Login processing...

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

Environment

Die Auswirkungen von Bau- und Abbruchabfällen kunststofffraktioniert auf Holz-Polymer-Verbundeigenschaften

doi: 10.3791/61064 Published: June 7, 2020

Summary

Sekundäre Materialströme enthalten nachweislich potenzielle Rohstoffe für die Produktion. Hier wird ein Protokoll vorgestellt, in dem CDW-Kunststoffabfälle als Rohstoff identifiziert werden, gefolgt von verschiedenen Verarbeitungsschritten (Agglomeration, Extrusion). Als Ergebnis wurde ein Verbundwerkstoff hergestellt und mechanische Eigenschaften analysiert.

Abstract

Bau- und Abbruchabfälle (CDW), einschließlich wertvoller Materialien wie Kunststoffe, haben einen bemerkenswerten Einfluss auf den Abfallsektor. Damit Kunststoffe wiederverwendet werden können, müssen sie entsprechend ihrer Polymerzusammensetzung identifiziert und getrennt werden. In dieser Studie wurde die Identifizierung dieser Materialien mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIR) durchgeführt, die Material anhand ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften identifizierte. Vorteile der NIR-Methode sind eine geringe Umweltbelastung und eine schnelle Messung (innerhalb weniger Sekunden) im Spektralbereich von 1600-2400 nm ohne spezielle Probenvorbereitung. Zu den Einschränkungen gehört die Unfähigkeit, dunkle Materialien zu analysieren. Die identifizierten Polymere wurden als Komponente für Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC) verwendet, die aus einer Polymermatrix, kostengünstigen Füllstoffen und Additiven besteht. Die Komponenten wurden zunächst mit einem Agglomerationsapparat zusammengesetzt, gefolgt von der Extrusion. Im Agglomerationsprozess bestand das Ziel darin, alle Materialien zu einer gleichmäßig verteilten und granulierten Materialsproduktion als Pellets zu verankern. Während des Agglomerationsprozesses wurde das Polymer (Matrix) geschmolzen und Füllstoffe und andere Additive in das geschmolzene Polymer gemischt, um für den Extrusionsprozess bereit zu sein. Bei der Extrusion wurden Wärme- und Scherkräfte auf ein Material innerhalb des Laufs eines konischen, gegenläufigen Doppelschneckenextruders aufgebracht, was das Risiko des Verbrennens der Materialien und der geringeren Schermischung reduziert. Die erhitzte und gescherte Mischung wurde dann durch eine Matrize transportiert, um dem Produkt die gewünschte Form zu geben. Das oben beschriebene Protokoll bewies das Potenzial für die Wiederverwendung von CDW-Materialien. Die Funktionseigenschaften müssen gemäß den standardisierten Tests überprüft werden, wie z. B. Biege-, Zug- und Schlagfestigkeitsprüfungen für das Material.

Introduction

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

Die weltweite Abfallerzeugung ist im Laufe der Geschichte erheblich angestiegen und wird in Zukunft voraussichtlich um zig Prozent steigen, wenn nicht gehandelt wird1. Insbesondere Länder mit hohem Einkommen haben mehr als ein Drittel der weltweiten Abfälle erzeugt, obwohl sie nur 16 % der Weltbevölkerung ausmachen1. Der Bausektor ist aufgrund der raschen Urbanisierung und des Bevölkerungswachstums ein bedeutender Produzent dieser Abfälle. Schätzungen zufolge wird etwa ein Drittel des weltweiten festen Abfalls durch Bau- und Abbruchprojekte gebildet; Genaue Werte aus verschiedenen Bereichen fehlen jedoch2. In der Europäischen Union (EU) beträgt die Menge an Bau- und Abbruchabfällen (CDW) etwa 25 % bis 30 % der gesamten Abfallerzeugung3und umfasst wertvolle und bedeutende Sekundärrohstoffe wie Kunststoff. Ohne organisierte Sammlung und Verwaltung kann Kunststoff Ökosysteme kontaminieren und beeinträchtigen. Im Jahr 2016 wurden weltweit 242 Millionen Tonnen Plastikmüll erzeugt1. Der Anteil der in Europa recycelten Kunststoffe betrug nur 31,1 %4.

Ressourcenknappheit hat dazu führen, dass die Praktiken in Richtung einer Kreislaufwirtschaft geändert werden müssen, in der das Ziel besteht, Abfälle als Quelle sekundärer Ressourcen zu nutzen und Abfälle zur Wiederverwendung zu verwerten. Wirtschaftswachstum und minimierte Umweltauswirkungen werden durch die Kreislaufwirtschaft entstehen, die in Europa ein beliebtes Konzept ist. Die Europäische Kommission hat einen Aktionsplan der Europäischen Union für eine Kreislaufwirtschaft angenommen, in dem Ziele und Indikatoren für Beiträge festgelegt werden5.

Strengere Umweltvorschriften und Gesetze tragen dazu bei, dass der Bausektor mehr Anstrengungen in Fragen der Abfallbewirtschaftung und des Materialrecyclings aufnimmt. So hat sich beispielsweise die Europäische Union (EU) Ziele für die materielle Verwertung gesetzt. Ab dem Jahr 2020 sollte die Materialrückgewinnungsrate von nicht-gefährlichem CDW 70%6betragen. Die Zusammensetzung von CDW kann je nach geographischen Standorten sehr unterschiedlich sein, aber es lassen sich einige gemeinsame Merkmale identifizieren, darunter beispielsweise Kunststoff, der ein potenzieller und wertvoller Rohstoff für Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe ist. Die Wiederverwendung von Kunststoff ist ein konkreter Schritt in Richtung einer Kreislaufwirtschaft, in der native Kunststoffpolymere durch recyceltes Polymer ersetzt werden.

Verbundwerkstoffe sind ein mehrphasiges System, das aus einem Matrixmaterial und einer Verstärkungsphase besteht. Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC) enthält in der Regel Polymere als Matrix, Holzmaterialien als Verstärkung und Additive zur Verbesserung der Haftung, wie Z. B. Kupplungsmittel und Schmierstoffe. WPC kann als umweltfreundliches Material bezeichnet werden, da der Rohstoff aus nachwachsenden Rohstoffen wie Polymilchsäure (PLA) und Holz gewonnen werden kann. Nach der neuesten Innovation7können die Additive von WPC auf erneuerbaren Quellen basieren. Zusätzlich kann die Rohstoffquelle recycelt werden (nicht-native) Materialien, was eine ökologisch und technisch überlegene Alternativeist 8. Zum Beispiel haben Forscher extrudierte WPC untersucht, die CDW enthält, und festgestellt, dass die Eigenschaften von CDW-basierten Verbundwerkstoffen auf einer akzeptablen Stufe9waren. Die Verwendung von recycelten Rohstoffen als Komponente für WPC ist auch unter dem Aspekt der Umwelt akzeptabel, wie mehrere Bewertungen belegen. Insgesamt wurde gezeigt, dass die Verwendung von CDW in der WPC-Produktion die Umwelteinflüsse des CDW-Managements verringern kann10. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verwendung von recyceltem Polypropylen (PP) Kunststoff in WPC das Potenzial hat, die globale Erwärmung zu reduzieren11.

Die Menge der verfügbaren recycelten Polymere wird in Zukunft zunehmen. Die weltweite Kunststoffproduktion ist im Durchschnitt um etwa 9 % pro Jahr gestiegen, und es wird erwartet, dass sich dieser Anstieg auch in Zukunft fortsetzen wird12. Die allgemeinsten Kunststoffpolymertypen sind unter anderem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Die Anteile an der Gesamtnachfrage nach PE und PP betrugen 2017 in Europa429,8 % bzw. 19,3 %. Der weltweite Kunststoffrecyclingmarkt wird im Zeitraum 2018–2026 voraussichtlich um 5,6 % jährlich um 5,6 % wachsen13. Eine der Hauptanwendungen, bei denen Kunststoffe verwendet werden, ist der Bau und die Konstruktion. So entfielen beispielsweise fast 20 % der Gesamtnachfrage nach europäischem Kunststoff auf Bauanwendungen4. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Verwendung von recycelten Polymeren in der WPC-Herstellung eine interessante Alternative, die zur Herstellung von Materialien mit geringen Kosten führt. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass physikalische Wirkungen einen stärkeren Einfluss auf extrudierte Materialien aus Sekundärkunststoff im Vergleich zum entsprechenden Neumaterial haben, aber die Eigenschaften hängen von der Kunststoffquelleab 14. Die Verwendung von recyceltem Kunststoff verringert jedoch die Festigkeit von WPC aufgrund der geringeren Kompatibilität15. Die Variation zwischen den Strukturen von Kunststoffpolymeren bereitet bedenken die Wiederverwendung und das Recycling, die zur Bedeutung der Kunststoffsortierung auf Basis des Polymers beitragen.

In dieser Studie soll die Verwendung von Kunststoff aus CDW als Rohstoff für WPC bewertet werden. Die in der Studie bewerteten Polymerfraktionen sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Diese werden als universelle Kunststofffraktionen innerhalb von CDW bezeichnet. Die Polymerfraktionen werden mit allgemeinen Herstellungsverfahren wie Agglomeration und Extrusion behandelt und mit universellen mechanischen Eigenschaftstests getestet. Das primäre Ziel der Studie ist es herauszufinden, wie sich die Eigenschaften von WPC verändern würden, wenn recycelte Polymere als Rohstoff in Matrix anstelle von primären virginpolymeren verwendet würden.

Basierend auf dem (lokalen) Abfallwirtschaftszentrum (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) wurde gezeigt, wie kunststoffreiche CDW gelagert werden. Es wurde gezeigt, dass eine große Menge an Kunststoffmaterial enthalten ist und einige Beispiele von CDW-Kunststoffpolymeren gezeigt wurden. Die Forscher sammelten die am besten geeigneten Polymere für die Weiterverarbeitung, wie ABS, PP und PE. Die gewünschten Polymere (PE, PP, ABS) wurden mittels portabler Nahinfrarotspektroskopie (NIR) identifiziert. Vorgestellt wurden WPC-Produktbeispiele, in denen gesammelte Kunststoffe als Rohstoff verwendet werden konnten. Die Definition des Verbunds und seine Vorteile wurden erläutert.

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. Identifizierung und Vorbehandlung

  1. Identifizieren Sie Polymere aus Kunststoff mit dem tragbaren Nahinfrarot-Spektroskopie-Tool (NIR) im Spektralbereich von 1600–2400 nm. Kontaktieren Sie das Polymer mit spektroskopie-Werkzeug und bestimmen Sie das Polymer durch die gemessene Reflexion.
    1. Nach der Identifikationskurve der Spektroskopie, analysieren Sie die Identifikationsergebnisse aus dem Bildschirm im Labor.
  2. Sortieren Sie auf Der Grundlage des Identifikationsergebnisses die Materialien zwischen den Polymeren und messen Sie deren jeweilige Gewichte.
    HINWEIS: Das Material wurde nach den gemessenen Identifikationsergebnissen sortiert und gewichtet. Ausgewählte Polymere für die Weiterverarbeitung waren ABS, PE und PP mit den Mengen 27,1, 14,2 bzw. 44,7 kg.
  3. Führen Sie die Größenreduzierung für die ausgewählten Kunststoffmaterialien unter Laborbedingungen mit einem Brechergerät durch. Legen Sie gesammelte und identifizierte Materialien in das Gerät, das Materialien mit der mechanischen Kraft von Hammerschlägen zerkleinerte.
    1. Zerkleinern Sie Kunststoffmaterialien mit einem Einwellen-Schreddersystem mit einem Brecher-/Schreddergerät mit einer Siebgröße von 10 bis 20 mm.
    2. Unterziehen Sie die Kunststofffragmente einem Low-Speed-Brecher, der mit einem 5 mm Sieb ausgestattet ist. Stellen Sie sicher, dass das Material homogen ist.
  4. Messen Sie die Materialmengen für Verbundwerkstoffe. Zeigen Sie ein Rezept als Beispiel und präsentieren Sie diese Materialien in den relativen Mengen an Kunststoff, Holz, Kupplungsmittel und Schmiermittel (64, 30, 3 und 3 Gew.-% ).
    HINWEIS: In dieser Studie wurden drei verschiedene Verbundwerkstoffe untersucht. Die recycelten Kunststoffpolymere aus dem CDW waren ABS, PP und PE. Der Füllstoff des Verbundmaterials war Holzmehl, das aus einer getrockneten Fichtenart (Picea abies) mit Zerkleinerungsgeräten reduziert und für eine homogene Größe (20 mm Masche) gesiebt wurde. Es wurden kommerzielle Zusatzstoffe von Kupplungsmittel und Schmiermittel verwendet. Die Zusammensetzungen und der Name der hergestellten Materialien sind in Tabelle 1dargestellt.
Material Polymer
/ Betrag
Holz Ca Lubr
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tabelle 1: Zusammensetzung der untersuchten Materialien. Der Name der Probe besteht aus der mitgelieferten Matrixkomponente, recyceltem Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) aus dem Bau- und Abbruchabfall (CDW). Die Mengen an Holz, Kupplungsmittel (CA) und Schmiermittel (Lubr.) waren in allen Proben gleich.

2. Verarbeitung von WPC-Materialien mit Extrusionstechnik nach Größenreduzierung

  1. Übertragen Sie die identifizierten und vorbehandelten Materialien in den nächsten (Agglomerations-)Verarbeitungsschritt.
    VORSICHT: Das Kunststoffmaterial von ABS enthält eine Styrolkomponente. Die Internationale Agentur für Krebsforschung ist der Ansicht, dass Styrol "möglicherweise krebserregend für den Menschen" ist. Daher wurde der Agglomerationsschritt in Aktion nicht in die Dreharbeiten einbezogen, aber sein Prozess wird in dieser Arbeit skizziert. Zusätzlich wurde bei der Extrusionsproduktion während des Filmens nur PP- oder PE-Polymer verwendet.
  2. Agglomeration des Materials durchführen.
    1. Mischen Sie alle Komponenten des Prozesses (Polymer, Holz, Kupplungsmittel und Schmiermittel) in einem Gerät, das aus einem Turbomixer und einem Kühler besteht. Agglomerieren Sie die Materialien im Turbomixer, bis die Temperatur der Materialien 200 °C erreichte. Durch die kombinierte Wirkung von Temperatur und Reibung wurden die Granulatmaterialien nach dem Behandlungsprozess der Agglomeration gebildet.
    2. Kühlen Sie die Materialien nach turbomixer Behandlung für 4-7 Minuten in einem Kühlergerät.
  3. Evakuieren Sie Material aus dem Prozess und sammeln Sie agglomeriertes Material.
  4. Übertragen Sie die agglomerationsbehandelten Materialien in den nächsten Prozessschritt (Extrusion).
    1. Klicken Sie auf das Bedienfeld der Extrusionsmaschine, und überprüfen Sie die richtigen Parameter. Die durchschnittlichen Fass- und Werkzeugtemperaturen schwankten zwischen 167 und 181 °C bzw. 183 bzw. 207 °C. Die Schmelztemperatur schwankte zwischen 164 und 177 °C, die Drucke lagen zwischen 3,7 und 5,9 MPa. Passen Sie Parameter an, da recycelte Materialien heterogen sind und der Prozess eine professionelle Kontrolle erfordert.
    2. Compoundieren Sie die Komponenten mit einem konischen, gegenläufigen Doppelschneckenextruder mit 15 kg/h Materialleistung. Die Parameter der Materialien sind in Tabelle 2dargestellt. Nach dem Extrusionsprozess wurde das Profilmaterial des Verbundwerkstoffs erzeugt.
Material Fass T °C Werkzeug T °C Schmelze T °C Schmelzen
Druck (bar)
Fütterung
Geschwindigkeit (kg/h)
Avg.Schraube
Geschwindigkeit (rpm)
CDW-ABS 181 ± 11,9 189 ± 14,7 177 50 15 14
CDW-PP 170 ± 10,4 207 ± 8,62 164 37 15 15
CDW-PE 167 ± 8,51 183 ± 10,1 164 59 15 13

Tabelle 2: Verarbeitungsparameter der Verbundwerkstoffe. (Werte nach der ±-Marke weisen auf Standardabweichungen hin. Avg. = Durchschnitt)

3. Probenahme von produzierten Materialien und Analyse von Eigenschaften

  1. Bereiten Sie Proben für mechanische Eigenschaftentests im Labor vor.
    1. Schnittproben aus extrudierten Profilen mit einer Maschine (d. h. einer Schiebetischsäge). Für Tests werden drei Proben unterschiedlicher Größe benötigt: Biege-, Zug- und Schlagfestigkeit.
    2. Bestimmen Sie die Größe der Prüfmuster nach den geltenden Normen auf der Grundlage der Empfehlung der EN 1553416. Nach der Norm, testen Sie mindestens fünf Proben, aber die Anzahl der Messungen kann mehr als fünf sein, wenn eine größere Genauigkeit des Mittelwerts erforderlich ist.
  2. Sägeprüfmuster aus den extrudierten Materialien für die Biegeeigenschaftenprüfung nach der Norm EN 31017.
    1. Verwenden Sie eine Schiebetischsäge mit folgenden Abmessungen für die Probe: 800 mm x 50 mm x 20 mm (Länge, Breite, Dicke).
    2. Herstellung von 20 Proben zur Analyse von Biegeeigenschaften (Stärke und Modul).
  3. Sägeprüfmuster aus den extrudierten Materialien für die Zugeigenschaftenprüfung nach der Norm EN ISO 527 218. Verwenden Sie die Schiebetischsäge, um das Material in folgende Abmessungen zu schneiden: 150 mm x 20 mm x 4 mm (Länge, Breite, Dicke).
    1. Stellen Sie die Materialvorform für die Bearbeitung einer Hantelform über Computer numerische Steuerung (CNC). Die Breite der Probe in ihrem schmalen Abschnitt betrug 10 mm, und die Querschnittsfläche der Probe betrug 4 mm x 10 mm, wobei die Zugspannung angesprochen wurde. Die Länge des schmalen Abschnitts betrug 60 mm und endete in einer abgerundeten Ecke mit einem Radius von 60 mm.
    2. Erstellen Sie 20 Proben für die Analyse der Zugeigenschaften (Stärke und Modul).
  4. Sägeprüfmuster aus den extrudierten Materialien für die Schlagfestigkeitsprüfung nach der Norm EN ISO 179-119.
    1. Verwenden Sie die Schiebetischsäge, um die Proben in folgende Maße zu schneiden: 80 mm x 10 mm x 4 mm (Länge, Breite, Dicke). Erstellen Sie 20 Proben für die Analyse der Eigenschaft der Schlagzähigkeit.
  5. Bewegen Sie das Prüfmaterial in die 23 °C und 50% relative Feuchte-Zustandskammer nach Norm EN ISO 29120, bis eine konstante Masse erreicht ist. Stellen Sie sicher, dass Proben vor der Prüfung der Materialeigenschaften konditioniert werden.
  6. Führen Sie die Tests (Flexural, Zug und Aufprall) durch. Bestimmen Sie die mechanischen Eigenschaften von Proben durch Biege- und Zugfestigkeitsprüfungen mit einer Prüfmaschine nach den Normen EN 31017 bzw. EN ISO 527-218.
    1. Führen Sie die Biegefestigkeit und den Modultest für jede der 20 Proben mit dem Prüfgerät durch. Legen Sie die Flexura-Testprobe auf die Unterstützung von zwei Punkten und wenden Sie eine Last auf die Mitte der Probe an, indem Sie im Computerprogramm, das das Prüfgerät steuert, auf Teststart klicken, mit einer Vorlast von 15 N und einer Prüfgeschwindigkeit von 10 mm/min. Der Test wird nach der Aufzeichnung des Ergebnisses automatisch beendet. Entfernen Sie das Testbeispiel aus den Support-Tools, und legen Sie ein neues Beispiel für die Werkzeuge fest.
      1. Wiederholen Sie den Vorgang, bis 20 Proben getestet und Die Ergebnisse des Programms registriert wurden. Das Computerprogramm berechnet die durchschnittlichen Ergebnisse des Tests.
        HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden, während die Testwerkzeuge für das Prüfgerät geändert werden.
    2. Führen Sie Zugfestigkeits- und Modultest für 20 bearbeitete (hantelförmige) Proben durch. Stellen Sie die Zugprobe zwischen den Prüfwerkzeugen ein und befestigen Sie pneumatische Klemmen, die die Probe während des Tests in den Werkzeugen halten. Starten Sie den Test über das Bedienfeld des Computers mit einer Vorspannung von 10 N und einer Prüfgeschwindigkeit von 2 mm/min, und befestigen Sie unmittelbar nach dem Teststart ein Verlängerungsmesser.
      HINWEIS: Das Werkzeug Verlängerungsmesser misst den Zugmodul aus der Probe. Jeder Test wurde automatisch beendet, nachdem sein Ergebnis aufgezeichnet wurde.
      1. Entfernen Sie das Testbeispiel nach jedem Test aus dem Werkzeug, und legen Sie ein neues Beispiel für die Werkzeuge fest. Wiederholen Sie den Vorgang für alle Proben. Das Computerprogramm berechnet durchschnittliche Ergebniswerte.
    3. Führen Sie einen Schlagfestigkeitstest mit einem Schlagprüfer gemäß der Norm EN ISO 179-119durch. Stellen Sie die 10 mm x 4 mm Große der Probe (Breite, Dicke) zwischen die Stütze ein, setzen Sie die Kraft zurück und lösen Sie den Schlaghammer von 5 kpcm.
      HINWEIS: Die Schlagfestigkeitsprobe blinkt aufgrund des Aufpralls des Hammers und der Menge der absorbierten Energie ist im Tester-Indikator sichtbar.
      1. Zeichnen Sie das Ergebnis auf, und wiederholen Sie die für die 20 Stichproben, nach denen der durchschnittliche Wert der Aufprallstärke berechnet wird. Die aufgezeichneten Ergebnisse waren in der Einheit "kpcm", die in Joule (J) geändert wurde, und die Ergebnisse wurden als Kilojoule pro Quadratmeter dargestellt.
        ANMERKUNG: Die Spanne zwischen der Probenstütze (Abstand zwischen den Kontaktlinien der Probe) betrug 62 mm oder alternativ das 20-fache seiner Dicke.
  7. Analysieren Sie die Ergebnisse der mechanischen Tests, die in Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3dargestellt sind.

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

Um die Wirkung von CDW-Kunststoffpolymer auf die mechanischen Eigenschaften von WPC zu untersuchen, wurden drei verschiedene Polymertypen als Matrix untersucht. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Werkstoffe und Tabelle 2 zeigt die Herstellungsverfahren. Das Material von CDW-PP erfordert eine höhere Behandlungstemperatur für Werkzeuge, aber entsprechend war der Schmelzdruck im Vergleich zu den anderen Materialien (CDW-ABS und CDW-PE) geringer.

Abbildung 1 zeigt die Biegefestigkeit des Materials (ein Durchschnitt von 20 Messungen) als Balkendiagramme, einschließlich Standardabweichungen als Fehlerbalken. Die höchsten Biegefestigkeitswerte wurden mit Material erreicht, das ein recyceltes ABS-Polymer in einer Matrix enthält. Nahezu kongruente, hochfeste Qualität wurde in dem Material erreicht, in dem recyceltes PE-Polymer in einer Matrix verwendet wurde. Die geringsten Biegefestigkeiten wurden mit Material erreicht, das ein recyceltes PP-Polymer in einer Matrix enthält. Abbildung 1 zeigt auch ähnliche Ergebnisse für den Biegemodul von Materialien, der gleichzeitig mit der Festigkeitseigenschaft gemessen wurde. Obwohl recycelte ABS- und PE-Polymere wie bei den Festigkeitstests kongruente Ergebnisse haben, waren die Ergebnisse des Biegemoduls unterschiedlich. Die recycelten PE-Materialien haben einen deutlich niedrigeren Modulwert im Vergleich zum Wert von recyceltem ABS-Polymer.

Figure 1
Abbildung 1: Die Biegeeigenschaften der untersuchten Materialien.
Die Biegefestigkeit wird in den einfarbig gefüllten Balken (rot, grün und blau) und der Biegemodul mit den gleichen Farben in mustergefüllten Balken dargestellt. Die Standardabweichungen werden als Fehlerbalken beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2 zeigt die Zugfestigkeit und den Modul (ein Durchschnitt von 20 Messungen) als Balkendiagramme, einschließlich Standardabweichungen als Fehlerleiste. Die Materialien, in denen recyceltes ABS und PE verwendet wurden, haben fast kongruente Zugfestigkeitsergebnisse, aber die Standardabweichung war höher für das Material, in dem recyceltes ABS verwendet wurde. Die schwächste Zugfestigkeit war das Material, das ein recyceltes PP-Polymer in einer Matrix enthält. Die Ergebnisse des Zugmoduls entsprachen den Ergebnissen des Biegemoduls, bei dem der beste Modul mit dem recycelten ABS-Polymer erreicht wurde.

Figure 2
Abbildung 2: Die Zugeigenschaften der untersuchten Materialien.
Die Zugfestigkeit wird in den vollfarbigen gefüllten Balken (rot, grün und blau) und der Zugmodul mit den gleichen Farben in mustergefüllten Balken dargestellt. Die Standardabweichungen werden als Fehlerbalken beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3 zeigt die Schlagfestigkeitseigenschaften von Materialien (ein Durchschnitt aus 20 Messungen) als Balkendiagramme, einschließlich Standardabweichungen als Fehlerleiste. Die Schlagstärken von recycelten ABS- und PP-Polymeren lagen fast auf dem gleichen Niveau, aber mit dem recycelten PE-Polymer, das in dieser Studie die beste Schlagfestigkeitseigenschaft hatte, wurde eine größere Schlagzähigkeit erreicht.

Figure 3
Abbildung 3: Die Schlagfestigkeitseigenschaften der untersuchten Materialien.
Die Schlagfestigkeit wird in den vollfarbigen gefüllten Balken dargestellt, und die Standardabweichungen werden als Fehlerbalken beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

ABS-Polymer besteht aus drei Monomeren, die das günstige Verhalten innerhalb des WPC erhöhen könnten. Zum Beispiel trägt die Acrylnitrilkomponente zur Festigkeit bei, Butadienkomponenten tragen zur Schlagzähigkeit bei, und Styrolkomponenten tragen zur Steifigkeit bei. PE-basierte WPC macht den größten Marktanteil, zum Beispiel in Nordamerika, und es ist einfach zu nageln, schrauben und sägen. PE wird jedoch in verschiedenen polymeren Formen hergestellt, wie z. B. Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die PP-basierte WPC hatte in dieser Studie die schwächsten Eigenschaften, was mit der Tatsache übereinstimmt, dass ihr Marktanteil relativ gering ist. Obwohl es im Vergleich zu Polyethylen mehrere überlegene Eigenschaften hat, wie z. B. leichter und stärker, ist es auch spröder als Polyethylen21.

Insgesamt ist das Recycling von Verbundwerkstoffen der ökologisch bevorzugte Weg8, und recycelter Abfallkunststoff ist ein geeigneter Rohstoff für Verbundwerkstoffe, bei dem die Leistung mit Kompatibilizern22verbessert werden kann. Der Grund für die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften kann auf die Zusammensetzung der Werkstoffe liegen, und insbesondere kann das Kupplungsmittel eine signifikante Wirkung haben. Die mechanischen Eigenschaften von recycelten Polymeren in WPC wurden mit Kompatibilizern verbessert, aber die Auswirkungen hängen stark vom verwendeten Mittel und seiner Menge in der Struktur ab, was zu einer großen Variation zwischen den verwendeten Wirkstoffen23führt. Eine frühere Studie zeigte, dass die höchste Leistung von PP-basiertem WPC mit Mengen von Kompatibilisatoren auf drei Prozentebenen24erreicht wurde, was mit der in dieser Studie verwendeten Menge übereinstimmend ist. Daher könnte das verwendete Kupplungsmittel problematischer sein als der Agent. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass die mechanische Leistung von WPCs verbessert wird, wenn Kupplungsmittel unter optimierten Bedingungen verwendet werden25.

Jedes Polymer hat individuelle Eigenschaften im Material, was zeigt, dass die Trennung von Polymeren den Wert von WPC mit den richtigen Additiven erhöht. In Zukunft könnten neuartige umweltfreundliche alternative Kopplungsmittel für recycelte Polymerverbundwerkstoffe verwendet werden, um die Nachfrage zu decken, wie das Stärkegummi, das in einer neuen Studie von Rocha und Rosa26gezeigt wird. Darüber hinaus muss die Wiederverwendung von Kunststoff wirtschaftlich sinnvoll sein und daher auch zukünftiges Handeln erfordern.

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

Die mechanischen Eigenschaften von WPC spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung über die Eignung dieser Produkte in verschiedenen Anwendungen. WPC besteht aus drei Hauptbestandteilen: Kunststoff, Holz und Zusatzstoffe. Die mechanischen Eigenschaften von faserbasierten Verbundwerkstoffen hängen von der Länge der verwendeten Faser ab, wobei "kritische Faserlänge" der Begriff ist, der verwendet wird, um eine ausreichende Verstärkung25anzuzeigen. Neben den Eigenschaften der Inhaltsstoffe ist die Qualität der Rohstoffe der wichtige Faktor für die Leistung von WPC. Insbesondere in dieser Studie, in der recycelte Rohstoffe verwendet wurden, wurde viel Wert auf die Rohstoffe gelegt. In dieser Studie wurden Materialien aus CDW verwendet, die zwischen Baustellen variieren können, und diese Variabilität ist ein entscheidender Faktor beim Vergleich verschiedener Studien. Daher muss das Material nach den standardisierten Tests untersucht werden, die eine einheitliche Produktqualität gewährleisten.

In einem Biegetest erfährt das WPC-Material Druckspannung auf der tragenden Seite und dementsprechend eine Zugspannung am entgegengesetzten Ende. Das Prüfverfahren basiert auf dem Standard von Holzplatten (EN 310), der die Biegeeigenschaften eines extrudierten Profils bei der tatsächlichen Verwendung veranschaulicht. Der Biegetest führt zu Kompressions- (auf der Oberseite) und Zugspannung (auf der Unterseite) für das Material, daher ist es wichtig, dass das extrudierte (hohle) Profil symmetrisch ist. Ein weiterer Test für die Biegeeigenschaft (z. B. die Norm EN ISO 17827), bei dem die Abmessungen der Probe kleiner waren, ergibt nicht den realen Wert für das verwendete Extrusionsprofil, sondern analysiert die Eigenschaft des Materials ohne die Wirkung eines Hohlprofils. Es ist wichtig, einen standardisierten Abstand zwischen den Stützspannen zu verwenden, da dies einen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Die Biegefestigkeit hängt linear von der Stützspanne ab, bei der eine erhöhte Stützspanne zu einer proportionalen Abnahme der Last28führt.

Im Allgemeinen erhöht sich der Zugmodul mit dem steigenden Gehalt pp Polymer in Holzfaser25. Daher können wir davon ausgehen, dass die Zusammensetzung der Materialien, einschließlich additiver wie ein Kupplungsmittel, für dieses Material nicht optimal war. Die höchste Streuung zwischen den Dicken der Zugproben betrug 0,94 mm; Diese Variation zeigt an, dass die Befestigung von Proben ein kritischer Schritt ist. Die Prüfmaschine umfasste pneumatische Verbindungselemente, die bei den verschiedenen Probendicken überflüssige Kraft verursachen. Daher muss die Kraftmessung zu Beginn der Zugprüfung zurückgesetzt werden, damit die pneumatischen Verbindungselemente die Ergebnisse nicht verzerren. Alternativ könnte diese Fehlerbehebung durch die Herstellung homogener Testproben während der Probenahmephase eliminiert werden.

Der Schlagfestigkeitstest veranschaulicht ein anderes mechanisches Merkmal des Materials, da er eine momentane Dehnung misst, während die meisten anderen Tests die Langzeitbelastung des Materials messen. Der steigende Gehalt an Holzfasern verringerte die Schlagzähigkeit25. Die Abmessungen der Proben müssen in allen Tests gemessen werden, und es kann Unterschiede zwischen den Forschern bei der Verwendung von Messgeräten geben (z. B. Kompressionskraft bei der Verwendung eines Bremssattels oder Mikrometers). Daher ist es wichtig, dass dieselbe Person die Abmessungen von Proben in jedem Test misst und damit menschliche Fehler bei den Messungen ausschließt. Eine weitere Option als Änderungstechnik ist die Verwendung eines Geräts, das einen Moment für die Komprimierung enthält. Darüber hinaus kann die Testatmosphäre einen Einfluss auf die untersuchten Eigenschaften haben. In dieser Studie wurden alle untersuchten Tests unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, so dass die Wirkung der Atmosphäre ähnlich war und für jeden Test einen deckungsgleichen Effekt hatte. Als zukünftige Anwendung könnten die Tests in einem Raum durchgeführt werden, in dem die Atmosphäre stabil sein soll.

Da WPC aus mindestens zwei Materialien besteht, wie Holz und Polymer, kann es die Auswahl eines Standards erschweren. Beispielsweise kann es geeignete Normen für Holzwerkstoffe sowie für Polymerwerkstoffe geben, die bei der Auswahl eines geeigneten Standards für die Untersuchung Einschränkungen verursachen. Die Normungsorganisation hat Normen (EN 15534-1:2014+A1:2017) veröffentlicht, in denen Prüfverfahren für Verbundwerkstoffe aus Zellulose-basierten Materialien und Thermoplasten charakterisiert wurden. Der Standard ermöglicht es Forschern, die dem europäischen Standard folgen, in ihren Studien universell zu handeln. Eine Komplikation kann auftreten, wenn ein erheblicher Teil der Forscher einem anderen Standard folgt (z. B. ASTM International), der Probleme bei den Vergleichen der Ergebnisse verursachen wird. Eine zukünftige Entwicklung kann eine einzige Standardorganisation sein, deren Standards global gültig wären.

Die Standards der WPC enthalten detaillierte Anweisungen für die Messung von Eigenschaften, aber die Interpretation dieser kann von Forschern variieren. Benchmarking zwischen Forschungsorganisationen könnte die Operationsmethoden vereinenn, ist aber möglicherweise nicht zulässig, da die Forschungsorganisationen oft eingeschränkte Institutionen sind, die sich mit vertraulichen Informationen befassen. Daher stellt diese Art der visuell beschriebenen Arbeit sicher, dass Testpraktiken für eine größere Anzahl von Menschen universell sind, wodurch die Möglichkeiten für Missverständnisse eingeschränkt werden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Das Circwaste-Projekt erhält finanzielle Unterstützung von der EU für die Herstellung seines Materials. Die im Inhalt reflektierten Ansichten sind ausschließlich die eigenen des Projekts, und die EU-Kommission ist für ihre Nutzung nicht verantwortlich.

Acknowledgments

Die Autoren würdigen die Unterstützung der Forschungsplattform LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains), die von der LUT University koordiniert wird, und der Life IP on waste–Towards a circular economy in Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) Project (LIFE 15 IPE FI 004). Die Finanzierung des Projekts wurde aus dem EU Life Integrated-Programm, Unternehmen und Städten erhalten.

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).
Die Auswirkungen von Bau- und Abbruchabfällen kunststofffraktioniert auf Holz-Polymer-Verbundeigenschaften
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