Login processing...

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

Environment

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

doi: 10.3791/61064 Published: June 7, 2020

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

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

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 verden1. 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 innovasjon7 kantilsetningsstoffene 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 akseptabeltnivå 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 2018–202613. 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.

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. Identifikasjon og forbehandling

  1. 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.
    1. Ifølge identifikasjonskurven av spektroskopi, analyser identifikasjonsresultatene fra skjermen i laboratoriet.
  2. Basert på identifikasjonsresultatet sorterer materialer mellom polymerene og måler deres respektive vekter.
    MERK: Materialet ble sortert og vektet i henhold til de målte identifikasjonsresultatene. Utvalgte polymerer for videre behandling var henholdsvis ABS, PE og PP med mengdene henholdsvis 27,1, 14,2 og 44,7 kg.
  3. Utfør størrelsesreduksjon for de valgte plastmaterialene under laboratorieforhold med et knuseapparat. Plasser oppsamlede og identifiserte materialer i apparatet som knuste materialer med den mekaniske kraften av hammerslag.
    1. Knus plastmaterialer ved hjelp av et skjæresystem med én skaft med knuser/makuleringsapparat utstyrt med silstørrelse som varierer fra 10 til 20 mm.
    2. Utså plastfragmentene til en lavhastighetsknuser, utstyrt med en 5 mm sil. Sørg for at materialet er homogent.
  4. Mål materialbeløpene for kompositter. Vis en oppskrift som et eksempel og presenter disse materialene i de relative mengdene plast, tre, koblingsmiddel og smøremiddel (henholdsvis 64, 30, 3 og 3 wt%).
    MERK: Tre forskjellige kompositter ble studert i denne studien. De resirkulerte plastpolymerene fra CDW var ABS, PP og PE. Fyllstoffet av komposittmaterialet var tremel, som ble tilberedt av en tørket granart (Picea abies) størrelse redusert ved hjelp av knuseutstyr og siktet for en homogen størrelse (20 mm mesh). Kommersielle tilsetningsstoffer av koblingsmiddel og smøremiddel ble brukt. Sammensetningene og navnet på de tilberedte materialene er vist i tabell 1.
Materiale Polymer
/ beløp
Tre Ca. Smøremiddel
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP I 2009 ble det 100 000 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Tabell 1: Sammensetningen av de studerte materialene. Navnet på prøven består av den medfølgende matrisekomponenten, resirkulert akrylnitril butadienstyrne (ABS), polypropylen (PP) og polyetylen (PE) fra konstruksjons- og rivningsavfallet (CDW). Mengdene tre, koblingsmiddel (CA) og smøremiddel (Lubr.) var de samme i alle prøver.

2. Behandling av WPC-materialer med ekstruderingsteknologi etter behandling av størrelsesreduksjon

  1. Overfør de identifiserte og forhåndsbehandlede materialene til nærmere neste (agglomerering) behandlingstrinn.
    FORSIKTIG: Plastmaterialet til ABS inneholder en styrekomponent. Det internasjonale kreftinstituttet mener at styren er «muligens kreftfremkallende for mennesker». Derfor ble agglomerasjonstrinnet i aksjon ikke inkludert i filmingen, men prosessen er skissert i dette arbeidet. I tillegg ble bare PP eller PE polymer brukt i ekstruderingsproduksjonen under filming.
  2. Utfør agglomerasjon av materialet.
    1. Bland alle komponentene i prosessen (polymer, tre, koblingsmiddel og smøremiddel) i et apparat som består av en turbomikser og en kjøler. Agglomerer materialene i turbomikseren til temperaturen på materialene nådde 200 °C. På grunn av den kombinerte effekten av temperatur og friksjon ble granulatmaterialene dannet etter behandlingsprosessen av agglomerasjon.
    2. Avkjøl materialene etter turbomikserbehandling i 4-7 minutter i et kjøligere apparat.
  3. Evakuer materiale fra prosessen og samle opp agglomerert materiale.
  4. Overfør agglomerasjonsbehandlede materialer til neste prosesstrinn (ekstrudering).
    1. Klikk på kontrollpanelet på ekstruderingsmaskinen og se etter de riktige parametrene. Den gjennomsnittlige fat og verktøy temperaturer varierte mellom 167 og 181 ° C, og 183 og 207 ° C, henholdsvis. Smeltetemperaturen varierte mellom 164 og 177 °C, og dietrykket var mellom 3,7 og 5,9 MPa. Juster parametere fordi resirkulerte materialer er heterogene, og prosessen krever profesjonell kontroll.
    2. Sammensetning komponentene ved hjelp av en konisk motroterende toskrue ekstruder med 15 kg/t materialutgang. Materialenes parametere presenteres i tabell 2. Etter ekstruderingsprosessen ble profilmaterialet til kompositten generert.
Materiale Fat T °C Verktøy T °C Smelte T °C Smelte
Trykk (bar)
Fôring
hastighet (kg/t)
Gj.sn.Skru
hastighet (tur/min)
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

Tabell 2: Behandlingsparametere for komposittmaterialene. (Verdier etter "±"-merket angir standardavvik. Gj.sn. = gjennomsnitt)

3. Prøvetaking av produserte materialer og analyser av egenskaper

  1. Forbered prøver for mekaniske eiendomstester i laboratoriet.
    1. Klipp prøver fra ekstruderte profiler med en maskin (det vil vil at en skyvebordsag). Tre forskjellige størrelsesprøver er nødvendig for tester: flexural, strekkfasthet og slagstyrke.
    2. Bestem størrelsen på testprøver i henhold til gjeldende standarder, basert på anbefaling av EN 1553416. I henhold til standarden tester du minst fem prøver, men antall målinger kan være mer enn fem hvis større presisjon av gjennomsnittsverdien er nødvendig.
  2. Sagtestprøver fra ekstruderte materialer for flexural eiendomstest, i henhold til standard EN 31017.
    1. Bruk en skyvebordsag med følgende dimensjoner for prøven: 800 mm x 50 mm x 20 mm (lengde, bredde, tykkelse).
    2. Lag 20 prøver for analyse av flexural egenskaper (styrke og modulus).
  3. Sagtestprøver fra ekstruderte materialer for strekkeiendomstesten, i henhold til standarden EN ISO 527 218. Bruk skyvebordsagen til å skjære materialet i følgende dimensjoner: 150 mm x 20 mm x 4 mm (lengde, bredde, tykkelse).
    1. Angi materialpreformene for maskinering av en dum klokkeform via datamaskinens numeriske kontroll (CNC). Bredden på prøven på sin smale del var 10 mm, og tverrsnittsoverflaten av prøven var 4 mm x 10 mm, hvor strekkstresset ble adressert. Lengden på den smale delen var 60 mm, og endte i et avrundet hjørne med en radius på 60 mm.
    2. Lag 20 prøver for analyse av strekkegenskaper (styrke og modul).
  4. Sagtestprøver fra ekstruderte materialer for slagstyrketesten, i henhold til standarden EN ISO 179-119.
    1. Bruk skyvebordsagen til å kutte prøvene i følgende dimensjoner: 80 mm x 10 mm x 4 mm (lengde, bredde, tykkelse). Lag 20 prøver for analyse av slagstyrke eiendom.
  5. Flytt testmaterialet inn i 23 °C og 50 % relativ fuktighetstilstandskammer, i henhold til standard EN ISO 29120, til en konstant masse er nådd. Sørg for at prøvene er betinget før testing av materialegenskaper.
  6. Utfør testene (flexural, strekkfasthet og innvirkning). Bestem de mekaniske egenskapene til prøvene ved hjelp av flexural- og strekkfasthetstester med en testmaskin i henhold til henholdsvis EN 31017- og EN ISO 527-218-standardene.
    1. Utfør flexural styrke og modulustest for hver av 20 prøver, ved hjelp av testapparatet. Sett flexural test prøve på støtte av to punkter og bruke en belastning til midten av prøven ved å klikke Test start i dataprogrammet som styrer testapparatet, med en pre-load på 15 N og testhastighet på 10 mm / min. Testen stopper automatisk etter opptak av resultatet. Fjern testeksempelet fra støtteverktøyene, og angi et nytt eksempel på verktøyene.
      1. Gjenta prosedyren til 20 prøver ble testet og resultatene fra programmet ble registrert. Dataprogrammet beregner gjennomsnittlige resultater fra testen.
        MERK: Protokollen kan settes på pause her mens testverktøyene endres for testapparatet.
    2. Utfør strekkfasthet og modulustest for 20 be machined (dumme-bell-formet) prøver. Still inn strekktestprøven mellom testverktøyene og fest pneumatiske klemmer, som vil holde prøven i verktøyene under testen. Start testen fra datamaskinens kontrollpanel, med en forbelastning på 10 N og testhastighet på 2 mm/min, og fest et forlengelsesmålerverktøy umiddelbart etter teststarten.
      MERK: Forlengelsesmålerverktøyet måler strekkmodulen fra prøven. Hver test stoppet automatisk etter at resultatet ble registrert.
      1. Fjern testprøven fra verktøyet etter hver test, og angi en ny prøve på verktøyene. Gjenta prosedyren for alle prøver. Dataprogrammet beregner gjennomsnittlige resultatverdier.
    3. Utfør en slagstyrketest med en slagtester, i henhold til standard EN ISO 179-119. Still inn prøven på 10 mm x 4 mm (bredde, tykkelse) mellom støtten, tilbakestill kraften og slipp slaghammeren på 5 kpcm.
      MERK: Slagstyrketestprøven brister på grunn av hammerens innvirkning og mengden absorbert energi er synlig i testerindikatoren.
      1. Registrer resultatet og gjenta for de 20 prøvene, hvorav gjennomsnittsverdien av slagfasthet beregnes. De registrerte resultatene var i "kpcm" enhet, som ble endret til joule (J), og resultatene ble presentert som en kilojoule per kvadratmeter.
        MERK: Spennvidden mellom prøvestøtte (avstand mellom linjene i kontakten prøvens kontakt) i slagstyrketesten var 62 mm eller alternativt 20x tykkelsen.
  7. Analyser resultatene fra de mekaniske testene, som presenteres i figur 1, figur 2 og figur 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

For 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 materialens flexural styrke (et gjennomsnitt fra 20 målinger) som stolpediagrammer, inkludert standardavvik som en feillinje. De høyeste flexural styrkeverdiene ble oppnådd med materiale som inneholder en resirkulert ABS polymer i en matrise. Nesten kongruent høystyrke kvalitet ble oppnådd i materialet der resirkulert PE polymer ble brukt i en matrise. De laveste flexural styrkene ble oppnådd med materiale som inneholder en resirkulert PP polymer i en matrise. Figur 1 gir også lignende resultater for den flexurale modulus av materialer, som ble målt samtidig med styrkeegenskapen. Men selv om resirkulerte ABS- og PE-polymerer har kongruentresultater som i styrketestene, var de flexurale modulusresultatene forskjellige. De resirkulerte PE-materialene har en betydelig lavere modulusverdi sammenlignet med verdien av resirkulert ABS-polymer.

Figure 1
Figur 1: De flexural egenskapene til de studerte materialene.
Den flexural styrke presenteres i heldekkende farge fylt barer (rød, grønn og blå) og flexural modulus presenteres ved hjelp av de samme fargene i mønsterfylte barer. Standardavvikene beskrives som feilfelt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2 viser strekkfasthet og modulus (et gjennomsnitt fra 20 målinger) som stolpediagrammer, inkludert standardavvik som en feillinje. Materialene, der resirkulerte ABS og PE ble brukt, har nesten kongruent strekkfasthetsresultater, men standardavviket var høyere for materialet der resirkulert ABS ble brukt. Den svakeste strekkfasthet ble oppnådd materiale som inneholder en resirkulert PP polymer i en matrise. Resultatene av strekkmodul var kongruent med resultatene av flexural modulus, der den beste modulen ble oppnådd med resirkulert ABS polymer.

Figure 2
Figur 2: Strekkegenskapene til de studerte materialene.
Strekkfasthet presenteres i de heldekkende fargefylte stolpene (rød, grønn og blå) og strekkmodulen presenteres ved hjelp av de samme fargene i mønsterfylte stolper. Standardavvikene beskrives som feilfelt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3 viser materialenes egenskaper for slagstyrke (et gjennomsnitt fra 20 målinger) som stolpediagrammer, inkludert standardavvik som en feillinje. Slagstyrkene til resirkulerte ABS- og PP-polymerer var nesten på samme nivå, men større slagstyrke ble oppnådd med den resirkulerte PE-polymeren, som hadde den beste slagstyrkeegenskapen i denne studien.

Figure 3
Figur 3: Slagstyrkeegenskapene til de undersøkte materialene.
Slagstyrken presenteres i heldekkende fargefylte stolper, og standardavvikene beskrives som feilfelt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

ABS polymer består av tre monomerer, noe som kan øke den gunstige oppførselen i WPC. For eksempel bidrar akrylnitrilkomponenten styrke, butadienkomponenter bidrar til slagfasthet, og styrekomponenter bidrar til stivhet. PE-baserte WPC står for den største markedsandelen, for eksempler i Nord-Amerika, og det er lett å spikre, skru og sag. PE er imidlertid produsert i ulike polymere former, for eksempel polyetylen med høy tetthet (HDPE) og polyetylen med lav tetthet (LDPE), som har forskjellige funksjoner. Den PP-baserte WPC hadde de svakeste egenskapene i denne studien, i samsvar med det faktum at markedsandelen er relativt liten. Selv om den har flere overlegne egenskaper sammenlignet med polyetylen, for eksempel å være lettere og sterkere, er den også mer sprø enn polyetylen21.

Samlet sett er resirkulering av kompositter den økologisk å foretrekke banen8,og resirkulert avfallsplast er et egnet råmateriale for kompositter, der ytelsen kan forbedres ved hjelp av kompatibilitetsstoffer22. Årsaken til varierte mekaniske egenskaper kan skyldes sammensetningen av materialer, og spesielt kan koblingsmiddelet ha en betydelig effekt. De mekaniske egenskapene til resirkulerte polymerer i WPC ble forbedret med kompatibilitetsmidlene, men effektene avhenger sterkt av agenten som brukes og mengden i strukturen, noe som forårsaker en stor variasjon mellom de brukteagentene 23. En tidligere studie indikerte at den høyeste ytelsen til PP-basert WPC ble oppnådd med mengder kompatibilitetsenhet på tre prosentnivåer24, som er forbundet med mengden som brukes i denne studien. Dermed kan koblingsmiddelet som brukes være mer problematisk enn nivået på agenten. Det er imidlertid allment akseptert at den mekaniske ytelsen til WPCer forbedres når koblingsmidler brukes under optimaliserte forhold25.

Hver polymer har individuelle egenskaper i materiale, noe som viser at separasjon av polymerer øker verdien av WPC med de riktige tilsetningsstoffene. I fremtiden kan nye miljøvennlige alternative koblingsmidler for resirkulerte polymerkompositter brukes til å møte etterspørselen, for eksempel stivelsestyggegummien vist i en ny studie av Rocha og Rosa26. I tillegg må gjenbruk av plast gi økonomisk mening, og dermed også kreve fremtidig handling.

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

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 WPC. I denne studien, spesielt der resirkulerte råvarer ble brukt, ble det lagt stor vekt på råvarene. Denne studien brukte materialer hentet fra CDW som kan variere mellom byggeplasser, og denne variasjonen er en kritisk faktor i sammenligningen av ulike studier. Derfor må materialet studeres i henhold til standardiserte tester som sikrer ensartet produktkvalitet.

I en flexural test opplever WPC-materialet kompresjonsstress på bærende side og tilsvarende strekkstress i motsatt ende. Testmetoden er basert på standarden på trebaserte paneler (EN 310), som illustrerer de flexurale egenskapene til en ekstrudert profil i faktisk bruk. Den flexural testen vil forårsake kompresjon (på den øvre overflaten) og strekkfasthet (på undersiden) stress for materialet, derfor er det viktig at den ekstruderte (hule) profilen er symmetrisk. En annen test for flexural egenskap (for eksempel standard EN ISO 17827), hvor dimensjonene på prøven var mindre, vil ikke gi den virkelige verdsatt for ekstruderingsprofilen som brukes, men vil analysere egenskapen til materialet uten effekten av en hul profil. Det er viktig å bruke en standardisert avstand mellom støttespennene fordi dette har innflytelse på resultatene. Den flexurale styrken avhenger lineært av støttespennet, der et økt støttespenn fører til en proporsjonal reduksjon av belastningen28.

Vanligvis øker strekkmodulen med det økende innholdet PP polymer i trefiber25. Derfor kan vi anta at sammensetningen av materialer, inkludert tilsetningsstoffer som et koblingsmiddel, ikke var optimal for dette materialet. Den høyeste variasjonen mellom tykkelsene på strekktestprøver var 0,94 mm; Denne variasjonen indikerer at festing av prøver er et kritisk trinn. Testmaskinen inkluderte pneumatiske festere som forårsaker overflødig kraft med de ulike tykkelsene på prøvene. Derfor må kraftmålingen tilbakestilles ved starten av strekktesten for at pneumatiske festere ikke vil forvrenge resultatene. Alternativt kan denne feilsøkingen elimineres ved å produsere homogene testprøver i prøvefasen.

Slagstyrketesten illustrerer et annet mekanisk trekk ved materialet fordi det måler en kortvarig belastning, mens de fleste av de andre testene måler materialets langsiktige stamme. Det økende innholdet av trefiber reduserte slagstyrken25. Dimensjonene på prøvene må måles i alle tester, og det kan være variasjoner mellom forskere i bruk av måleenheter (f.eks. kompresjonskraft ved bruk av kaliper eller mikrometer). Derfor er det viktig at samme person måler dimensjonene av prøver i hver test, og dermed unntatt menneskelige feil i målingene. Et annet alternativ som en modifikasjonsteknikk er å bruke en enhet som inkluderer et øyeblikk for komprimering. I tillegg kan testatmosfæren ha innflytelse på de studerte egenskapene. I denne studien ble alle studerte tester utført under samme forhold, så effekten av atmosfæren var lik, og hadde en tilfeldig effekt for hver test. Som en fremtidig søknad kan testene utføres i et rom hvor atmosfæren er satt til å være stabil.

Fordi WPC består av minst to materialer, for eksempel tre og polymer, kan det komplisere valget av en standard. For eksempel kan det være egnede standarder for trematerialer, så vel som for polymermaterialer, som vil forårsake begrensninger i valg av en passende standard for studier. Standardorganisasjonen har publisert standarder (EN 15534-1:2014+A1:2017) der testmetoder for kompositter laget av cellulosebaserte materialer og termoplast ble karakterisert. Standarden gjør det mulig for forskere som følger den europeiske standarden å handle på en universell måte i sine studier. En komplikasjon kan oppstå hvis en betydelig del av forskerne følger en annen standard (f.eks ASTM International), som vil forårsake problemer i sammenligninger av resultater. En fremtidig utvikling kan være en enkelt standard organisasjon hvis standarder vil være gyldig globalt.

Standardene for WPCer inkluderer detaljerte instruksjoner for måling av egenskaper, men tolkningen av disse kan variere mellom forskere. Benchmarking mellom forskningsorganisasjoner kan forene driftsmetoder, men kan ikke tillates fordi forskningsorganisasjonene ofte er begrensede institusjoner som arbeider med konfidensiell informasjon. Derfor sikrer denne typen visuelt beskrevet arbeid at testpraksis er universell for et bredere antall mennesker, og dermed begrenser mulighetene for misforståelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Circwaste-prosjektet mottar økonomisk støtte fra EU for produksjon av materialet. Synspunktene som gjenspeiles i innholdet er helt prosjektets egne, og EU-kommisjonen er ikke ansvarlig for noen bruk av dem.

Acknowledgments

Forfatterne anerkjenner støtten fra forskningsplattformen LUT RESOURCE (Resource efficient production processes and value chains) koordinert av LUT University og life IP on waste – Mot en sirkulær økonomi i Finland (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) prosjekt (LIFE 15 IPE FI 004). Midler til prosjektet ble mottatt fra EUs life integrated program, selskaper og byer.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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