L’effet des fractions plastiques de déchets de construction et de démolition sur les propriétés composites bois-polymère

Summary

Il a été démontré que les flux de matières secondaires comprennent des matières premières potentielles pour la production. Présenté ici est un protocole dans lequel les déchets CDW-plastique comme une matière première est identifié, suivie par diverses étapes de traitement (agglomération, extrusion). En conséquence, un matériau composite a été produit, et les propriétés mécaniques ont été analysées.

Abstract

Les déchets de construction et de démolition (CDW), y compris les matériaux précieux tels que les plastiques, ont une influence remarquable sur le secteur des déchets. Pour que les matières plastiques soient réutilées, elles doivent être identifiées et séparées en fonction de leur composition en polymère. Dans cette étude, l’identification de ces matériaux a été effectuée à l’aide de spectroscopie proche infrarouge (NIR), qui a identifié le matériel en fonction de leurs propriétés physico-chimiques. Les avantages de la méthode NIR sont un faible impact environnemental et une mesure rapide (en quelques secondes) dans la gamme spectrale de 1600-2400 nm sans préparation spéciale de l’échantillon. Les limites comprennent son incapacité à analyser les matériaux sombres. Les polymères identifiés ont été utilisés comme composant pour le composite bois-polymère (WPC) qui se compose d’une matrice de polymère, de charges à faible coût et d’additifs. Les composants ont d’abord été composés d’un appareil d’agglomération, suivi de la production par extrusion. Dans le processus d’agglomération, l’objectif était de composer tous les matériaux pour produire des matériaux uniformément distribués et granulés sous forme de granulés. Pendant le processus d’agglomération, le polymère (matrice) a été fondu et les charges et autres additifs ont ensuite été mélangés dans le polymère fondu, étant prêt pour le processus d’extrusion. Dans la méthode de l’extrusion, des forces de chaleur et de cisaillement ont été appliquées à un matériau à l’intérieur du canon d’un extrudeur conique de type double-vis rotatif, ce qui réduit le risque de brûler les matériaux et de réduire le mélange de cisaillement. Le mélange chauffé et cisa cisaillement a ensuite été transmis par une matrice pour donner au produit la forme désirée. Le protocole décrit ci-dessus a prouvé le potentiel de réutilisation des matériaux CDW. Les propriétés fonctionnelles doivent être vérifiées selon les tests normalisés, tels que les tests de résistance flexurale, tensile et d’impact pour le matériau.

Introduction

La production mondiale de déchets a considérablement augmenté au cours de l’histoire et devrait augmenter de dizaines de pourcentages à l’avenir à moins que des mesures ne soient prises¹. En particulier, les pays à revenu élevé ont généré plus d’un tiers des déchets mondiaux, bien qu’ils ne représentent que 16 % de la population mondiale¹. Le secteur de la construction est un important producteur de ces déchets en raison de l’urbanisation rapide et de la croissance démographique. Selon les estimations, environ un tiers des déchets solides mondiaux sont constitués de projets de construction et de démolition; toutefois, les valeurs exactes de différentes zones manquent². Dans l’Union européenne (UE), la quantité de déchets de construction et de démolition (CDW) représente environ 25 à 30 % de la production totale de déchets^3,et comprend des matières premières secondaires précieuses et importantes, comme le plastique. Sans collecte et gestion organisées, le plastique peut contaminer et influencer négativement les écosystèmes. En 2016, 242 millions de tonnes de déchets plastiques ont été produites dans le monde¹. La part du plastique recyclé en Europe n’était que de 31,1%⁴.

La rareté des ressources a créé un besoin de changer les pratiques vers une économie circulaire, dans laquelle les objectifs sont d’utiliser les déchets comme source de ressources secondaires et de récupérer les déchets pour la réutilisation. La croissance économique et les impacts environnementaux minimisés seront créés par l’économie circulaire, qui est un concept populaire en Europe. La Commission européenne a adopté un plan d’action de l’Union européenne pour une économie circulaire, qui fixe des objectifs et des indicateurs de contributions⁵.

Des réglementations et des lois environnementales plus strictes contribuent à ce que le secteur de la construction consacre davantage d’efforts à la gestion des déchets et au recyclage des matériaux. Par exemple, l’Union européenne (UE) a fixé des objectifs de récupération matérielle. À partir de 2020, le taux de récupération des matériaux de CDW non dangereux devrait être de 70 %⁶. La composition du CDW peut varier considérablement d’un endroit à l’autre, mais certaines caractéristiques communes peuvent être identifiées, y compris, par exemple, le plastique qui est une matière première potentielle et précieuse pour les composites bois-polymère. La réutilisation du plastique est une étape concrète vers une économie circulaire dans laquelle les polymères en plastique vierge sont substitués par des polymères recyclés.

Les matériaux composites sont un système en plusieurs phases, composé d’un matériau matriciel et d’une phase de renforcement. Le composite bois-polymère (WPC) contient généralement des polymères comme matrice, des matériaux en bois comme renforcement et des additifs pour améliorer l’adhérence, tels que les agents de couplage et les lubrifiants. WPC peut être connu comme un matériau respectueux de l’environnement parce que la matière première peut provenir de matériaux renouvelables, tels que l’acide polylactique (PLA) et le bois. Selon la dernière innovation⁷, les additifs de WPC peuvent être basés sur des sources renouvelables. En outre, la source de la matière première peut être recyclée (non vierge) matières, qui est une alternative écologiquement et techniquement supérieure⁸. Par exemple, les chercheurs ont étudié wpc extrudé qui contient CDW, et ont constaté que les propriétés des composites basés sur CDW étaient à un niveau acceptable⁹. L’utilisation des matières premières recyclées en tant que composant pour WPC est également acceptable sur le plan environnemental, comme l’ont prouvé plusieurs évaluations. Dans l’ensemble, il a été démontré que l’utilisation de CDW dans la production de WPC peut diminuer les influences environnementales de la gestion cdw¹⁰. En outre, il a été constaté que l’utilisation de polypropylène recyclé (PP) en plastique dans WPC a le potentiel de réduire le réchauffement climatique¹¹.

La quantité de polymères recyclés disponibles augmentera à l’avenir. La production mondiale de plastique a augmenté d’environ 9 % par an, en moyenne, et on s’attend à ce que cette augmentation se poursuive à l’avenir¹². Les types de polymères plastiques les plus généraux sont, entre autres, le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE). La part de la demande totale pour PE et PP était de 29,8% et 19,3%, respectivement, en Europe en 2017⁴. Le marché mondial du recyclage du plastique devrait croître à un taux de croissance annuel de 5,6 % au cours de la période 2018-2026¹³. L’une des principales applications dans lesquelles les plastiques sont utilisés est la construction et la construction. Par exemple, près de 20 % de la demande totale de plastique européen a été associée à des applications de construction et de construction⁴. D’un point de vue économique, l’utilisation de polymères recyclés dans la fabrication WPC est une alternative intéressante, conduisant à la production de matériaux à faible coût. Des recherches antérieures ont montré que les effets physiques ont une influence plus forte sur les matériaux extrudés fabriqués à partir de plastique secondaire par rapport au matériau vierge correspondant, mais les propriétés dépendent de la source en plastique¹⁴. Cependant, l’utilisation de plastique recyclé diminue la résistance de WPC en raison de la compatibilité inférieure¹⁵. La variation entre les structures des polymères plastiques suscite des préoccupations en matière de réutilisation et de recyclage, ce qui contribue à l’importance du tri plastique à base du polymère.

Cette étude a pour intention d’évaluer l’utilisation des matières plastiques du CDW comme matière première pour WPC. Les fractions polymères évaluées dans l’étude sont l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE). Ceux-ci sont connus sous le nom de fractions plastiques universelles au sein de CDW. Les fractions polymères sont traitées avec des procédés de fabrication généraux, tels que l’agglomération et l’extrusion, et sont testées avec des essais de propriété mécanique universelle. L’objectif principal de l’étude est de découvrir comment les propriétés de WPC modifieraient si les polymères recyclés étaient utilisés comme matière première dans la matrice au lieu des polymères vierges primaires.

Basé sur le centre (local) de gestion des déchets (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), il a été montré comment le CDW riche en plastique est stocké. Il a été démontré qu’une grande quantité de matière plastique est incluse et quelques exemples de polymères plastiques CDW ont été montrés. Les chercheurs ont recueilli les polymères les plus appropriés pour un traitement ultérieur, tels que l’ABS, le PP et l’EP. Les polymères désirés (PE, PP, ABS) ont été identifiés à l’aide de la spectroscopie portative proche infrarouge (NIR). Des exemples de produits WPC ont été présentés dans lesquels les matières plastiques recueillies pouvaient être utilisées comme matière première. La définition du composite et ses avantages ont été expliqués.

Protocol

1. Identification et prétraitement Identifiez les polymères dans le plastique à l’aide de l’outil portatif de spectroscopie proche infrarouge (NIR) dans la gamme spectrale de 1600 à 2400 nm. Communiquez avec le polymère avec l’outil de spectroscopie et déterminez le polymère par la réflectance mesurée. Selon la courbe d’identification de la spectroscopie, analyser les résultats d’identification de l’écran dans le laboratoire. Sur la base du résultat d’ide…

Representative Results

Pour étudier l’effet du polymère plastique CDW sur les propriétés mécaniques de WPC, trois types de polymères différents en tant que matrice ont été étudiés. Le tableau 1 présente la composition des matériaux et le tableau 2 rend compte des processus de fabrication. Le matériau du CDW-PP nécessite une température de traitement plus élevée pour les outils, mais, par conséquent, la pression de fonte était plus faible par rapport aux autres matériaux (CDW-ABS et CDW-P…

Discussion

Les propriétés mécaniques de WPC jouent un rôle important dans la décision de la pertinence de ces produits dans diverses applications. WPC se compose de trois ingrédients principaux : le plastique, le bois et les additifs. Les propriétés mécaniques des composites à base de fibres dépendent de la longueur de la fibre utilisée, où la « longueur critique de fibre » est le terme utilisé pour indiquer un renforcement suffisant²⁵. En plus des propriétés des ingrédients, la qualité d…

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