Summary

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

Published: June 07, 2020
doi:

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 totalaavfallsgenereringen 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 senasteinnovationen 7kan 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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna erkänner stödet från LUT RESOURCE (Resource effektiva produktionsprocesser och värdekedjor) forskningsplattform samordnas av LUT University och av Life IP om avfall-Mot en cirkulär ekonomi i Finland (Life-IP CIRCWASTE-FINLAND) projekt (LIFE 15 IPE FI 004). Finansiering för projektet mottogs från EU Life Integrated program, företag och städer.

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

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. , (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., Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. , 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., Oksman Niska, K., Sain, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. , 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., Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. , 225-318 (2007).

Play Video

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).

View Video