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L’effet des fractions plastiques de déchets de construction et de démolition sur les propriétés composites bois-polymère

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

Il a été démontré que les flux de matières secondaires comprennent des matières premières potentielles pour la production. Présenté ici est un protocole dans lequel les déchets CDW-plastique comme une matière première est identifié, suivie par diverses étapes de traitement (agglomération, extrusion). En conséquence, un matériau composite a été produit, et les propriétés mécaniques ont été analysées.

Abstract

Les déchets de construction et de démolition (CDW), y compris les matériaux précieux tels que les plastiques, ont une influence remarquable sur le secteur des déchets. Pour que les matières plastiques soient réutilées, elles doivent être identifiées et séparées en fonction de leur composition en polymère. Dans cette étude, l’identification de ces matériaux a été effectuée à l’aide de spectroscopie proche infrarouge (NIR), qui a identifié le matériel en fonction de leurs propriétés physico-chimiques. Les avantages de la méthode NIR sont un faible impact environnemental et une mesure rapide (en quelques secondes) dans la gamme spectrale de 1600-2400 nm sans préparation spéciale de l’échantillon. Les limites comprennent son incapacité à analyser les matériaux sombres. Les polymères identifiés ont été utilisés comme composant pour le composite bois-polymère (WPC) qui se compose d’une matrice de polymère, de charges à faible coût et d’additifs. Les composants ont d’abord été composés d’un appareil d’agglomération, suivi de la production par extrusion. Dans le processus d’agglomération, l’objectif était de composer tous les matériaux pour produire des matériaux uniformément distribués et granulés sous forme de granulés. Pendant le processus d’agglomération, le polymère (matrice) a été fondu et les charges et autres additifs ont ensuite été mélangés dans le polymère fondu, étant prêt pour le processus d’extrusion. Dans la méthode de l’extrusion, des forces de chaleur et de cisaillement ont été appliquées à un matériau à l’intérieur du canon d’un extrudeur conique de type double-vis rotatif, ce qui réduit le risque de brûler les matériaux et de réduire le mélange de cisaillement. Le mélange chauffé et cisa cisaillement a ensuite été transmis par une matrice pour donner au produit la forme désirée. Le protocole décrit ci-dessus a prouvé le potentiel de réutilisation des matériaux CDW. Les propriétés fonctionnelles doivent être vérifiées selon les tests normalisés, tels que les tests de résistance flexurale, tensile et d’impact pour le matériau.

Introduction

La production mondiale de déchets a considérablement augmenté au cours de l’histoire et devrait augmenter de dizaines de pourcentages à l’avenir à moins que des mesures ne soient prises1. En particulier, les pays à revenu élevé ont généré plus d’un tiers des déchets mondiaux, bien qu’ils ne représentent que 16 % de la population mondiale1. Le secteur de la construction est un important producteur de ces déchets en raison de l’urbanisation rapide et de la croissance démographique. Selon les estimations, environ un tiers des déchets solides mondiaux sont constitués de projets de construction et de démolition; toutefois, les valeurs exactes de différentes zones manquent2. Dans l’Union européenne (UE), la quantité de déchets de construction et de démolition (CDW) représente environ 25 à 30 % de la production totale de déchets3,et comprend des matières premières secondaires précieuses et importantes, comme le plastique. Sans collecte et gestion organisées, le plastique peut contaminer et influencer négativement les écosystèmes. En 2016, 242 millions de tonnes de déchets plastiques ont été produites dans le monde1. La part du plastique recyclé en Europe n’était que de 31,1%4.

La rareté des ressources a créé un besoin de changer les pratiques vers une économie circulaire, dans laquelle les objectifs sont d’utiliser les déchets comme source de ressources secondaires et de récupérer les déchets pour la réutilisation. La croissance économique et les impacts environnementaux minimisés seront créés par l’économie circulaire, qui est un concept populaire en Europe. La Commission européenne a adopté un plan d’action de l’Union européenne pour une économie circulaire, qui fixe des objectifs et des indicateurs de contributions5.

Des réglementations et des lois environnementales plus strictes contribuent à ce que le secteur de la construction consacre davantage d’efforts à la gestion des déchets et au recyclage des matériaux. Par exemple, l’Union européenne (UE) a fixé des objectifs de récupération matérielle. À partir de 2020, le taux de récupération des matériaux de CDW non dangereux devrait être de 70 %6. La composition du CDW peut varier considérablement d’un endroit à l’autre, mais certaines caractéristiques communes peuvent être identifiées, y compris, par exemple, le plastique qui est une matière première potentielle et précieuse pour les composites bois-polymère. La réutilisation du plastique est une étape concrète vers une économie circulaire dans laquelle les polymères en plastique vierge sont substitués par des polymères recyclés.

Les matériaux composites sont un système en plusieurs phases, composé d’un matériau matriciel et d’une phase de renforcement. Le composite bois-polymère (WPC) contient généralement des polymères comme matrice, des matériaux en bois comme renforcement et des additifs pour améliorer l’adhérence, tels que les agents de couplage et les lubrifiants. WPC peut être connu comme un matériau respectueux de l’environnement parce que la matière première peut provenir de matériaux renouvelables, tels que l’acide polylactique (PLA) et le bois. Selon la dernière innovation7, les additifs de WPC peuvent être basés sur des sources renouvelables. En outre, la source de la matière première peut être recyclée (non vierge) matières, qui est une alternative écologiquement et techniquement supérieure8. Par exemple, les chercheurs ont étudié wpc extrudé qui contient CDW, et ont constaté que les propriétés des composites basés sur CDW étaient à un niveau acceptable9. L’utilisation des matières premières recyclées en tant que composant pour WPC est également acceptable sur le plan environnemental, comme l’ont prouvé plusieurs évaluations. Dans l’ensemble, il a été démontré que l’utilisation de CDW dans la production de WPC peut diminuer les influences environnementales de la gestion cdw10. En outre, il a été constaté que l’utilisation de polypropylène recyclé (PP) en plastique dans WPC a le potentiel de réduire le réchauffement climatique11.

La quantité de polymères recyclés disponibles augmentera à l’avenir. La production mondiale de plastique a augmenté d’environ 9 % par an, en moyenne, et on s’attend à ce que cette augmentation se poursuive à l’avenir12. Les types de polymères plastiques les plus généraux sont, entre autres, le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE). La part de la demande totale pour PE et PP était de 29,8% et 19,3%, respectivement, en Europe en 20174. Le marché mondial du recyclage du plastique devrait croître à un taux de croissance annuel de 5,6 % au cours de la période 2018-202613. L’une des principales applications dans lesquelles les plastiques sont utilisés est la construction et la construction. Par exemple, près de 20 % de la demande totale de plastique européen a été associée à des applications de construction et de construction4. D’un point de vue économique, l’utilisation de polymères recyclés dans la fabrication WPC est une alternative intéressante, conduisant à la production de matériaux à faible coût. Des recherches antérieures ont montré que les effets physiques ont une influence plus forte sur les matériaux extrudés fabriqués à partir de plastique secondaire par rapport au matériau vierge correspondant, mais les propriétés dépendent de la source en plastique14. Cependant, l’utilisation de plastique recyclé diminue la résistance de WPC en raison de la compatibilité inférieure15. La variation entre les structures des polymères plastiques suscite des préoccupations en matière de réutilisation et de recyclage, ce qui contribue à l’importance du tri plastique à base du polymère.

Cette étude a pour intention d’évaluer l’utilisation des matières plastiques du CDW comme matière première pour WPC. Les fractions polymères évaluées dans l’étude sont l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE). Ceux-ci sont connus sous le nom de fractions plastiques universelles au sein de CDW. Les fractions polymères sont traitées avec des procédés de fabrication généraux, tels que l’agglomération et l’extrusion, et sont testées avec des essais de propriété mécanique universelle. L’objectif principal de l’étude est de découvrir comment les propriétés de WPC modifieraient si les polymères recyclés étaient utilisés comme matière première dans la matrice au lieu des polymères vierges primaires.

Basé sur le centre (local) de gestion des déchets (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), il a été montré comment le CDW riche en plastique est stocké. Il a été démontré qu’une grande quantité de matière plastique est incluse et quelques exemples de polymères plastiques CDW ont été montrés. Les chercheurs ont recueilli les polymères les plus appropriés pour un traitement ultérieur, tels que l’ABS, le PP et l’EP. Les polymères désirés (PE, PP, ABS) ont été identifiés à l’aide de la spectroscopie portative proche infrarouge (NIR). Des exemples de produits WPC ont été présentés dans lesquels les matières plastiques recueillies pouvaient être utilisées comme matière première. La définition du composite et ses avantages ont été expliqués.

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Protocol

1. Identification et prétraitement

  1. Identifiez les polymères dans le plastique à l’aide de l’outil portatif de spectroscopie proche infrarouge (NIR) dans la gamme spectrale de 1600 à 2400 nm. Communiquez avec le polymère avec l’outil de spectroscopie et déterminez le polymère par la réflectance mesurée.
    1. Selon la courbe d’identification de la spectroscopie, analyser les résultats d’identification de l’écran dans le laboratoire.
  2. Sur la base du résultat d’identification, trier les matériaux entre les polymères et mesurer leurs poids respectifs.
    REMARQUE : Le matériel a été trié et pondéré en fonction des résultats d’identification mesurés. Les polymères sélectionnés pour le traitement ultérieur étaient ABS, PE et PP avec les quantités, 27,1, 14,2 et 44,7 kg, respectivement.
  3. Effectuer une réduction de taille pour les matières plastiques sélectionnées dans des conditions de laboratoire avec un appareil de broyeur. Placez les matériaux recueillis et identifiés dans l’appareil qui broyait les matériaux avec la force mécanique des impacts de marteaux.
    1. Écraser les matières plastiques à l’aide d’un système de déchiquetage à un seul arbre avec un broyeur/broyeur équipé d’une taille de tamis variant de 10 à 20 mm.
    2. Soumettez les fragments de plastique à un broyeur à basse vitesse, équipé d’un tamis de 5 mm. Assurez-vous que le matériau est homogène.
  4. Mesurer les quantités de matériaux pour les composites. Montrez une recette à titre d’exemple et présentez ces matériaux dans les quantités relatives de plastique, de bois, d’agent de couplage et de lubrifiant (64, 30, 3 et 3 wt%, respectivement).
    NOTE : Trois composites différents ont été étudiés dans cette étude. Les polymères en plastique recyclés du CDW étaient ABS, PP et PE. Le remplissage du matériau composite était la farine de bois, qui a été préparée à partir d’une espèce d’épinette séchée(Picea abies) taille réduite à l’aide d’équipement de concassage et tamisée pour une taille homogène (maille de 20 mm). Des additifs commerciaux d’agent de couplage et de lubrifiant ont été utilisés. Les compositions et le nom des matériaux préparés sont indiqués au tableau 1.
Matériel Polymère
/ montant		 Bois CA Lubr
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tableau 1 : Composition des matériaux étudiés. Le nom de l’échantillon se compose du composant matriciel inclus, du styrène de l’acrylonitrile recyclé (ABS), du polypropylène (PP) et du polyéthylène (PE) provenant des déchets de construction et de démolition (CDW). Les quantités de bois, d’agent de couplage (CA) et de lubrifiant (Lubr.) étaient les mêmes dans tous les échantillons.

2. Traitement des matériaux WPC avec la technologie d’extrusion après traitement de réduction de taille

  1. Transférer les matériaux identifiés et pré-traités plus près de l’étape suivante (agglomération).
    ATTENTION : Le matériau plastique de l’ABS comprend un composant styrène. Le Centre international de recherche sur le cancer considère que le styrène est « peut-être cancérogène pour l’homme ». Par conséquent, l’étape d’agglomération en action n’a pas été incluse dans le tournage, mais son processus est décrit dans ce travail. En outre, seul le polymère PP ou PE a été utilisé dans la production d’extrusion pendant le tournage.
  2. Effectuer l’agglomération du matériau.
    1. Mélanger tous les composants du procédé (polymère, bois, agent de couplage et lubrifiant) dans un appareil composé d’un turbomixer et d’un refroidisseur. Agglomère les matériaux dans le turbomixer jusqu’à ce que la température des matériaux atteigne 200 °C. En raison de l’effet combiné de la température et de la friction, les matériaux de granules ont été formés après le processus de traitement de l’agglomération.
    2. Refroidir les matériaux après le traitement turbomixer pendant 4-7 minutes dans un appareil plus frais.
  3. Évacuer le matériel du processus et ramasser les matériaux agglomérés.
  4. Transférer les matériaux traités par agglomération à l’étape suivante du processus (extrusion).
    1. Cliquez sur le panneau de commande de la machine d’extrusion et vérifiez les paramètres corrects. Les températures moyennes du baril et de l’outil variaient entre 167 et 181 °C, et 183 et 207 °C, respectivement. La température de fonte variait entre 164 et 177 °C, et les pressions de matrice étaient comprises entre 3,7 et 5,9 MPa. Ajuster les paramètres parce que les matériaux recyclés sont hétérogènes, et le processus nécessite un contrôle professionnel.
    2. Composé des composants à l’aide d’un extrudeur à double vis conique à double vis avec une sortie matérielle de 15 kg/h. Les paramètres des matériaux sont présentés au tableau 2. Après le processus d’extrusion, le profil du composite a été généré.
Matériel Baril T °C Outil T °C Faire fondre T °C Fondre
Pression (barre)		 Alimentation
taux (kg/h)		 Avg.Screw
vitesse (tr/min)
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

Tableau 2 : Paramètres de traitement des matériaux composites. (Les valeurs après la marque « ± » indiquent des écarts types. Avg. = moyenne)

3. Échantillonnage des matériaux produits et analyse des propriétés

  1. Préparer des échantillons pour les essais de propriété mécanique en laboratoire.
    1. Couper des échantillons à partir de profils extrudés à l’aide d’une machine (c.-à-d. une scie à table coulissante). Trois spécimens de taille différente sont nécessaires pour les essais : flexural, tendu et force d’impact.
    2. Déterminer la taille des échantillons d’essai selon les normes applicables, sur la base de la recommandation de l’EN 1553416. Selon la norme, tester un minimum de cinq spécimens, mais le nombre de mesures peut être supérieur à cinq si une plus grande précision de la valeur moyenne est nécessaire.
  2. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour l’essai de propriété flexible, selon la norme EN 31017.
    1. Utiliser une scie à table coulissante avec les dimensions suivantes pour l’échantillon : 800 mm x 50 mm x 20 mm (longueur, largeur, épaisseur).
    2. Fabriquer 20 échantillons pour l’analyse des propriétés flexurales (résistance et module).
  3. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour le test de propriété de traction, selon la norme EN ISO 527 218. Utilisez la scie à table coulissante pour couper le matériau dans les dimensions suivantes : 150 mm x 20 mm x 4 mm (longueur, largeur, épaisseur).
    1. Définissez les préformes de matériau pour l’usinage d’une forme de cloche muette via le contrôle numérique par ordinateur (CNC). La largeur de l’échantillon à sa portion étroite était de 10 mm, et la surface transversale de l’échantillon était de 4 mm x 10 mm, où le stress de traction a été abordé. La longueur de la partie étroite était de 60 mm, se terminant dans un coin arrondi avec un rayon de 60 mm.
    2. Faire 20 échantillons pour l’analyse des propriétés de la traction (résistance et module).
  4. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour le test de résistance d’impact, selon la norme EN ISO 179-119.
    1. Utilisez la scie à table coulissante pour couper les échantillons dans les dimensions suivantes : 80 mm x 10 mm x 4 mm (longueur, largeur, épaisseur). Faire 20 échantillons pour l’analyse de la propriété de force d’impact.
  5. Déplacer le matériau d’essai dans la chambre d’état d’humidité relative de 23 °C et 50 %, selon la norme EN ISO 29120, jusqu’à ce qu’une masse constante soit atteinte. Assurez-vous que les échantillons sont conditionnés avant l’essai des propriétés du matériau.
  6. Effectuer les tests (flexural, tendu et impact). Déterminer les caractéristiques mécaniques des spécimens par des essais de résistance flexurale et tendu avec une machine d’essai conformément aux normes EN 31017 et EN ISO 527-218, respectivement.
    1. Effectuer un test de résistance flexurale et de module pour chacun des 20 échantillons, à l’aide de l’appareil d’essai. Placez l’échantillon d’essai flexible à l’appui de deux points et appliquez une charge au centre de l’échantillon en cliquant sur Début de test dans le programme informatique qui contrôle l’appareil d’essai, avec une préchargement de 15 N et une vitesse d’essai de 10 mm/min. Le test s’arrête automatiquement après l’enregistrement du résultat. Supprimez l’exemple de test des outils de support et définissez un nouvel exemple sur les outils.
      1. Procédure de répétition jusqu’à ce que 20 échantillons aient été testés et que les résultats du programme aient été enregistrés. Le programme informatique calcule les résultats moyens du test.
        REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici pendant que les outils de test seront modifiés pour l’appareil de test.
    2. Effectuez un test de résistance à la traction et de module pour 20 échantillons usinés (en forme de cloche muette). Réglez l’échantillon de test de traction entre les outils d’essai et attachez des pinces pneumatiques, qui conserveront l’échantillon dans les outils pendant le test. Démarrez le test à partir du panneau de commande de l’ordinateur, avec une préchargement de 10 N et une vitesse d’essai de 2 mm/min, et attachez un outil de compteur d’extension immédiatement après le début de l’essai.
      REMARQUE : L’outil de compteur d’extension mesure le module de traction de l’échantillon. Chaque test s’est arrêté automatiquement après l’enregistrement de son résultat.
      1. Retirez l’échantillon de test de l’outil après chaque test et définissez un nouvel échantillon sur les outils. Procédure de répétition pour tous les échantillons. Le programme informatique calcule les valeurs de résultats moyennes.
    3. Effectuer un test de force d’impact avec un testeur d’impact, conformément à la norme EN ISO 179-119. Réglez la taille de 10 mm x 4 mm de l’échantillon (largeur, épaisseur) entre le support, réinitialisez la force et relâchez le marteau d’impact de 5 kpcm.
      REMARQUE : Les ruptures d’échantillon d’essai de résistance à l’impact dues à l’impact du marteau et la quantité d’énergie absorbée sont visibles dans l’indicateur du testeur.
      1. Enregistrez le résultat et répétez le résultat pour les 20 échantillons, après quoi la valeur moyenne de la force d’impact est calculée. Les résultats enregistrés étaient dans l’unité « kpcm », qui a été changée en joule (J), et les résultats ont été présentés comme un kilojoule par mètre carré.
        REMARQUE : La portée entre le support de l’échantillon (distance entre les lignes du contact de l’échantillon) dans l’essai de résistance à l’impact était de 62 mm ou, alternativement, 20x son épaisseur.
  7. Analyser les résultats des essais mécaniques, qui sont présentés à la figure 1, figure 2 et figure 3.

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Representative Results

Pour étudier l’effet du polymère plastique CDW sur les propriétés mécaniques de WPC, trois types de polymères différents en tant que matrice ont été étudiés. Le tableau 1 présente la composition des matériaux et le tableau 2 rend compte des processus de fabrication. Le matériau du CDW-PP nécessite une température de traitement plus élevée pour les outils, mais, par conséquent, la pression de fonte était plus faible par rapport aux autres matériaux (CDW-ABS et CDW-PE).

La figure 1 présente la résistance flexurale du matériau (une moyenne de 20 mesures) sous forme de graphiques à barres, y compris les écarts types comme barre d’erreur. Les valeurs de résistance flexurales les plus élevées ont été obtenues avec un matériau contenant un polymère ABS recyclé dans une matrice. La qualité de haute résistance presque congruente a été obtenue dans le matériel dans lequel le polymère de PE recyclé a été employé dans une matrice. Les forces flexurales les plus faibles ont été obtenues avec du matériau contenant un polymère PP recyclé dans une matrice. La figure 1 présente également des résultats similaires pour le module flexural des matériaux, qui a été mesuré simultanément avec la propriété de résistance. Cependant, même si les polymères recyclés ABS et PE ont des résultats congruents comme dans les tests de résistance, les résultats modulus flexural étaient différents. Les matériaux pe recyclés ont une valeur modulus significativement inférieure par rapport à la valeur du polymère ABS recyclé.

Figure 1
Figure 1 : Propriétés flexurales des matériaux étudiés.
La force flexurale est présentée dans les barres pleines de couleurs (rouge, vert et bleu) et le modulus flexural est présenté en utilisant les mêmes couleurs dans les barres remplies de motifs. Les écarts types sont décrits comme des barres d’erreur. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 2 montre la résistance à la traction et le module (une moyenne de 20 mesures) comme graphiques à barres, y compris les écarts types comme barre d’erreur. Les matériaux, dans lesquels l’ABS et l’EP recyclés ont été utilisés, ont des résultats de résistance à la traction presque congrues, mais l’écart type était plus élevé pour le matériau dans lequel l’ABS recyclé a été utilisé. La résistance à la traction la plus faible a été réalisée avec un matériau contenant un polymère PP recyclé dans une matrice. Les résultats du module de traction étaient compatibles avec les résultats du modulus flexural, dans lequel le meilleur module a été réalisé avec le polymère ABS recyclé.

Figure 2
Figure 2 : Propriétés de traction des matériaux étudiés.
La résistance à la traction est présentée dans les barres pleines de couleurs (rouge, vert et bleu) et le module de traction est présenté en utilisant les mêmes couleurs dans les barres remplies de motifs. Les écarts types sont décrits comme des barres d’erreur. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 3 affiche les propriétés de la force d’impact des matériaux (une moyenne de 20 mesures) en tant que graphiques à barres, y compris les écarts types comme barre d’erreur. Les forces d’impact des polymères recyclés ABS et PP étaient presque au même niveau, mais une plus grande force d’impact a été atteinte avec le polymère recyclé PE, qui a eu la meilleure propriété de force d’impact dans cette étude.

Figure 3
Figure 3 : Propriétés de la force d’impact des matériaux étudiés.
La force d’impact est présentée dans les barres remplies de couleurs solides et les écarts standard sont décrits comme des barres d’erreur. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Polymère ABS se compose de trois monomères, ce qui pourrait augmenter le comportement favorable au sein du WPC. Par exemple, le composant acrylonitrule contribue à la force, les composants de butadiène contribuent à la résistance à l’impact, et les composants de styrène contribuent à la rigidité. WPC, basé sur pe, représente la plus grande part de marché, par exemple en Amérique du Nord, et il est facile de clouer, de vis et de scie. Cependant, pe est fabriqué sous diverses formes polymères, telles que le polyéthylène à haute densité (HDPE) et le polyéthylène de basse densité (LDPE), qui ont des caractéristiques différentes. Le WPC, basé dans le PP, possédait les propriétés les plus faibles de cette étude, ce qui correspond au fait que sa part de marché est relativement faible. Bien qu’il ait plusieurs propriétés supérieures par rapport au polyéthylène, comme être plus léger et plus fort, il est également plus fragile que le polyéthylène21.

Dans l’ensemble, le recyclage des composites est la voie écologiquement préférable8, et le plastique recyclé de déchets est une matière première appropriée pour les composites, dans lequel la performance peut être améliorée en utilisant compatibilizers22. La raison de diverses propriétés mécaniques peut être due à la composition des matériaux et, en particulier, l’agent de couplage peut avoir un effet significatif. Les propriétés mécaniques des polymères recyclés dans WPC ont été améliorées avec compatibilizers mais les effets dépendent fortement de l’agent utilisé et de sa quantité dans la structure, causant une grande variation entre les agents utilisés23. Une étude précédente a indiqué que la performance la plus élevée de PPP basée WPC a été atteint avec des quantités de compatibilizers à trois niveaux de pourcentage24, ce qui est compatible avec la quantité utilisée dans cette étude. Ainsi, l’agent de couplage utilisé pourrait être plus problématique que le niveau d’agent. Toutefois, il est généralement admis que les performances mécaniques des WPC sont améliorées lorsque les agents de couplage sont utilisés dans des conditions optimisées25.

Chaque polymère a des caractéristiques individuelles dans le matériau, démontrant que la séparation des polymères augmente la valeur de WPC avec les additifs corrects. À l’avenir, de nouveaux agents de couplage alternatifs respectueux de l’environnement pour les composites de polymère recyclé pourraient être utilisés pour répondre à la demande, comme la gomme à amidon montrée dans une nouvelle étude de Rocha et Rosa26. En outre, la réutilisation du plastique doit avoir un sens économique, et donc aussi exiger des mesures futures.

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Discussion

Les propriétés mécaniques de WPC jouent un rôle important dans la décision de la pertinence de ces produits dans diverses applications. WPC se compose de trois ingrédients principaux : le plastique, le bois et les additifs. Les propriétés mécaniques des composites à base de fibres dépendent de la longueur de la fibre utilisée, où la « longueur critique de fibre » est le terme utilisé pour indiquer un renforcement suffisant25. En plus des propriétés des ingrédients, la qualité des matières premières est le facteur important pour la performance de WPC. Dans cette étude, en particulier, où des matières premières recyclées ont été utilisées, une grande attention a été accordée aux matières premières. Cette étude a utilisé des matériaux provenant de CDW qui peuvent varier d’un chantier de construction à l’autre, et cette variabilité est un facteur critique dans la comparaison des différentes études. Par conséquent, le matériel doit être étudié selon les tests normalisés qui assurent une qualité uniforme du produit.

Dans un essai flexural, le matériau WPC éprouve un stress compressif du côté porteur de la charge et, par conséquent, un stress de traction à l’extrémité opposée. La méthode d’essai est basée sur la norme des panneaux à base de bois (EN 310), illustrant les propriétés flexurales d’un profil extrudé dans l’utilisation réelle. L’essai flexural provoquera la compression (sur la surface supérieure) et la traction (sur le dessous) de contrainte pour le matériau, il est donc important que le profil extrudé (creux) soit symétrique. Un autre test pour la propriété flexurale (par exemple, la norme EN ISO 17827), où les dimensions de l’échantillon étaient plus petites, ne donnera pas la valeur réelle pour le profil d’extrusion utilisé, mais analysera la propriété du matériau sans l’effet d’un profil creux. Il est important d’utiliser une distance normalisée entre les durées de support, car cela a une influence sur les résultats. La résistance flexurale dépend linéairement de la durée de soutien, dans laquelle une envergure de soutien accrue conduit à une diminution proportionnelle de la charge28.

En général, le module de traction augmente avec la teneur croissante pp polymère dans la fibre de bois25. Par conséquent, nous pouvons supposer que la composition des matériaux, y compris les additifs tels qu’un agent de couplage, n’étaient pas optimales pour ce matériau. La variation la plus élevée entre les épaisseurs des échantillons d’essai de traction était de 0,94 mm; cette variation indique que la fixation des échantillons est une étape critique. La machine d’essai comprenait des attaches pneumatiques qui causent une force superflue avec les différentes épaisseurs des échantillons. Par conséquent, la mesure de la force doit être réinitialisée au début de l’essai de traction afin que les attaches pneumatiques ne faussent pas les résultats. Par ailleurs, ce dépannage pourrait être éliminé par la fabrication d’échantillons homogènes pendant la phase d’échantillonnage.

Le test de résistance à l’impact illustre une caractéristique mécanique différente du matériau parce qu’il mesure une souche momentanée, tandis que la plupart des autres essais mesurent la souche à long terme du matériau. La teneur croissante en fibres de bois a diminué la force d’impact25. Les dimensions des échantillons doivent être mesurées dans tous les essais, et il peut y avoir des variations entre les chercheurs dans l’utilisation des dispositifs de mesure (p. ex., force de compression dans l’utilisation d’un étrier ou d’un micromètre). Par conséquent, il est important que la même personne mesure les dimensions des échantillons dans chaque essai, excluant ainsi les erreurs humaines dans les mesures. Une autre option comme technique de modification est d’utiliser un appareil qui inclut un moment de compression. En outre, l’atmosphère d’essai peut avoir une influence sur les propriétés étudiées. Dans cette étude, tous les tests étudiés ont été effectués dans les mêmes conditions, de sorte que l’effet de l’atmosphère était similaire, et a eu un effet coïncident pour chaque test. En tant qu’application future, les tests pourraient être effectués dans une salle où l’atmosphère est réglée pour être stable.

Étant donné que WPC se compose d’au moins deux matériaux, tels que le bois et le polymère, il peut compliquer le choix d’une norme. Par exemple, il peut y avoir des normes appropriées pour les matériaux en bois, ainsi que pour les matériaux polymères, qui entraîneront des limites dans le choix d’une norme appropriée pour l’étude. L’organisation standard a publié des normes (EN 15534-1:2014+A1:2017) dans lesquelles les méthodes d’essai pour les composites fabriqués à partir de matériaux à base de cellulose et de thermoplastiques ont été caractérisées. La norme permet aux chercheurs qui suivent la norme européenne d’agir de manière universelle dans leurs études. Une complication peut survenir si une partie importante des chercheurs suit une autre norme (p. ex., ASTM International), ce qui posera des problèmes dans les comparaisons de résultats. Un développement futur peut être une organisation standard unique dont les normes seraient valables à l’échelle mondiale.

Les normes des PWP comprennent des instructions détaillées pour la mesure des propriétés, mais leur interprétation peut varier d’un chercheur à l’autre. L’analyse comparative entre les organismes de recherche pourrait unifier les méthodes d’exploitation, mais elle pourrait ne pas être autorisée parce que les organismes de recherche sont souvent des établissements restreints qui traitent des renseignements confidentiels. Par conséquent, ce genre de travail décrit visuellement garantit que les pratiques d’essai sont universelles pour un plus grand nombre de personnes, limitant ainsi les possibilités d’incompréhension.

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Disclosures

Circwaste-project reçoit un soutien financier de l’UE pour la production de son matériel. Les points de vue reflétés dans le contenu sont entièrement les propres du projet et la Commission européenne n’est pas responsable de leur utilisation.

Acknowledgments

Les auteurs reconnaissent le soutien de la plate-forme de recherche LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) coordonnée par l’Université LUT et par la Life IP sur les déchets — Vers une économie circulaire en Finlande (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). Le financement du projet a été reçu du programme intégré life de l’UE, des entreprises et des villes.

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

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References

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Ce mois-ci dans JoVE numéro 160 Économie circulaire déchets de construction et de démolition (CDW) plastique séparation tri recyclage utilisation composite bois-polymère (WPC) propriétés mécaniques
L’effet des fractions plastiques de déchets de construction et de démolition sur les propriétés composites bois-polymère
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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).

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