Login processing...

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

Environment

Влияние строительных и сносных отходов пластиковых фракций на древесно-полимерные композитные свойства

doi: 10.3791/61064 Published: June 7, 2020

Summary

Было показано, что вторичные потоки материалов включают потенциальное сырье для производства. Здесь представлен протокол, в котором CDW-пластиковые отходы в качестве сырья идентифицируются, а затем различные этапы обработки (агломерация, экструзия). В результате был изготовлен композитный материал, проанализированы механические свойства.

Abstract

Строительные и сносные отходы (КРВ), включая ценные материалы, такие, как пластмассы, оказывают значительное влияние на сектор отходов. Для повторного использования пластиковых материалов они должны быть идентифицированы и разделены в соответствии с их полимерным составом. В этом исследовании идентификация этих материалов проводилась с использованием ближней инфракрасной спектроскопии (NIR), которая идентифицировала материал на основе их физико-химических свойств. Преимуществами метода NIR являются низкое воздействие на окружающую среду и быстрое измерение (в течение нескольких секунд) в спектральном диапазоне 1600-2400 нм без специальной подготовки образца. Ограничения включают в себя его неспособность анализировать темные материалы. Выявленные полимеры использовались в качестве компонента для древесно-полимерного композита (WPC), который состоит из полимерной матрицы, недорогих наполнителей и добавок. Компоненты были сначала соелены с аппаратом агломерации, а затем производство экструзии. В процессе агломерации цель состояла в том, чтобы усложнить все материалы для производства равномерно распределенных и гранулированных материалов в качестве гранул. В процессе агломерации полимер (матрица) расплавился, а наполнители и другие добавки были затем смешаны в расплавленный полимер, будучи готовым к процессу экструзии. В метод экструзии, тепла и стрижки силы были применены к материалу в стволе конической контр-вращающейся двухвинтового типа экструдера, что снижает риск сжигания материалов и нижней смешивания смывов. Нагретая и стрижка смесь затем передается через умереть, чтобы дать продукту желаемую форму. Вышеупомянутый протокол доказал возможность повторного использования материалов КРВ. Функциональные свойства должны быть проверены в соответствии со стандартизированными тестами, такими как гибкие, напряженные и ударные тесты на прочность материала.

Introduction

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

Глобальная генерация отходов значительно выросла на протяжении всей истории и, по прогнозам, увеличится на десятки процентов в будущем, если не будут принятымеры 1. В частности, страны с высоким уровнем дохода произвели более одной трети мировых отходов, хотя они составляют лишь 16% мировогонаселения 1. Строительный сектор является важным производителем этих отходов в связи с быстрой урбанизацией и ростом населения. Согласно оценкам, примерно одна треть мировых твердых отходов образуется в результате проектов строительства и сноса; однако, точные значения из разных областейотсутствуют 2. В Европейском союзе (ЕС) количество строительных и сносных отходов (CDW) составляет примерно 25%-30% от общего объемаотходов производства 3, и включает всебя ценное и значительное вторичное сырье, такое как пластик. Без организованного сбора и управления пластик может загрязнять экосистемы и оказывать негативное воздействие на них. В 2016 году в мире было создано 242 миллиона тонн пластиковыхотходов. Доля переработанного пластика в Европе составила всего 31,1%4.

Нехватка ресурсов обугляет необходимость изменения практики в сторону круговой экономики, в рамках которой цель заключается в использовании отходов в качестве источника вторичных ресурсов и извлечении отходов для повторного использования. Экономический рост и сведенные к минимуму экологические последствия будут созданы круговой экономикой, которая является популярной концепцией в Европе. Европейская комиссия приняла План действий Европейского союза по круговой экономике, в котором устанавливаются цели и показатели взносов5.

Ужесточение экологических норм и законов способствует строительному сектору, приложив больше усилий для управления отходами и вопросов рециркуляции материалов. Например, Европейский союз (ЕС) поставил цели по восстановлению материального ущерба. С 2020 года уровень испытуемого материала неопасных CDW должен быть 70%6. Состав CDW может сильно различаться в зависимости от географического положения, но некоторые общие характеристики могут быть определены, в том числе, например, пластик, который является потенциальным и ценным сырьем для древесно-полимерных композитов. Повторное использование пластика является конкретным шагом на пути к круговой экономике, в которой девственные пластиковые полимеры заменяются переработанным полимером.

Композитные материалы являются многофакторной системой, состоящей из матричного материала и фазы укрепления. Древесно-полимерный композит (WPC) обычно содержит полимеры в качестве матрицы, древесные материалы в качестве арматуры и добавки для улучшения адгезии, такие как ас-смазочные материалы и смазочные материалы. WPC может быть известен как экологически чистый материал, потому что сырье может быть источников из возобновляемых материалов, таких как полилактическая кислота (НОАК) и древесины. Согласно последнему нововведению7, добавки WPC могут быть основаны на возобновляемых источниках. Кроме того, источник сырья может быть переработан (не-девственной) материалы, которая является экологически и технически превосходной альтернативой8. Например, исследователи изучили экструдированную WPC, которая содержит CDW, и обнаружили, что свойства композитов на основе CDW были на приемлемомуровне 9. Использование переработанного сырья в качестве компонента для ВСМ также приемлемо с экологической точки зрения, о чем свидетельствуют некоторые оценки. В целом, было продемонстрировано, что использование CDW в производстве WPC может уменьшить воздействие на окружающую среду управления CDW10. Кроме того, было установлено, что использование переработанного полипропилена (PP) пластика в WPC имеет потенциал для сокращения глобального потепления11.

Количество доступных переработанных полимеров будет увеличиваться в будущем. Мировое производство пластика увеличилось примерно на 9% в год, в среднем, и ожидается, что этот прирост будет продолжаться в будущем12. Наиболее распространенными типами пластиковых полимеров являются, в частности, полипропилен (ПП) и полиэтилен (ПЭ). Доля общего спроса на PE и PP составила 29,8% и 19,3% соответственно, в Европе в 2017году 4. Мировой рынок переработки пластика, как ожидается, будет расти в годовом исчислении на 5,6% в период 2018-202613. Одним из основных применений, в которых используется пластик, является строительство и строительство. Например, почти 20% от общего спроса на европейский пластик было связано со строительными и строительными приложениями4. С экономической точки зрения использование переработанных полимеров в производстве WPC является интересной альтернативой, ведущей к производству материалов с низкой себестоимостью. Предыдущие исследования показали, что физические эффекты оказывают более сильное влияние на экструдированную материалов из вторичного пластика по сравнению с соответствующим девственным материалом, но свойства зависят отисточника пластика 14. Тем не менее, использование переработанного пластика снижает прочность WPC из-за более низкой совместимости15. Различия между структурами пластиковых полимеров вызывают опасения по поводу повторного использования и переработки, которые способствуют важности сортировки пластика на основе полимера.

Это исследование намерено оценить использование пластикового материала из CDW в качестве сырья для WPC. Полимерные фракции, оцениваемые в исследовании, это адрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полипропилен (PP) и полиэтилен (PE). Они известны как универсальные пластиковые фракции в CDW. Полимерные фракции обрабатываются общими производственными процессами, такими как агломерация и экструзия, и тестируются с помощью универсальных механических испытаний свойств. Основная цель исследования заключается в том, чтобы выяснить, как свойства WPC будет меняться, если переработанных полимеров были использованы в качестве сырья в матрице, а не первичных девственных полимеров.

На базе (местного) центра по обращению с отходами (Этеле-Карьялан Ятехуолто Ой) было показано, как хранится богатый пластиком CDW. Было продемонстрировано, что большое количество пластикового материала включено и некоторые примеры CDW пластиковых полимеров были показаны. Исследователи собрали наиболее подходящие полимеры для дальнейшей обработки, такие как ABS, PP и PE. Нужные полимеры (PE, PP, ABS) были определены с помощью портативной ближней инфракрасной (NIR) спектроскопии. Были представлены примеры продукции ВСМ, в которых собранные пластиковые материалы могут использоваться в качестве сырья. Было объяснено определение композита и его преимущества.

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. Идентификация и предварительное лечение

  1. Определите полимеры в пластике с помощью переносного инструмента спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIR) в спектральном диапазоне 1600-2400 нм. Свяжитесь с полимером с помощью инструмента спектроскопии и определите полимер по измеренной отражательной связи.
    1. Согласно кривой идентификации спектроскопии, проанализируйте результаты идентификации с экрана в лаборатории.
  2. Основываясь на результате идентификации, сортировать материалы между полимерами и измерять их соответствующие веса.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Материал был отсортирован и взвешен в соответствии с измеренными результатами идентификации. Выбранными полимерами для дальнейшей обработки были АБС, ПЭ и ПП с объемами 27,1, 14,2 и 44,7 кг соответственно.
  3. Выполните уменьшение размера для выбранных пластиковых материалов в лабораторных условиях с дробилка аппарата. Поместите собранные и идентифицированные материалы в аппарат, который измельчал материалы с механической силой ударов молотка.
    1. Измельчить пластиковые материалы с помощью одной шахты измельчения системы с дробилки / шредера аппарат оснащен сито размером от 10 до 20 мм.
    2. Подвергите пластиковые фрагменты низкоступенчатой дробилка, оснащенной 5-мм сито. Убедитесь, что материал однороден.
  4. Измерьте количество материала для композитов. Покажите рецепт в качестве примера и представить эти материалы в относительном количестве пластика, дерева, соответствующего агента и смазки (64, 30, 3 и 3 wt%, соответственно).
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании были изучены три различных композита. Переработанные пластиковые полимеры из CDW были ABS, PP и PE. Наполнителем композитного материала была древесная мука, которая была приготовлена из высушенного вида ели(Picea abies)размер уменьшена с использованием дробильного оборудования и просеяна для однородного размера (20 мм сетки). Использовались коммерческие добавки соточного агента и смазки. Композиции и название подготовленных материалов представлены в таблице 1.
Материал Полимерный
/ сумма
Дерева Ca Любр
CDW-ABS ABS / 30 64 3 3
CDW-PP PP / 30 64 3 3
CDW-PE PE / 30 64 3 3

Таблица 1: Состав изучаемых материалов. Название образца состоит из включенного матричного компонента, переработанного адрилонитриле бутадиена (АБС), полипропилена (ПП) и полиэтилена (PE) из строительных и сносных отходов (CDW). Количество древесины, соточного агента (CA) и смазки (Lubr.) было одинаковым во всех образцах.

2. Обработка материалов WPC с технологией экструзии после обработки уменьшения размера

  1. Перенесите выявленные и предварительно обработанные материалы на следующий (агломерация) этап обработки.
    ВНИМАНИЕ: Пластиковый материал ABS включает в себя компонент стирола. Международное агентство по исследованию рака считает, что стирол "возможно канцерогенных для человека". Таким образом, агломерация шаг в действии не был включен в съемках, но его процесс изложен в этой работе. Кроме того, во время съемок в экструзионом производстве использовался только полимер PP или PE.
  2. Выполните агломерацию материала.
    1. Смешайте все компоненты процесса (полимер, дерево, сотый агент и смазка) в аппарате, который состоит из турбомиксера и охладителя. Агломерат материалов в турбомиксере до тех пор, пока температура материалов не достигла 200 градусов по Цельсию. Благодаря комбинированному эффекту температуры и трения, гранулы материал были сформированы после процесса обработки агломерации.
    2. Охладить материалы после лечения турбомиксером в течение 4-7 минут в более прохладном аппарате.
  3. Эвакуировать материал из процесса и собрать агломерации материала.
  4. Передача материалов, обработанных агломерацией, на следующий этап процесса (экструзия).
    1. Нажмите на панель управления экструзио-машины и проверьте правильные параметры. Средняя температура барреля и инструмента варьировалась от 167 до 181 градусов по Цельсию и 183 и 207 градусов по Цельсию, соответственно. Температура расплава варьировалась от 164 до 177 градусов по Цельсию, а давление смерти было между 3,7 и 5,9 МПА. Отрегулируйте параметры, потому что переработанные материалы неоднородны, и процесс требует профессионального контроля.
    2. Соединение компонентов с использованием конического контрверверного двухвинтового экструдера с выходом материала 15 кг/ч. Параметры материалов представлены в таблице 2. После процесса экструзии был создан профильный материал композита.
Материал Баррель Т КК Инструмент Т КК Растопить T КК Расплава
Давление (бар)
Кормления
скорость (кг/ч)
Авг.Винт
скорость (об/мин)
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

Таблица 2: Параметры обработки композитных материалов. (Значения после отметки «±» указывают на стандартные отклонения. Avg. - средний)

3. Выборка произведенных материалов и анализ свойств

  1. Подготовка образцов для испытаний механических свойств в лаборатории.
    1. Вырезать образцы из экструдированных профилей с помощью машины (т.е. раздвижной пилы стола). Для испытаний необходимы три образца разного размера: гибкие, напряженные и ударные прочности.
    2. Определите размер тестовых образцов в соответствии с применимыми стандартами, основываясь на рекомендации EN 1553416. В соответствии со стандартом, проверить как минимум пять образцов, но количество измерений может быть больше, чем пять, если требуется большая точность среднего значения.
  2. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для гибкого теста свойства, в соответствии со стандартным EN 31017.
    1. Для образца используйте раздвижную пилу со следующими габаритами: 800 мм x 50 мм x 20 мм (длина, ширина, толщина).
    2. Изготовить 20 образцов для анализа гибких свойств (прочность и модуль).
  3. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для испытания на напряженное свойство, в соответствии со стандартным EN ISO 527 218. Используйте раздвижную пилу, чтобы разрезать материал на следующие размеры: 150 мм х 20 мм х 4 мм (длина, ширина, толщина).
    1. Установите материальные преформы для обработки формы тупого колокола с помощью компьютерного численного управления (CNC). Ширина выборки на ее узкой части составила 10 мм, а поперечная площадь поверхности образца составила 4 мм х 10 мм, где был решен напряженный стресс. Длина узкой части составила 60 мм, закончив в закругленный угол с радиусом 60 мм.
    2. Сделайте 20 образцов для анализа напряженных свойств (прочность и модуль).
  4. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для испытания силы удара, в соответствии со стандартным EN ISO 179-119.
    1. Используйте раздвижную таблицу пилы, чтобы сократить образцы в следующих измерениях: 80 мм х 10 мм х 4 мм (длина, ширина, толщина). Сделайте 20 образцов для анализа свойства силы удара.
  5. Переместив испытательный материал в камеру с относительной влажностью 23 градусов по Цельсию и 50%, согласно стандарту EN ISO 29120,до тех пор, пока не будет достигнута постоянная масса. Убедитесь, что образцы обусловлены перед тестированием свойств материала.
  6. Выполните тесты (гибкие, напряженные и ударные). Определите механические характеристики образцов по flexural и напряженным испытаниям прочности с помощью испытательной машины в соответствии со стандартами EN310 17 и EN ISO 527-218 соответственно.
    1. Выполните гибкий тест прочности и модуль для каждого из 20 образцов, используя испытательный аппарат. Установите гибкий тестовый образец при поддержке двух точек и примените нагрузку к центру образца, нажав тестовый старт в компьютерной программе, которая управляет испытательным аппаратом, с предварительной нагрузкой 15 Н и тестовой скоростью 10 мм/мин. Тест автоматически останавливается после записи результата. Удалите тестовый образец из инструментов поддержки и установите новый образец на инструменты.
      1. Повторите процедуру до тех пор, пока не будет проверено 20 образцов и не будут зарегистрированы результаты программы. Компьютерная программа вычисляет средние результаты теста.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол можно приостановить здесь, в то время как тестовые инструменты будут изменены для испытательного аппарата.
    2. Выполните тест на прочность и модуль для 20 машинных (тупо-колоколообразных) образцов. Установите напряженный тестовый образец между испытательными инструментами и прикрепите пневматические зажимы, которые будут хранить образец в инструментах во время теста. Начните тест с панели управления компьютером, с предварительной нагрузкой 10 N и скоростью тестирования 2 мм/мин, и приложите инструмент удлинитель сразу после начала теста.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент удлинитель измеряет напряженный модуль из образца. Каждый тест автоматически останавливался после того, как был записан его результат.
      1. Удалите тестовый образец из инструмента после каждого теста и установите новый образец на инструменты. Повторите процедуру для всех образцов. Компьютерная программа вычисляет средние значения результатов.
    3. Выполните тест на прочность удара с тестером удара, в соответствии со стандартным EN ISO 179-119. Установите 10 мм х 4 мм размер (ширина, толщина) образца между поддержкой, сбросить силу и освободить удар молоток 5 kpcm.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разрывы образца испытания прочности удара из-за удара молотка и количества поглощенной энергии видимы в индикаторе тестера.
      1. Завехайте результат и повторите для 20 образцов, после чего рассчитывается среднее значение силы удара. Записанные результаты были в блоке "kpcm", который был изменен в joule (J), и результаты были представлены как килоджоуль на квадратный метр.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Промежуток между поддержкой выборки (расстояние между линиями контакта образца) в испытании прочности удара был 62 мм или, в качестве альтернативы, 20x его толщина.
  7. Проанализируйте результаты механических испытаний, которые представлены на рисунке 1, рисунке 2 и рисунке 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

Для изучения влияния пластикового полимера CDW на механические свойства WPC были изучены три различных типа полимеров в качестве матрицы. В таблице 1 представлен состав материалов, а в таблице 2 представлены производственные процессы. Материал CDW-PP требует более высокой температуры обработки инструментов, но, соответственно, давление расплава было ниже по сравнению с другими материалами (CDW-ABS и CDW-PE).

На рисунке 1 представлена гибкость материала (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Наивысшие значения гибкости прочности были достигнуты с материалом, содержащим переработанный полимер ABS в матрице. Почти конгруэнтное высокотякое качество было достигнуто в материале, в котором переработанный полимер PE использовался в матрице. Самые низкие гибкие сильные стороны были достигнуты с материалом, содержащим переработанный полимер PP в матрице. На рисунке 1 также представлены аналогичные результаты для гибкого модула материалов, который измерялся одновременно с прочностью свойства. Однако, несмотря на то, что переработанные полимеры ABS и PE имеют конгруэнтные результаты, как и в тестах на прочность, результаты flexural modulus были разными. Переработанные материалы PE имеют значительно более низкую стоимость modulus по сравнению со стоимостью переработанного полимера ABS.

Figure 1
Рисунок 1: Гибкие свойства изучаемых материалов.
Гибкость представлена в сплошных цветных барах (красном, зеленом и синем), а флексуальный модуль представлен с использованием тех же цветов в заполненных узором барах. Стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

На рисунке 2 показана прочность и модуль (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Материалы, в которых использовались переработанные АБС и ПЭ, имеют почти конгруэнтные результаты прочности, но стандартное отклонение было выше для материала, в котором использовалась переработанная АБС. Самой слабой напряженной прочностью был достигнут материал, содержащий переработанный полимер PP в матрице. Результаты напряженного модула совпадали с результатами гибкого модула, в котором лучший модуль был достигнут с переработанным полимером ABS.

Figure 2
Рисунок 2: Напряженные свойства изучаемых материалов.
Сила прочности представлена в сплошных цветных барах (красный, зеленый и синий), а напряженный модуль представлен с использованием тех же цветов в заполненных узором барах. Стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

На рисунке 3 отображаются свойства силы удара материалов (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Сильные стороны воздействия переработанных полимеров ABS и PP были почти на том же уровне, но большая прочность удара была достигнута с переработанным полимером PE, который имел лучшее свойство прочности удара в этом изучении.

Figure 3
Рисунок 3: Свойства силы удара изученных материалов.
Сила удара представлена в сплошных цветных барах, а стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

ПОЛИМЕР ABS состоит из трех мономеров, что может увеличить благоприятное поведение внутри WPC. Например, компонент акрилонитрила способствует прочности, компоненты бутадиена способствуют устойчивости к воздействию, а компоненты стирола способствуют жесткости. PE основе WPC приходится самая большая доля рынка, например, в Северной Америке, и это легко гвоздь, винт, и пилы. Тем не менее, PE производится в различных полимерных формах, таких как полиэтилен высокой плотности (HDPE) и полиэтилен низкой плотности (LDPE), которые имеют различные особенности. ПП основе WPC были слабые свойства в этом исследовании, в соответствии с тем, что его доля на рынке является относительно небольшой. Хотя он имеет несколько превосходных свойств по сравнению с полиэтиленом, таких как легче и сильнее, он также является более хрупким, чем полиэтилен21.

В целом, переработка композитов является экологическипредпочтительным путем 8, и переработанных отходов пластика является подходящим сырьем для композитов, в котором производительность может быть улучшена с помощью совместимых22. Причиной различных механических свойств может быть состав материалов и, в частности, соединение агента может иметь значительный эффект. Механические свойства переработанных полимеров в WPC были улучшены с совместимыми, но эффект сильно зависит от используемого агента и его количество в структуре, вызывая большие различия между используемымиагентами 23. Предыдущее исследование показало, что самая высокая производительность PP на основе WPC была достигнута с количеством совместимых натрех процентных уровнях 24, что совпадает с количеством, используемым в данном исследовании. Таким образом, используемый агент связи может быть более проблематичным, чем уровень агента. Тем не менее, общепризнано, что механическая производительность WPCs улучшается, когда акселинг агентов используются в оптимизированныхусловиях 25.

Каждый полимер имеет индивидуальные особенности в материале, демонстрируя, что разделение полимеров увеличивает ценность WPC с правильными добавками. В будущем для удовлетворения спроса могут быть использованы новые экологически чистые альтернативные ас-соединения для переработанных полимерных композитов, таких как крахмальная резинка, показанная в новом исследовании Rocha и Rosa26. Кроме того, повторное использование пластика должно иметь экономический смысл, и, таким образом, также требует будущих действий.

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

Механические свойства WPC играют важную роль в определении пригодности этих продуктов в различных приложениях. WPC состоит из трех основных ингредиентов: пластика, дерева и добавок. Механические свойства волоконных композитов зависят от длины используемого волокна, где "критическая длина волокна" является термин, используемый для обозначения достаточного укрепления25. Помимо свойств ингредиентов, качество сырья является важным фактором для производительности WPC. В этом исследовании, в частности, там, где использовалось переработанное сырье, большое внимание уделялось сырью. В этом исследовании использовались материалы, по которым были использованы CDW, которые могут варьироваться в зависимости от строительных площадок, и эта изменчивость является критическим фактором при сравнении различных исследований. Таким образом, материал должен быть изучен в соответствии со стандартизированными тестами, которые обеспечивают единообразное качество продукции.

В flexural испытании, материал WPC испытывает сжатый усилие на нагрузк-подшипниковой стороне и соответственно, напряженный усилие на противоположном конце. Метод тестирования основан на стандарте деревянных панелей (EN 310), иллюстрирующих гибкие свойства экструдированного профиля в реальном использовании. Гибкий тест вызовет сжатие (на верхней поверхности) и напряженный (на нижней стороне) стресс для материала, поэтому важно, чтобы экструдированный (полый) профиль симметричен. Другой тест на гибкое свойство (например, стандартный EN ISO 17827),где размеры выборки были меньше, не даст реальной ценности для используемого профиля экструзии, но будет анализировать свойство материала без эффекта полого профиля. Важно использовать стандартизированное расстояние между пролетами поддержки, поскольку это влияет на результаты. Гибкость зависит линейно от опорного пролета, в котором увеличение пролета поддержки приводит к пропорциональному снижению нагрузки28.

Как правило, напряженный модуль увеличивается с увеличением содержания PP полимера в древесномволокне 25. Поэтому можно предположить, что состав материалов, в том числе добавок, таких как сотый агент, не был оптимальным для этого материала. Самая высокая разница между толщинами напряженных тестовых образцов составила 0,94 мм; это изменение указывает на то, что крепление образцов является критическим шагом. В состав испытательной машины входили пневматические крепления, которые вызывают излишние силы с различной толщиной образцов. Поэтому измерение силы должно быть сброшено в начале напряженного теста, чтобы пневматические крепления не искажали результаты. Кроме того, это устранение неполадок может быть устранено путем производства однородных тестовых образцов на этапе отбора проб.

Испытание прочности удара иллюстрирует различную механическую характеристику материала потому что оно измеряет сиюминутное напряжение, пока большое часть из других испытаний измеряет долгосрочное напряжение материала. Увеличение содержания древесного волокна уменьшило силу удара25. Размеры образцов должны быть измерены во всех тестах, и могут быть различия между исследователями в использовании измерительных приборов (например, сила сжатия при использовании калипера или микрометра). Поэтому важно, чтобы один и тот же человек измеряет размеры образцов в каждом тесте, тем самым исключая человеческие ошибки в измерениях. Другой вариант в качестве метода модификации заключается в использовании устройства, которое включает в себя момент для сжатия. Кроме того, испытательная атмосфера может влиять на изучаемые свойства. В этом исследовании, все изученные тесты были проведены в одинаковых условиях, так что эффект атмосферы был похож, и имел совпадающий эффект для каждого теста. В будущем тесты могут проводиться в помещении, где атмосфера будет стабильной.

Поскольку WPC состоит по крайней мере из двух материалов, таких как дерево и полимер, это может осложнить выбор стандарта. Например, могут быть соответствующие стандарты для древесных материалов, а также для полимерных материалов, что вызовет ограничения в выборе соответствующего стандарта для изучения. Стандартная организация опубликовала стандарты (EN 15534-1:2014-A1:2017), в которых были охарактеризованы методы тестирования композитов из целлюлозных материалов и термопластика. Стандарт позволяет исследователям, которые следуют Европейскому стандарту, действовать универсально в своих исследованиях. Осложнение может возникнуть, если значительная часть исследователей будет следовать другому стандарту (например, ASTM International), что вызовет проблемы при сравнении результатов. В будущем разработкой может стать единая стандартная организация, стандарты которой будут действовать на глобальном уровне.

Стандарты WPCs включают подробные инструкции по измерению свойств, но их интерпретация может варьироваться между исследователями. Бенчмаркинг между исследовательскими организациями мог бы унифицировать методы работы, но не может быть разрешен, поскольку исследовательские организации часто ограничивают учреждения, занимающиеся конфиденциальной информацией. Таким образом, такого рода визуально описанная работа обеспечивает универсальность методов тестирования для более широкого круга людей, тем самым ограничивая возможности для недопонимания.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Circwaste-проект получает финансовую поддержку от ЕС для производства своего материала. Мнения, отраженные в содержании, полностью являются собственными проектами, и комиссия ЕС не несет ответственности за их использование.

Acknowledgments

Авторы признают поддержку исследовательской платформы LUT RESOURCE (Ресурсные эффективные производственные процессы и цепочки создания стоимости), координируемой Университетом LUT и Life IP по отходам – проектом «К круговой экономике в Финляндии» (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). Финансирование проекта было получено из комплексной программы ЕС Life, компаний и городов.

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).
Влияние строительных и сносных отходов пластиковых фракций на древесно-полимерные композитные свойства
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