El efecto de las fracciones de plástico de desecho de construcción y demolición en las propiedades compuestas de polímero de madera

Summary

Se ha demostrado que los flujos de materiales secundarios incluyen materias primas potenciales para la producción. Aquí se presenta un protocolo en el que se identifican los residuos de plástico CDW como materia prima, seguido de varios pasos de procesamiento (aglomeración, extrusión). Como resultado, se produjo un material compuesto y se analizaron las propiedades mecánicas.

Abstract

Los residuos de construcción y demolición (CDW), incluidos materiales valiosos como los plásticos, tienen una influencia notable en el sector de los residuos. Para que los materiales plásticos sean reutilizados, deben ser identificados y separados de acuerdo con su composición de polímeros. En este estudio, la identificación de estos materiales se realizó utilizando espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR), que identificó el material basado en sus propiedades físico-químicas. Las ventajas del método NIR son un bajo impacto ambiental y una medición rápida (en pocos segundos) en el rango espectral de 1600-2400 nm sin preparación especial de la muestra. Las limitaciones incluyen su incapacidad para analizar materiales oscuros. Los polímeros identificados se utilizaron como un componente para el compuesto de polímero de madera (WPC) que consiste en una matriz de polímeros, rellenos de bajo costo y aditivos. Los componentes se compararon por primera vez con un aparato de aglomeración, seguido de la producción por extrusión. En el proceso de aglomeración, el objetivo era componer todos los materiales para producir materiales distribuidos y granulados uniformemente como pellets. Durante el proceso de aglomeración, el polímero (matriz) se fundió y los rellenos y otros aditivos se mezclaron en el polímero fundido, estando listo para el proceso de extrusión. En el método de extrusión, se aplicaron fuerzas de calor y cizallamiento a un material dentro del barril de un extrusor cónico de doble tornillo contrarrotante, lo que reduce el riesgo de quemar los materiales y una menor mezcla de cizallamiento. La mezcla calentada y cizallada se transmitió a través de un troquel para dar al producto la forma deseada. El protocolo descrito anteriormente demostró la posibilidad de reutilización de materiales CDW. Las propiedades funcionales deben verificarse de acuerdo con las pruebas estandarizadas, como las pruebas de flexión, tracción y resistencia al impacto para el material.

Introduction

La generación mundial de residuos ha crecido significativamente a lo largo de la historia y se prevé que aumente en decenas de porcentajes en el futuro, a menos que se tomen medidas¹. En particular, los países de ingresos altos han generado más de un tercio de los residuos del mundo, aunque representan sólo el 16% de la población mundial¹. El sector de la construcción es un importante productor de estos residuos debido a la rápida urbanización y el crecimiento de la población. Según las estimaciones, aproximadamente un tercio de los residuos sólidos mundiales se forman mediante proyectos de construcción y demolición; sin embargo, faltan valores exactos de diferentes áreas². En la Unión Europea (UE), la cantidad de residuos de construcción y demolición (CDW) es aproximadamente del 25 % al 30 % de la generación total de residuos^3,e incluye materias primas secundarias valiosas y significativas, como el plástico. Sin la recolección y la gestión organizadas, el plástico puede contaminar e influir negativamente en los ecosistemas. En 2016, se generaron 242 millones de toneladas de residuos plásticos en el mundo¹. La proporción de plástico reciclado en Europa fue de sólo el 31,1%⁴.

La escasez de recursos ha creado la necesidad de cambiar las prácticas hacia una economía circular, en la que los objetivos son utilizar los residuos como fuente de recursos secundarios y recuperar los residuos para su reutilización. El crecimiento económico y los impactos ambientales minimizados serán creados por la economía circular, que es un concepto popular en Europa. La Comisión Europea adoptó un plan de acción de la Unión Europea para una economía circular, que establece objetivos e indicadores para las contribuciones⁵.

Las regulaciones y leyes ambientales más estrictas están contribuyendo al sector de la construcción, poniendo más esfuerzo en la gestión de residuos y en cuestiones de reciclaje de materiales. Por ejemplo, la Unión Europea (UE) ha fijado objetivos para la recuperación de materiales. A partir del año 2020, la tasa de recuperación de material de la CDW no peligrosa debe ser del 70%⁶. La composición de la CDW puede variar ampliamente en lugares geográficos, pero se pueden identificar algunas características comunes, entre ellas, por ejemplo, el plástico que es una materia prima potencial y valiosa para los compuestos de polímeros de madera. La reutilización del plástico es un paso concreto hacia una economía circular en la que los polímeros plásticos vírgenes son sustituidos por polímeros reciclados.

Los materiales compuestos son un sistema multifásico, que consiste en un material de matriz y una fase de refuerzo. El compuesto de polímero de madera (WPC) normalmente contiene polímeros como la matriz, materiales de madera como refuerzo y aditivos para mejorar la adhesión, como agentes de acoplamiento y lubricantes. WPC puede ser conocido como un material respetuoso con el medio ambiente porque la materia prima puede obtenerse de materiales renovables, como el ácido poliláctico (PLA) y la madera. Según la última innovación⁷, los aditivos de WPC pueden basarse en fuentes renovables. Además, la fuente de la materia prima puede ser materiales reciclados (no vírgenes), que es una alternativa ecológica y técnicamente superior⁸. Por ejemplo, los investigadores han estudiado WPC extruido que contiene CDW, y han descubierto que las propiedades de los compuestos basados en CDW estaban en un nivel^{aceptable 9.} La utilización de materias primas recicladas como componente para el WPC también es aceptable desde el aspecto ambiental, como lo demuestran varias evaluaciones. En general, se ha demostrado que la utilización de CDW en la producción de WPC puede disminuir las influencias ambientales de la gestión de CDW¹⁰. Además, se ha encontrado que el uso de plástico de polipropileno reciclado (PP) en WPC tiene el potencial de reducir el calentamiento global¹¹.

La cantidad de polímeros reciclados disponibles aumentará en el futuro. La producción mundial de plástico ha aumentado aproximadamente un 9% a partir del año, en promedio, y se espera que este incremento continúe en el futuro¹². Los tipos de polímeros plásticos más generales son, entre otros, polipropileno (PP) y polietileno (PE). Las cuotas de la demanda total de PE y PP fueron del 29,8% y del 19,3%, respectivamente, en Europa en 2017^4. Se espera que el mercado mundial de reciclaje de plástico crezca a una tasa de crecimiento anual del 5,6% durante el período 2018-2026¹³. Una de las principales aplicaciones en las que se utilizan los plásticos es la construcción y la construcción. Por ejemplo, casi el 20 % de la demanda total de plástico europeo se asoció con aplicaciones de construcción y construcción⁴. Desde una perspectiva económica, el uso de polímeros reciclados en la fabricación de WPC es una alternativa interesante, lo que conduce a la producción de materiales con bajo costo. Investigaciones anteriores han demostrado que los efectos físicos tienen una mayor influencia en los materiales extruidos hechos de plástico secundario en comparación con el material virgen correspondiente, pero las propiedades dependen de la fuente de plástico¹⁴. Sin embargo, el uso de plástico reciclado disminuye la resistencia de WPC debido a la menor compatibilidad¹⁵. La variación entre las estructuras de polímeros plásticos causa preocupaciones para la reutilización y el reciclaje, que contribuyen a la importancia de la clasificación de plástico basada en el polímero.

Este estudio tiene la intención de evaluar la utilización de material plástico de la CDW como materia prima para el WPC. Las fracciones de polímero evaluadas en el estudio son acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) y polietileno (PE). Estas se conocen como fracciones de plástico universales dentro de CDW. Las fracciones de polímero se tratan con procesos generales de fabricación, como la aglomeración y la extrusión, y se prueban con pruebas de propiedad mecánica universal. El objetivo principal del estudio es descubrir cómo las propiedades de WPC se alterarían si los polímeros reciclados se utilizaran como materia prima en la matriz en lugar de polímeros vírgenes primarios.

Sobre la base del centro de gestión de residuos (local) (Etel-Karjalan J-tehuolto Oy), se mostró cómo se almacena la CDW rica en plástico. Se demostró que se incluye una gran cantidad de material plástico y se mostraron algunos ejemplos de polímeros plásticos CDW. Los investigadores recogieron los polímeros más adecuados para su posterior procesamiento, como ABS, PP y PE. Los polímeros deseados (PE, PP, ABS) se identificaron utilizando espectroscopía portátil de infrarrojo cercano (NIR). Se presentaron ejemplos de productos WPC en los que los materiales plásticos recogidos podían utilizarse como materia prima. Se explicó la definición del compuesto y sus ventajas.

Protocol

1. Identificación y pretratamiento Identifique polímeros en plástico con la herramienta de espectroscopia portátil de infrarrojo cercano (NIR) en el rango espectral de 1600–2400 nm. Póngase en contacto con el polímero con la herramienta de espectroscopia y determine el polímero por la reflectancia medida. De acuerdo con la curva de identificación de la espectroscopia, analizar los resultados de identificación de la pantalla en el laboratorio. En función del resultado d…

Representative Results

Para investigar el efecto del polímero plástico CDW en las propiedades mecánicas de WPC, se estudiaron tres tipos de polímeros diferentes como matriz. El Cuadro 1 presenta la composición de los materiales y el Cuadro 2 informa de los procesos de fabricación. El material de CDW-PP requiere una temperatura de tratamiento más alta para las herramientas, pero, en consecuencia, la presión de fusión fue menor en comparación con los otros materiales (CDW-ABS y CDW-PE). <p class="j…

Discussion

Las propiedades mecánicas de WPC juegan un papel importante en la decisión de la idoneidad de estos productos en diversas aplicaciones. WPC consta de tres ingredientes principales: plástico, madera y aditivos. Las propiedades mecánicas de los compuestos a base de fibra dependen de la longitud de la fibra utilizada, donde “longitud de fibra crítica” es el término utilizado para indicar suficiente refuerzo²⁵. Además de las propiedades de los ingredientes, la calidad de las materias primas es …

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