Waiting
Login processing...

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

Environment

Effekten av konstruktion och rivningsavfall plastfraktioner på trä-Polymer komposit egenskaper

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

Sekundära materialströmmar har visat sig inkludera potentiella råvaror för produktion. Presenteras här är ett protokoll där CDW-plastavfall som råvara identifieras, följt av olika bearbetningssteg (tätbebyggelse, strängsprutning). Som ett resultat, producerades ett kompositmaterial, och mekaniska egenskaper analyserades.

Abstract

Bygg- och rivningsavfall (CDW), inklusive värdefulla material som plast, har ett anmärkningsvärt inflytande på avfallssektorn. För att plastmaterial ska kunna utnyttjas på nytt måste de identifieras och separeras enligt sin polymersammansättning. I denna studie utfördes identifieringen av dessa material med hjälp av nära infraröd spektroskopi (NIR), som identifierade material baserat på deras fysikaliska-kemiska egenskaper. Fördelar med NIR-metoden är en låg miljöpåverkan och snabb mätning (inom några sekunder) i spektralområdet 1600-2400 nm utan speciell provberedning. Begränsningar inkluderar dess oförmåga att analysera mörka material. De identifierade polymererna utnyttjades som en komponent för trä-polymer komposit (WPC) som består av en polymer matris, låg kostnad fyllmedel och tillsatser. Komponenterna förvärrades först med en gytterapparat, följt av produktion genom extrudering. I tätortsprocessen var syftet att sammansatta alla material för att producera jämnt fördelade och granulerade material som pellets. Under tätbebyggelseprocessen smältes polymeren (matrisen) och fyllmedel och andra tillsatser blandades sedan in i den smälta polymeren, var redo för extruderingsprocessen. I extruderingsmetoden applicerades värme- och skjuvkrafter på ett material inom pipan av en konisk motroterande tvillingskruvstyp extruder, vilket minskar risken för att bränna materialen och lägre skjuvningsblandning. Den uppvärmda och skjuvade blandningen förmedlades sedan genom en dö för att ge produkten önskad form. Det ovan beskrivna protokollet bevisade potentialen för återutnyttjande av CDW-material. Funktionella egenskaper måste verifieras enligt de standardiserade testerna, såsom flexural, drag- och slaghållfasthetstester för materialet.

Introduction

Den globala avfallsgenereringen har vuxit betydligt genom historien och förutspås öka med tiotals procenttal i framtiden om inte åtgärder vidtas1. Framför allt har höginkomstländer genererat mer än en tredjedel av världens avfall, även om de endast står för 16 procent av världens befolkning1. Byggsektorn är en betydande producent av detta avfall på grund av snabb urbanisering och befolkningstillväxt. Enligt uppskattningar bildas ungefär en tredjedel av det globala fasta avfallet genom bygg- och rivningsprojekt; saknas dock exakta värden från olika områden2. I Europeiska unionen (EU) är mängden bygg- och rivningsavfall (CDW) cirka 25 %–30 % av den totalaavfallsgenereringen 3– och omfattar värdefulla och betydande sekundära råvaror, som plast. Utan organiserad insamling och hantering kan plast förorena och påverka ekosystemen negativt. Under 2016 genererades 242 miljoner ton plastavfall i världen1. Andelen plast som återvinns i Europa var bara 31,1 %4.

Resursbrist har skapat ett behov av att ändra praxis mot en cirkulär ekonomi, där syftena är att använda avfall som källa till sekundära resurser och återvinna avfall för återanvändning. Ekonomisk tillväxt och minimerad miljöpåverkan kommer att skapas av den cirkulära ekonomin, som är ett populärt koncept i Europa. Europeiska kommissionen antog en handlingsplan för Europeiska unionen för en cirkulär ekonomi, där mål och indikatorer för bidragen5fastställs .

Skärpta miljöbestämmelser och lagar bidrar till att byggsektorn lägger mer kraft på avfallshantering och materialåtervinningsfrågor. Europeiska unionen (EU) har till exempel satt upp mål för materiell återhämtning. Från och med år 2020 bör materialåtervinningsgraden för icke-farligt CDW vara 70 %6. Sammansättningen av CDW kan variera kraftigt mellan geografiska platser, men vissa gemensamma egenskaper kan identifieras, inklusive till exempel plast som är en potentiell och värdefull råvara för trä-polymer kompositer. Återutnyttjandet av plast är ett konkret steg mot en cirkulär ekonomi där jungfruliga plastpolymerer ersätts av återvunnen polymer.

Kompositmaterial är ett flerfassystem, bestående av ett matrismaterial och armeringsfas. Trä-polymer komposit (WPC) innehåller typiskt polymerer som matrisen, trämaterial som armering, och tillsatser för att förbättra vidhäftning, såsom kopplingsmedel och smörjmedel. WPC kan vara känt som ett miljövänligt material eftersom råvaran kan anskaffas från förnybara material, som polylactic acid (PLA) och trä. Enligt den senasteinnovationen 7kan tillsatserna i WPC baseras på förnybara källor. Dessutom kan källan till råvaran återvinnas (icke-jungfruliga) material, som är ett ekologiskt och tekniskt överlägsen alternativ8. Till exempel har forskare studerat extruderad WPC som innehåller CDW, och funnit att egenskaperna hos CDW–baserade kompositer låg på en acceptabel nivå9. Nyttjande av återvunna råvaror som komponent för WPC är också acceptabelt ur miljöaspekten, vilket bevisas av flera bedömningar. Sammantaget har det visats att utnyttja CDW i WPC produktion kan minska de miljömässiga influenser av CDW förvaltning10. Dessutom har det konstaterats att använda återvunnet polypropen (PP) plast i WPC har potential att minska den globala uppvärmningen11.

Mängden tillgängliga återvunna polymerer kommer att öka i framtiden. Den globala plastproduktionen har ökat cirka 9% per år, i genomsnitt, och det förväntas att denna ökning kommer att fortsätta i framtiden12. De mest allmänna plastpolymertyperna är bland annat polypropen (PP) och polyeten (PE). Andelarna av den totala efterfrågan på PE och PP var 29,8 % respektive 19,3 % i Europa 20174. Den globala marknaden för plaståtervinning förväntas växa med en årlig tillväxttakt på 5,6 % under perioden 2018–202613. En av de viktigaste tillämpningarna där plast används är byggnad och konstruktion. Till exempel var nästan 20% av den totala efterfrågan på europeisk plast förknippad med byggnads- och byggtillämpningar4. Ur ett ekonomiskt perspektiv är användningen av återvunna polymerer i WPC-tillverkning ett intressant alternativ, vilket leder till produktion av material med låg kostnad. Tidigare forskning har visat att fysiska effekter har ett starkare inflytande på extruderade material tillverkade av sekundär plast jämfört med motsvarande jungfruligt material, men egenskaperna beror på plastkällan14. Användningen av återvunnen plast minskar dock styrkan hos WPC på grund av lägre kompatibilitet15. Variation mellan plastpolymers strukturer orsakar oro för återanvändning och återvinning, vilket bidrar till vikten av plastsortering baserad på polymeren.

Denna studie avser att bedöma utnyttjandet av plastmaterial från CDW som råvara för WPC. Polymerfraktionerna som bedöms i studien är akrylnitril butadienstyren (ABS), polypropylen (PP), och polyeten (PE). Dessa är kända som universella plastfraktioner inom CDW. Polymerfraktionerna behandlas med allmänna tillverkningsprocesser, såsom tätbebyggelse och strängpressning, och testas med universella mekaniska egenskapstester. Det primära målet med studien är att upptäcka hur egenskaperna hos WPC skulle förändras om återvunna polymerer användes som råmaterial i matris i stället för primära jungfrupolymerer.

Baserat på (lokala) avfallshanteringscentralen (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) visades det hur plastrikt CDW lagras. Det visades att en stor mängd plastmaterial ingår och några exempel på CDW plast polymerer visades. Forskarna samlade de mest lämpliga polymerer för vidare bearbetning, såsom ABS, PP och PE. De önskade polymerer (PE, PP, ABS) identifierades med hjälp av bärbara nära infraröd (NIR) spektroskopi. WPC-produktexempel presenterades där där insamlade plastmaterial kunde utnyttjas som råmaterial. Definitionen av kompositen och dess fördelar förklarades.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Identifiering och förbehandling

  1. Identifiera polymerer i plast med det portabla verktyget för närinfrarött (NIR) i spektralområdet 1600–2400 nm. Kontakta polymeren med spektroskopiverktyget och bestäm polymeren med den uppmätta reflektoransen.
    1. Enligt identifieringskurvan för spektroskopi, analysera identifieringsresultaten från skärmen i laboratoriet.
  2. Baserat på identifieringsresultatet, sortera material mellan polymererna och mäta deras respektive vikter.
    OBS: Materialet sorterades och viktades enligt de uppmätta identifieringsresultaten. Utvalda polymerer för vidare bearbetning var ABS, PE och PP med beloppen, 27,1, 14,2 respektive 44,7 kg.
  3. Utför storleksreduktion för de valda plastmaterialen i laboratorieförhållanden med en krossapparat. Placera insamlade och identifierade material i apparaten som krossade material med den mekaniska kraften av slag i hammare.
    1. Krossa plastmaterial med hjälp av ett system med enskaftsredning med en kross/dokumentförstörarapparat utrustad med en siktstorlek som varierar från 10 till 20 mm.
    2. Motiv plastfragmenten till en låghastighetskross, utrustad med en 5 mm sikt. Se till att materialet är homogent.
  4. Mät materialmängderna för kompositer. Visa ett recept som exempel och presentera dessa material i de relativa mängderna av plast, trä, kopplingsmedel och smörjmedel (64, 30, 3 och 3 wt%, respektive).
    OBS: Tre olika kompositer studerades i denna studie. De återvunna plastpolymererna från CDW var ABS, PP och PE. Fyllen av kompositmaterialet var trämjöl, som var beredd från en torkad gran art (Picea abies) storlek minskas med hjälp av krossutrustning och siktas för en homogen storlek (20 mm maska). Kommersiella tillsatser av kopplingsmedel och smörjmedel användes. De beredda materialens sammansättningar och namn framgår av tabell 1.
Material Polymer
/ belopp		 Trä Certifikatutfärdare Lubr
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tabell 1: De studerade materialens sammansättning. Provets namn består av den inkluderade matriskomponenten, återvunnen akrylnitril butadienstyren (ABS), polypropylen (PP), och polyeten (PE) från bygg- och rivningsavfallet (CDW). Mängderna trä, kopplingsmedel (CA) och smörjmedel (Lubr.) var desamma i alla prover.

2. Bearbetning av WPC-material med extruderingsteknik efter storleksreduceringsbehandling

  1. Överför de identifierade och förbehandlade materialen till närmare nästa (tätorts) bearbetningssteg.
    FÖRSIKTIGHET: Plastmaterialet av ABS inkluderar en styrenkomponent. Internationella byrån för cancerforskning anser att styren är "möjligen cancerframkallande för människor". Därför var gytter steg i aktion inte ingår i inspelningen men dess process beskrivs i detta arbete. Dessutom användes endast PP eller PE-polymer i extruderingsproduktionen under inspelningen.
  2. Utför gytter av materialet.
    1. Blanda alla komponenter i processen (polymer, trä, kopplingsmedel, och smörjmedel) i en apparat som består av en turbomixer och en kylare. Agglomerate materialen i turbomixeren, tills temperaturen av materialen nådde °C 200. På grund av den kombinerade effekten av temperatur och friktion, bildades granulatmaterialen efter behandlingsprocessen av gytter.
    2. Kyl materialen efter turbomixerbehandling i 4-7 minuter i en svalare apparat.
  3. Evakuera material från processen och samla upp agglomerat material.
  4. Överför de tätbebyggelse–behandlade materialen till nästa processsteg (strängpressning).
    1. Klicka på kontrollpanelen för extruderingsmaskinen och kontrollera om det finns rätt parametrar. Genomsnittstunnan och verktygstemperaturerna varierade mellan 167 och 181 °C, respektive 183 respektive 207 °C. Smälttemperaturen varierade mellan 164 och 177 °C, och 2000-talets press var mellan 3,7 och 5,9 MPa. Justera parametrar eftersom återvunnet material är heterogent, och processen kräver professionell kontroll.
    2. Sammansatta komponenterna med hjälp av en konisk motroterande twin-skruv extruder med 15 kg/h materialutgång. Materialens parametrar presenteras i tabell 2. Efter extrudering processen, profilmaterialet av kompositen genererades.
Material Fat T °C Verktyg T °C Smält T °C Smälta
Tryck (bar)		 Utfodring
hastighet (kg/h)		 Avg.Skruv
hastighet (varv/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

Tabell 2: Bearbetning av parametrar för kompositmaterialen. (Värden efter ±'-märket anger standardavvikelser. Avg. = medelvärde)

3. Provtagning av framställda material och analyserar av egenskaper

  1. Förbered prover för mekaniska egenskapstester i laboratoriet.
    1. Klipp prover från strängpressade profiler med en maskin (dvs. en skjutbordsåg). Tre olika storlek exemplar behövs för tester: flexural, drag, och slaghållfasthet.
    2. Bestäm storleken på testprov enligt gällande standarder, baserat på rekommendationen av EN 1553416. Enligt standarden skall man testa minst fem exemplar men antalet mätningar får vara fler än fem om större precision av medelvärdet krävs.
  2. Sågtestprover från de extruderade materialen för flexuralegenskapstestet, enligt standarden EN 31017.
    1. Använd en skjutbordsåg med följande mått för provet: 800 mm x 50 mm x 20 mm (längd, bredd, tjocklek).
    2. Tillverka 20 prover för analys av flexural egenskaper (styrka och modulus).
  3. Sågtestprover från de strängpressade materialen för dragfastighetstestet, enligt standarden EN ISO 527 218. Använd skjutbordsågen för att skära materialet i följande dimensioner: 150 mm x 20 mm x 4 mm (längd, bredd, tjocklek).
    1. Ställ in materialförformerna för bearbetning av en dum-bell form via dator numerisk kontroll (CNC). Provets bredd vid dess smala del var 10 mm, och provets tvärsnittsyta var 4 mm x 10 mm, där dragspänningen åtgärdades. Längden på den smala portionen var 60 mm, som slutade i ett rundat hörn med en radie på 60 mm.
    2. Gör 20 prover för analys av dragegenskaper (styrka och modulus).
  4. Sågtestprover från de strängpressade materialen för provningen av slaghållfasthet, enligt standarden EN ISO 179-119.
    1. Använd skjutbordsågen för att skära proverna i följande dimensioner: 80 mm x 10 mm x 4 mm (längd, bredd, tjocklek). Gör 20 prover för analys av påverkan styrka egendom.
  5. Flytta in provmaterialet i 23 °C och 50 % relativ luftfuktighetstillståndskammare, enligt standard EN ISO 29120, tills en konstant massa uppnås. Se till att proverna konditionstestas före provning av materialegenskaper.
  6. Utför testerna (flexural, drag och slag). Bestäm de mekaniska egenskaperna hos exemplar genom flexural och draghållfasthetsprovning med en provningsmaskin i enlighet med standarderna EN 31017 och EN ISO 527-218.
    1. Utför flexural styrka och modulustest för vart och ett av 20 prov, med hjälp av testapparaten. Ställ flexuralt provprov vid stöd av två punkter och applicera en belastning på provets mitt genom att klicka på Teststart i datorprogrammet som styr testapparaten, med en förbelastning på 15 N och provningshastighet på 10 mm/min. Testet stannar automatiskt efter att resultatet spelats in. Ta bort testprov från stödverktygen och ställ in ett nytt prov på verktygen.
      1. Upprepa proceduren tills 20 prover testades och resultat från programmet registrerades. Datorprogrammet beräknar genomsnittliga resultat från testet.
        OBS: Protokollet kan pausas här medan testverktyg kommer att ändras för testapparaturen.
    2. Utför draghållfasthet och modulustest för 20 maskinbearbetade (dumb-bell-formade) prover. Ställ in dragprovet mellan testverktygen och fäst pneumatiska klämmor, vilket kommer att hålla provet i verktygen under provningen. Starta testet från datorns kontrollpanel, med en förbelastning på 10 N och provningshastighet på 2 mm/min, och sätt fast ett verktyg för förlängningsmätare direkt efter provstarten.
      OBS: Förlängningsmätareverktyget mäter dragmodulen från provet. Varje test stannade automatiskt efter att dess resultat registrerats.
      1. Ta bort testprovet från verktyget efter varje test och ställ in ett nytt prov på verktygen. Upprepa proceduren för alla prover. Datorprogrammet beräknar genomsnittliga resultatvärden.
    3. Utför ett slaghållfasthetstest med en slagtestare, enligt standard EN ISO 179-119. Ställ in 10 mm x 4 mm-storleken på (bredd, tjocklek) provet mellan stödet, återställ kraften och släpp slaghammaren på 5 kpcm.
      OBS: Provprovet för slagstyrka brister på grund av slag av hammare och mängden absorberad energi syns i testarens indikator.
      1. Registrera resultatet och upprepa för de 20 proverna, varefter medelvärdet för påverkansstyrka beräknas. De registrerade resultaten var i "kpcm" enhet, som ändrades till joule (J), och resultaten presenterades som en kilojoule per kvadratmeter.
        OBS: Spännvidden mellan provstöd (avstånd mellan linjerna för kontakten provets) i slaghållfasthetstestet var 62 mm eller, alternativt, 20x dess tjocklek.
  7. Analysera resultaten från de mekaniska testerna, som presenteras i figur 1, figur 2 och figur 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att undersöka effekten av CDW plast polymer på mekaniska egenskaper WPC, tre olika polymertyper som en matris studerades. I tabell 1 presenteras sammansättningen av material och tabell 2 redovisas tillverkningsprocesserna. Materialet i CDW-PP kräver en högre behandlingstemperatur för verktyg men, motsvarande, var smälttrycket lägre jämfört med de andra materialen (CDW-ABS och CDW-PE).

Figur 1 presenterar materialets flexuralstyrka (ett medelvärde från 20 mätningar) som stapeldiagram, inklusive standardavvikelser som felstapel. De högsta flexurala hållfasthetsvärdena uppnåddes med material som innehöll en återvunnen ABS-polymer i en matris. Nästan kongruenta höghållfast kvalitet uppnåddes i det material i vilket återvunnet PE polymer användes i en matris. De lägsta flexural styrkorna uppnåddes med material som innehåller en återvunnen PP polymer i en matris. Figur 1 presenterar också liknande resultat för den flexural modulus av material, som mättes samtidigt med den styrka egenskapen. Men även om återvunna ABS och PE polymerer har kongruenta resultat som i styrka tester, den flexural modulus resultaten var olika. De återvunna PE-materialen har ett betydligt lägre modulusvärde jämfört med värdet av återvunnen ABS-polymer.

Figure 1
Figur 1: De studerade materialens flexuralegenskaper.
Den flexural styrka presenteras i den enfärgade färgfyllda staplar (röd, grön och blå) och flexural modulus presenteras med samma färger i mönsterfyllda barer. Standardavvikelserna beskrivs som felstaplar. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

I figur 2 visas draghållfastheten och modulus (ett medelvärde från 20 mätningar) som stapeldiagram, inklusive standardavvikelser som felstapel. Materialen, i vilka återvunnet ABS och PE användes, har nästan kongruenta draghållfasthetsresultat men standardavvikelsen var högre för det material i vilket återvunnet ABS användes. Den svagaste draghållfastheten uppnåddes material som innehåller en återvunnen PP-polymer i en matris. Resultaten av dragmodulus var kongruenta med resultaten av flexural modulus, i vilka den bästa modulus uppnåddes med den återvunna ABS polymer.

Figure 2
Figur 2: De studerade materialens dragegenskaper.
Draghållfastheten presenteras i de enfärgade fyllda staplarna (röd, grön och blå) och dragmodulus presenteras med samma färger i mönsterfyllda staplar. Standardavvikelserna beskrivs som felstaplar. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

I figur 3 visas materialens påverkanshållfasthetsegenskaper (ett genomsnitt från 20 mätningar) som stapeldiagram, inklusive standardavvikelser som felstapel. Påverkansstfastheterna hos återvunna ABS- och PP-polymerer var nästan på samma nivå, men större slagstyrka uppnåddes med den återvunna PE-polymeren, som hade den bästa påverkanshållfasthetsegenskapen i denna studie.

Figure 3
Figur 3: De studerade materialens slaghållfasthetsegenskaper.
Slagstyrkan presenteras i de enfärgade fyllda staplarna och standardavvikelserna beskrivs som felstaplar. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

ABS-polymer består av tre monomerer, vilket kan öka det gynnsamma beteendet inom WPC. Till exempel bidrar akrylnitrilkomponenten styrka, butadienkomponenter bidrar med slagtålighet och styrenkomponenter bidrar med styvhet. PE-baserade WPC står för den största marknadsandelen, för exempel i Nordamerika, och det är lätt att spika, skruva, och såg. PE tillverkas dock i olika polymera former, såsom högdensitetspolyeten (HDPE) och polyeten med låg densitet (LDPE), som har olika funktioner. PP-baserade WPC hade de svagaste egenskaperna i denna studie, i enlighet med att dess marknadsandel är relativt liten. Även om det har flera överlägsna egenskaper jämfört med polyeten, såsom att vara lättare och starkare, är det också mer sprött än polyeten21.

Sammantaget är återvinning av kompositer den ekologiskt att föredra utbildningsavsnitt8, och återvunnet avfall plast är en lämplig råvara för kompositer, där prestanda kan förbättras med hjälp av compatibilizers22. Orsaken till varierade mekaniska egenskaper kan bero på materialsammansättning och i synnerhet kopplingsmedlet kan ha en betydande effekt. De mekaniska egenskaperna hos återvunna polymerer i WPC förbättrades med compatibilizers men effekterna beror starkt på det medel som används och dess mängd i strukturen, vilket orsakar en stor variation mellan de använda agenterna23. En tidigare studie visade att den högsta prestandan pp baserade WPC uppnåddes med mängder av compatibilizers på tre procentnivåer24, som är kongruent med det belopp som används i denna studie. Således kan kopplingsmedlet som används vara mer problematiskt än nivån av agent. Det är dock allmänt accepterat att den mekaniska prestandan hos WPC förbättras när kopplingsmedel används under optimerade förhållanden25.

Varje polymer har individuella funktioner i material, vilket visar att separation av polymerer ökar värdet av WPC med rätt tillsatser. I framtiden kan nya miljövänliga alternativa kopplingsmedel för återvunna polymerkompositer användas för att möta efterfrågan, såsom stärkelsegummi som visas i en ny studie av Rocha och Rosa26. Dessutom måste återutnyttjandet av plast vara ekonomiskt meningsfullt, och därmed också kräva framtida åtgärder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De mekaniska egenskaperna hos WPC spelar en viktig roll för att bestämma lämpligheten av dessa produkter i olika tillämpningar. WPC består av tre huvudingredienser: plast, trä, och tillsatser. De mekaniska egenskaperna hos fiberbaserade kompositer beror på längden på den använda fibern, där "kritisk fiberlängd" är den term som används för att indikera tillräcklig förstärkning25. Förutom ingrediensernas egenskaper är råvarornas kvalitet den viktiga faktorn för prestandan hos WPC. I denna studie, i synnerhet, där återvunnet råmaterial användes, lades stor uppmärksamhet på råvarorna. Denna studie används material som kommer från CDW som kan variera mellan byggarbetsplatser, och denna variation är en kritisk faktor i jämförelsen av olika studier. Därför måste material studeras enligt de standardiserade tester som säkerställer enhetlig produktkvalitet.

I ett flexuraltest upplever WPC-materialet tryckpressiv stress vid den bärande sidan och på motsvarande sätt, dragstress i motsatt ände. Testmetoden bygger på standarden på träbaserade paneler (EN 310), som illustrerar de flexurala egenskaperna hos en extruderad profil i faktisk användning. Flexuraltestet kommer att orsaka kompression (på den övre ytan) och drag (på undersidan) stress för materialet, därför är det viktigt att den extruderade (ihåliga) profilen är symmetrisk. Ett annat test för flexural egenskap (till exempel standard EN ISO 17827), där måtten på provet var mindre, kommer inte att ge den verkliga värderas för extrudering profil som används men kommer att analysera egenskapen av materialet utan effekten av en ihålig profil. Det är viktigt att använda ett standardiserat avstånd mellan stödspannsen eftersom detta har inflytande på resultaten. Den flexural styrkan beror linjärt på stödspannet, i vilket ett ökat stöd span leder till en proportionell minskning av belastningen28.

Generellt ökar dragmodulus med den ökande innehåll PP polymer inom träfiber25. Därför kan vi anta att sammansättningen av material, inklusive tillsatser som ett kopplingsmedel, inte var optimala för detta material. Den högsta variationen mellan tjocklekarna på dragprover var 0,94 mm; denna variation indikerar att faststämningen av prover är ett kritiskt steg. Testmaskinen omfattade pneumatiska fästdon som orsakar överflödig kraft med de olika tjocklekarna av prover. Därför måste kraftmätningen nollställas vid dragprovningens början för att de pneumatiska fästdonen inte ska snedvrida resultaten. Alternativt skulle denna felsökning kunna elimineras genom tillverkning av homogena testprover under provtagningsfasen.

Påverkanshållfasthetstestet illustrerar ett annat mekaniskt särdrag hos materialet eftersom det mäter en tillfällig stam, medan de flesta av de andra testerna mäter materialets långsiktiga stam. Den ökande halten av träfiber minskade slaghållfastheten25. Måtten på proverna måste mätas i alla tester, och det kan finnas variationer mellan forskare i användningen av mätanordningar (t.ex. kompressionskraft vid användning av ett bromsok eller mikrometer). Därför är det viktigt att samma person mäter måtten på prover i varje test och därigenom utesluter mänskliga fel i mätningarna. Ett annat alternativ som modifieringsteknik är att använda en enhet som innehåller ett ögonblick för komprimering. Dessutom kan testatmosfären ha inflytande på de studerade egenskaperna. I denna studie utfördes alla studerade tester under samma förhållanden, så effekten av atmosfären var liknande, och hade en sammanfallande effekt för varje test. Som en framtida tillämpning kan testerna utföras i ett rum där atmosfären är inställd på att vara stabil.

Eftersom WPC består av minst två material, som trä och polymer, kan det försvåra valet av en standard. Det kan till exempel finnas lämpliga standarder för trämaterial, liksom för polymera material, som kommer att orsaka begränsningar vid valet av en lämplig standard för studier. Standardorganisationen har publicerat standarder (EN 15534-1:2014+A1:2017) i vilka testmetoder för kompositer tillverkade av cellulosabaserade material och termoplaster karakteriserades. Standarden gör det möjligt för forskare som följer den europeiska standarden att agera på ett universellt sätt i sina studier. En komplikation kan uppstå om en betydande del av forskarna följer en annan standard (t.ex. ASTM International), som kommer att orsaka problem i jämförelser av resultat. En framtida utveckling kan vara en enda standardorganisation vars standarder skulle vara giltiga globalt.

Standarderna för WPC inkluderar detaljerade instruktioner för mätning av egenskaper, men tolkningen av dessa kan variera mellan forskare. Benchmarking mellan forskningsorganisationer skulle kunna förena driftmetoder men kanske inte är tillåtna eftersom forskningsorganisationerna ofta är begränsade institutioner som hanterar konfidentiell information. Därför garanterar denna typ av visuellt beskrivna arbeten att testpraxis är universella för ett större antal människor och begränsar därmed möjligheterna till missförstånd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Circwaste-project får ekonomiskt stöd från EU för produktion av sitt material. De åsikter som återspeglas i innehållet är helt och hållet projektets egna och EU-kommissionen ansvarar inte för någon användning av dem.

Acknowledgments

Författarna erkänner stödet från LUT RESOURCE (Resource effektiva produktionsprocesser och värdekedjor) forskningsplattform samordnas av LUT University och av Life IP om avfall-Mot en cirkulär ekonomi i Finland (Life-IP CIRCWASTE-FINLAND) projekt (LIFE 15 IPE FI 004). Finansiering för projektet mottogs från EU Life Integrated program, företag och städer.

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

Denna månad i JoVE Cirkulär ekonomi bygg-och rivningsavfall (CDW) plast separation sortering återvinning utnyttjande trä-polymer komposit (WPC) mekaniska egenskaper
Effekten av konstruktion och rivningsavfall plastfraktioner på trä-Polymer komposit egenskaper
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