Effekten av konstruksjon og riving avfall plast fraksjoner på trepolymer kompositt egenskaper

Summary

Sekundære materialstrømmer har vist seg å inkludere potensielle råvarer til produksjon. Presentert her er en protokoll der CDW-plastavfall som råmateriale identifiseres, etterfulgt av ulike behandlingstrinn (agglomerasjon, ekstrudering). Som et resultat ble et komposittmateriale produsert, og mekaniske egenskaper ble analysert.

Abstract

Bygge- og rivingsavfall (CDW), inkludert verdifulle materialer som plast, har en bemerkelsesverdig innflytelse på avfallssektoren. For at plastmaterialer skal gjenbrukes, må de identifiseres og skilles i henhold til polymersammensetningen. I denne studien ble identifiseringen av disse materialene utført ved hjelp av nær-infrarød spektroskopi (NIR), som identifiserte materiale basert på deres fysiske-kjemiske egenskaper. Fordelene med NIR-metoden er en lav miljøpåvirkning og rask måling (innen få sekunder) i spektralområdet på 1600-2400 nm uten spesiell prøveforberedelse. Begrensninger inkluderer manglende evne til å analysere mørke materialer. De identifiserte polymerene ble benyttet som en komponent for trepolymer kompositt (WPC) som består av en polymermatrise, rimelige fyllstoffer og tilsetningsstoffer. Komponentene ble først forsterket med et agglomerasjonsapparat, etterfulgt av produksjon ved ekstrudering. I agglomerasjonsprosessen var målet å sammensatte alle materialer for å produsere jevnt fordelte og granulerte materialer som pellets. Under agglomerasjonsprosessen ble polymeren (matrisen) smeltet og fyllstoffer og andre tilsetningsstoffer ble deretter blandet inn i smeltet polymer, og var klar for ekstruderingsprosessen. I ekstruderingsmetoden ble varme- og skjærkrefter påført et materiale i sylinderen til en konisk motroterende toskruetype ekstruder, noe som reduserer risikoen for å brenne materialene og senke skjærblanding. Den oppvarmede og skjærte blandingen ble deretter formidlet gjennom en dør for å gi produktet ønsket form. Ovennevnte protokoll viste potensialet for gjenbruk av CDW-materialer. Funksjonelle egenskaper må verifiseres i henhold til standardiserte tester, for eksempel flexural, strekkfasthet og slagstyrketester for materialet.

Introduction

Global avfallsproduksjon har vokst betydelig gjennom historien og er spådd å øke med titalls prosenter i fremtiden med mindre tiltak blir tatt¹. Spesielt har høyinntektsland generert mer enn en tredjedel av verdens avfall, selv om de står for bare 16% av den globale befolkningen¹. Byggebransjen er en betydelig produsent av dette avfallet på grunn av rask urbanisering og befolkningsvekst. Ifølge estimater er omtrent en tredjedel av det globale fastavfallet dannet av bygge- og rivningsprosjekter; Eksakte verdier fra forskjellige områder mangler imidlertid². I Den europeiske union (EU) er mengden bygge- og rivningsavfall (CDW) ca. 25 %–30 % av den totale avfallsproduksjonen³– og omfatter verdifulle og betydelige sekundære råvarer, som plast. Uten organisert innsamling og styring kan plast forurense og påvirke økosystemene negativt. I 2016 ble det generert 242 millioner tonn plastavfall i verden^1. Andelen plast resirkulert i Europa var bare 31,1%^4.

Ressursknapphet har skapt et behov for å endre praksis mot en sirkulær økonomi, der målet er å bruke avfall som kilde til sekundære ressurser og gjenvinne avfall for gjenbruk. Økonomisk vekst og minimale miljøpåvirkninger vil bli skapt av den sirkulære økonomien, som er et populært konsept i Europa. Eu-kommisjonen vedtok en handlingsplan for EU for en sirkulær økonomi, som satte mål og indikatorer for bidrag⁵.

Strengere miljøforskrifter og lover bidrar til at byggebransjen legger mer innsats i avfallshåndtering og materialgjenvinningsproblemer. Den europeiske union (EU) har for eksempel satt mål for materiell utvinning. Fra år 2020 og utover, bør materialgjenvinningshastigheten til ikke-farlig CDW være 70%⁶. Sammensetningen av CDW kan variere mye på tvers av geografiske steder, men noen vanlige egenskaper kan identifiseres, inkludert for eksempel plast som er et potensielt og verdifullt råmateriale for trepolymerkompositter. Reutiliseringen av plast er et konkret skritt mot en sirkulær økonomi der jomfruplastpolymerer erstattes av resirkulert polymer.

Komposittmaterialer er et flerfasesystem, bestående av et matrisemateriale og forsterkende fase. Trepolymer kompositt (WPC) inneholder vanligvis polymerer som matrise, trematerialer som forsterkning, og tilsetningsstoffer for å forbedre vedheft, for eksempel koblingsmidler og smøremidler. WPC kan være kjent som et miljøvennlig materiale fordi råmaterialet kan hentes fra fornybare materialer, som polylaktisk syre (PLA) og tre. Ifølge den nyeste innovasjon^{7 kan}tilsetningsstoffene til WPC være basert på fornybare kilder. I tillegg kan kilden til råstoffet resirkuleres (ikke-jomfruelige) materialer, som er et økologisk og teknisk overlegent alternativ⁸. For eksempel har forskere studert ekstrudert WPC som inneholder CDW, og fant ut at egenskapene til CDW-baserte kompositter var på et akseptabelt^{nivå 9}. Utnyttelse av resirkulerte råvarer som komponent for WPC er også akseptabelt fra miljøaspektet, som bevist av flere vurderinger. Samlet sett har det vist seg at bruk av CDW i WPC-produksjon kan redusere miljøpåvirkningene til CDW-ledelsen¹⁰. I tillegg har det blitt funnet at bruk av resirkulert polypropylenplast (PP) plast i WPC har potensial til å redusere global oppvarming¹¹.

Mengden tilgjengelige resirkulerte polymerer vil øke i fremtiden. Global plastproduksjon har økt ca 9% per år, i gjennomsnitt, og det forventes at denne økningen vil fortsette i fremtiden¹². De mest generelle plastpolymertypene er blant annet polypropylen (PP) og polyetylen (PE). Aksjene i total etterspørsel etter PE og PP var henholdsvis 29,8% og 19,3%, i Europa i 2017⁴. Det globale markedet for resirkulering av plast forventes å vokse med en årlig vekstrate på 5,6 % i perioden 2018–2026^13. En av de viktigste bruksområdene der plast brukes er bygging og konstruksjon. For eksempel var nesten 20% av den totale etterspørselen etter europeisk plast forbundet med bygge- og anleggsapplikasjoner⁴. Fra et økonomisk perspektiv er bruk av resirkulerte polymerer i WPC-produksjon et interessant alternativ, noe som fører til produksjon av materialer med lave kostnader. Tidligere forskning har vist at fysiske effekter har en sterkere innflytelse på ekstruderte materialer laget av sekundær plast i forhold til det tilsvarende jomfrumaterialet, men egenskaper avhenger av plastkilden¹⁴. Bruken av resirkulert plast reduserer imidlertid styrken til WPC på grunn av lavere kompatibilitet¹⁵. Variasjon mellom strukturene i plastpolymerer forårsaker bekymringer for gjenbruk og resirkulering, noe som bidrar til viktigheten av plastsortering basert på polymeren.

Denne studien har til hensikt å vurdere utnyttelsen av plastmateriale fra CDW som råstoff for WPC. Polymerfraksjonene som vurderes i studien er akrylnitril butadienstyrne (ABS), polypropylen (PP) og polyetylen (PE). Disse er kjent som universelle plastfraksjoner i CDW. Polymerfraksjonene behandles med generelle produksjonsprosesser, som agglomerasjon og ekstrudering, og testes med universelle mekaniske egenskapstester. Hovedmålet med studien er å oppdage hvordan egenskapene til WPC ville endre hvis resirkulerte polymerer ble brukt som råstoff i matrise i stedet for primære jomfrupolymerer.

Basert på det (lokale) avfallshåndteringssenteret (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), ble det vist hvordan plastrik CDW lagres. Det ble vist at en stor mengde plastmateriale er inkludert og noen eksempler på CDW plastpolymerer ble vist. Forskere samlet de mest egnede polymerer for videre behandling, som ABS, PP, og PE. De ønskede polymerene (PE, PP, ABS) ble identifisert ved hjelp av bærbar nær infrarød (NIR) spektroskopi. Eksempler på WPC-produkter ble presentert der innsamlede plastmaterialer kunne benyttes som råstoff. Definisjonen av kompositt og dens fordeler ble forklart.

Protocol

1. Identifikasjon og forbehandling Identifiser polymerer i plast med det bærbare nær-infrarøde (NIR) spektroskopiverktøyet i spektralområdet på 1600–2400 nm. Kontakt polymeren med spektroskopiverktøy og bestem polymeren ved den målte refleksjonen. Ifølge identifikasjonskurven av spektroskopi, analyser identifikasjonsresultatene fra skjermen i laboratoriet. Basert på identifikasjonsresultatet sorterer materialer mellom polymerene og måler deres respektive vekter.ME…

Representative Results

For å undersøke effekten av CDW plastpolymer på de mekaniske egenskapene til WPC, ble tre forskjellige polymertyper som en matrise studert. Tabell 1 presenterer sammensetningen av materialer og tabell 2 rapporterer produksjonsprosessene. Materialet til CDW-PP krever høyere behandlingstemperatur for verktøy, men tilsvarende var smeltetrykket lavere sammenlignet med de andre materialene (CDW-ABS og CDW-PE). Figur 1 presenterer …

Discussion

De mekaniske egenskapene til WPC spiller en viktig rolle i å bestemme egnetheten til disse produktene i ulike applikasjoner. WPC består av tre hovedingredienser: plast, tre og tilsetningsstoffer. De mekaniske egenskapene til fiberbaserte kompositter avhenger av lengden på den brukte fiberen, hvor “kritisk fiberlengde” er begrepet som brukes til å indikere tilstrekkelig forsterkning²⁵. I tillegg til egenskapene til ingrediensene er kvaliteten på råvarer den viktige faktoren for ytelsen til WP…

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