Waiting
Login processing...

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

Environment

ההשפעה של בנייה והריסה פסולת פסולת פלסטיק שברים על עץ פולימר תכונות מרוכבות

Published: June 7, 2020 doi: 10.3791/61064
Automatic Translation
1, 2, 2
1Re-Source Research Platform, School of Energy Systems, LUT University, 2Fiber Composite Laboratory, School of Energy Systems, LUT University

Summary

זרמי חומר משניים הראו לכלול חומרי גלם פוטנציאליים לייצור. מוצג כאן פרוטוקול שבו פסולת פלסטיק CDW כחומר גלם מזוהה, ואחריו שלבי עיבוד שונים (agglomeration, הבלטה). כתוצאה מכך, הופק חומר מרוכב, ומאפיינים מכניים נותחו.

Abstract

לבנייה ולפסולת הריסה (CDW), כולל חומרים יקרי ערך כגון פלסטיק, יש השפעה יוצאת דופן על מגזר הפסולת. על מנת שיהיה שימוש חוזר בחומרים פלסטיים, יש לזהות אותם ולהפריד אותם בהתאם להרכב הפולימר שלהם. במחקר זה, זיהוי חומרים אלה בוצע באמצעות ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום (NIR), אשר זיהה חומר המבוסס על תכונותיהם הפיזיקליות כימיות. היתרונות של שיטת NIR הם השפעה סביבתית נמוכה ומדידה מהירה (בתוך שניות ספורות) בטווח הספקטרלי של 1600-2400 000 000 00:00:00,000 ללא הכנה מיוחדת לדגימה. המגבלות כוללות את חוסר היכולת לנתח חומרים כהים. הפולימרים שזוהו נוצלו כרכיב עבור עץ פולימר מורכב מטריצת פולימר, חומרי מילוי בעלות נמוכה, ותוספים. הרכיבים היו מורכבים תחילה עם מערכת agglomeration, ואחריו ייצור על ידי הבלטה. בתהליך ההתגלות, המטרה הייתה לסבך את כל החומרים כדי לייצר חומרים מופצות ומגורענים באופן אחיד ככדורים. במהלך תהליך ההתגלמות, הפולימר (מטריצה) נמס חומרי מילוי ותוספים אחרים היו מעורבבים אז לתוך הפולימר נמס, להיות מוכן לתהליך ההבלטה. בשיטת ההבלטה, כוחות חום וגיזה הוחלו על חומר בתוך החבית של הבלטה של סוג תאום מסתובב נגדי חרוטי, מה שמפחית את הסיכון של שריפת החומרים ערבוב גריסה נמוכה יותר. התערובת המחוממת והמטויה הועברה לאחר מכן דרך למות כדי לתת למוצר את הצורה הרצויה. הפרוטוקול שתואר לעיל הוכיח את הפוטנציאל לניצול מחדש של חומרי CDW. יש לאמת מאפיינים פונקציונליים בהתאם לבדיקות הסטנדרטיות, כגון בדיקות גמישות, מתיחה וכוח השפעה עבור החומר.

Introduction

ייצור הפסולת העולמית גדל באופן משמעותי לאורך ההיסטוריה וצפוי לגדול בעשרות אחוזים בעתיד, אלא אם כן יינקטוצעדים 1. בפרט, מדינות בעלות הכנסה גבוהה יצרו יותר משליש מהפסולת העולמית, למרות שהן מהוות רק 16% מהאוכלוסייה העולמית1. ענף הבנייה הוא יצרנית משמעותית של פסולת זו בשל עיור מהיר ותונוכות האוכלוסייה. על פי הערכות, כשליש מהפסולת המוצקה הגלובלית נוצרת על ידי פרויקטים של בנייה והריסה; עם זאת, ערכים מדויקים אזורים שוניםחסרים 2. באיחוד האירופי (האיחוד האירופי), כמות פסולת הבנייה וההריסה (CDW) היא כ-25%-30% מכללפסולת דור 3, וכוללת חומרי גלם משניים יקרי ערך ומשמעותיים, כמו פלסטיק. ללא איסוף וניהול מאורגנים, פלסטיק עלול לזהם ולהשפיע לרעה על מערכות אקולוגיות. בשנת 2016, 242 מיליון טונות של פסולת פלסטיק נוצרובעולם 1. חלקו של הפלסטיק הממוחזר באירופה היה 31.1%בלבד.

מחסור במשאבים יצר צורך לשנות את הנהלים כלפי כלכלה מעגלית, שבה המטרות הן להשתמש בפסולת כמקור למשאבים משניים ולהשבת פסולת לשימוש חוזר. צמיחה כלכלית והשפעות סביבתיות ממוזערות ייווצמו על ידי הכלכלה המעגלית, שהיא מושג פופולרי באירופה. הנציבות האירופית אימצה תוכנית פעולה של האיחוד האירופי לכלכלה מעגלית, אשר הציבה יעדים ואינדיקטורים לתרומות5.

תקנות וחוקים סביבתיים הדוקים יותר תורמים לענף הבנייה ומאמץ רב יותר בניהול פסולת ובנושאים של מיחזור חומרים. לדוגמה, האיחוד האירופי (EU) הציב יעדים לשחזור חומרים. החל מתוך שנת 2020 ואילך, שיעור ההתאוששות החומרית של CDW לא מסוכן צריך להיות 70%6. הרכב CDW עשוי להשתנות באופן נרחב על פני מיקומים גיאוגרפיים, אבל כמה מאפיינים נפוצים ניתן לזהות, כולל, למשל, פלסטיק שהוא חומר גלם פוטנציאלי ויקר עבור מרוכבים עץ פולימר. שימוש מחדש בפלסטיק הוא צעד קונקרטי לקראת כלכלה מעגלית שבה פולימרים מפלסטיק בתולי מוחלף בפולימר ממוחזר.

חומרים מרוכבים הם מערכת רב-שלבית, המורכבת מחומר מטריצה ושלב חיזוק. עץ פולימר מרוכבים (WPC) מכיל בדרך כלל פולימרים כמו המטריצה, חומרי עץ כחיזוק, ותוספים לשיפור ההדבקה, כגון סוכני צימוד וחומרי סיכה. WPC יכול להיות ידוע כחומר ידידותי לסביבה כי חומר הגלם יכול להיות מקור חומרים מתחדשים, כגון חומצה פולילקטית (PLA) ועץ. על פי החידוש האחרון7, התוספים של WPC יכול להיות מבוסס על מקורות מתחדשים. בנוסף, המקור של חומר הגלם ניתן למחזר (לא בתולה) חומרים, שהוא חלופה אקולוגית וטכנית מעולה8. לדוגמה, חוקרים חקרו WPC בולט המכיל CDW, ומצאו כי המאפיינים של מרוכבים מבוססי CDW היו ברמהמקובלת 9. ניצול חומרי גלם ממוחזרים כרכיב עבור WPC מקובל גם מההיבט הסביבתי, כפי שהוכיחו מספר הערכות. בסך הכל, הוכח כי ניצול CDW בייצור WPC יכול להקטין את ההשפעות הסביבתיות של ניהול CDW10. בנוסף, נמצא כי באמצעות פוליפרופילן ממוחזר (PP) פלסטיק ב WPC יש פוטנציאל להפחית את ההתחממות הגלובלית11.

כמות הפולימרים הממוחזרים הזמינים תגדל בעתיד. ייצור הפלסטיק העולמי גדל בכ-9% בהתאם לשנה, בממוצע, וצפוי כי ההפרשה הזו תימשךבעתיד ב-12 . סוגי פולימר פלסטיק כלליים ביותר הם, בין היתר, פוליפרופילן (PP) ופוליאתילן (PE). המניות של הביקוש הכולל ל-PE ו-PP היו 29.8% ו-19.3%,בהתאמה,באירופה ב-2017. שוק מיחזור הפלסטיק העולמי צפוי לצמוח בקצב צמיחה שנתי של 5.6% בתקופה ש2018-2026. אחד היישומים העיקריים בהם נעשה שימוש בפלסטיק הוא בנייה ובנייה. לדוגמה, כמעט 20% מהביקוש הכולל לפלסטיק אירופאי היה קשור ליישומים לבנייה ובנייה4. מנקודת מבט כלכלית, השימוש בפולימרים ממוחזרים בייצור WPC הוא אלטרנטיבה מעניינת, המובילה לייצור חומרים בעלות נמוכה. מחקרים קודמים הראו כי השפעות פיזיות יש השפעה חזקה יותר על חומרים extruded עשוי פלסטיק משני לעומת החומר הבתולה המתאים, אבל תכונות תלויות מקור פלסטיק14. עם זאת, השימוש בפלסטיק ממוחזר מפחית את כוחו של WPC בשל תאימות נמוכה יותר15. וריאציה בין המבנים של פולימרים פלסטיק גורמת חששות לשימוש חוזר ומיחזור, אשר תורמים לחשיבות של מיון פלסטיק המבוסס על הפולימר.

מחקר זה מתכוון להעריך את הניצול של חומר פלסטיק מ CDW כחומר גלם עבור WPC. שברי פולימר המוערכים במחקר הם acrylonitrile סטירן בודין (ABS), פוליפרופילן (PP), פוליאתילן (PE). אלה ידועים כשברים אוניברסליים פלסטיק בתוך CDW. השברים פולימר מטופלים עם תהליכי ייצור כלליים, כגון agglomeration ו- שבלט, ונבדקו עם בדיקות רכוש מכני אוניברסלי. המטרה העיקרית של המחקר היא לגלות כיצד המאפיינים של WPC ישתנו אם פולימרים ממוחזרים שימשו כחומר גלם במטריקס במקום פולימרים בתוליים ראשוניים.

בהתבסס על (מקומי) מרכז ניהול פסולת (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), זה הראה איך CDW עשיר בפלסטיק מאוחסן. הוכח כי כמות גדולה חומר פלסטיק כלול וכמה דוגמאות של פולימרים פלסטיק CDW הוצגו. החוקרים אספו את הפולימרים המתאימים ביותר לעיבוד נוסף, כגון ABS, PP ו-PE. הפולימרים הרצויים (PE, PP, ABS) זוהו באמצעות ספקטרוסקופיה ניידת ליד אינפרא אדום (NIR). דוגמאות למוצרי WPC הוצגו בהן ניתן היה לנצל חומרי פלסטיק שנאספו כחומר גלם. ההגדרה של המורכבות ויתרונותיו הוסברה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. זיהוי וקדם-טיפול

  1. זהה פולימרים בפלסטיק בעזרת כלי הספקטרוסקופיה הנייד כמעט אינפרא אדום (NIR) בטווח הספקטרלי של 1600-2400 000 000 00:00:00.00.00.00.00.00,000 00:00,000 00:00,000-16:00,000 00:00,000 ----- צור קשר עם הפולימר עם כלי ספקטרוסקופיה ולקבוע את הפולימר על ידי השתקפות נמדדת.
    1. לפי עקומת הזיהוי של הספקטרוסקופיה, נתח את תוצאות הזיהוי מהמסך במעבדה.
  2. בהתבסס על תוצאת הזיהוי, מיין חומרים בין הפולימרים ומדד את המשקולות שלהם.
    הערה: החומר היה ממוין ומשוקלל בהתאם לתוצאות הזיהוי הנמדדות. פולימרים נבחרים לעיבוד נוסף היו ABS, PE ו- PP עם הכמויות, 27.1, 14.2 ו- 44.7 קג"מ, בהתאמה.
  3. בצע הקטנת גודל עבור חומרי הפלסטיק שנבחרו בתנאי מעבדה עם ציוד מגרסה. המקום נאסף וזיהה חומרים לתוך הציוד כי מרוסק חומרים עם הכוח המכני של השפעות פטיש.
    1. לרסק חומרי פלסטיק באמצעות מערכת גריסה פיר יחיד עם מגרסה / מגרסה מערכת מצויד בגודל מסננת משתנה מ 10 כדי 20 מ"מ.
    2. לחשוף את שברי הפלסטיק למגרסה במהירות נמוכה, מצויד מסננת 5 מ"מ. ודא שהחומר הומוגני.
  4. מדוד את כמויות החומר עבור חומרים מרוכבים. הצג מתכון כדוגמה והצג חומרים אלה בכמויות היחסיות של פלסטיק, עץ, חומר צימוד וחומר סיכה (64, 30, 3 ו- 3 wt%, בהתאמה).
    הערה: שלושה מרוכבים שונים נחקרו במחקר זה. פולימרים פלסטיק ממוחזרים CDW היו ABS, PP, ו PE. המילוי של החומר המרוכב היה קמח עץ, אשר הוכן ממין אשוחי מיובש(Picea abies)גודל מופחת באמצעות ציוד ריסוק וsieved עבור גודל הומוגני (רשת 20 מ"מ). תוספים מסחריים של סוכן צימוד וחומר סיכה שימשו. היצירות והשם של החומרים המוכנים מוצגים בטבלה 1.
חומר פולימר
/ סכום		 עץ Ca חומרי סיכה
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP עמ' / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

טבלה 1: הרכב החומרים הנלמדים. שם המדגם מורכב מרכיב מטריצה כלול, אקרילוניטריל ממוחזר סטירן (ABS), פוליפרופילן (PP), פוליאתילן (PE) מפסולת הבנייה וההריסה (CDW). כמויות העץ, חומר הזיווג (CA) וחומרי סיכה (Lubr.) היו זהות בכל הדגימות.

2. עיבוד של חומרים WPC עם טכנולוגיית הבלטה לאחר טיפול הפחתת גודל

  1. העבר את החומרים המזוהים והמטופלים מראש לשלב העיבוד הבא (agglomeration).
    התראה: חומר הפלסטיק של ABS כולל רכיב סטירן. הסוכנות הבינלאומית לחקר הסרטן מחשיבה כי סטיירן הוא "אולי מסרטנים לבני אדם". לכן, שלב ההתגלות בפעולה לא נכלל בצילומים, אך התהליך שלו מתואר בעבודה זו. בנוסף, רק פולימר PP או PE שימש בהפקת הבלטה במהלך הצילומים.
  2. לבצע agglomeration של החומר.
    1. מערבבים את כל מרכיבי התהליך (פולימר, עץ, חומר צימוד וחומר סיכה) בהטכנון המורכב מערבל טורבו-מערביל וצידנית. Agglomerate החומרים ב turbomixer עד הטמפרטורה של החומרים הגיע 200 מעלות צלזיוס. בשל ההשפעה המשולבת של טמפרטורה וחיכוך, חומרי גרגרים נוצרו לאחר תהליך הטיפול של agglomeration.
    2. מצננים את החומרים לאחר טיפול טורבו-מיקסר במשך 4-7 דקות בהתקנה קרירה יותר.
  3. לפנות חומר מהתהליך ולאסוף חומר agglomerated.
  4. העבר את החומרים שטופלו על ידי agglomeration לשלב התהליך הבא (הבלטה).
    1. לחץ על לוח הבקרה של מחשב ההבלטה ובדוק אם יש את הפרמטרים הנכונים. טמפרטורות החבית והתו הכלי הממוצעות נעו בין 167 ל-181°C, ל-183 ו-207°C, בהתאמה. טמפרטורת ההתכה נעה בין 164 ל-177 מעלות צלזיוס, ולחצי ה-die היו בין 3.7 ל-5.9 MPa. התאם פרמטרים מכיוון חומרים ממוחזרים הם הטרוגניים, והתהליך דורש שליטה מקצועית.
    2. מרכיבים את הרכיבים באמצעות הבלטת בורג תאום מסתובב נגדי חרוטית עם תפוקת חומר של 15 ק"ג/שעה. הפרמטרים של החומרים מוצגים בטבלה 2. לאחר תהליך ההבלטה, נוצר חומר הפרופיל של החומר המורכב.
חומר חבית T °C כלי T °C המס T °C להמיס
לחץ (בר)		 האכלה
קצב (ק"ג/שעה)		 בורג ממוצע
מהירות (סל"ד)
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

טבלה 2: עיבוד פרמטרים של החומרים המרוכבים. (ערכים לאחר הסימון '±' מציינים סטיות תקן. ממוצע = ממוצע)

3. דגימה של חומרים מיוצרים וניתוחים של נכסים

  1. הכן דגימות לבדיקות מאפיין מכניות במעבדה.
    1. גזור דוגמאות מפרופילים מהובלטים באמצעות מכונה (כלומר, מסור שולחן הזזה). דרושות שלוש דגימות בגדלים שונים לבדיקות: כיפוף, מתיחה וכוח השפעה.
    2. קבע את גודל דגימות הבדיקה בהתאם לסטנדרטים החלים, בהתבסס על המלצת EN 1553416. על פי התקן, בדוק לפחות חמש דגימות אך מספר המדידות עשוי להיות יותר מחמש אם נדרש דיוק רב יותר של הערך ממוצע.
  2. ראה דגימות בדיקה מן החומרים הבלטה עבור מבחן מאפיין flexural, על פי EN 310רגיל 17.
    1. השתמש במסור טבלת הזזה עם הממדים הבאים עבור המדגם: 800 מ"מ x 50 מ"מ x 20 מ"מ (אורך, רוחב, עובי).
    2. ייצור 20 דגימות לניתוח של תכונות flexural (כוח מודולוס).
  3. ראה דגימות בדיקה מן החומרים הבלטה עבור מבחן מאפיין מתיחה, על פי ISO EN סטנדרטי 527 218. השתמש במסור טבלת הזזה כדי לחתוך את החומר לממדים הבאים: 150 מ"מ x 20 מ"מ x 4 מ"מ (אורך, רוחב, עובי).
    1. הגדר את התבניות החומריות לעימת שבבי של צורת פעמון מטומטם באמצעות בקרה מספרית של מחשב (CNC). רוחב המדגם בחלקה הצר היה 10 מ"מ, ושטח הפנים הרוחבי של הדגימה היה 4 מ"מ x 10 מ"מ, שם טופל הלחץ במתיחה. אורכו של החלק הצר היה 60 מ"מ, ומסתיים בפינה מעוגלת ברדיוס של 60 מ"מ.
    2. להפוך 20 דגימות לניתוח של מאפייני מתיחה (כוח מודולוס).
  4. ראה דגימות בדיקה מן החומרים הבולטים עבור מבחן עוצמת ההשפעה, על פי ISO EN סטנדרטי 179-119.
    1. השתמש במסור טבלת ההזזה כדי לחתוך את הדגימות לממדים הבאים: 80 מ"מ x 10 מ"מ x 4 מ"מ (אורך, רוחב, עובי). בצע 20 דגימות לניתוח של מאפיין כוח השפעה.
  5. העבר את חומר הבדיקה לתא מצב הלחות היחסי של 23°C ו-50%, בהתאם לתקן EN ISO 29120, עד לתום מסה קבועה. ודא שהדגימות מותנות לפני בדיקת מאפייני החומר.
  6. בצע את הבדיקות (כיפוף, מתיחה, והשפעה). קבע את התכונות המכניות של דגימות על-ידי בדיקות חוזק כיפוף ומתיחה עם מכונת בדיקה בהתאם לתקנים EN 31017 ו- EN ISO 527-218, בהתאמה.
    1. בצע בדיקת כוח ומודולוס גמישה עבור כל אחת מ-20 הדגימות, באמצעות תקן הבדיקה. הגדר מדגם בדיקה גמישה בתמיכה של שתי נקודות ולהחיל עומס על מרכז המדגם על-ידי לחיצה על התחל בדיקה בתוכנית המחשב השולטת במערכת הבדיקה, עם טעינה מראש של 15 N ומהירות בדיקה של 10 מ"מ/דקה. הבדיקה נפסקת באופן אוטומטי לאחר רישום התוצאה. הסר דגימת בדיקה מכלי התמיכה והגדר דוגמה חדשה בכלים.
      1. חזור על ההליך עד 20 דגימות נבדקו ותוצאות מהתוכנית נרשמו. תוכנת המחשב מחשבת את התוצאות הממוצעות מהבדיקה.
        הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן בזמן כלי בדיקה ישתנו עבור מערכת הבדיקה.
    2. בצע בדיקת חוזק מתיחה ומודולוס עבור 20 דוגמאות במכונה (בצורת פעמון מטומטם). הגדר את מדגם בדיקת המתיחה בין כלי הבדיקה וצרף מהדקים פנאומטיים, אשר ישמור את המדגם בכלים במהלך הבדיקה. התחל את הבדיקה מלוח הבקרה של המחשב, עם טעינה מראש של 10 N ומהירות בדיקה של 2 מ"מ/דקה, וצרף כלי מד הרחבה מיד לאחר תחילת הבדיקה.
      הערה: הכלי מד הארכה מודד את מודול מתיחה מהדגימה. כל בדיקה הופסקה באופן אוטומטי לאחר שתוצאתה נרשמה.
      1. הסר את דגימת הבדיקה מהכלי לאחר כל בדיקה והגדר דוגמה חדשה בכלים. חזור על הליך עבור כל הדגימות. תוכנית המחשב מחשבת ערכי תוצאות ממוצעים.
    3. בצע בדיקת עוצמת השפעה עם בודק השפעה, על פי תקן EN ISO 179-119. הגדר את מדגם 10 מ"מ x 4 מ"מ של (רוחב, עובי) בין התמיכה, לאפס את הכוח ושחרר את פטיש ההשפעה של 5 kpcm.
      הערה: מדגם מבחן כוח ההשפעה נקרע עקב ההשפעה של פטיש ואת כמות האנרגיה נספג גלוי מחוון בודק.
      1. ריהיה רש אותו וחזור על עבור 20 הדגימות, ולאחר מכן מחושב הערך הממוצע של עוצמת השפעה. התוצאות שהוקלטו היו ביחידת "kpcm", אשר שונתה ל-joule (J), והתוצאות הוצגו כקילו-ג'ול למ"ר.
        הערה: הטווח בין תמיכה לדוגמה (מרחק בין קווי המגע של המדגם) במבחן עוצמת ההשפעה היה 62 מ"מ או, לחלופין, עוביו פי 20.
  7. נתח את התוצאות מהבדיקות המכניות, המוצגות באות 1, איור 2 ואיור 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כדי לחקור את ההשפעה של פולימר פלסטיק CDW על המאפיינים המכניים של WPC, שלושה סוגי פולימר שונים כמו מטריצה נחקרו. טבלה 1 מציגה את הרכב החומרים וטבלה 2 מדווחת על תהליכי הייצור. החומר של CDW-PP דורש טמפרטורת טיפול גבוהה יותר עבור כלים, אבל, בהתאמה, לחץ להמיס היה נמוך יותר בהשוואה לחומרים אחרים (CDW-ABS ו CDW-PE).

איור 1 מציג את העוצמה הגמישות של החומר (ממוצע מתוך 20 מדידות) כתרשימי שורת, כולל סטיות תקן כשורת שגיאה. ערכי הכוח הגמישות הגבוהים ביותר הושגו עם חומר המכיל פולימר ABS ממוחזר במטריקס. איכות כמעט עקבית בעוצמה גבוהה הושגה בחומר שבו פולימר PE ממוחזר שימש במטריקס. החוזקות הגמישות הנמוכות ביותר הושגו עם חומר המכיל פולימר PP ממוחזר במטריקס. איור 1 מציג גם תוצאות דומות עבור מודולוס flexural של חומרים, אשר נמדד בו זמנית עם מאפיין כוח. עם זאת, למרות פולימרים ממוחזרים ABS ו PE יש תוצאות תאמות כמו בבדיקות כוח, תוצאות מודולוס flexural היו שונים. לחומרי PE ממוחזרים יש ערך מודולוס נמוך משמעותית בהשוואה לערך של פולימר ABS ממוחזר.

Figure 1
איור 1: המאפיינים הגמישות של החומרים הנחקרים.
עוצמת הגמישות מוצגת בהסורגים המלאים בצבע מלא (אדום, ירוק וכחול) ומודולוס כיפוף מוצג באמצעות אותם צבעים בהדברים מלאים בדוגמת מילוי. סטיות התקן מתוארות כמ קווי שגיאה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2 מציג את חוזק המתיחה ואת המודולוס (ממוצע מתוך 20 מדידות) כתרשימי שורת, כולל סטיות תקן כשורת שגיאה. החומרים, שבו ABS ממוחזר וPE שימשו, יש תוצאות כמעט עקביות מתיחה חוזק אבל סטיית התקן היה גבוה יותר עבור החומר שבו ABS ממוחזר היה בשימוש. כוח המתיחה החלש ביותר הושג חומר המכיל פולימר PP ממוחזר במטריקס. התוצאות של מודולוס מתיחה היו עקביים עם התוצאות של מודולוס flexural, שבו מודולוס הטוב ביותר הושג עם פולימר ABS ממוחזר.

Figure 2
איור 2: מאפייני המתיחה של החומרים הנלמדים.
חוזק המתיחה מוצג בהסורגים מלאים בצבע מלא (אדום, ירוק וכחול) ומודולוס מתיחה מוצג באמצעות אותם צבעים בברים מלאים בדוגמת מילוי. סטיות התקן מתוארות כמ קווי שגיאה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3 מציג את מאפייני עוצמת ההשפעה של חומרים (ממוצע מתוך 20 מדידות) כתרשימי שורת, כולל סטיות תקן כשורת שגיאה. חוזקות ההשפעה של פולימרים ממוחזרים ABS ו PP היו כמעט באותה רמה, אבל כוח השפעה גדול יותר הושג עם פולימר PE ממוחזר, אשר היה מאפיין כוח ההשפעה הטובה ביותר במחקר זה.

Figure 3
איור 3: תכונות עוצמת ההשפעה של החומרים הנחקרים.
עוצמת ההשפעה מוצגת במדפי הצבע המלא ו סטיות התקן מתוארות כמ קווי שגיאה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

פולימר ABS מורכב שלושה מונומרים, אשר עשוי להגביר את ההתנהגות החיובית בתוך WPC. לדוגמה, רכיב acrylonitrile תורם כוח, רכיבים butadiene לתרום התנגדות השפעה, ורכיבי סטירן תורם קשיחות. WPC מבוסס PE מהווה את נתח השוק הגדול ביותר, למשל בצפון אמריקה, וקל למסמר, בורג, וראה. עם זאת, PE מיוצר בצורות פולימריות שונות, כגון פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE) ופוליתילן בצפיפות נמוכה (LDPE), שיש להם תכונות שונות. WPC מבוסס PP היו הנכסים החלשים ביותר במחקר זה, עולה בקנה אחד עם העובדה כי נתח השוק שלה הוא קטן יחסית. למרות שיש לו מספר תכונות מעולה לעומת פוליאתילן, כגון להיות קל וחזק יותר, זה גם שביר יותר פוליאתילן21.

בסך הכל, מיחזור של מרוכבים הוא מסלולעדיף מבחינה אקולוגית 8, ופסולת ממוחזרת פלסטיק הוא חומר גלם מתאים עבור מרוכבים, שבו ניתן לשפר את הביצועים באמצעות תאימות22. הסיבה למאפיינים מכניים מגוונים עשויה להיות בשל הרכב החומרים, בפרט, סוכן צימוד עשוי להיות השפעה משמעותית. המאפיינים המכניים של פולימרים ממוחזרים ב WPC שופרו עם תאימות אבל ההשפעות תלויות מאוד הסוכן בשימוש ואת כמותו במבנה, גורם וריאציה גדולה בין הסוכנים בשימוש23. מחקר קודם הצביע על כך שהביצועים הגבוהים ביותר של WPC מבוסס PP הושגו עם כמויות של תאימותבשלוש רמות אחוז 24, אשר עולה על הכמות בשימוש במחקר זה. לכן, סוכן צימוד בשימוש עשוי להיות בעייתי יותר מאשר רמת הסוכן. עם זאת, מקובל כי הביצועים המכניים של WPC משופרת כאשר סוכני צימוד משמשים בתנאים ממוטבים25.

לכל פולימר יש תכונות בודדות בחומר, המוכיחות כי הפרדת פולימרים מגדילה את הערך של WPC עם התוספים הנכונים. בעתיד, סוכני צימוד חלופי ידידותי לסביבה חדשני עבור מרוכבים פולימר ממוחזר עשוי לשמש כדי לענות על הביקוש, כגון מסטיק עילן המוצג במחקר חדש של Rocha ו רוזה26. בנוסף, ניצול מחדש של פלסטיק חייב להיות הגיוני כלכלית, ולכן גם דורש פעולה עתידית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המאפיינים המכניים של WPC לשחק תפקיד חשוב בהחלטה על התאמת מוצרים אלה ביישומים שונים. WPC מורכב משלושה מרכיבים עיקריים: פלסטיק, עץ ותוספים. המאפיינים המכניים של מרוכבים מבוססי סיבים תלויים באורך הסיבים המשומשים, כאשר "אורך סיבים קריטי" הוא המונח המשמש לציון חיזוק מספיק25. בנוסף למאפיינים של מרכיבים, איכות חומרי הגלם היא הגורם החשוב לביצועים של WPC. במחקר זה, בפרט, שבו נעשה שימוש בחומרי גלם ממוחזרים, הושמה תשומת לב רבה על חומרי הגלם. מחקר זה השתמש בחומרים שמקורם CDW אשר יכול להשתנות בין אתרי בנייה, ושונות זו היא גורם קריטי בהשוואה של מחקרים שונים. לכן, יש ללמוד חומר בהתאם לבדיקות מתוקננים המבטיחות איכות מוצר אחידה.

במבחן כיפוף, החומר WPC חווה מתח דחוס בצד נושא העומס ובהתאם, מתח מתיחה בקצה השני. שיטת הבדיקה מבוססת על הסטנדרט של לוחות מבוססי עץ (EN 310), הממחישים את המאפיינים הגמישות של פרופיל מהולל בשימוש בפועל. בדיקת כיפוף תגרום דחיסה (על פני השטח העליון) מתיחה (בצד התחתון) מתח עבור החומר, ולכן חשוב כי הפרופיל הבולט (חלול) הוא סימטרי. בדיקה נוספת עבור מאפיין flexural (לדוגמה, EN ISO 17827 הסטנדרטי),שבו ממדי המדגם היו קטנים יותר, לא תניב את הערך האמיתי עבור פרופיל ההבלטה המשמש, אך ינתח את מאפיין החומר ללא השפעה של פרופיל חלול. חשוב להשתמש במרחק מתוקן בין טווחי התמיכה מכיוון שיש לכך השפעה על התוצאות. עוצמת הגמישות תלויה באופן ליניארי בטווח התמיכה, שבו טווח תמיכה מוגבר מוביל לירידה יחסית של העומס28.

בדרך כלל, מודולוס מתיחה מגביר עם התוכן הגובר PP פולימר בתוך סיבי עץ25. לכן, אנו יכולים להניח כי הרכב החומרים, כולל תוספים כגון סוכן צימוד, לא היו אופטימליים עבור חומר זה. הווריאציה הגבוהה ביותר בין העוביים של דגימות בדיקת מתיחה היה 0.94 מ"מ; וריאציה זו מציינת כי הדק הדגימות הוא שלב קריטי. מכונת הבדיקה כללה מהדקים פנאומטיים הגורמים לכוח מיותר בעוביים השונים של הדגימות. לכן, יש לאפס את מדידת הכוח בתחילת בדיקת המתיחה כדי שההדקים הפניאומטיים לא יעוותו את התוצאות. לחלופין, פתרון בעיות זה יכול להיות מסולק על ידי ייצור דגימות בדיקה הומוגנית במהלך שלב הדגימה.

מבחן עוצמת ההשפעה ממחיש תכונה מכנית שונה של החומר כי הוא מודד זן רגעי, בעוד רוב הבדיקות האחרות למדוד את הזן לטווח ארוך של החומר. התוכן הגובר של סיבי עץ הפחית את עוצמת ההשפעה25. יש למדוד את ממדי הדגימות בכל הבדיקות, ולעויד על שונות בין חוקרים בשימוש במכשירי מדידה (לדוגמה, כוח דחיסה בשימוש בקליפר או במיקרומטר). לכן, חשוב שאותו אדם ימדד את ממדי הדגימות בכל בדיקה, ובכך לא יהיה כולל שגיאות אנוש במדידות. אפשרות נוספת כנכונית שינוי היא להשתמש בהתקן הכולל רגע לדחיסה. בנוסף, לאווירת הבדיקה עשויה להיות השפעה על הנכסים הנחקרים. במחקר זה, כל הבדיקות שנחקרו בוצעו באותם תנאים, כך שההשפעה של האטמוספירה הייתה דומה, והייתה השפעה מקרית על כל בדיקה. כיישום עתידי, ניתן לבצע את הבדיקות בחדר שבו האווירה מוגדרת להיות יציבה.

מכיוון ש- WPC מורכב לפחות משני חומרים, כגון עץ ופולימר, הוא יכול לסבך את הבחירה של תקן. לדוגמה, ייתכנו סטנדרטים מתאימים לחומרי עץ, כמו גם לחומרי פולימר, שיגמרו למגבלות בבחירת תקן מתאים ללימוד. הארגון הסטנדרטי פרסם סטנדרטים (EN 15534-1:2014+A1:2017) שבהם אופיין שיטות בדיקה לחומרים מרוכבים עשויים מחומרים ותרמופלסטיקים מבוססי תאית. התקן מאפשר לחוקרים המצייתים לתקן האירופי לפעול באופן אוניברסלי במחקריהם. סיבוך עלול להתעורר אם חלק משמעותי של חוקרים פועל תקן אחר (למשל, ASTM הבינלאומי), אשר יגרום לבעיות בהשוואות של תוצאות. פיתוח עתידי עשוי להיות ארגון סטנדרטי אחד שהסטנדרטים שלו יהיו תקפים באופן גלובלי.

הסטנדרטים של WPC כוללים הוראות מפורטות למדידת מאפיינים, אבל הפרשנות של אלה עשויה להשתנות בין חוקרים. בחינת ביצועים בין ארגוני מחקר יכולה לאחד שיטות פעולה, אך ייתכן שלא תותר זאת משום שארגונים מחקריים הם לעתים קרובות מוסדות מוגבלים העוסקים במידע סודי. לכן, סוג זה של עבודה המתוארת מבחינה חזותית מבטיח תרגולים מבחן הם אוניברסליים עבור מספר רחב יותר של אנשים, ובכך להגביל את האפשרויות לאי הבנה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

פרויקט Circwaste מקבל תמיכה כספית מהאיחוד האירופי לייצור החומר שלו. הדעות המשתקפות בתוך התוכן הן לחלוטין של הפרויקט עצמו, ונציבות האיחוד האירופי אינה אחראית לכל שימוש בהן.

Acknowledgments

המחברים מכירים בתמיכה של משאב LUT (תהליכי ייצור יעילים במשאבים ושרשראות ערך) פלטפורמת מחקר מתואמת על ידי אוניברסיטת LUT ועל ידי ה-IP החיים על פסולת – לקראת כלכלה מעגלית בפינלנד (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) פרויקט (חיים 15 IPE FI 004). המימון לפרויקט התקבל מהתוכנית המשולבת של האיחוד האירופי, חברות וערים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agglomeration Plasmec TRL100/FV/W apparatus of turbomixer
Agglomeration Plasmec RFV 200 apparatus of cooler
CNC router Recontech F2 - 1325 C CNC machine
Condition chamber Memmert HPP260 constant climate chamber
Coupling agent DuPont Fusabond E226 commercial coupling agent additive
Crusher 1 (crusher/shredder ) Untha Untha LR 630 10-20 mm sieve
Crusher 2 (low-speed crusher) Shini Shini SG-1635N-CE 5 mm sieve, granulator
Extruder Weber Weber CE 7.2 conical counter-rotating twin-screw
Lubricant Struktol TPW 113 commercial lubricant additive
NIR spectroscopy Thermo Fisher Scientific Thermo Scientific microPHAZIR PC
Recycled material ABS from CDW
Recycled material PE from CDW
Recycled material PP from CDW
Sliding table saw Altendorf F-90 circular saw/sliding table saw
Testing apparatus Zwick 5102 impact tester
Testing machine Zwick Roell Z020 allround-line materials testing machine
Wood flour (Spruce) material
WPC example material UPM Profi Decking board

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The World Bank. What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank. , Washington, DC. (2018).
  2. Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
  3. Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC). , Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019).
  4. Plastics - the Facts 2018. PlasticsEurope. , Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018).
  5. European Commission (EC). Communication from the Commission to the European Parliament, the Council the European Economic and Social Committee and the committee and the Committee of the Regions, COM. European Commission (EC). , (2015).
  6. Directive 2008/98/EC. European Union (EU). , Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0098&from=EN (2008).
  7. Anugwom, I., et al. Lignin as a functional additive in a biocomposite: Influence on mechanical properties of polylactic acid composites. Industrial Crops & Products. 140, 111704 (2019).
  8. Sommerhuber, P. F., et al. Life cycle assessment of wood-plastic composites: Analysing alternative materials and identifying an environmental sound end-of-life option. Resources, Conservation and Recycling. 117, 235-248 (2017).
  9. Hyvärinen, M., et al. The effect of the use of construction and demolition waste on the mechanical and moisture properties of a wood-plastic composite. Composites Structures. 210, 321-326 (2019).
  10. Liikanen, M., et al. Construction and demolition waste as a raw material for wood polymer composites - Assessment of environmental impacts. Journal of Cleaner Production. 225, 716-727 (2019).
  11. Väntsi, O., Kärki, T. Environmental assessment of recycled mineral wool and polypropylene utilized in wood polymer composites. Resources, Conservation and Recycling. 104, 38-48 (2015).
  12. Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
  13. Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research. , Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018).
  14. Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
  15. Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
  16. National Standards Authority of Ireland. CEN - EN 15534-1:2014 + A1:2017, Composites made from cellulose-based materials and thermoplastics (usually called wood-polymer composites (WPC) or natural fibre composites (NFC)) - Part 1: Test methods for characterisation of compounds and products. National Standards Authority of Ireland. , (2014).
  17. International Organization for Standardization. EN 310:1993, Wood-based panels - Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. International Organization for Standardization. , (1993).
  18. International Organization for Standardization. EN ISO 527 2, Plastics - Determination of tensile properties - Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. International Organization for Standardization. , (2012).
  19. International Organization for Standardization. EN ISO 179-1, Plastics - Determination of Charpy impact properties - Part 1: Non-instrumented impact test. International Organization for Standardization. , (2010).
  20. International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics - Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
  21. Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 50-74 (2007).
  22. Martikka, O., et al. Improving durability of wood-mixed waste plastic composites with compatibilizers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 490, 1-9 (2019).
  23. Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
  24. Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
  25. Sain, M., Pervaiz, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. Oksman Niska, K., Sain, M. , Woodhead Publishing Limited. Cambridge, England. 101-117 (2008).
  26. Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
  27. International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics - Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
  28. Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. Klyosov, A. A. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 225-318 (2007).

Tags

החודש ב JoVE גיליון 160 כלכלה מעגלית פסולת בנייה והריסה (CDW) פלסטיק הפרדה מיון מיחזור ניצול עץ פולימר מרוכבים (WPC) תכונות מכניות
ההשפעה של בנייה והריסה פסולת פסולת פלסטיק שברים על עץ פולימר תכונות מרוכבות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lahtela, V., Hyvärinen, M.,… More

Lahtela, V., Hyvärinen, M., Kärki, T. The Effect of Construction and Demolition Waste Plastic Fractions on Wood-Polymer Composite Properties. J. Vis. Exp. (160), e61064, doi:10.3791/61064 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter