Die Auswirkungen von Bau- und Abbruchabfällen kunststofffraktioniert auf Holz-Polymer-Verbundeigenschaften

Summary

Sekundäre Materialströme enthalten nachweislich potenzielle Rohstoffe für die Produktion. Hier wird ein Protokoll vorgestellt, in dem CDW-Kunststoffabfälle als Rohstoff identifiziert werden, gefolgt von verschiedenen Verarbeitungsschritten (Agglomeration, Extrusion). Als Ergebnis wurde ein Verbundwerkstoff hergestellt und mechanische Eigenschaften analysiert.

Abstract

Bau- und Abbruchabfälle (CDW), einschließlich wertvoller Materialien wie Kunststoffe, haben einen bemerkenswerten Einfluss auf den Abfallsektor. Damit Kunststoffe wiederverwendet werden können, müssen sie entsprechend ihrer Polymerzusammensetzung identifiziert und getrennt werden. In dieser Studie wurde die Identifizierung dieser Materialien mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIR) durchgeführt, die Material anhand ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften identifizierte. Vorteile der NIR-Methode sind eine geringe Umweltbelastung und eine schnelle Messung (innerhalb weniger Sekunden) im Spektralbereich von 1600-2400 nm ohne spezielle Probenvorbereitung. Zu den Einschränkungen gehört die Unfähigkeit, dunkle Materialien zu analysieren. Die identifizierten Polymere wurden als Komponente für Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC) verwendet, die aus einer Polymermatrix, kostengünstigen Füllstoffen und Additiven besteht. Die Komponenten wurden zunächst mit einem Agglomerationsapparat zusammengesetzt, gefolgt von der Extrusion. Im Agglomerationsprozess bestand das Ziel darin, alle Materialien zu einer gleichmäßig verteilten und granulierten Materialsproduktion als Pellets zu verankern. Während des Agglomerationsprozesses wurde das Polymer (Matrix) geschmolzen und Füllstoffe und andere Additive in das geschmolzene Polymer gemischt, um für den Extrusionsprozess bereit zu sein. Bei der Extrusion wurden Wärme- und Scherkräfte auf ein Material innerhalb des Laufs eines konischen, gegenläufigen Doppelschneckenextruders aufgebracht, was das Risiko des Verbrennens der Materialien und der geringeren Schermischung reduziert. Die erhitzte und gescherte Mischung wurde dann durch eine Matrize transportiert, um dem Produkt die gewünschte Form zu geben. Das oben beschriebene Protokoll bewies das Potenzial für die Wiederverwendung von CDW-Materialien. Die Funktionseigenschaften müssen gemäß den standardisierten Tests überprüft werden, wie z. B. Biege-, Zug- und Schlagfestigkeitsprüfungen für das Material.

Introduction

Die weltweite Abfallerzeugung ist im Laufe der Geschichte erheblich angestiegen und wird in Zukunft voraussichtlich um zig Prozent steigen, wenn nicht gehandelt wird¹. Insbesondere Länder mit hohem Einkommen haben mehr als ein Drittel der weltweiten Abfälle erzeugt, obwohl sie nur 16 % der Weltbevölkerung ausmachen¹. Der Bausektor ist aufgrund der raschen Urbanisierung und des Bevölkerungswachstums ein bedeutender Produzent dieser Abfälle. Schätzungen zufolge wird etwa ein Drittel des weltweiten festen Abfalls durch Bau- und Abbruchprojekte gebildet; Genaue Werte aus verschiedenen Bereichen fehlen jedoch². In der Europäischen Union (EU) beträgt die Menge an Bau- und Abbruchabfällen (CDW) etwa 25 % bis 30 % der gesamten Abfallerzeugung³und umfasst wertvolle und bedeutende Sekundärrohstoffe wie Kunststoff. Ohne organisierte Sammlung und Verwaltung kann Kunststoff Ökosysteme kontaminieren und beeinträchtigen. Im Jahr 2016 wurden weltweit 242 Millionen Tonnen Plastikmüll erzeugt¹. Der Anteil der in Europa recycelten Kunststoffe betrug nur 31,1 %⁴.

Ressourcenknappheit hat dazu führen, dass die Praktiken in Richtung einer Kreislaufwirtschaft geändert werden müssen, in der das Ziel besteht, Abfälle als Quelle sekundärer Ressourcen zu nutzen und Abfälle zur Wiederverwendung zu verwerten. Wirtschaftswachstum und minimierte Umweltauswirkungen werden durch die Kreislaufwirtschaft entstehen, die in Europa ein beliebtes Konzept ist. Die Europäische Kommission hat einen Aktionsplan der Europäischen Union für eine Kreislaufwirtschaft angenommen, in dem Ziele und Indikatoren für Beiträge festgelegt werden⁵.

Strengere Umweltvorschriften und Gesetze tragen dazu bei, dass der Bausektor mehr Anstrengungen in Fragen der Abfallbewirtschaftung und des Materialrecyclings aufnimmt. So hat sich beispielsweise die Europäische Union (EU) Ziele für die materielle Verwertung gesetzt. Ab dem Jahr 2020 sollte die Materialrückgewinnungsrate von nicht-gefährlichem CDW 70%⁶betragen. Die Zusammensetzung von CDW kann je nach geographischen Standorten sehr unterschiedlich sein, aber es lassen sich einige gemeinsame Merkmale identifizieren, darunter beispielsweise Kunststoff, der ein potenzieller und wertvoller Rohstoff für Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe ist. Die Wiederverwendung von Kunststoff ist ein konkreter Schritt in Richtung einer Kreislaufwirtschaft, in der native Kunststoffpolymere durch recyceltes Polymer ersetzt werden.

Verbundwerkstoffe sind ein mehrphasiges System, das aus einem Matrixmaterial und einer Verstärkungsphase besteht. Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC) enthält in der Regel Polymere als Matrix, Holzmaterialien als Verstärkung und Additive zur Verbesserung der Haftung, wie Z. B. Kupplungsmittel und Schmierstoffe. WPC kann als umweltfreundliches Material bezeichnet werden, da der Rohstoff aus nachwachsenden Rohstoffen wie Polymilchsäure (PLA) und Holz gewonnen werden kann. Nach der neuesten Innovation⁷können die Additive von WPC auf erneuerbaren Quellen basieren. Zusätzlich kann die Rohstoffquelle recycelt werden (nicht-native) Materialien, was eine ökologisch und technisch überlegene Alternative^{ist 8}. Zum Beispiel haben Forscher extrudierte WPC untersucht, die CDW enthält, und festgestellt, dass die Eigenschaften von CDW-basierten Verbundwerkstoffen auf einer akzeptablen Stufe⁹waren. Die Verwendung von recycelten Rohstoffen als Komponente für WPC ist auch unter dem Aspekt der Umwelt akzeptabel, wie mehrere Bewertungen belegen. Insgesamt wurde gezeigt, dass die Verwendung von CDW in der WPC-Produktion die Umwelteinflüsse des CDW-Managements verringern kann¹⁰. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verwendung von recyceltem Polypropylen (PP) Kunststoff in WPC das Potenzial hat, die globale Erwärmung zu reduzieren¹¹.

Die Menge der verfügbaren recycelten Polymere wird in Zukunft zunehmen. Die weltweite Kunststoffproduktion ist im Durchschnitt um etwa 9 % pro Jahr gestiegen, und es wird erwartet, dass sich dieser Anstieg auch in Zukunft fortsetzen wird¹². Die allgemeinsten Kunststoffpolymertypen sind unter anderem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Die Anteile an der Gesamtnachfrage nach PE und PP betrugen 2017 in Europa⁴29,8 % bzw. 19,3 %. Der weltweite Kunststoffrecyclingmarkt wird im Zeitraum 2018–2026 voraussichtlich um 5,6 % jährlich um 5,6 % wachsen¹³. Eine der Hauptanwendungen, bei denen Kunststoffe verwendet werden, ist der Bau und die Konstruktion. So entfielen beispielsweise fast 20 % der Gesamtnachfrage nach europäischem Kunststoff auf Bauanwendungen⁴. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Verwendung von recycelten Polymeren in der WPC-Herstellung eine interessante Alternative, die zur Herstellung von Materialien mit geringen Kosten führt. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass physikalische Wirkungen einen stärkeren Einfluss auf extrudierte Materialien aus Sekundärkunststoff im Vergleich zum entsprechenden Neumaterial haben, aber die Eigenschaften hängen von der Kunststoffquelle^{ab 14}. Die Verwendung von recyceltem Kunststoff verringert jedoch die Festigkeit von WPC aufgrund der geringeren Kompatibilität¹⁵. Die Variation zwischen den Strukturen von Kunststoffpolymeren bereitet bedenken die Wiederverwendung und das Recycling, die zur Bedeutung der Kunststoffsortierung auf Basis des Polymers beitragen.

In dieser Studie soll die Verwendung von Kunststoff aus CDW als Rohstoff für WPC bewertet werden. Die in der Studie bewerteten Polymerfraktionen sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Diese werden als universelle Kunststofffraktionen innerhalb von CDW bezeichnet. Die Polymerfraktionen werden mit allgemeinen Herstellungsverfahren wie Agglomeration und Extrusion behandelt und mit universellen mechanischen Eigenschaftstests getestet. Das primäre Ziel der Studie ist es herauszufinden, wie sich die Eigenschaften von WPC verändern würden, wenn recycelte Polymere als Rohstoff in Matrix anstelle von primären virginpolymeren verwendet würden.

Basierend auf dem (lokalen) Abfallwirtschaftszentrum (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) wurde gezeigt, wie kunststoffreiche CDW gelagert werden. Es wurde gezeigt, dass eine große Menge an Kunststoffmaterial enthalten ist und einige Beispiele von CDW-Kunststoffpolymeren gezeigt wurden. Die Forscher sammelten die am besten geeigneten Polymere für die Weiterverarbeitung, wie ABS, PP und PE. Die gewünschten Polymere (PE, PP, ABS) wurden mittels portabler Nahinfrarotspektroskopie (NIR) identifiziert. Vorgestellt wurden WPC-Produktbeispiele, in denen gesammelte Kunststoffe als Rohstoff verwendet werden konnten. Die Definition des Verbunds und seine Vorteile wurden erläutert.

Protocol

1. Identifizierung und Vorbehandlung Identifizieren Sie Polymere aus Kunststoff mit dem tragbaren Nahinfrarot-Spektroskopie-Tool (NIR) im Spektralbereich von 1600–2400 nm. Kontaktieren Sie das Polymer mit spektroskopie-Werkzeug und bestimmen Sie das Polymer durch die gemessene Reflexion. Nach der Identifikationskurve der Spektroskopie, analysieren Sie die Identifikationsergebnisse aus dem Bildschirm im Labor. Sortieren Sie auf Der Grundlage des Identifikationsergebnisses die Mat…

Representative Results

Um die Wirkung von CDW-Kunststoffpolymer auf die mechanischen Eigenschaften von WPC zu untersuchen, wurden drei verschiedene Polymertypen als Matrix untersucht. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Werkstoffe und Tabelle 2 zeigt die Herstellungsverfahren. Das Material von CDW-PP erfordert eine höhere Behandlungstemperatur für Werkzeuge, aber entsprechend war der Schmelzdruck im Vergleich zu den anderen Materialien (CDW-ABS und CDW-PE) geringer. <strong cl…

Discussion

Die mechanischen Eigenschaften von WPC spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung über die Eignung dieser Produkte in verschiedenen Anwendungen. WPC besteht aus drei Hauptbestandteilen: Kunststoff, Holz und Zusatzstoffe. Die mechanischen Eigenschaften von faserbasierten Verbundwerkstoffen hängen von der Länge der verwendeten Faser ab, wobei “kritische Faserlänge” der Begriff ist, der verwendet wird, um eine ausreichende Verstärkung²⁵anzuzeigen. Neben den Eigenschaften der Inhaltsstoffe …

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