Summary

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

Published: June 07, 2020
doi:

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 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.

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?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

  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. , (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., Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. , 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., Oksman Niska, K., Sain, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. , 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., Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. , 225-318 (2007).

Play Video

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).

View Video