Effekten av konstruktion och rivningsavfall plastfraktioner på trä-Polymer komposit egenskaper

Summary

Sekundära materialströmmar har visat sig inkludera potentiella råvaror för produktion. Presenteras här är ett protokoll där CDW-plastavfall som råvara identifieras, följt av olika bearbetningssteg (tätbebyggelse, strängsprutning). Som ett resultat, producerades ett kompositmaterial, och mekaniska egenskaper analyserades.

Abstract

Bygg- och rivningsavfall (CDW), inklusive värdefulla material som plast, har ett anmärkningsvärt inflytande på avfallssektorn. För att plastmaterial ska kunna utnyttjas på nytt måste de identifieras och separeras enligt sin polymersammansättning. I denna studie utfördes identifieringen av dessa material med hjälp av nära infraröd spektroskopi (NIR), som identifierade material baserat på deras fysikaliska-kemiska egenskaper. Fördelar med NIR-metoden är en låg miljöpåverkan och snabb mätning (inom några sekunder) i spektralområdet 1600-2400 nm utan speciell provberedning. Begränsningar inkluderar dess oförmåga att analysera mörka material. De identifierade polymererna utnyttjades som en komponent för trä-polymer komposit (WPC) som består av en polymer matris, låg kostnad fyllmedel och tillsatser. Komponenterna förvärrades först med en gytterapparat, följt av produktion genom extrudering. I tätortsprocessen var syftet att sammansatta alla material för att producera jämnt fördelade och granulerade material som pellets. Under tätbebyggelseprocessen smältes polymeren (matrisen) och fyllmedel och andra tillsatser blandades sedan in i den smälta polymeren, var redo för extruderingsprocessen. I extruderingsmetoden applicerades värme- och skjuvkrafter på ett material inom pipan av en konisk motroterande tvillingskruvstyp extruder, vilket minskar risken för att bränna materialen och lägre skjuvningsblandning. Den uppvärmda och skjuvade blandningen förmedlades sedan genom en dö för att ge produkten önskad form. Det ovan beskrivna protokollet bevisade potentialen för återutnyttjande av CDW-material. Funktionella egenskaper måste verifieras enligt de standardiserade testerna, såsom flexural, drag- och slaghållfasthetstester för materialet.

Introduction

Den globala avfallsgenereringen har vuxit betydligt genom historien och förutspås öka med tiotals procenttal i framtiden om inte åtgärder vidtas¹. Framför allt har höginkomstländer genererat mer än en tredjedel av världens avfall, även om de endast står för 16 procent av världens befolkning¹. Byggsektorn är en betydande producent av detta avfall på grund av snabb urbanisering och befolkningstillväxt. Enligt uppskattningar bildas ungefär en tredjedel av det globala fasta avfallet genom bygg- och rivningsprojekt; saknas dock exakta värden från olika områden². I Europeiska unionen (EU) är mängden bygg- och rivningsavfall (CDW) cirka 25 %–30 % av den totala^{avfallsgenereringen 3}– och omfattar värdefulla och betydande sekundära råvaror, som plast. Utan organiserad insamling och hantering kan plast förorena och påverka ekosystemen negativt. Under 2016 genererades 242 miljoner ton plastavfall i världen¹. Andelen plast som återvinns i Europa var bara 31,1 %⁴.

Resursbrist har skapat ett behov av att ändra praxis mot en cirkulär ekonomi, där syftena är att använda avfall som källa till sekundära resurser och återvinna avfall för återanvändning. Ekonomisk tillväxt och minimerad miljöpåverkan kommer att skapas av den cirkulära ekonomin, som är ett populärt koncept i Europa. Europeiska kommissionen antog en handlingsplan för Europeiska unionen för en cirkulär ekonomi, där mål och indikatorer för bidragen⁵fastställs .

Skärpta miljöbestämmelser och lagar bidrar till att byggsektorn lägger mer kraft på avfallshantering och materialåtervinningsfrågor. Europeiska unionen (EU) har till exempel satt upp mål för materiell återhämtning. Från och med år 2020 bör materialåtervinningsgraden för icke-farligt CDW vara 70 %⁶. Sammansättningen av CDW kan variera kraftigt mellan geografiska platser, men vissa gemensamma egenskaper kan identifieras, inklusive till exempel plast som är en potentiell och värdefull råvara för trä-polymer kompositer. Återutnyttjandet av plast är ett konkret steg mot en cirkulär ekonomi där jungfruliga plastpolymerer ersätts av återvunnen polymer.

Kompositmaterial är ett flerfassystem, bestående av ett matrismaterial och armeringsfas. Trä-polymer komposit (WPC) innehåller typiskt polymerer som matrisen, trämaterial som armering, och tillsatser för att förbättra vidhäftning, såsom kopplingsmedel och smörjmedel. WPC kan vara känt som ett miljövänligt material eftersom råvaran kan anskaffas från förnybara material, som polylactic acid (PLA) och trä. Enligt den senaste^{innovationen 7}kan tillsatserna i WPC baseras på förnybara källor. Dessutom kan källan till råvaran återvinnas (icke-jungfruliga) material, som är ett ekologiskt och tekniskt överlägsen alternativ⁸. Till exempel har forskare studerat extruderad WPC som innehåller CDW, och funnit att egenskaperna hos CDW–baserade kompositer låg på en acceptabel nivå⁹. Nyttjande av återvunna råvaror som komponent för WPC är också acceptabelt ur miljöaspekten, vilket bevisas av flera bedömningar. Sammantaget har det visats att utnyttja CDW i WPC produktion kan minska de miljömässiga influenser av CDW förvaltning¹⁰. Dessutom har det konstaterats att använda återvunnet polypropen (PP) plast i WPC har potential att minska den globala uppvärmningen¹¹.

Mängden tillgängliga återvunna polymerer kommer att öka i framtiden. Den globala plastproduktionen har ökat cirka 9% per år, i genomsnitt, och det förväntas att denna ökning kommer att fortsätta i framtiden¹². De mest allmänna plastpolymertyperna är bland annat polypropen (PP) och polyeten (PE). Andelarna av den totala efterfrågan på PE och PP var 29,8 % respektive 19,3 % i Europa 2017⁴. Den globala marknaden för plaståtervinning förväntas växa med en årlig tillväxttakt på 5,6 % under perioden 2018–2026¹³. En av de viktigaste tillämpningarna där plast används är byggnad och konstruktion. Till exempel var nästan 20% av den totala efterfrågan på europeisk plast förknippad med byggnads- och byggtillämpningar⁴. Ur ett ekonomiskt perspektiv är användningen av återvunna polymerer i WPC-tillverkning ett intressant alternativ, vilket leder till produktion av material med låg kostnad. Tidigare forskning har visat att fysiska effekter har ett starkare inflytande på extruderade material tillverkade av sekundär plast jämfört med motsvarande jungfruligt material, men egenskaperna beror på plastkällan¹⁴. Användningen av återvunnen plast minskar dock styrkan hos WPC på grund av lägre kompatibilitet¹⁵. Variation mellan plastpolymers strukturer orsakar oro för återanvändning och återvinning, vilket bidrar till vikten av plastsortering baserad på polymeren.

Denna studie avser att bedöma utnyttjandet av plastmaterial från CDW som råvara för WPC. Polymerfraktionerna som bedöms i studien är akrylnitril butadienstyren (ABS), polypropylen (PP), och polyeten (PE). Dessa är kända som universella plastfraktioner inom CDW. Polymerfraktionerna behandlas med allmänna tillverkningsprocesser, såsom tätbebyggelse och strängpressning, och testas med universella mekaniska egenskapstester. Det primära målet med studien är att upptäcka hur egenskaperna hos WPC skulle förändras om återvunna polymerer användes som råmaterial i matris i stället för primära jungfrupolymerer.

Baserat på (lokala) avfallshanteringscentralen (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) visades det hur plastrikt CDW lagras. Det visades att en stor mängd plastmaterial ingår och några exempel på CDW plast polymerer visades. Forskarna samlade de mest lämpliga polymerer för vidare bearbetning, såsom ABS, PP och PE. De önskade polymerer (PE, PP, ABS) identifierades med hjälp av bärbara nära infraröd (NIR) spektroskopi. WPC-produktexempel presenterades där där insamlade plastmaterial kunde utnyttjas som råmaterial. Definitionen av kompositen och dess fördelar förklarades.

Protocol

1. Identifiering och förbehandling Identifiera polymerer i plast med det portabla verktyget för närinfrarött (NIR) i spektralområdet 1600–2400 nm. Kontakta polymeren med spektroskopiverktyget och bestäm polymeren med den uppmätta reflektoransen. Enligt identifieringskurvan för spektroskopi, analysera identifieringsresultaten från skärmen i laboratoriet. Baserat på identifieringsresultatet, sortera material mellan polymererna och mäta deras respektive vikter.OBS: …

Representative Results

För att undersöka effekten av CDW plast polymer på mekaniska egenskaper WPC, tre olika polymertyper som en matris studerades. I tabell 1 presenteras sammansättningen av material och tabell 2 redovisas tillverkningsprocesserna. Materialet i CDW-PP kräver en högre behandlingstemperatur för verktyg men, motsvarande, var smälttrycket lägre jämfört med de andra materialen (CDW-ABS och CDW-PE). Figur 1 presenterar materialets…

Discussion

De mekaniska egenskaperna hos WPC spelar en viktig roll för att bestämma lämpligheten av dessa produkter i olika tillämpningar. WPC består av tre huvudingredienser: plast, trä, och tillsatser. De mekaniska egenskaperna hos fiberbaserade kompositer beror på längden på den använda fibern, där “kritisk fiberlängd” är den term som används för att indikera tillräcklig förstärkning²⁵. Förutom ingrediensernas egenskaper är råvarornas kvalitet den viktiga faktorn för prestandan hos W…

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