Summary
È stato dimostrato che i flussi di materiale secondario includono potenziali materie prime per la produzione. Presentato qui è un protocollo in cui vengono identificati i rifiuti di plastica CDW come materia prima, seguiti da varie fasi di lavorazione (agglomerazione, estrusione). Di conseguenza, è stato prodotto un materiale composito e sono state analizzate le proprietà meccaniche.
Abstract
I rifiuti da costruzione e demolizione (CDW), compresi i materiali preziosi come la plastica, hanno una notevole influenza sul settore dei rifiuti. Affinché i materiali plastici possano essere nuovamente utilizzati, devono essere identificati e separati in base alla loro composizione polimerica. In questo studio, l'identificazione di questi materiali è stata eseguita utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR), che ha identificato il materiale in base alle loro proprietà fisico-chimiche. I vantaggi del metodo NIR sono un basso impatto ambientale e una misurazione rapida (entro pochi secondi) nell'intervallo spettrale di 1600-2400 nm senza una speciale preparazione del campione. Le limitazioni includono la sua incapacità di analizzare i materiali scuri. I polimeri identificati sono stati utilizzati come componente per il composito del polimero di legno (WPC) costituito da una matrice polimerica, riempitivi a basso costo e additivi. I componenti sono stati prima composti con un apparato di agglomerazione, seguito dalla produzione da estrusione. Nel processo di agglomerazione, l'obiettivo era quello di composto tutti i materiali per produrre materiali distribuiti uniformemente e granulati come pellet. Durante il processo di agglomerazione, il polimero (matrice) è stato fuso e riempitivi e altri additivi sono stati poi mescolati nel polimero fuso, essendo pronti per il processo di estrusione. Nel metodo di estrusione, le forze di calore e taglio sono state applicate a un materiale all'interno della canna di un estrusore di tipo a doppia vite conica, che riduce il rischio di bruciare i materiali e la miscelazione di taglio inferiore. La miscela riscaldata e tosata è stata poi trasmessa attraverso un da dito per dare al prodotto la forma desiderata. Il protocollo sopra descritto ha dimostrato il potenziale di ri-utilizzo dei materiali CDW. Le proprietà funzionali devono essere verificate in base ai test standardizzati, come i test di flessione, tensione e resistenza all'impatto del materiale.
Introduction
La produzione globale di rifiuti è cresciuta in modo significativo nel corso della storia e si prevede che aumenterà di decine di percentuali in futuro, a meno che non si zioniun'azione 1. In particolare, i paesi ad alto reddito hanno generato più di un terzo dei rifiuti mondiali, sebbene essi rappresentano solo il 16% della popolazione mondiale1. Il settore delle costruzioni è un produttore significativo di questi rifiuti a causa della rapida urbanizzazione e della crescita della popolazione. Secondo le stime, circa un terzo dei rifiuti solidi globali è costituito da progetti di costruzione e demolizione; tuttavia, i valori esatti provenienti da aree diverse sonomancanti 2. Nell'Unione europea (UE), la quantità di rifiuti da costruzione e demolizione (CDW) è di circa il 25%-30% della produzione totale dirifiuti 3e comprende materie prime secondarie preziose e significative, come la plastica. Senza la raccolta e la gestione organizzate, la plastica può contaminare e influenzare negativamente gli ecosistemi. Nel 2016 sono state generate 242 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica nel mondo1. La quota di plastica riciclata in Europa era solo del 31,1%4.
La scarsità di risorse ha creato la necessità di cambiare le pratiche verso un'economia circolare, in cui gli obiettivi sono di utilizzare i rifiuti come fonte di risorse secondarie e recuperare i rifiuti per il riutilizzo. La crescita economica e l'impatto ambientale minimizzato saranno creati dall'economia circolare, che è un concetto popolare in Europa. La Commissione europea ha adottato un piano d'azione dell'Unione europea per un'economia circolare, che ha fissato obiettivi e indicatori per icontributi 5.
Norme e leggi ambientali più severe stanno contribuendo al settore delle costruzioni che si sta ade utilizzando maggiori sforzi nella gestione dei rifiuti e nelle questioni relative al riciclaggio dei materiali. Ad esempio, l'Unione europea (UE) ha fissato obiettivi per il recupero dei materiali. A partire dal 2020, il tasso di recupero materiale di CDW non pericolosi dovrebbe essere del 70%6. La composizione della CDW può variare ampiamente da una posizione geografica all'altra, ma è possibile identificare alcune caratteristiche comuni, tra cui, ad esempio, la plastica che è una materia prima potenziale e preziosa per i compositi del polimero di legno. Il riutilizzo della plastica è un passo concreto verso un'economia circolare in cui i polimeri in plastica vergine vengono sostituiti da polimeri riciclati.
I materiali compositi sono un sistema multi-fase, costituito da un materiale a matrice e da una fase di rinforzo. Il composito polimero di legno (WPC) contiene tipicamente polimeri come matrice, materiali legnosi come rinforzo e additivi per migliorare l'adesione, come agenti di accoppiamento e lubrificanti. Il WPC può essere conosciuto come un materiale rispettoso dell'ambiente perché la materia prima può essere fonte da materiali rinnovabili, come l'acido polilattico (PLA) e il legno. Secondo l'ultima innovazione7, gli additivi di WPC possono essere basati su fonti rinnovabili. Inoltre, la fonte della materia prima può essere riciclata (non vergine), che è un'alternativa ecologicamente e tecnicamente superiore8. Ad esempio, i ricercatori hanno studiato il WPC estruso che contiene CDW e hanno scoperto che le proprietà dei compositi basati su CDW erano a un livelloaccettabile 9. Anche l'utilizzo di materie prime riciclate come componente per il WPC è accettabile dal punto di vista ambientale, come dimostrato da diverse valutazioni. Nel complesso, è stato dimostrato che l'utilizzo di CDW nella produzione di WPC può diminuire le influenze ambientali della gestione CDW10. Inoltre, è stato scoperto che l'utilizzo di plastica riciclata in polipropilene (PP) in WPC ha il potenziale per ridurre il riscaldamento globale11.
La quantità di polimeri riciclati disponibili aumenterà in futuro. La produzione globale di plastica è aumentata in media di circa il 9% rispetto all'anno, e si prevede che questo incremento continuerà neiprossimi 12. I tipi di polimero plastico più generali sono, tra l'altro, il polipropilene (PP) e il polietilene (PE). Le quote della domanda totale di PE e PP sono state rispettivamente del 29,8% e del 19,3%, in Europa nel 20174. Il mercato globale del riciclo della plastica dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuo del 5,6% nel periodo 2018-202613. Una delle principali applicazioni in cui viene utilizzata la plastica è la costruzione e la costruzione. Ad esempio, quasi il 20% della domanda totale di plastica europea è stata associata alle applicazioni edilizie e edilizie4. Da un punto di vista economico, l'uso di polimeri riciclati nella produzione WPC è un'alternativa interessante, che porta alla produzione di materiali a basso costo. Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli effetti fisici hanno un'influenza più forte sui materiali estrusi realizzati in plastica secondaria rispetto al materiale vergine corrispondente, ma le proprietà dipendono dalla fonte plastica14. Tuttavia, l'uso di plastica riciclata diminuisce la forza di WPC a causa della minore compatibilità15. La variazione tra le strutture dei polimeri plastici causa preoccupazioni per il riuso e il riciclaggio, che contribuiscono all'importanza dello smistamento della plastica basato sul polimero.
Questo studio intende valutare l'utilizzo del materiale plastico da CDW come materia prima per WPC. Le frazioni polimere valutate nello studio sono acrilonitrile butadiene styrene (ABS), polipropilene (PP) e polietilene (PE). Queste sono note come frazioni di plastica universali all'interno di CDW. Le frazioni polimere sono trattate con processi di produzione generali, come l'agglomerazione e l'estrusione, e vengono testate con test di proprietà meccanica universali. L'obiettivo primario dello studio è quello di scoprire come le proprietà del WPC cambierebbe se i polimeri riciclati fossero utilizzati come materia prima in matrice invece che come polimeri vergini primari.
Sulla base del centro di gestione dei rifiuti (locale) (Etel-Karjalan J'tihuolto Oy), è stato mostrato come viene immagazzinato cdW ricco di plastica. È stato dimostrato che è inclusa una grande quantità di materiale plastico e sono stati mostrati alcuni esempi di polimeri plastici CDW. I ricercatori hanno raccolto i polimeri più adatti per un'ulteriore elaborazione, come ABS, PP e PE. I polimeri desiderati (PE, PP, ABS) sono stati identificati mediante spettroscopia portatile vicino all'infrarosso (NIR). Sono stati presentati esempi di prodotti WPC in cui i materiali plastici raccolti potevano essere utilizzati come materia prima. La definizione del composito e i suoi vantaggi sono stati spiegati.
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Protocol
1. Identificazione e pre-trattamento
- Identificare i polimeri in plastica con lo strumento di spettroscopia portatile a quasi infrarosso (NIR) nella gamma spettrale di 1600-2400 nm. Contattare il polimero con lo strumento spettroscopia e determinare il polimero mediante la riflettanza misurata.
- In base alla curva di identificazione della spettroscopia, analizzare i risultati dell'identificazione dallo schermo in laboratorio.
- In base al risultato dell'identificazione, ordinare i materiali tra i polimeri e misurare i rispettivi pesi.
NOTA: il materiale è stato smis ordinato e ponderato in base ai risultati di identificazione misurati. I polimeri selezionati per un'ulteriore lavorazione erano ABS, PE e PP con gli importi, rispettivamente 27,1, 14,2 e 44,7 kg. - Eseguire la riduzione delle dimensioni per i materiali plastici selezionati in condizioni di laboratorio con un apparato di frantumazione. Inserire i materiali raccolti e identificati nell'apparato che ha frantumato i materiali con la forza meccanica degli impatti del martello.
- Schiacciare i materiali plastici utilizzando un sistema di triturazione a singolo albero con un apparecchio di frantumazione/trituratore dotato di una dimensione del setaccio variabile da 10 a 20 mm.
- Sottopone i frammenti di plastica a un frantumatore a bassa velocità, dotato di un setaccio da 5 mm. Assicurarsi che il materiale sia omogeneo.
- Misurare gli importi dei materiali per i compositi. Mostrate una ricetta come esempio e presentate questi materiali nelle relative quantità di plastica, legno, agente di accoppiamento e lubrificante (64, 30, 3 e 3 wt%, rispettivamente).
NOTA: in questo studio sono stati studiati tre diversi compositi. I polimeri plastici riciclati del CDW erano ABS, PP e PE. Il riempitore del materiale composito era la farina di legno, che è stata preparata da una specie di abete essiccato (Picea abies) dimensione ridotta utilizzando attrezzature di frantumazione e setacciato per una dimensione omogenea (20 mm maglia). Sono stati utilizzati additivi commerciali dell'agente di accoppiamento e del lubrificante. Le composizioni e il nome dei materiali preparati sono riportati nella tabella 1.
| Materiale | Polimero / importo |
Legno | Ca | Lubr |
| CDW-ABS | ABS / 30 | 64 | 3 | 3 |
| CDW-PP | PP / 30 | 64 | 3 | 3 |
| CDW-PE | PE / 30 | 64 | 3 | 3 |
Tabella 1: La composizione dei materiali studiati. Il nome del campione è costituito dal componente della matrice incluso, dall'acrilonitrile butadiene riciclato (ABS), dal polipropilene (PP) e dal polietilene (PE) dei rifiuti di costruzione e demolizione (CDW). Le quantità di legno, agente di accoppiamento (CA) e lubrificante (Lubr.) erano le stesse in tutti i campioni.
2. Elaborazione di materiali WPC con tecnologia di estrusione dopo il trattamento di riduzione delle dimensioni
- Trasferire i materiali identificati e pre-trattati nella fase di lavorazione successiva (agglomerazione).
CAUTION: Il materiale plastico di ABS include un componente di styrene. L'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro ritiene che lo styrene sia "possibilmente cancerogeno per l'uomo". Pertanto, la fase di agglomerazione in azione non è stata inclusa nelle riprese, ma il suo processo è delineato in questo lavoro. Inoltre, solo il polimero PP o PE è stato utilizzato nella produzione di estrusione durante le riprese. - Eseguire agglomerazione del materiale.
- Mescolare tutti i componenti del processo (polimero, legno, agente di accoppiamento e lubrificante) in un apparato costituito da un turbomixer e un refrigeratore. Agglomerare i materiali nel turbomixer fino a quando la temperatura dei materiali ha raggiunto i 200 gradi centigradi. A causa dell'effetto combinato della temperatura e dell'attrito, i materiali di granuli si sono formati dopo il processo di trattamento dell'agglomerazione.
- Raffreddare i materiali dopo il trattamento del turbomixer per 4-7 minuti in un apparato più fresco.
- Evacuare il materiale dal processo e raccogliere il materiale agglomerato.
- Trasferire i materiali trattati con agglomerazione alla fase di processo successiva (estrusione).
- Fare clic sul pannello di controllo della macchina di estrusione e verificare la presenza dei parametri corretti. Le temperature medie tra barile e utensili variavano rispettivamente tra 167 e 181 gradi centigradi, e rispettivamente 183 e 207 gradi centigradi. La temperatura di fusione variava tra i 164 e i 177 gradi centigradi, e le pressioni del dadre erano tra 3,7 e 5,9 MPa. Regolare i parametri perché i materiali riciclati sono eterogenei e il processo richiede un controllo professionale.
- Composto i componenti utilizzando un estrusore a doppia vite conica con uscita di materiale a 15 kg/h. I parametri dei materiali sono presentati nella tabella 2. Dopo il processo di estrusione, è stato generato il materiale del profilo del composito.
| Materiale | Barile T C | Utensile T | Sciogliere T S. | Sciogliere Pressione (barra) |
Alimentazione (kg/h) |
Avg.Screw velocità (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 |
Tabella 2: Parametri di lavorazione dei materiali compositi. (I valori dopo il contrassegno '±'" indicano deviazioni standard. Media media)
3. Campionamento dei materiali prodotti e analisi delle proprietà
- Preparare i campioni per le prove di proprietà meccanica in laboratorio.
- Tagliare i campioni da profili estrusi con una macchina (cioè una sega da tavolo scorrevole). Per i test sono necessari tre esemplari di diverse dimensioni: flessione, tensione e forza d'impatto.
- Determinare le dimensioni dei campioni di prova in base alle norme applicabili, sulla base della raccomandazione di EN 1553416. Secondo lo standard, testare un minimo di cinque campioni, ma il numero di misurazioni può essere più di cinque se è necessaria una maggiore precisione del valore medio.
- Campioni di prova dei materiali estrusi per la prova di proprietà flessibile, secondo lo standard EN 31017.
- Utilizzare una sega da tavolo scorrevole con le seguenti dimensioni per il campione: 800 mm x 50 mm x 20 mm (lunghezza, larghezza, spessore).
- Produrre 20 campioni per l'analisi delle proprietà flessiurali (forza e modulo).
- Campioni di prova dei materiali estrusi per il test di proprietà della tensile, secondo lo standard EN ISO 527 218. Utilizzare la sega da tavolo scorrevole per tagliare il materiale nelle seguenti dimensioni: 150 mm x 20 mm x 4 mm (lunghezza, larghezza, spessore).
- Impostare le preforme del materiale per la lavorazione di una forma a campana muto tramite il controllo numerico del computer (CNC). La larghezza del campione nella sua porzione stretta era di 10 mm, e la superficie trasversale del campione era di 4 mm x 10 mm, dove è stata affrontata la sollecitazione della tensione. La lunghezza della porzione stretta era di 60 mm, terminando in un angolo arrotondato con un raggio di 60 mm.
- Fare 20 campioni per l'analisi delle proprietà della tensione (forza e modulo).
- Campioni di prova dei materiali estrusi per la prova di resistenza all'impatto, secondo lo standard EN ISO 179-119.
- Utilizzare la sega da tavolo scorrevole per tagliare i campioni nelle seguenti dimensioni: 80 mm x 10 mm x 4 mm (lunghezza, larghezza, spessore). Fare 20 campioni per l'analisi della proprietà di forza d'impatto.
- Spostare il materiale di prova nella camera di condizione di umidità relativa 23 e 50%, secondo lo standard EN ISO 29120, fino a raggiungere una massa costante. Assicurarsi che i campioni siano condizionati prima della prova delle proprietà del materiale.
- Eseguire i test (flessibile, tensile e impatto). Determinare le caratteristiche meccaniche dei campioni mediante prove di resistenza flesso e di tensione con una macchina di prova in conformità rispettivamente agli standard EN310 17 e EN ISO 527-218.
- Eseguire il test di resistenza e modulo flessibile per ciascuno dei 20 campioni, utilizzando l'apparato di prova. Impostare il campione di prova flessibile al supporto di due punti e applicare un carico al centro del campione facendo clic su Test start nel programma informatico che controlla l'apparato di prova, con un pre-caricamento di 15 N e una velocità di prova di 10 mm/min. Il test si interrompe automaticamente dopo la registrazione del risultato. Rimuovere il campione di test dagli strumenti di supporto e impostare un nuovo campione sugli strumenti.
- Ripetere la procedura fino a quando 20 campioni sono stati testati e i risultati del programma sono stati registrati. Il programma per computer calcola i risultati medi del test.
NOTA: il protocollo può essere sospeso qui mentre gli strumenti di test verranno modificati per l'apparecchio di prova.
- Ripetere la procedura fino a quando 20 campioni sono stati testati e i risultati del programma sono stati registrati. Il programma per computer calcola i risultati medi del test.
- Eseguire il test di resistenza e modulo della tensione per 20 campioni di macchine (a forma di campana). Impostare il campione di prova di tensione tra gli strumenti di prova e attaccare morsetti pneumatici, che manterrà il campione negli strumenti durante la prova. Avviare il test dal pannello di controllo del computer, con un pre-caricamento di 10 N e una velocità di prova di 2 mm/min, e collegare uno strumento misuratore di estensione immediatamente dopo l'avvio del test.
NOTA: lo strumento misuratore di estensione misura il modulo tensile dal campione. Ogni test si è interrotto automaticamente dopo la registrazione del risultato.- Rimuovere il campione di test dallo strumento dopo ogni test e impostare un nuovo campione sugli strumenti. Ripetere la procedura per tutti i campioni. Il programma per computer calcola i valori medi dei risultati.
- Eseguire un test di resistenza all'impatto con un tester d'impatto, secondo lo standard EN ISO 179-119. Impostare la dimensione di 10 mm x 4 mm del campione (larghezza, spessore) tra il supporto, azzerare la forza e rilasciare il martello d'impatto di 5 kpcm.
NOTA: Il campione del campione di prova della forza d'impatto si rompe a causa dell'impatto del martello e la quantità di energia assorbita è visibile nell'indicatore del tester.- Registrare il risultato e ripetere il per i 20 campioni, dopo di che viene calcolato il valore medio della forza di impatto. I risultati registrati sono stati in unità "kpcm", che è stata trasformata in joule (J), e i risultati sono stati presentati come un kilojoule per metro quadrato.
NOTA: L'intervallo tra il supporto del campione (distanza tra le linee del contatto del campione) nella prova di resistenza all'impatto era di 62 mm o, in alternativa, di 20 volte il suo spessore.
- Registrare il risultato e ripetere il per i 20 campioni, dopo di che viene calcolato il valore medio della forza di impatto. I risultati registrati sono stati in unità "kpcm", che è stata trasformata in joule (J), e i risultati sono stati presentati come un kilojoule per metro quadrato.
- Eseguire il test di resistenza e modulo flessibile per ciascuno dei 20 campioni, utilizzando l'apparato di prova. Impostare il campione di prova flessibile al supporto di due punti e applicare un carico al centro del campione facendo clic su Test start nel programma informatico che controlla l'apparato di prova, con un pre-caricamento di 15 N e una velocità di prova di 10 mm/min. Il test si interrompe automaticamente dopo la registrazione del risultato. Rimuovere il campione di test dagli strumenti di supporto e impostare un nuovo campione sugli strumenti.
- Analizzare i risultati dei test meccanici, presentati nella Figura 1, Figura 2 e Figura 3.
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Representative Results
Per studiare l'effetto del polimero plastico CDW sulle proprietà meccaniche del WPC, sono stati studiati tre diversi tipi di polimeri come matrice. La tabella 1 presenta la composizione dei materiali e la tabella 2 riporta i processi di produzione. Il materiale di CDW-PP richiede una temperatura di trattamento più elevata per gli utensili, ma, di conseguenza, la pressione di fusione era inferiore rispetto agli altri materiali (CDW-ABS e CDW-PE).
La figura 1 presenta la forza flessiva del materiale (una media da 20 misurazioni) come grafici a barre, incluse le deviazioni standard come barra di errore. I valori di resistenza flessibile più elevati sono stati raggiunti con materiale contenente un polimero ABS riciclato in una matrice. La qualità quasi congruente ad alta resistenza è stata ottenuta nel materiale in cui il polimero PE riciclato è stato utilizzato in una matrice. I punti di forza flessirgica più bassi sono stati raggiunti con materiale contenente un polimero PP riciclato in una matrice. La figura 1 presenta anche risultati simili per il modulo flessibile dei materiali, che è stato misurato contemporaneamente con la proprietà di resistenza. Tuttavia, anche se i polimeri ABS e PE riciclati hanno risultati congruenti come nei test di resistenza, i risultati del modulo flessibile erano diversi. I materiali PE riciclati hanno un valore di modulo significativamente inferiore rispetto al valore del polimero ABS riciclato.
Figura 1: Le proprietà flessisli dei materiali studiati.
La forza flessiva è presentata nelle barre piene di colore solido (rosso, verde e blu) e il modulo flessibile viene presentato utilizzando gli stessi colori nelle barre piene di motivo. Le deviazioni standard sono descritte come barre di errore. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La figura 2 mostra la forza della tensione e il modulo (una media da 20 misure) come grafici a barre, incluse le deviazioni standard come barra di errore. I materiali, in cui sono stati utilizzati ABS e PE riciclati, hanno risultati di resistenza alla tensione quasi congruenti, ma la deviazione standard è stata maggiore per il materiale in cui è stato utilizzato l'ABS riciclato. La forza di tensione più debole è stata ottenuta materiale contenente un polimero PP riciclato in una matrice. I risultati del modulo tensile sono stati congruenti con i risultati del modulo flessibile, in cui il miglior modulo è stato ottenuto con il polimero ABS riciclato.
Figura 2: Le proprietà di tensile dei materiali studiati.
La forza della tensione è presentata nelle barre piene di colore solido (rosso, verde e blu) e il modulo tensile è presentato utilizzando gli stessi colori nelle barre piene di motivi. Le deviazioni standard sono descritte come barre di errore. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella figura 3 vengono visualizzate le proprietà della resistenza all'impatto dei materiali (una media da 20 misurazioni) come grafici a barre, incluse le deviazioni standard come barra di errore. I punti di forza dell'IMPATTO dei polimeri ABS e PP riciclati erano quasi allo stesso livello, ma è stata ottenuta una maggiore forza d'impatto con il polimero PE riciclato, che ha avuto la migliore proprietà di resistenza all'impatto in questo studio.
Figura 3: Le proprietà della resistenza all'impatto dei materiali studiati.
La forza di impatto viene presentata nelle barre piene di colore a tinta unita e le deviazioni standard sono descritte come barre di errore. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Il polimero ABS è costituito da tre monomeri, che potrebbero aumentare il comportamento favorevole all'interno del WPC. Ad esempio, il componente acrilonitrile contribuisce alla resistenza, ma i componenti diadiene contribuiscono alla resistenza all'impatto e i componenti di styrene contribuiscono alla rigidità. WPC basato su PE rappresenta la più grande quota di mercato, per esempio in Nord America, ed è facile da inchiodare, avvitare e sega. Tuttavia, la PE è prodotta in varie forme polimeriche, come il polietilene ad alta densità (HDPE) e il polietilene a bassa densità (LDPE), che hanno caratteristiche diverse. Il WPC basato su PP aveva le proprietà più deboli in questo studio, coerente con il fatto che la sua quota di mercato è relativamente piccola. Anche se ha diverse proprietà superiori rispetto al polietilene, come ad esempio essere più leggero e più forte, è anche più fragile del polietilene21.
Nel complesso, il riciclo dei compositi è il percorso ecologicamente preferibile8e la plastica di scarto riciclata è una materia prima adatta per i compositi, in cui le prestazioni possono essere migliorate utilizzando i compatibilizer22. La ragione di varie proprietà meccaniche potrebbe essere dovuta alla composizione dei materiali e, in particolare, l'agente di accoppiamento può avere un effetto significativo. Le proprietà meccaniche dei polimeri riciclati in WPC sono state migliorate con compatibilizers ma gli effetti dipendono fortemente dall'agente utilizzato e la sua quantità nella struttura, causando una grande variazione tra gli agenti utilizzati23. Uno studio precedente ha indicato che la performance più elevata del WPC basato su PP è stata ottenuta con quantità di compatibilizer a tre livellipercentuali 24, che è congruente con la quantità utilizzata in questo studio. Pertanto, l'agente di accoppiamento utilizzato potrebbe essere più problematico del livello di agente. Tuttavia, è generalmente accettato che le prestazioni meccaniche delle WPC siano migliorate quando gli agenti di accoppiamento vengono utilizzati in condizioni ottimizzate25.
Ogni polimero ha caratteristiche individuali nel materiale, dimostrando che la separazione dei polimeri aumenta il valore di WPC con gli additivi corretti. In futuro, nuovi agenti di accoppiamento alternativi eco-compatibili per i compositi polimeri riciclati potrebbero essere utilizzati per soddisfare la domanda, come la gomma da amido mostrata in un nuovo studio di Rocha e Rosa26. Inoltre, il ri-utilizzo della plastica deve avere un senso economico, e quindi anche richiedere un'azione futura.
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Discussion
Le proprietà meccaniche di WPC svolgono un ruolo importante nel decidere l'idoneità di questi prodotti in varie applicazioni. WPC è costituito da tre ingredienti principali: plastica, legno e additivi. Le proprietà meccaniche dei compositi a base di fibre dipendono dalla lunghezza della fibra utilizzata, dove "lunghezza critica della fibra" è il termine utilizzato per indicare un rinforzosufficiente 25. Oltre alle proprietà degli ingredienti, la qualità delle materie prime è il fattore importante per le prestazioni di WPC. In questo studio, in particolare, in cui sono state utilizzate materie prime riciclate, è stata posta molta attenzione sulle materie prime. Questo studio ha utilizzato materiali provenienti da CDW che possono variare da cantiere a cantiere, e questa variabilità è un fattore critico nel confronto di diversi studi. Pertanto, il materiale deve essere studiato secondo i test standardizzati che garantiscono una qualità uniforme del prodotto.
In un test flessibile, il materiale WPC sperimenta stress compressivo sul lato portante e, di conseguenza, stress da tensione all'estremità opposta. Il metodo di prova si basa sullo standard dei pannelli a base di legno (EN 310), che illustrano le proprietà flessisli di un profilo estruso nell'uso effettivo. La prova flessibile causerà la compressione (sulla superficie superiore) e la sollecitazione della tensione (nella parte inferiore) per il materiale, quindi è importante che il profilo estruso (vuoto) sia simmetrico. Un altro test per la proprietà flessibile (ad esempio, lo standard EN ISO 17827), dove le dimensioni del campione erano più piccole, non produrrà il valore reale per il profilo di estrusione utilizzato, ma analizzerà la proprietà del materiale senza l'effetto di un profilo cavo. È importante utilizzare una distanza standardizzata tra le campe di supporto perché questo ha un'influenza sui risultati. L'intensità flessibile dipende linearmente dall'intervallo di supporto, in cui un aumento dell'intervallo di supporto porta ad una diminuzione proporzionale del carico28.
Generalmente, il modulo tensile aumenta con il crescente contenuto di polimero PP all'interno della fibra dilegno 25. Pertanto, possiamo supporre che la composizione dei materiali, compresi gli additivi come un agente di accoppiamento, non fosse ottimale per questo materiale. La variazione più alta tra gli spessori dei campioni di prova della tensione era di 0,94 mm; questa variazione indica che il fissaggio dei campioni è un passaggio critico. La macchina di prova includeva dispositivi di fissaggio pneumatici che causano forza superflua con i vari spessori di campioni. Pertanto, la misurazione della forza deve essere azzerata all'inizio della prova di tensione in modo che i dispositivi di fissaggio pneumatici non distorcono i risultati. In alternativa, questa risoluzione dei problemi potrebbe essere eliminata producendo campioni di test omogenei durante la fase di campionamento.
Il test di resistenza all'impatto illustra una diversa caratteristica meccanica del materiale perché misura una deformazione momentanea, mentre la maggior parte degli altri test misura il ceppo a lungo termine del materiale. Il crescente contenuto di fibra di legno ha diminuito la forzad'impatto 25. Le dimensioni dei campioni devono essere misurate in tutte le prove e possono esserci variazioni tra i ricercatori nell'uso di dispositivi di misura (ad esempio, la forza di compressione nell'uso di un pinne o di un micrometro). Pertanto, è importante che la stessa persona misure le dimensioni dei campioni in ogni prova, escludendo così gli errori umani nelle misurazioni. Un'altra opzione come tecnica di modifica consiste nell'utilizzare un dispositivo che include un momento per la compressione. Inoltre, l'atmosfera di prova può avere un'influenza sulle proprietà studiate. In questo studio, tutti i test studiati sono stati eseguiti nelle stesse condizioni, quindi l'effetto dell'atmosfera era simile e aveva un effetto coincidente per ogni test. Come applicazione futura, i test potrebbero essere eseguiti in una stanza in cui l'atmosfera è impostata per essere stabile.
Poiché WPC è costituito da almeno due materiali, come il legno e il polimero, può complicare la selezione di uno standard. Ad esempio, ci possono essere standard adatti per i materiali in legno, così come per i materiali polimerici, che causeranno limitazioni nella selezione di uno standard appropriato per lo studio. L'organizzazione standard ha pubblicato degli standard (EN 15534-1:2014-A1:2017) in cui sono stati caratterizzati i metodi di prova per i compositi realizzati con materiali a base di cellulosa e termoplastiche. Lo standard consente ai ricercatori che seguono lo standard europeo di agire in modo universale nei loro studi. Una complicazione può sorgere se una parte significativa dei ricercatori segue un altro standard (ad esempio, ASTM International), che causerà problemi nel confronto dei risultati. Uno sviluppo futuro può essere un'unica organizzazione standard i cui standard sarebbero validi a livello globale.
Gli standard dei WPC includono istruzioni dettagliate per la misurazione delle proprietà, ma l'interpretazione di questi può variare da ricercatori a ricercatori. Il benchmarking tra le organizzazioni di ricerca potrebbe unificare i metodi di funzionamento, ma potrebbe non essere consentito perché le organizzazioni di ricerca sono spesso istituzioni ristrette che si occupano di informazioni riservate. Pertanto, questo tipo di lavoro descritto visivamente garantisce che le pratiche di test siano universali per un maggior numero di persone, limitando così le possibilità di incomprensione.
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Disclosures
Il progetto Circwaste riceve un sostegno finanziario dall'UE per la produzione del suo materiale. I punti di vista riflessi all'interno del contenuto sono interamente del progetto e la commissione dell'UE non è responsabile di alcun uso di essi.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono il sostegno della piattaforma di ricerca LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) coordinata dall'Università LUT e dal progetto Life IP on waste - Verso un'economia circolare in Finlandia (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). I finanziamenti per il progetto sono stati ricevuti dal programma, dalle aziende e dalle città dell'UE Life Integrated.
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 |
References
- 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).
- Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
- Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC). , Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019).
- Plastics - the Facts 2018. PlasticsEurope. , Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
- Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research. , Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018).
- Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
- Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics - Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
- 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).
- 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).
- Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
- Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
- 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).
- Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
- International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics - Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
- 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).
