Effekten af byggeri og nedrivning affald plastfraktioner på træ-Polymer Composite Egenskaber

Summary

Sekundære materialestrømme har vist sig at omfatte potentielle råvarer til produktion. Præsenteret her er en protokol, hvor CDW-plastaffald som råmateriale identificeres, efterfulgt af forskellige forarbejdningstrin (agglomeration, ekstrudering). Som følge heraf blev der produceret et kompositmateriale, og mekaniske egenskaber blev analyseret.

Abstract

Bygge- og nedrivningsaffald (CDW), herunder værdifulde materialer som plast, har en bemærkelsesværdig indflydelse på affaldssektoren. For at plastmaterialer kan genanvendes, skal de identificeres og adskilles i henhold til deres polymersammensætning. I denne undersøgelse blev identifikationen af disse materialer udført ved hjælp af nær-infrarød spektroskopi (NIR), som identificerede materiale baseret på deres fysisk-kemiske egenskaber. Fordelene ved NIR-metoden er en lav miljøpåvirkning og hurtig måling (inden for få sekunder) i spektralområdet 1600-2400 nm uden særlig prøvepræparering. Begrænsninger omfatter dens manglende evne til at analysere mørke materialer. De identificerede polymerer blev udnyttet som en komponent til træ-polymer komposit (WPC), der består af en polymer matrix, lave omkostninger fyldstoffer, og tilsætningsstoffer. Komponenterne blev først forværret med et bymæssigt apparat, efterfulgt af produktion af ekstrudering. I byområdet var målet at sammensatte alle materialer for at producere ensartet distribuerede og granulerede materialer som pellets. Under agglomerationsprocessen blev polymeren (matrixen) smeltet, og fyldstoffer og andre tilsætningsstoffer blev derefter blandet ind i den smeltede polymer, som var klar til ekstruderingsprocessen. I ekstruderingsmetoden blev der anvendt varme- og forskydningskræfter på et materiale i løbet af en konisk kontraroterende dobbeltskruetypeektruder, hvilket reducerer risikoen for at brænde materialerne og sænke forskydningsblandingen. Den opvarmede og skåret blandingen blev derefter transporteret gennem en dør for at give produktet den ønskede form. Den ovenfor beskrevne protokol viste, at der var mulighed for genudnyttelse af CDW-materialer. Funktionelle egenskaber skal verificeres i henhold til de standardiserede test, såsom flexural, trækstyrke og kollisionsstyrketest for materialet.

Introduction

Den globale affaldsproduktion er vokset betydeligt gennem historien og forventes at stige med et tocifret antal procenter i fremtiden , medmindre der træffes^{foranstaltninger 1}. Især har højindkomstlande genereret mere end en tredjedel af verdens affald, selv om de kun tegner sig for 16 % af verdens^{befolkning 1}. Bygge- og anlægssektoren er en betydelig producent af dette affald på grund af den hurtige urbanisering og befolkningstilvæksten. Ifølge skøn udgøres ca. en tredjedel af det globale faste affald ved bygge- og nedrivningsprojekter. Der mangler dog nøjagtige værdier fra forskellige områder². I Den Europæiske Union (EU) udgør mængden af bygge- og nedrivningsaffald (CDW) ca. 25-30 % af den samlede^{affaldsproduktion 3}og omfatter værdifulde og betydelige sekundære råstoffer såsom plast. Uden organiseret indsamling og forvaltning kan plast forurene og påvirke økosystemerne negativt. I 2016 blev der genereret 242 millioner ton plastikaffald i verden¹. Andelen af plast, der blev genanvendt i Europa , var kun 31,1^{% 4}.

Ressourceknaphed har skabt et behov for at ændre praksis i retning af en cirkulær økonomi, hvor målene er at bruge affald som en kilde til sekundære ressourcer og genvinde affald til genbrug. Økonomisk vækst og minimerede miljøpåvirkninger vil blive skabt af den cirkulære økonomi, som er et populært begreb i Europa. Europa-Kommissionen vedtog en EU-handlingsplan for en cirkulær økonomi, som fastsætter mål og indikatorer for bidrag⁵.

Strammere miljøregler og -love bidrager til, at byggesektoren gør en større indsats i spørgsmål om affaldshåndtering og materialegenanvendelse. F.eks. har Den Europæiske Union (EU) fastsat mål for materiel genopretning. Fra og med 2020 bør materialegenvindingsprocenten for ikke-farlig CDW være 70 %⁶. Cdw’s sammensætning kan variere meget på geografiske steder, men der kan identificeres nogle fælles karakteristika, herunder f.eks. Genudnyttelsen af plast er et konkret skridt i retning af en cirkulær økonomi, hvor nye plastpolymerer erstattes af genanvendt polymer.

Kompositmaterialer er et flerfaset system, der består af et matrixmateriale og en forstærkende fase. Træ-polymer komposit (WPC) indeholder typisk polymerer som matrix, træmaterialer som forstærkning, og tilsætningsstoffer til forbedring af vedhæftning, såsom koblingsmidler og smøremidler. WPC kan kaldes et miljøvenligt materiale, fordi råvaren kan købes af fornyelige materialer, såsom polylaktisk syre (PLA) og træ. Ifølge den seneste innovation⁷kan tilsætningsstofferne til WPC være baseret på vedvarende energikilder. Derudover kan råvarens kilde genbruges (ikke-jomfruelige) materialer, som er et økologisk og teknisk overlegent alternativ⁸. For eksempel har forskere undersøgt ekstruderet WPC, der indeholder CDW, og fandt, at egenskaberne af CDW-baserede kompositter var på et acceptabelt niveau⁹. Udnyttelse af genanvendte råmaterialer som en komponent til WPC er også acceptabel ud fra det miljømæssige aspekt, som det fremsendes ved flere vurderinger. Samlet set er det blevet påvist, at udnytte CDW i WPC produktion kan mindske de miljømæssige påvirkninger af CDW management¹⁰. Desuden er det blevet konstateret, at ved hjælp af genanvendt polypropylen (PP) plast i WPC har potentiale til at reducere den globale^{opvarmning 11}.

Mængden af tilgængelige genanvendte polymerer vil stige i fremtiden. Den globale plastproduktion er i gennemsnit steget ca. 9 % pr. år, og det forventes, at denne stigning vil fortsætte i fremtiden¹². De mest generelle plastpolymertyper er bl.a. Den samlede efterspørgsel efter pe og PP var henholdsvis 29,8 pct^. Det globale marked for genanvendelse af plast forventes at vokse med en årlig vækstrate på 5,6^pct. En af de vigtigste anvendelser, hvor plast anvendes, er byggeri og byggeri. F.eks. var næsten 20 % af den samlede efterspørgsel efter europæisk plast forbundet med bygge- og anlægsformål⁴. Fra et økonomisk perspektiv er brugen af genanvendte polymerer i WPC-fremstilling et interessant alternativ, der fører til produktion af materialer med lave omkostninger. Tidligere forskning har vist, at fysiske virkninger har en stærkere indflydelse på ekstruderet materiale fremstillet af sekundær plast i forhold til det tilsvarende jomfrumateriale, men egenskaber afhænger af^{plastkilden 14}. Brugen af genanvendt plast mindsker imidlertid WPC’s styrke på grund af lavere^{kompatibilitet 15}. Variation mellem plastpolymerens strukturer giver anledning til bekymring for genbrug og genanvendelse, hvilket bidrager til betydningen af plastsortering baseret på polymeren.

Denne undersøgelse har til formål at vurdere udnyttelsen af plastmateriale fra CDW som råmateriale til WPC. De polymerfraktioner, der vurderes i undersøgelsen, er acrylonitrile butadienstyren (ABS), polypropylen (PP) og polyethylen (PE). Disse er kendt som universelle plastfraktioner i CDW. Polymerfraktionerne behandles med generelle fremstillingsprocesser, såsom bymæssig og ekstrudering, og testes med universelle mekaniske egenskabstest. Hovedformålet med undersøgelsen er at finde ud af, hvordan WPC’s egenskaber ville ændre sig, hvis genanvendte polymerer blev brugt som råmateriale i matrix i stedet for primære jomfrupolymerer.

Baseret på det (lokale) affaldshåndteringscenter (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) blev det vist, hvordan plastrige CDW opbevares. Det blev påvist, at en stor mængde plastmateriale er inkluderet, og nogle eksempler på CDW plast polymerer blev vist. Forskere indsamlet de mest egnede polymerer til videre forarbejdning, såsom ABS, PP, og PE. De ønskede polymerer (PE, PP, ABS) blev identificeret ved hjælp af bærbare nær infrarød (NIR) spektroskopi. WPC produkt eksempler blev præsenteret, hvor hvor indsamlede plastmaterialer kunne udnyttes som råmateriale. Definitionen af kompositten og dens fordele blev forklaret.

Protocol

1. Identifikation og forbehandling Identificer polymerer i plast med det bærbare nær-infrarøde (NIR) spektroskopiværktøj i spektralområdet 1600-2400 nm. Kontakt polymeren med spektroskopi værktøj og bestemme polymeren ved den målte reflektans. Ifølge identifikationskurven for spektroskopi skal du analysere identifikationsresultaterne fra skærmen i laboratoriet. Baseret på identifikationsresultatet, sortere materialer mellem polymerer og måle deres respektive vægte.<b…

Representative Results

For at undersøge virkningen af CDW plast polymer på de mekaniske egenskaber af WPC, tre forskellige polymer typer som en matrix blev undersøgt. Tabel 1 viser materialernes sammensætning, og tabel 2 rapporterer fremstillingsprocesserne. Materialet af CDW-PP kræver en højere behandlingstemperatur for værktøj, men tilsvarende smeltetryk var lavere i forhold til de andre materialer (CDW-ABS og CDW-PE). Figur 1 viser materialet…

Discussion

WPC’s mekaniske egenskaber spiller en vigtig rolle i beslutningen om disse produkters egnethed i forskellige applikationer. WPC består af tre hovedingredienser: plast, træ og tilsætningsstoffer. De mekaniske egenskaber af fiber-baserede kompositter afhænger af længden af den anvendte fiber, hvor “kritisk fiber længde” er det begreb, der anvendes til at angive tilstrækkelig forstærkning²⁵. Ud over ingrediensernes egenskaber er kvaliteten af råvarer den vigtige faktor for WPC’s ydeevne. Is?…

Materials

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