Het effect van bouw- en sloopafval plastic fracties op hout-polymeer composiet eigenschappen

Summary

Er is aangetoond dat secundaire materiaalstromen potentiële grondstoffen voor de productie bevatten. Hier wordt een protocol gepresenteerd waarin CDW-plastic afval als grondstof wordt geïdentificeerd, gevolgd door verschillende verwerkingsstappen (agglomeratie, extrusie). Als gevolg hiervan werd een composietmateriaal geproduceerd en werden mechanische eigenschappen geanalyseerd.

Abstract

Bouw- en sloopafval (CDW), inclusief waardevolle materialen zoals kunststoffen, hebben een opmerkelijke invloed op de afvalsector. Om kunststofmaterialen opnieuw te kunnen gebruiken, moeten ze worden geïdentificeerd en gescheiden op basis van hun polymeersamenstelling. In deze studie werd de identificatie van deze materialen uitgevoerd met behulp van nabij-infraroodspectroscopie (NIR), die materiaal identificeerde op basis van hun fysisch-chemische eigenschappen. Voordelen van de NIR-methode zijn een lage milieu-impact en een snelle meting (binnen enkele seconden) in het spectrale bereik van 1600-2400 nm zonder speciale monsterpreparaat. Beperkingen zijn onder meer het onvermogen om donkere materialen te analyseren. De geïdentificeerde polymeren werden gebruikt als een component voor hout-polymeer composiet (WPC) dat bestaat uit een polymeer matrix, lage kosten vulstoffen, en additieven. De componenten werden eerst samengesteld met een agglomeratieapparaat, gevolgd door productie door extrusie. In het agglomeratieproces was het de bedoeling om alle materialen te vermengden om gelijkmatig verdeelde en gegranuleerde materialen als pellets te produceren. Tijdens het agglomeratieproces werd het polymeer (matrix) gesmolten en werden vulstoffen en andere additieven gemengd in het gesmolten polymeer, klaar voor het extrusieproces. In de extrusiemethode werden warmte- en afschuifkrachten toegepast op een materiaal in het vat van een conische contraroterende twin-screw type extruder, wat het risico op het verbranden van de materialen en het onderste schuinmen vermindert. Het verwarmde en vormige mengsel werd vervolgens overgebracht door een matrijs om het product de gewenste vorm te geven. Het hierboven beschreven protocol bewees het potentieel voor hergebruik van CDW-materialen. Functionele eigenschappen moeten worden geverifieerd aan de hand van de gestandaardiseerde tests, zoals flexurale, trek- en slagsterktetests voor het materiaal.

Introduction

De wereldwijde afvalproductie is in de loop van de geschiedenis aanzienlijk gegroeid en zal naar verwachting in de toekomst met tientallen percentages toenemen, tenzij er actie wordt ondernomen¹. Met name de landen met een hoog inkomen hebben meer dan een derde van het afval in de wereld gegenereerd , hoewel zij slechts 16% van de wereldbevolking vertegenwoordigen¹. De bouwsector is een belangrijke producent van dit afval als gevolg van de snelle verstedelijking en bevolkingsgroei. Volgens schattingen wordt ongeveer een derde van het wereldwijde vaste afval gevormd door bouw- en sloopprojecten; exacte waarden uit verschillende gebieden ontbreken echter². In de Europese Unie (EU) bedraagt de hoeveelheid bouw- en sloopafval (CDW) ongeveer 25 tot 30% van de totale afvalproductie³, en omvat waardevolle en belangrijke secundaire grondstoffen, zoals plastic. Zonder georganiseerde inzameling en beheer kan plastic ecosystemen vervuilen en negatief beïnvloeden. In 2016 werd 242 miljoen ton plastic afval geproduceerd in de wereld¹. Het aandeel van plastic gerecycleerd in Europa was slechts 31,1%⁴.

De schaarste van hulpbronnen heeft geleid tot de noodzaak om praktijken te veranderen in de richting van een circulaire economie, waarin het doel is om afval te gebruiken als een bron van secundaire hulpbronnen en afval terug te vorderen voor hergebruik. Economische groei en geminimaliseerde milieueffecten zullen worden gecreëerd door de circulaire economie, die een populair concept is in Europa. De Europese Commissie heeft een actieplan van de Europese Unie voor een circulaire economie aangenomen, waarin doelstellingen en indicatoren voor bijdragen zijn vastgelegd⁵.

Strengere milieuvoorschriften en -wetten dragen ertoe bij dat de bouwsector zich meer inzet voor afvalbeheer en materiaalrecycling. Zo heeft de Europese Unie (EU) doelen gesteld voor materiaalherstel. Vanaf 2020 moet het materiaalterugwinningspercentage van niet-gevaarlijke CDW 70%⁶bedragen . De samenstelling van CDW kan sterk verschillen tussen geografische locaties, maar er kunnen enkele gemeenschappelijke kenmerken worden vastgesteld, waaronder bijvoorbeeld plastic dat een potentiële en waardevolle grondstof is voor houtpolymeercomposieten. De reutilisatie van plastic is een concrete stap naar een circulaire economie waarin virgin plastic polymeren worden vervangen door gerecycled polymeer.

Composietmaterialen zijn een meerfasensysteem, bestaande uit een matrixmateriaal en versterkingsfase. Hout-polymeer composiet (WPC) bevat meestal polymeren als de matrix, hout materialen als wapening, en additieven voor het verbeteren van hechting, zoals koppelingsmiddelen en smeermiddelen. WPC kan bekend staan als een milieuvriendelijk materiaal omdat de grondstof kan worden afkomstig uit hernieuwbare materialen, zoals polymelkzuur (PLA) en hout. Volgens de laatste innovatie⁷kunnen de additieven van WPC worden gebaseerd op hernieuwbare bronnen. Bovendien kan de bron van de grondstof worden gerecycled (niet-maagdelijke) materialen, dat is een ecologisch en technisch superieur alternatief⁸. Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben bestudeerd geëxtrudeerd WPC die CDW bevat, en vond dat de eigenschappen van CDW-gebaseerde composieten waren op een aanvaardbaar niveau⁹. Het gebruik van gerecycleerde grondstoffen als onderdeel voor WPC is ook aanvaardbaar vanuit het milieuaspect, zoals blijkt uit verschillende beoordelingen. Over het geheel genomen is aangetoond dat het gebruik van CDW in de productie van WPC de milieu-invloeden van CDW-beheer kan verminderen¹⁰. Bovendien is gebleken dat het gebruik van gerecycled polypropyleen (PP) plastic in WPC het potentieel heeft om de opwarming van de aarde te verminderen¹¹.

De hoeveelheid beschikbare gerecycleerde polymeren zal in de toekomst toenemen. De wereldwijde kunststofproductie is gemiddeld met ongeveer 9% per jaar gestegen en de verwachting is dat deze toename in de toekomst zal aanhouden¹². De meest algemene soorten plastic polymeer zijn onder meer polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE). De aandelen van de totale vraag naar PE en PP bedroegen respectievelijk 29,8% en 19,3% in Europa in 2017⁴. De wereldwijde markt voor plasticrecycling zal naar verwachting in de periode 2018-2026 met 5,6% op^jaarbasisgroeien . Een van de belangrijkste toepassingen waarin kunststoffen worden gebruikt is de bouw en de bouw. Zo ging bijna 20% van de totale vraag naar Europees plastic gepaard met bouw- en bouwtoepassingen⁴. Vanuit economisch oogpunt is het gebruik van gerecycleerde polymeren in de WPC-productie een interessant alternatief, wat leidt tot de productie van materialen met lage kosten. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat fysieke effecten een sterkere invloed hebben op geëxtrudeerde materialen gemaakt van secundair plastic in vergelijking met het overeenkomstige virgin materiaal, maar eigenschappen zijn afhankelijk van de plastic bron¹⁴. Het gebruik van gerecycled plastic vermindert echter de sterkte van WPC als gevolg van lagere compatibiliteit¹⁵. Variatie tussen de structuren van kunststof polymeren veroorzaakt zorgen voor hergebruik en recycling, die bijdragen aan het belang van kunststofsoring op basis van het polymeer.

Deze studie is bedoeld om het gebruik van kunststof uit CDW als grondstof voor WPC te beoordelen. De polymeerfracties die in de studie worden beoordeeld, zijn acrylonitril butadieen styreen (ABS), polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE). Deze staan bekend als universele plastic fracties binnen CDW. De polymeerfracties worden behandeld met algemene productieprocessen, zoals agglomeratie en extrusie, en worden getest met universele mechanische eigendomstests. Het primaire doel van de studie is om te ontdekken hoe de eigenschappen van WPC zouden veranderen als gerecycleerde polymeren werden gebruikt als grondstof in matrix in plaats van primaire maagdelijke polymeren.

Op basis van het (lokale) afvalbeheercentrum (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) werd getoond hoe plastic-rijk CDW wordt opgeslagen. Het werd aangetoond dat een grote hoeveelheid plastic materiaal is opgenomen en enkele voorbeelden van CDW plastic polymeren werden getoond. Onderzoekers verzamelden de meest geschikte polymeren voor verdere verwerking, zoals ABS, PP en PE. De gewenste polymeren (PE, PP, ABS) werden geïdentificeerd met behulp van draagbare near infrared (NIR) spectroscopie. Er werden WPC-productvoorbeelden gepresenteerd waarin ingezamelde plastic materialen als grondstof konden worden gebruikt. De definitie van de composiet en de voordelen ervan werden toegelicht.

Protocol

1. Identificatie en voorbehandeling Identificeer polymeren in kunststof met het draagbare near-infrared (NIR) spectroscopiegereedschap in het spectrale bereik van 1600-2400 nm. Neem contact op met het polymeer met spectroscopiegereedschap en bepaal het polymeer aan de ene op de andere manier. Volgens de identificatiecurve van spectroscopie, analyseren van de identificatie resultaten van het scherm in het laboratorium. Sorteer op basis van het identificatieresultaat materialen tuss…

Representative Results

Om het effect van CDW plastic polymeer op de mechanische eigenschappen van WPC te onderzoeken, werden drie verschillende polymeertypes als matrix bestudeerd. Tabel 1 presenteert de samenstelling van materialen en tabel 2 rapporteert de productieprocessen. Het materiaal van CDW-PP vereist een hogere behandelingstemperatuur voor gereedschappen, maar de smeltdruk was navenant lager in vergelijking met de andere materialen (CDW-ABS en CDW-PE). <strong class="xfig"…

Discussion

De mechanische eigenschappen van WPC spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de geschiktheid van deze producten in verschillende toepassingen. WPC bestaat uit drie hoofdingrediënten: plastic, hout en additieven. De mechanische eigenschappen van vezelgebaseerde composieten zijn afhankelijk van de lengte van de gebruikte vezel, waarbij “kritische vezellengte” de term is die wordt gebruikt om voldoende versterking aan te geven²⁵. Naast de eigenschappen van ingrediënten is de kwaliteit van gr…

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