Влияние строительных и сносных отходов пластиковых фракций на древесно-полимерные композитные свойства
Summary
Было показано, что вторичные потоки материалов включают потенциальное сырье для производства. Здесь представлен протокол, в котором CDW-пластиковые отходы в качестве сырья идентифицируются, а затем различные этапы обработки (агломерация, экструзия). В результате был изготовлен композитный материал, проанализированы механические свойства.
Abstract
Строительные и сносные отходы (КРВ), включая ценные материалы, такие, как пластмассы, оказывают значительное влияние на сектор отходов. Для повторного использования пластиковых материалов они должны быть идентифицированы и разделены в соответствии с их полимерным составом. В этом исследовании идентификация этих материалов проводилась с использованием ближней инфракрасной спектроскопии (NIR), которая идентифицировала материал на основе их физико-химических свойств. Преимуществами метода NIR являются низкое воздействие на окружающую среду и быстрое измерение (в течение нескольких секунд) в спектральном диапазоне 1600-2400 нм без специальной подготовки образца. Ограничения включают в себя его неспособность анализировать темные материалы. Выявленные полимеры использовались в качестве компонента для древесно-полимерного композита (WPC), который состоит из полимерной матрицы, недорогих наполнителей и добавок. Компоненты были сначала соелены с аппаратом агломерации, а затем производство экструзии. В процессе агломерации цель состояла в том, чтобы усложнить все материалы для производства равномерно распределенных и гранулированных материалов в качестве гранул. В процессе агломерации полимер (матрица) расплавился, а наполнители и другие добавки были затем смешаны в расплавленный полимер, будучи готовым к процессу экструзии. В метод экструзии, тепла и стрижки силы были применены к материалу в стволе конической контр-вращающейся двухвинтового типа экструдера, что снижает риск сжигания материалов и нижней смешивания смывов. Нагретая и стрижка смесь затем передается через умереть, чтобы дать продукту желаемую форму. Вышеупомянутый протокол доказал возможность повторного использования материалов КРВ. Функциональные свойства должны быть проверены в соответствии со стандартизированными тестами, такими как гибкие, напряженные и ударные тесты на прочность материала.
Introduction
Глобальная генерация отходов значительно выросла на протяжении всей истории и, по прогнозам, увеличится на десятки процентов в будущем, если не будут принятымеры 1. В частности, страны с высоким уровнем дохода произвели более одной трети мировых отходов, хотя они составляют лишь 16% мировогонаселения 1. Строительный сектор является важным производителем этих отходов в связи с быстрой урбанизацией и ростом населения. Согласно оценкам, примерно одна треть мировых твердых отходов образуется в результате проектов строительства и сноса; однако, точные значения из разных областейотсутствуют 2. В Европейском союзе (ЕС) количество строительных и сносных отходов (CDW) составляет примерно 25%-30% от общего объемаотходов производства 3, и включает всебя ценное и значительное вторичное сырье, такое как пластик. Без организованного сбора и управления пластик может загрязнять экосистемы и оказывать негативное воздействие на них. В 2016 году в мире было создано 242 миллиона тонн пластиковыхотходов. Доля переработанного пластика в Европе составила всего 31,1%4.
Нехватка ресурсов обугляет необходимость изменения практики в сторону круговой экономики, в рамках которой цель заключается в использовании отходов в качестве источника вторичных ресурсов и извлечении отходов для повторного использования. Экономический рост и сведенные к минимуму экологические последствия будут созданы круговой экономикой, которая является популярной концепцией в Европе. Европейская комиссия приняла План действий Европейского союза по круговой экономике, в котором устанавливаются цели и показатели взносов5.
Ужесточение экологических норм и законов способствует строительному сектору, приложив больше усилий для управления отходами и вопросов рециркуляции материалов. Например, Европейский союз (ЕС) поставил цели по восстановлению материального ущерба. С 2020 года уровень испытуемого материала неопасных CDW должен быть 70%6. Состав CDW может сильно различаться в зависимости от географического положения, но некоторые общие характеристики могут быть определены, в том числе, например, пластик, который является потенциальным и ценным сырьем для древесно-полимерных композитов. Повторное использование пластика является конкретным шагом на пути к круговой экономике, в которой девственные пластиковые полимеры заменяются переработанным полимером.
Композитные материалы являются многофакторной системой, состоящей из матричного материала и фазы укрепления. Древесно-полимерный композит (WPC) обычно содержит полимеры в качестве матрицы, древесные материалы в качестве арматуры и добавки для улучшения адгезии, такие как ас-смазочные материалы и смазочные материалы. WPC может быть известен как экологически чистый материал, потому что сырье может быть источников из возобновляемых материалов, таких как полилактическая кислота (НОАК) и древесины. Согласно последнему нововведению7, добавки WPC могут быть основаны на возобновляемых источниках. Кроме того, источник сырья может быть переработан (не-девственной) материалы, которая является экологически и технически превосходной альтернативой8. Например, исследователи изучили экструдированную WPC, которая содержит CDW, и обнаружили, что свойства композитов на основе CDW были на приемлемомуровне 9. Использование переработанного сырья в качестве компонента для ВСМ также приемлемо с экологической точки зрения, о чем свидетельствуют некоторые оценки. В целом, было продемонстрировано, что использование CDW в производстве WPC может уменьшить воздействие на окружающую среду управления CDW10. Кроме того, было установлено, что использование переработанного полипропилена (PP) пластика в WPC имеет потенциал для сокращения глобального потепления11.
Количество доступных переработанных полимеров будет увеличиваться в будущем. Мировое производство пластика увеличилось примерно на 9% в год, в среднем, и ожидается, что этот прирост будет продолжаться в будущем12. Наиболее распространенными типами пластиковых полимеров являются, в частности, полипропилен (ПП) и полиэтилен (ПЭ). Доля общего спроса на PE и PP составила 29,8% и 19,3% соответственно, в Европе в 2017году 4. Мировой рынок переработки пластика, как ожидается, будет расти в годовом исчислении на 5,6% в период 2018-202613. Одним из основных применений, в которых используется пластик, является строительство и строительство. Например, почти 20% от общего спроса на европейский пластик было связано со строительными и строительными приложениями4. С экономической точки зрения использование переработанных полимеров в производстве WPC является интересной альтернативой, ведущей к производству материалов с низкой себестоимостью. Предыдущие исследования показали, что физические эффекты оказывают более сильное влияние на экструдированную материалов из вторичного пластика по сравнению с соответствующим девственным материалом, но свойства зависят отисточника пластика 14. Тем не менее, использование переработанного пластика снижает прочность WPC из-за более низкой совместимости15. Различия между структурами пластиковых полимеров вызывают опасения по поводу повторного использования и переработки, которые способствуют важности сортировки пластика на основе полимера.
Это исследование намерено оценить использование пластикового материала из CDW в качестве сырья для WPC. Полимерные фракции, оцениваемые в исследовании, это адрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полипропилен (PP) и полиэтилен (PE). Они известны как универсальные пластиковые фракции в CDW. Полимерные фракции обрабатываются общими производственными процессами, такими как агломерация и экструзия, и тестируются с помощью универсальных механических испытаний свойств. Основная цель исследования заключается в том, чтобы выяснить, как свойства WPC будет меняться, если переработанных полимеров были использованы в качестве сырья в матрице, а не первичных девственных полимеров.
На базе (местного) центра по обращению с отходами (Этеле-Карьялан Ятехуолто Ой) было показано, как хранится богатый пластиком CDW. Было продемонстрировано, что большое количество пластикового материала включено и некоторые примеры CDW пластиковых полимеров были показаны. Исследователи собрали наиболее подходящие полимеры для дальнейшей обработки, такие как ABS, PP и PE. Нужные полимеры (PE, PP, ABS) были определены с помощью портативной ближней инфракрасной (NIR) спектроскопии. Были представлены примеры продукции ВСМ, в которых собранные пластиковые материалы могут использоваться в качестве сырья. Было объяснено определение композита и его преимущества.
Protocol
Representative Results
Discussion
Механические свойства WPC играют важную роль в определении пригодности этих продуктов в различных приложениях. WPC состоит из трех основных ингредиентов: пластика, дерева и добавок. Механические свойства волоконных композитов зависят от длины используемого волокна, где “критическая дли?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают поддержку исследовательской платформы LUT RESOURCE (Ресурсные эффективные производственные процессы и цепочки создания стоимости), координируемой Университетом LUT и Life IP по отходам – проектом «К круговой экономике в Финляндии» (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). Финансирование проекта было получено из комплексной программы ЕС Life, компаний и городов.
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
- 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).
- Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
- Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC) Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019)
- Plastics – the Facts 2018. PlasticsEurope Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018)
- 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).
- 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)
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
- Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018)
- Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
- Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics – Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
- Klyosov, A. A., Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. , 50-74 (2007).
- 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).
- Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
- Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
- Sain, M., Pervaiz, M., Oksman Niska, K., Sain, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. , 101-117 (2008).
- Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
- International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics – Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
- Klyosov, A. A., Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. , 225-318 (2007).
