建筑与拆迁废塑料馏分对木聚合物复合性能的影响

Summary

二次材料流已证明包括生产的潜在原材料。此处介绍的是一个协议，其中识别了作为原料的 CDW 塑料废物，然后是各种加工步骤（聚集、挤出）。结果，生产了复合材料，并分析了机械性能。

Abstract

建筑和拆除废物 （CDW），包括塑料等贵重材料，对废物部门有着显著的影响。为了重新利用塑料材料，必须根据聚合物成分进行识别和分离。在这项研究中，使用近红外光谱（NIR）对这些材料进行鉴定，该光谱根据其物理化学性质鉴定材料。NIR 方法的优点是，在不进行特殊样品制备的情况下，在 1600-2400 nm 的光谱范围内，环境影响小且测量速度快（几秒钟内）。限制包括无法分析深色材料。鉴定的聚合物被用作木材聚合物复合材料 （WPC） 的组件，该复合体由聚合物基质、低成本填料和添加剂组成。这些部件首先与集聚装置进行复合，然后进行挤出生产。在聚集过程中，目标是将所有材料复合，以生产均匀分布和颗粒化的材料作为颗粒。在聚集过程中，聚合物（基质）熔化，填料和其他添加剂随后混合到熔化的聚合物中，为挤出过程做好准备。在挤出方法中，将热力和剪切力应用于锥形反旋转双螺杆式挤出机桶内的材料，从而降低了材料燃烧和降低剪切混合的风险。然后，加热和剪切的混合物通过模具输送，使产品具有所需的形状。上述协议证明了CDW材料的再利用潜力。必须根据标准化测试（如材料的弯曲、拉伸和冲击强度测试）验证功能特性。

Introduction

全球废物产生在历史上已显著增加，预计未来会增加数十个百分点，除非^{采取行动。}特别是，高收入国家创造了世界三分之一以上的废物，尽管它们只占全球人口的^16%。由于快速城市化和人口增长，建筑部门是这种废物的重要产生者。据估计，全球固体废物的大约三分之一是由建筑和拆除项目形成的;但是，不同区域的精确值缺少²。在欧盟（欧盟），建筑和拆除废物（CDW）约占废物^{产生总量3}的25%-30%，包括有价值的和重要的二次原材料，如塑料。如果没有有组织的收集和管理，塑料可能会污染和对生态系统产生不利影响。2016年，全球塑料垃圾产生量为^2.42亿吨。在欧洲，塑料回收率只有31.1%。⁴

资源稀缺导致需要改变向循环经济转变的做法，循环经济的目的是利用废物作为次要资源的来源，并回收废物进行再利用。循环经济将创造经济增长和尽量减少环境影响，而循环经济是欧洲流行的概念。欧盟委员会通过了《欧盟循环经济行动计划》，为4.⁵

更严格的环境法规和法律有助于建筑部门在废物管理和材料回收问题上做出更多努力。例如，欧洲联盟（欧盟）设定了材料回收的目标。从2020年起，无危险CDPW材料回收率应为70%^6.CDW的组成可能因地理位置而异，但可以识别一些共同特征，例如，塑料是木材聚合物复合材料的潜在和有价值的原材料。塑料的再利用是向循环经济迈出的具体一步，其中原始塑料聚合物被再生聚合物替代。

复合材料是一个多相系统，由基质材料和强化相组成。木材聚合物复合材料 （WPC） 通常包含聚合物作为基质，木材材料作为增强剂，以及用于提高粘附力的添加剂，如耦合剂和润滑剂。WPC 可称为环保材料，因为原材料可从可再生材料（如聚乳酸 （PLA） 和木材）中采购。根据最新的创新^7，WPC的添加剂可以基于可再生能源。此外，原材料的来源可以回收（非处女）材料，这是一个生态和技术上优越的^替代8。例如，研究人员研究了包含CDW的拉伸WPC，并发现基于CDW的复合材料的特性处于可接受的^9级。从环境方面来说，利用回收的原材料作为WPC的组成部分也是可以接受的，一些评估证明了这一点。总体证明，在WPC生产中利用CDW可以减少CDW管理^{10对环境的影响}。此外，还发现在WPC中使用再生聚丙烯（PP）塑料有可能减少^{全球变暖。}

将来，可回收聚合物的数量将增加。全球塑料产量平均每年增长约9%，预计未来12年这一增长^{将持续下去}。最常见的塑料聚合物类型包括聚丙烯 （PP） 和聚乙烯 （PE）。2017年^欧洲PE和PP总需求份额为29.8%和19.3%。预计2018-2026-13期间，全球塑料回收市场年增长率为^5.6%。使用塑料的主要应用之一是建筑和施工。例如，欧洲塑料总需求的近20%与建筑和建筑应用^有关。从经济角度来看，在 WPC 制造中使用再生聚合物是一种有趣的替代方案，从而以低成本生产材料。先前的研究表明，与相应的原始材料相比，物理效应对二次塑料制成的挤出材料的影响更大，但性能取决于塑料源^14。然而，由于兼容性较低，回收塑料的使用降低了WPC^的强度。塑料聚合物结构之间的变化引起人们对于再利用和回收的关注，这就促成了基于聚合物的塑料分选的重要性。

本研究旨在评估CDW塑料材料作为WPC原料的利用率。研究中评估的聚合物馏分为苯乙烯（ABS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。这些被称为CDW内的通用塑料分数。聚合物馏分经过一般制造工艺（如聚集和挤出）处理，并经过通用机械性能测试。本研究的主要目的是发现，如果回收聚合物作为基质原料而不是初级原始聚合物，WPC 的特性将如何改变。

根据（本地）废物管理中心（Etelé-Karjalan Jötehuolto Oy），展示了如何存储富含塑料的CDW。结果表明，包括大量的塑料材料，并展示了CDW塑料聚合物的一些例子。研究人员收集了最适合进行进一步加工的聚合物，如ABS、PP和PE。使用便携式近红外 （NIR） 光谱来鉴定所需的聚合物 （PE、PP、ABS）。介绍了WPC产品示例，其中收集的塑料材料可用作原料。阐述了该复合材料的定义及其优点。

Protocol

1. 识别和预处理 使用便携式近红外 （NIR） 光谱工具在 1600~2400 nm 的光谱范围内识别塑料中的聚合物。使用光谱工具接触聚合物，通过测量的反射率确定聚合物。 根据光谱学的识别曲线，分析实验室中屏幕的鉴定结果。 根据鉴定结果，对聚合物之间的材料进行排序并测量其各自的重量。注：根据测量的识别结果对材料进行排序和加权。用于进一步加工的聚合物为…

Representative Results

为了研究CDW塑料聚合物对WPC机械性能的影响，研究了三种不同的聚合物类型作为基质。 表 1 显示了材料的组成 ，表 2 报告了 制造过程。CDW-PP 的材料要求对工具的处理温度更高，但与其他材料（CDW-ABS 和 CDW-PE）相比，熔体压力较低。 图 1 将 材料的弹性强度（20 个测量值的平均值）作为条形图，包括标准偏差作为误差条。在基?…

Discussion

WPC 的机械性能在决定这些产品在各种应用中的适用性方面起着重要作用。WPC 由三个主要成分组成：塑料、木材和添加剂。纤维基复合材料的机械性能取决于所用纤维的长度，其中”关键纤维长度”是用于表示足够的增强^25的术语。除了原料的特性外，原材料的质量也是WPC性能的重要因素。在这项研究中，特别是使用回收原料的地方，人们非常关注原材料。本研究使用来自CDW的材料?…

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