Login processing...

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

Environment

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

doi: 10.3791/61064 Published: June 7, 2020

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

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den globale affaldsproduktion er vokset betydeligt gennem historien og forventes at stige med et tocifret antal procenter i fremtiden , medmindre der træffesforanstaltninger 1. Især har højindkomstlande genereret mere end en tredjedel af verdens affald, selv om de kun tegner sig for 16 % af verdensbefolkning 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 samledeaffaldsproduktion 3og 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 globaleopvarmning 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 5,6pct. 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 afplastkilden 14. Brugen af genanvendt plast mindsker imidlertid WPC's styrke på grund af laverekompatibilitet 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Identifikation og forbehandling

  1. 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.
    1. Ifølge identifikationskurven for spektroskopi skal du analysere identifikationsresultaterne fra skærmen i laboratoriet.
  2. Baseret på identifikationsresultatet, sortere materialer mellem polymerer og måle deres respektive vægte.
    BEMÆRK: Materialet blev sorteret og vægtet i henhold til de målte identifikationsresultater. Udvalgte polymerer til videre forarbejdning var ABS, PE og PP med mængderne henholdsvis 27,1, 14,2 og 44,7 kg.
  3. Udfør størrelsesreduktion for de valgte plastmaterialer under laboratorieforhold med et knuseapparat. Opsamlet og identificeret materiale anbringes i apparatet, som knuste materialer med hammerpåvirkningens mekaniske kraft.
    1. Knus plastmaterialer ved hjælp af et enkeltakst-makuleringssystem med et knuser-/shredderapparat, der er udstyret med en sigtestørrelse, der varierer fra 10 til 20 mm.
    2. Sæt plastfragmenterne på en knuser med lav hastighed, der er udstyret med en sigte på 5 mm. Sørg for, at materialet er homogent.
  4. Mål materialebeløbene for kompositter. Vis en opskrift som et eksempel, og præsenter disse materialer i de relative mængder plast, træ, koblingsmiddel og smøremiddel (henholdsvis 64, 30, 3 og 3 wt%).
    BEMÆRK: Tre forskellige kompositter blev undersøgt i denne undersøgelse. De genanvendte plastpolymerer fra CDW var ABS, PP og PE. Fyldstoffet i kompositmaterialet var træmel, som blev fremstillet af en tørret granart (Picea abies) størrelse reduceret ved hjælp af knusningsudstyr og sigtede for en homogen størrelse (20 mm mesh). Der blev anvendt kommercielle tilsætningsstoffer til koblingsmiddel og smøremiddel. De tilberedte materialers sammensætning og navn er vist i tabel 1.
Materiale Polymer
/ beløb
Træ Ca Glidecreme
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tabel 1: Sammensætningen af de undersøgte materialer. Prøvens navn består af den medfølgende matrixkomponent, genanvendt acrylonitrile butadienstyren (ABS), polypropylen (PP) og polyethylen (PE) fra bygge- og nedrivningsaffaldet (CDW). Mængden af træ, koblingsmiddel (CA) og smøremiddel (Lubr.) var de samme i alle prøver.

2. Behandling af WPC materialer med ekstrudering teknologi efter størrelse reduktion behandling

  1. De identificerede og forbehandlede materialer overføres tættere på det næste (agglomerations)behandlingstrin.
    FORSIGTIG: ABS's plastmateriale indeholder en styrenkomponent. Det Internationale Kræftforskningscenter mener, at der er "muligvis kræftfremkaldende for mennesker". Derfor var agglomerationstrinnet i aktion ikke inkluderet i optagelserne, men dets proces er skitseret i dette arbejde. Desuden blev der kun anvendt PP- eller PE-polymer i ekstruderingsproduktionen under optagelserne.
  2. Udfør agglomeration af materialet.
    1. Bland alle komponenter i processen (polymer, træ, koblingsmiddel og smøremiddel) i et apparat, der består af en turboblæser og en køler. Materialerne i turbomixeren alomereres, indtil materialernes temperatur er nået op på 200 °C. På grund af den kombinerede effekt af temperatur og friktion blev granulatmaterialerne dannet efter behandlingsprocessen af bymæssigt.
    2. Materialerne afkøles efter turbomixerbehandling i 4-7 minutter i et køleapparat.
  3. Evakuer materiale fra processen og opsaml agglomereret materiale.
  4. Overfør de agglomerationsbehandlede materialer til næste procestrin (ekstrudering).
    1. Klik på kontrolpanelet på ekstruderingsmaskinen, og kontroller, om der er de korrekte parametre. De gennemsnitlige tønde- og værktøjstemperaturer varierede mellem henholdsvis 167 og 181 °C og henholdsvis 183 og 207 °C. Smeltetemperaturen varierede mellem 164 og 177 °C, og tryktrykket var mellem 3,7 og 5,9 MPa. Juster parametre, fordi genanvendte materialer er heterogene, og processen kræver professionel kontrol.
    2. Sammensatte komponenterne ved hjælp af en konisk modroterende dobbeltskrueektruder med 15 kg/h materialeudgang. Parametrene for materialerne er præsenteret i tabel 2. Efter ekstruderingsprocessen blev komposittens profilmateriale genereret.
Materiale Tønde T °C Værktøj T °C Smelt T °C Smelte
Tryk (bar)
Fodring
(kg/h)
Gns.
hastighed (omdr./
CDW-ABS 181 ± 11,9 189 ± 14,7 kr. 177 50 15 14
CDW-PP til 170 ± 10,4 kr. 207 ± 8,62 kr. 164 37 15 15
CDW-PE 167 ± 8,51 kr. 183 ± 10,1 164 59 15 13

Tabel 2: Forarbejdningsparametre for kompositmaterialerne. (Værdier efter »±-mærket angiver standardafvigelser. Gennemsnit)

3. Prøveudtagning af producerede materialer og analyser af egenskaber

  1. Forbered prøver til mekaniske egenskabstest i laboratoriet.
    1. Skær prøver fra ekstruderede profiler med en maskine (dvs. en skydebordsav). Tre forskellige størrelsesprøver er nødvendige til test: flexural, trækstyrke og slagstyrke.
    2. Prøveemnerne bestemmes i overensstemmelse med de gældende standarder på grundlag af anbefalingen i EN 1553416. I henhold til standarden testes mindst fem prøver, men antallet af målinger kan være mere end fem, hvis der kræves større præcision af middelværdien.
  2. Der blev savet testprøver fra ekstruderet materiale til flexural ejendomstest i henhold til standard EN 31017.
    1. Brug en skydebordssav med følgende dimensioner til prøven: 800 mm x 50 mm x 20 mm (længde, bredde, tykkelse).
    2. Fremstilling af 20 prøver til analyse af flexurale egenskaber (styrke og modulus).
  3. Der blev savet testprøver fra ekstruderet materiale til trækegenskabstesten i henhold til standardEN ISO 527 218. Brug skydebordsaven til at skære materialet i følgende mål: 150 mm x 20 mm x 4 mm (længde, bredde, tykkelse).
    1. Indstil materialet præforme til bearbejdning af en dum-klokke form via computer numerisk kontrol (CNC). Prøvens bredde ved den smalle del var 10 mm, og prøvens tværsnitsoverfladeareal var 4 mm x 10 mm, hvor trækbelastningen blev behandlet. Længden af den smalle del var 60 mm, der sluttede i et afrundet hjørne med en radius på 60 mm.
    2. Lav 20 prøver til analyse af trækegenskaber (styrke og modulus).
  4. Der blev savet testprøver fra ekstruderet materialer til slagstyrketesten i henhold til standardEN ISO 179-119.
    1. Brug skydebordsaven til at skære prøverne i følgende mål: 80 mm x 10 mm x 4 mm (længde, bredde, tykkelse). Lav 20 prøver til analyse af effektstyrke ejendom.
  5. Testmaterialet flyttes ind i 23 °C- og 50% kammeret for relativ luftfugtighed i henhold til standard EN ISO 29120, indtil en konstant masse er nået. Sørg for, at prøverne konditioneret før test af materialeegenskaber.
  6. Udfør testene (flexural, trækstyrke og slagkraft). Prøvers mekaniske egenskaber bestemmes ved hjælp af flexurale og trækstyrketests med en testmaskine i overensstemmelse med henholdsvis EN 31017- og EN ISO 527-218-standarderne.
    1. Udfør flexural styrke og modulus test for hver af 20 prøver ved hjælp af testapparatet. Indstil flexural prøve prøve ved støtte af to punkter og anvende en belastning til midten af prøven ved at klikke Test start i edb-program, der styrer testapparatet, med en pre-belastning på 15 N og testhastighed på 10 mm / min. Testen stopper automatisk, når resultatet er optaget. Fjern testprøven fra støtteværktøjerne, og angiv en ny prøve på værktøjerne.
      1. Gentag procedure indtil 20 prøver blev testet og resultaterne fra programmet blev registreret. Computerprogrammet beregner de gennemsnitlige resultater fra testen.
        BEMÆRK: Protokollen kan sættes på pause her, mens testværktøjerne ændres for testapparatet.
    2. Udfør trækstyrke og modulus test for 20 bearbejdede (dum-klokke-formede) prøver. Trækprøven indbestilst mellem testværktøjerne, og fastgør pneumatiske klemmer, som holder prøven i værktøjerne under testen. Start prøvningen fra computerens kontrolpanel med en forbelastning på 10 N og en prøvningshastighed på 2 mm/min. og fastgør et forlængermålerværktøj umiddelbart efter prøvestart.
      BEMÆRK: Værktøjet til forlængermåler målere måler trækmodulet fra prøven. Hver test stoppede automatisk, efter at resultatet blev registreret.
      1. Fjern prøven fra værktøjet efter hver test, og sæt en ny prøve på værktøjerne. Gentag proceduren for alle prøver. Computerprogrammet beregner de gennemsnitlige resultatværdier.
    3. Udfør en slagstyrketest med en kollisionstester i henhold til standard EN ISO 179-119. Indstil 10 mm x 4 mm størrelse (bredde, tykkelse) prøve mellem støtten, nulstille kraft og slip slaghammeren på 5 kpcm.
      BEMÆRK: Slagstyrkeprøven brister på grund af hammerens påvirkning, og mængden af absorberet energi er synlig i testerindikatoren.
      1. Optag resultatet, og gentag for de 20 prøver, hvorefter den gennemsnitlige værdi af slagstyrken beregnes. De registrerede resultater var i "kpcm" enhed, som blev ændret til joule (J), og resultaterne blev præsenteret som en kilojoule per kvadratmeter.
        BEMÆRK: Spændet mellem prøvestøtten (afstanden mellem kontaktlinjerne i prøven) i kollisionsstyrketesten var 62 mm eller alternativt 20x tykkelse.
  7. Analysere resultaterne fra de mekaniske prøvninger, som præsenteres i figur 1, figur 2 og figur 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 materialets flexurale styrke (et gennemsnit fra 20 målinger) som søjlediagrammer, herunder standardafvigelser som en fejllinje. De højeste flexural styrkeværdier blev opnået med materiale, der indeholdt en genanvendt ABS-polymer i en matrix. Næsten kongruent højstyrke kvalitet blev opnået i det materiale, hvor genanvendt PE polymer blev brugt i en matrix. De laveste flexurale styrker blev opnået med materiale, der indeholder en genanvendt PP polymer i en matrix. Figur 1 præsenterer også lignende resultater for den flexurale modulus af materialer, som blev målt samtidig med styrkegenskaben. Men selv om genanvendte ABS og PE polymerer har kongruente resultater som i styrke test, den flexurale modulus resultater var forskellige. De genanvendte PE materialer har en betydeligt lavere modulus værdi i forhold til værdien af genanvendt ABS polymer.

Figure 1
Figur 1: De undersøgte materialers flexurale egenskaber.
Den flexural styrke præsenteres i den dækkende farve fyldte stænger (rød, grøn og blå) og flexural modulus præsenteres ved hjælp af de samme farver i mønsterfyldte stænger. Standardafvigelserne beskrives som fejllinjer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 viser trækstyrken og modulus (et gennemsnit fra 20 målinger) som søjlediagrammer, herunder standardafvigelser som en fejllinje. Materialerne, hvor der blev anvendt genanvendt ABS og PE, har næsten kongruente trækstyrkeresultater, men standardafvigelsen var højere for det materiale, hvori der blev anvendt genanvendt ABS. Den svageste trækstyrke blev opnået materiale, der indeholdt en genanvendt PP polymer i en matrix. Resultaterne af trækstyrke var sammenfaldende med resultaterne af flexural modulus, hvor den bedste modulus blev opnået med den genvundne ABS polymer.

Figure 2
Figur 2: Trækegenskaberne for de undersøgte materialer.
Trækstyrken præsenteres i de dækkende farvefyldte bjælker (rød, grøn og blå), og trækmodulet præsenteres ved hjælp af de samme farver i mønsterfyldte bjælker. Standardafvigelserne beskrives som fejllinjer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 viser materialers anslagsstyrkeegenskaber (et gennemsnit fra 20 målinger) som søjlediagrammer, herunder standardafvigelser som en fejllinje. Slagkraften ved genanvendte ABS- og PP-polymerer var næsten på samme niveau, men der blev opnået større slagstyrke med den genvundne PE-polymer, som havde den bedste virkningsstyrke i denne undersøgelse.

Figure 3
Figur 3: De undersøgte materialers slagstyrkeegenskaber.
Slagstyrken præsenteres i de udfyldte streger med en dækkende farve, og standardafvigelserne beskrives som fejllinjer. Klik her for at se en større version af dette tal.

ABS polymer består af tre monomerer, hvilket kan øge den gunstige adfærd inden for WPC. For eksempel bidrager acrylonitrilekomponenten til styrke, menadienkomponenter bidrager med slagfasthed, og styrede komponenter bidrager med stivhed. PE-baserede WPC tegner sig for den største markedsandel, for eksempel i Nordamerika, og det er let at nagle, skrue og så. Pe fremstilles imidlertid i forskellige polymere former, såsom polyethylen med høj densitet (HDPE) og polyethylen med lav densitet (LDPE), som har forskellige egenskaber. Den PP-baserede WPC havde de svageste egenskaber i denne undersøgelse, hvilket var i overensstemmelse med, at dets markedsandel er forholdsvis lille. Selv om det har flere overlegne egenskaber i forhold til polyethylen, såsom at være lettere og stærkere, det er også mere skør end polyethylen21.

Samlet set genanvendelse af kompositter er økologisk foretrukne vej8, og genanvendt affald plast er et egnet råmateriale til kompositter, hvor ydeevnen kan forbedres ved hjælp af kompatibilitetsmidler22. Årsagen til forskellige mekaniske egenskaber kan skyldes materialernes sammensætning, og især koblingsmidlet kan have en betydelig virkning. De mekaniske egenskaber af genanvendte polymerer i WPC blev forbedret med kompatibilitetsmidler, men virkningerne afhænger stærkt af det anvendte middel og dets mængde i strukturen, hvilket medfører en stor variation mellem deanvendte stoffer 23. En tidligere undersøgelse viste, at den højeste ydeevne af PP baseret WPC blev opnået med mængder af compatibilizers på tre procentniveauer24, hvilket er sammenfaldende med den mængde, der anvendes i denne undersøgelse. Således kan det anvendte koblingsmiddel være mere problematisk end agentniveauet. Det er dog almindeligt accepteret, at WPC'ernes mekaniske ydeevne forbedres, når koblingsmidler anvendes under optimerede betingelser25.

Hver polymer har individuelle træk i materiale, der viser, at adskillelse af polymerer øger værdien af WPC med de korrekte tilsætningsstoffer. I fremtiden kan nye miljøvenlige alternative koblingsmidler til genanvendte polymerkompositstoffer anvendes til at imødekomme efterspørgslen, såsom stivelsesgummi vist i en ny undersøgelse af Rocha og Rosa26. Desuden skal genudnyttelsen af plast give økonomisk mening og dermed også kræve en fremtidig indsats.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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. Især i denne undersøgelse, hvor der blev anvendt genanvendte råmaterialer, blev der lagt stor vægt på råvarerne. Denne undersøgelse anvendte materialer stammer fra CDW, som kan variere mellem byggepladser, og denne variation er en kritisk faktor i sammenligningen af forskellige undersøgelser. Derfor skal materialet undersøges i henhold til de standardiserede test, der sikrer ensartet produktkvalitet.

I en flexural test oplever WPC-materialet trykbelastning ved den bærende side og tilsvarende trækspænding i den modsatte ende. Testmetoden er baseret på standarden for træbaserede paneler (EN 310), der illustrerer de flexurale egenskaber af en ekstruderet profil ved faktisk brug. Flexural testen vil forårsage kompression (på den øverste overflade) og træk (på undersiden) stress for materialet, derfor er det vigtigt, at den ekstruderede (hule) profil er symmetrisk. En anden test for flexural ejendom (for eksempel standard EN ISO 17827), hvor dimensionerne af prøven var mindre, vil ikke give den reelle værdi for ekstrudering profil, der anvendes, men vil analysere egenskaben af materialet uden effekten af en hul profil. Det er vigtigt at bruge en standardiseret afstand mellem støttespændene, fordi dette har indflydelse på resultaterne. Den flexurale styrke afhænger lineært af støttespændet, hvor en øget støttespænd fører til et proportionalt fald i belastningen28.

Generelt stiger trækmodulus med det stigende indhold PP polymer inden for træfiber25. Derfor kan vi antage, at sammensætningen af materialer, herunder tilsætningsstoffer såsom en kobling agent, ikke var optimal for dette materiale. Den højeste variation mellem tykkene af trækprøver var 0,94 mm; denne variation angiver, at lukning af prøver er et kritisk skridt. Testmaskinen omfattede pneumatiske skruer, der forårsager overflødig kraft med de forskellige tykkelser af prøver. Derfor skal kraftmålingen nulstilles ved begyndelsen af trækprøven, så de pneumatiske skruer ikke forvrænger resultaterne. Alternativt kan denne fejlfinding elimineres ved at fremstille homogene testprøver i prøveudtagningsfasen.

Kollisionsstyrketesten illustrerer et andet mekanisk træk ved materialet, fordi det måler en momentan stamme, mens de fleste af de andre test måler materialets langsigtede stamme. Det stigende indhold af træfibre faldt virkningen styrke25. Prøvernes dimensioner skal måles i alle prøvninger, og der kan være variationer mellem forskerne i brugen af måleinstrumenter (f.eks. kompressionskraft ved brug af en caliper eller et mikrometer). Derfor er det vigtigt, at den samme person måler prøvernes dimensioner i hver test og dermed udelukker menneskelige fejl i målingerne. En anden mulighed som en ændring teknik er at bruge en enhed, der omfatter et øjeblik for komprimering. Desuden kan testatmosfæren have indflydelse på de undersøgte egenskaber. I denne undersøgelse blev alle undersøgte test udført under de samme betingelser, så effekten af atmosfæren var den samme og havde en sammenfaldende effekt for hver test. Som en fremtidig anvendelse, kunne testene udføres i et rum, hvor atmosfæren er indstillet til at være stabil.

Fordi WPC består af mindst to materialer, såsom træ og polymer, kan det komplicere udvælgelsen af en standard. For eksempel kan der være passende standarder for træmaterialer, såvel som for polymer materialer, der vil forårsage begrænsninger i udvælgelsen af en passende standard for undersøgelse. Standardorganisationen har offentliggjort standarder (EN 15534-1:2014+A1:2017), hvor testmetoder for kompositmaterialer fremstillet af cellulosebaserede materialer og termoplast blev karakteriseret. Standarden giver forskere, der følger den europæiske standard, mulighed for at handle universelt i deres studier. En komplikation kan opstå, hvis en betydelig del af forskerne følger en anden standard (f.eks. En fremtidig udvikling kan være en enkelt standard organisation, hvis standarder ville være gyldig globalt.

Standarderne for WPCs omfatter detaljerede instruktioner til måling af egenskaber, men fortolkningen af disse kan variere fra forskere til forskere. Benchmarking mellem forskningsorganisationer kunne forene driftsmetoder, men kan ikke tillades, fordi forskningsorganisationerne ofte er begrænsede institutioner, der beskæftiger sig med fortrolige oplysninger. Derfor sikrer denne form for visuelt beskrevet arbejde testpraksis er universel for et større antal mennesker, hvilket begrænser mulighederne for misforståelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Circwaste-projektet modtager finansiel støtte fra EU til produktion af dets materiale. De synspunkter, der afspejles i indholdet, er udelukkende projektets egne, og EU-Kommissionen er ikke ansvarlig for nogen brug af dem.

Acknowledgments

Forfatterne anerkender støtten fra LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) forskningsplatform koordineret af LUT University og af Life IP på affald-Mod en cirkulær økonomi i Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) projekt (LIFE 15 IPE FI 004). Der blev modtaget støtte til projektet fra EU's life integrated-program, virksomheder og byer.

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).
Effekten af byggeri og nedrivning affald plastfraktioner på træ-Polymer Composite Egenskaber
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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