别了作为原料的 CDW 塑料废物，然后是各种加工步骤（聚集、挤出）。结果，生产了复合材料，并分析了机械性能。

Abstract

建筑和拆除废物 （CDW），包括塑料等贵重材料，对废物部门有着显著的影响。为了重新利用塑料材料，必须根据聚合物成分进行识别和分离。在这项研究中，使用近红外光谱（NIR）对这些材料进行鉴定，该光谱根据其物理化学性质鉴定材料。NIR 方法的优点是，在不进行特殊样品制备的情况下，在 1600-2400 nm 的光谱范围内，环境影响小且测量速度快（几秒钟内）。限制包括无法分析深色材料。鉴定的聚合物被用作木材聚合物复合材料 （WPC） 的组件，该复合体由聚合物基质、低成本填料和添加剂组成。这些部件首先与集聚装置进行复合，然后进行挤出生产。在聚集过程中，目标是将所有材料复合，以生产均匀分布和颗粒化的材料作为颗粒。在聚集过程中，聚合物（基质）熔化，填料和其他添加剂随后混合到熔化的聚合物中，为挤出过程做好准备。在挤出方法中，将热力和剪切力应用于锥形反旋转双螺杆式挤出机桶内的材料，从而降低了材料燃烧和降低剪切混合的风险。然后，加热和剪切的混合物通过模具输送，使产品具有所需的形状。上述协议证明了CDW材料的再利用潜力。必须根据标准化测试（如材料的弯曲、拉伸和冲击强度测试）验证功能特性。

Introduction

全球废物产生在历史上已显著增加，预计未来会增加数十个百分点，除非^{采取行动。}特别是，高收入国家创造了世界三分之一以上的废物，尽管它们只占全球人口的^16%。由于快速城市化和人口增长，建筑部门是这种废物的重要产生者。据估计，全球固体废物的大约三分之一是由建筑和拆除项目形成的;但是，不同区域的精确值缺少²。在欧盟（欧盟），建筑和拆除废物（CDW）约占废物^{产生总量3}的25%-30%，包括有价值的和重要的二次原材料，如塑料。如果没有有组织的收集和管理，塑料可能会污染和对生态系统产生不利影响。2016年，全球塑料垃圾产生量为^2.42亿吨。在欧洲，塑料回收率只有31.1%。⁴

资源稀缺导致需要改变向循环经济转变的做法，循环经济的目的是利用废物作为次要资源的来源，并回收废物进行再利用。循环经济将创造经济增长和尽量减少环境影响，而循环经济是欧洲流行的概念。欧盟委员会通过了《欧盟循环经济行动计划》，为4.⁵

更严格的环境法规和法律有助于建筑部门在废物管理和材料回收问题上做出更多努力。例如，欧洲联盟（欧盟）设定了材料回收的目标。从2020年起，无危险CDPW材料回收率应为70%^6.CDW的组成可能因地理位置而异，但可以识别一些共同特征，例如，塑料是木材聚合物复合材料的潜在和有价值的原材料。塑料的再利用是向循环经济迈出的具体一步，其中原始塑料聚合物被再生聚合物替代。

复合材料是一个多相系统，由基质材料和强化相组成。木材聚合物复合材料 （WPC） 通常包含聚合物作为基质，木材材料作为增强剂，以及用于提高粘附力的添加剂，如耦合剂和润滑剂。WPC 可称为环保材料，因为原材料可从可再生材料（如聚乳酸 （PLA） 和木材）中采购。根据最新的创新^7，WPC的添加剂可以基于可再生能源。此外，原材料的来源可以回收（非处女）材料，这是一个生态和技术上优越的^替代8。例如，研究人员研究了包含CDW的拉伸WPC，并发现基于CDW的复合材料的特性处于可接受的^9级。从环境方面来说，利用回收的原材料作为WPC的组成部分也是可以接受的，一些评估证明了这一点。总体证明，在WPC生产中利用CDW可以减少CDW管理^{10对环境的影响}。此外，还发现在WPC中使用再生聚丙烯（PP）塑料有可能减少^{全球变暖。}

将来，可回收聚合物的数量将增加。全球塑料产量平均每年增长约9%，预计未来12年这一增长^{将持续下去}。最常见的塑料聚合物类型包括聚丙烯 （PP） 和聚乙烯 （PE）。2017年^欧洲PE和PP总需求份额为29.8%和19.3%。预计2018-2026-13期间，全球塑料回收市场年增长率为^5.6%。使用塑料的主要应用之一是建筑和施工。例如，欧洲塑料总需求的近20%与建筑和建筑应用^有关。从经济角度来看，在 WPC 制造中使用再生聚合物是一种有趣的替代方案，从而以低成本生产材料。先前的研究表明，与相应的原始材料相比，物理效应对二次塑料制成的挤出材料的影响更大，但性能取决于塑料源^14。然而，由于兼容性较低，回收塑料的使用降低了WPC^的强度。塑料聚合物结构之间的变化引起人们对于再利用和回收的关注，这就促成了基于聚合物的塑料分选的重要性。

本研究旨在评估CDW塑料材料作为WPC原料的利用率。研究中评估的聚合物馏分为苯乙烯（ABS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。这些被称为CDW内的通用塑料分数。聚合物馏分经过一般制造工艺（如聚集和挤出）处理，并经过通用机械性能测试。本研究的主要目的是发现，如果回收聚合物作为基质原料而不是初级原始聚合物，WPC 的特性将如何改变。

根据（本地）废物管理中心（Etelé-Karjalan Jötehuolto Oy），展示了如何存储富含塑料的CDW。结果表明，包括大量的塑料材料，并展示了CDW塑料聚合物的一些例子。研究人员收集了最适合进行进一步加工的聚合物，如ABS、PP和PE。使用便携式近红外 （NIR） 光谱来鉴定所需的聚合物 （PE、PP、ABS）。介绍了WPC产品示例，其中收集的塑料材料可用作原料。阐述了该复合材料的定义及其优点。

Protocol

1. 识别和预处理

1. 使用便携式近红外 （NIR） 光谱工具在 1600~2400 nm 的光谱范围内识别塑料中的聚合物。使用光谱工具接触聚合物，通过测量的反射率确定聚合物。
   1. 根据光谱学的识别曲线，分析实验室中屏幕的鉴定结果。
2. 根据鉴定结果，对聚合物之间的材料进行排序并测量其各自的重量。
   注：根据测量的识别结果对材料进行排序和加权。用于进一步加工的聚合物为 ABS、PE 和 PP，其量分别为 27.1、14.2 和 44.7 kg。
3. 使用破碎机设备，在实验室条件下对选定的塑料材料进行尺寸减小。将收集的材料放入用锤击的机械力压碎材料的装置中。
   1. 使用单轴粉碎系统粉碎塑料材料，并配有装有筛子尺寸从 10 mm 到 20 mm 的粉碎机/粉碎机装置。
   2. 将塑料碎片压在配有 5 mm 筛子的低速破碎机上。确保材料是均匀的。
4. 测量复合材料的材料量。以配方为例，以塑料、木材、耦合剂和润滑剂的相对量（分别 64、30、3 和 3 wt） 呈现这些材料。
   注：本研究研究了三种不同的复合材料。CDW 的再生塑料聚合物为 ABS、PP 和 PE。复合材料的填充物是木粉，由干云杉品种（Picea abies）尺寸缩小，使用破碎设备，筛分均匀大小（20毫米网）。使用了耦合剂和润滑剂的商业添加剂。已准备材料的组成和名称见表1。

材料	聚合物 / 金额	木材	约	卢布尔
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	佩 / 30	64	3	3

表1：所研究材料的组成。 样品的名称包括包括的基质成分、回收的丙烯酸二苯二甲苯乙烯（ABS）、聚丙烯（PP）和建筑和拆除废物（CDW）中的聚乙烯（PE）。木材、耦合剂 （CA） 和润滑剂 （Lubr.） 的量在所有样品中相同。

2. 尺寸减小处理后，用挤出技术加工WPC材料

1. 将已鉴定和预处理的材料转移到更靠近下一个（聚集）加工步骤中。
   注意：ABS 的塑料材料包括苯乙烯成分。国际癌症研究机构认为苯乙烯"可能对人类致癌"。因此，在行动的聚集步骤没有包括在拍摄中，但其过程概述在这项工作中。此外，在拍摄过程中，挤出生产中仅使用PP或PE聚合物。
2. 执行材料的聚集。
   1. 将工艺的所有部件（聚合物、木材、耦合剂和润滑剂）混合到由涡轮混合器和冷却器组成的装置中。将材料聚集到涡轮混合器中，直到材料温度达到 200°C。 由于温度和摩擦的综合作用，颗粒材料是在聚集处理过程后形成的。
   2. 在冷却器中冷却涡轮混合器处理后的材料冷却 4-7 分钟。
3. 从工艺中排空物料并收集聚集物料。
4. 将聚集处理的材料转移到下一个工艺步骤（挤出）。
   1. 单击挤出机的控制面板并检查正确的参数。桶和工具的平均温度分别变化在 167 和 181 °C 之间，以及 183 和 207 °C 之间。熔体温度在164~177°C之间变化，模具压力在3.7~5.9MPa之间。调整参数，因为回收材料是异质的，这个过程需要专业控制。
   2. 使用锥形反旋转双螺杆挤出机对部件进行复合，材料输出为 15 kg/h。材料的参数见表 2。挤出过程后，生成复合材料的型材材料。

材料	桶 T °C	工具 T °C	熔体 T °C	融化 压力（条）	喂养 速率（千克/小时）	平均螺丝 速度（转速）
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：复合材料的处理参数。 （"±"标记后的值表示标准偏差。平均 = 平均值）

3. 生产材料的取样和性能分析

1. 在实验室中准备用于机械性能测试的样品。
   1. 使用机器（即滑动表锯）从拉伸型材中切割样品。测试需要三种不同尺寸的试样：弹性、拉伸和冲击强度。
   2. 根据 EN 15534¹⁶的建议，根据适用标准确定测试样品的大小。根据标准，测试至少五个试样，但如果需要更高的平均值精度，测量数量可能超过五个。
2. 根据标准EN 310^17，从挤出材料中看到用于弹性属性测试的测试样品。
   1. 使用具有以下尺寸的滑动表锯对样品进行测量：800 mm x 50 mm x 20 mm（长度、宽度、厚度）。
   2. 制造20个样品，用于分析弹性特性（强度和模数）。
3. 根据标准EN ISO 527 2^18，从挤压材料中看到测试样品，用于拉伸属性测试。使用滑动台锯将材料切割成以下尺寸：150 mm x 20 mm x 4 mm（长度、宽度、厚度）。
   1. 通过计算机数控 （CNC） 设置用于加工哑铃形状的材料预制件。样品的狭窄部分宽度为10毫米，样品的横截面表面积为4毫米×10毫米，其中拉伸应力得到解决。狭窄部分的长度为 60 mm，以半径为 60 mm 的圆角结束。
   2. 制作 20 个样本，用于分析拉伸特性（强度和模数）。
4. 根据标准EN ISO 179-1^19，从挤出材料中看到测试样品进行冲击强度测试。
   1. 使用滑动表锯将样品切成以下尺寸：80 mm x 10 mm x 4 mm（长度、宽度、厚度）。制作 20 个样本，用于分析冲击强度属性。
5. 按照标准EN ISO 291 20将测试材料移入23°C和^50%的相对湿度条件室，直到达到恒定质量。确保样品在材料性能测试之前经过调节。
6. 执行测试（弹性、拉伸和冲击）。分别根据 EN 310 17 和 EN ISO^{527-2 18} 标准，使用测试机使用测试机进行柔力和^拉伸强度 测试，确定试样机械特性。
   1. 使用测试仪器对 20 个样品的每个样本执行弹性强度和模数测试。在两个点的支撑下设置弹性测试样品，通过单击控制测试设备 的计算机 程序中的"测试启动"将负载应用于样品中心，预载荷为 15 N，测试速度为 10 mm/min。记录结果后，测试将自动停止。从支持工具中删除测试示例，并在工具上设置新示例。
      1. 重复程序，直到20个样本被测试，并登记了程序的结果。计算机程序计算测试的平均结果。
         注：当测试工具将更改测试设备时，可以在这里暂停协议。
   2. 对 20 个加工（哑铃形）样品执行拉伸强度和模数测试。在测试工具之间设置拉伸测试样品并连接气动夹具，在测试期间将样品留在工具中。从计算机控制面板开始测试，预载负载为 10 N，测试速度为 2 mm/min，并在测试启动后立即安装扩展仪表工具。
      注：扩展仪表工具测量样品中的拉伸模数。每个测试在记录结果后自动停止。
      1. 每次测试后，从工具中卸下测试样本，并在工具上设置新示例。对所有样品重复过程。计算机程序计算平均结果值。
   3. 根据标准 EN ISO 179-1^19，使用冲击测试仪执行冲击强度测试。在支撑之间设置 10 mm x 4 mm 尺寸（宽度、厚度）样品，重置力并释放 5 kpcm 的冲击锤。
      注：由于液压锤的冲击和吸收的能量量，冲击强度测试样品破裂在测试仪指示器中可见。
      1. 记录结果并重复 20 个样本，然后计算冲击强度的平均值。记录的结果以"kpcm"单位，改为焦耳（J），结果以每平方米千焦耳表示。
         注：在冲击强度测试中，样品支撑（接触样品的线之间的距离）之间的跨度为 62 mm，或者是其厚度的 20 倍。
7. 分析机械测试的结果，如图1、图2和图3所示。

Representative Results

为了研究CDW塑料聚合物对WPC机械性能的影响，研究了三种不同的聚合物类型作为基质。 表 1 显示了材料的组成 ，表 2 报告了 制造过程。CDW-PP 的材料要求对工具的处理温度更高，但与其他材料（CDW-ABS 和 CDW-PE）相比，熔体压力较低。

图 1 将 材料的弹性强度（20 个测量值的平均值）作为条形图，包括标准偏差作为误差条。在基质中含有回收 ABS 聚合物的材料实现了最高的弹性强度值。在基质中使用再生PE聚合物的材料中，几乎实现了一致的高强度质量。在基质中含有回收PP聚合物的材料中，弹性强度最低。 图1 还提供了材料的弹性模数的类似结果，这些模量与强度属性同时测量。然而，即使回收的ABS和PE聚合物在强度测试中具有一致的结果，弹性模量的结果也不同。与回收的 ABS 聚合物相比，回收的 PE 材料具有显著降低的模量值。

图1：所研究材料的弹性特性。
柔性强度以纯色填充条（红色、绿色和蓝色）显示，弹性模数在图案填充条中使用相同的颜色显示。标准偏差称为误差条。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2 将拉伸强度和模数（20 个测量值的平均值）作为条形图，包括标准偏差作为误差条。使用回收 ABS 和 PE 的材料具有几乎一致的拉伸强度结果，但使用回收 ABS 的材料的标准偏差较高。最弱的拉伸强度是基质中含有回收PP聚合物的材料。拉伸模量的结果与弹性模量的结果一致，其中最好的模量与回收的ABS聚合物一致。

图2：所研究材料的拉伸特性。
拉伸强度以纯色填充条（红色、绿色和蓝色）显示，拉伸模数在图案填充条中使用相同的颜色显示。标准偏差称为误差条。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3 将材料的冲击强度属性（20 个测量值的平均值）显示为条形图，包括标准偏差作为误差条。回收的ABS和PP聚合物的冲击强度几乎处于同一水平，但回收PE聚合物的撞击强度更大，在这项研究中具有最佳的冲击强度特性。

图3：所研究材料的冲击强度特性。
冲击强度在纯色填充条中显示，标准差称为误差条。 请单击此处查看此图的较大版本。

ABS聚合物由三个单体组成，这可能会增加WPC内的有利行为。例如，丙烯酸酯成分有助于强度，但二苯组分成分有助于抗冲击，苯乙烯成分有助于刚性。以PE为基础的WPC在北美占最大市场份额，很容易钉钉、拧紧和锯。然而，PE以各种聚合物形式制造，如高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE），它们具有不同的特性。基于PP的WPC在这项研究中具有最弱的特性，这与其市场份额相对较小这一事实一致。虽然与聚乙烯相比，它具有几个优越的性能，如更轻、更强，但比聚乙烯^21更脆。

总体而言，复合材料的回收利用是生态上更可取的途径^8，回收废塑料是复合材料的合适原料，使用²²可提高性能。机械性能变化的原因可能是材料的组成，特别是耦合剂可能产生显著的影响。WPC中再生聚合物的机械性能得到了改进，但效果在很大程度上取决于所用剂及其结构中的量，导致使用剂^{23之间差异很大}。先前的研究表明，基于PP的WPC的最高性能是在三个百分比水平²⁴的补偿量，这与本研究使用的量一致。因此，使用的耦合代理可能比代理级别更成问题。然而，人们普遍认为，当在优化条件下使用耦合剂时，WPC的机械性能^{得到了提高}。

每种聚合物在材料中都有各自的特性，表明聚合物的分离增加了使用正确添加剂的 WPC 值。将来，新型的环保替代耦合剂可用于回收聚合物复合材料，以满足需求，如在罗查和罗莎²⁶的新研究中显示的淀粉胶。此外，塑料的再利用必须具有经济意义，因此还需要今后采取行动。

Discussion

WPC 的机械性能在决定这些产品在各种应用中的适用性方面起着重要作用。WPC 由三个主要成分组成：塑料、木材和添加剂。纤维基复合材料的机械性能取决于所用纤维的长度，其中"关键纤维长度"是用于表示足够的增强^25的术语。除了原料的特性外，原材料的质量也是WPC性能的重要因素。在这项研究中，特别是使用回收原料的地方，人们非常关注原材料。本研究使用来自CDW的材料，这些材料可能因建筑工地而异，这种变异性是比较不同研究的一个关键因素。因此，材料必须按照标准化测试进行研究，以确保产品质量的统一。

在弹性测试中，WPC 材料在承重侧遇到压缩应力，并相应地在另一端遇到拉伸应力。该测试方法基于木基面板 （EN 310） 的标准，说明挤出轮廓在实际使用中的弯曲特性。柔性测试将导致材料的压缩（上表面）和拉伸（在底面）应力，因此，挤压（空心）轮廓是对称的非常重要。弹性属性的另一个测试（例如，标准 EN ISO 178^27），其中样品的尺寸较小，不会产生所用挤出轮廓的实际值，但将分析材料的属性，而无需空心轮廓的效果。在支持范围之间使用标准化距离非常重要，因为这会影响结果。弹性强度线性取决于支撑跨度，其中增加的支撑范围导致负载^{28 的比例降低}。

一般来说，拉伸模量随着木纤维25中PP聚合物含量^{的增加而增加}。因此，我们可以假设材料的组成，包括添加剂，如耦合剂，不是这种材料的最佳。拉伸试验样品厚度之间的最高变化为0.94毫米;这种变化表明样品的紧固是关键步骤。测试机包括气动紧固件，这些紧固件会导致样品不同厚度的多余的力。因此，必须在拉伸测试开始时重置力测量，以便气动紧固件不会扭曲结果。或者，可以通过在采样阶段制造同质测试样品来消除这种故障排除。

冲击强度测试说明了材料的不同机械特征，因为它测量一时应变，而其他大多数测试测量材料的长期应变。木纤维含量的增加降低了冲击强度^25。样品的尺寸必须在所有测试中进行测量，研究人员在使用测量设备时可能存在差异（例如，使用卡钳或千分尺时有压缩力）。因此，在同一个人测量每个测试中样本的尺寸非常重要，从而排除了测量中的人为误差。修改技术的另一个选项是使用包含压缩时刻的设备。此外，测试气氛对研究特性有影响。在这项研究中，所有研究的测试都是在同一条件下进行的，因此大气效应相似，每次试验都有巧合的效果。作为未来的应用，测试可以在将大气设置为稳定的房间内执行。

由于 WPC 至少由两种材料组成，例如木材和聚合物，因此可能会使标准的选择复杂化。例如，对木材材料以及聚合物材料可能有适当的标准，这将在选择适当的研究标准方面造成限制。标准组织已发布标准（EN 15534-1：2014+A1：2017），其中对采用纤维素材料和热塑性塑料制成的复合材料的测试方法进行了描述。该标准允许遵循欧洲标准的研究人员在研究中以普遍的方式行事。如果相当一部分研究人员遵循另一种标准（例如，ASTM国际），则会出现并发症，这将导致结果比较出现问题。未来的发展可能是单一标准组织，其标准将在全球有效。

WPC 的标准包括测量属性的详细说明，但研究人员对这些标准的解释可能有所不同。研究机构之间的基准可以统一操作方法，但可能不允许，因为研究机构往往是处理机密信息的受限机构。因此，这种视觉描述的工作确保了测试实践对更多的人是通用的，从而限制了误解的可能性。

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