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

Résumé

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.

Résumé

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.

Protocole

1. Identification et prétraitement

1. 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.
   1. Selon la courbe d’identification de la spectroscopie, analyser les résultats d’identification de l’écran dans le laboratoire.
2. Sur la base du résultat d’identification, trier les matériaux entre les polymères et mesurer leurs poids respectifs.
   REMARQUE : Le matériel a été trié et pondéré en fonction des résultats d’identification mesurés. Les polymères sélectionnés pour le traitement ultérieur étaient ABS, PE et PP avec les quantités, 27,1, 14,2 et 44,7 kg, respectivement.
3. Effectuer une réduction de taille pour les matières plastiques sélectionnées dans des conditions de laboratoire avec un appareil de broyeur. Placez les matériaux recueillis et identifiés dans l’appareil qui broyait les matériaux avec la force mécanique des impacts de marteaux.
   1. Écraser les matières plastiques à l’aide d’un système de déchiquetage à un seul arbre avec un broyeur/broyeur équipé d’une taille de tamis variant de 10 à 20 mm.
   2. Soumettez les fragments de plastique à un broyeur à basse vitesse, équipé d’un tamis de 5 mm. Assurez-vous que le matériau est homogène.
4. Mesurer les quantités de matériaux pour les composites. Montrez une recette à titre d’exemple et présentez ces matériaux dans les quantités relatives de plastique, de bois, d’agent de couplage et de lubrifiant (64, 30, 3 et 3 wt%, respectivement).
   NOTE : Trois composites différents ont été étudiés dans cette étude. Les polymères en plastique recyclés du CDW étaient ABS, PP et PE. Le remplissage du matériau composite était la farine de bois, qui a été préparée à partir d’une espèce d’épinette séchée(Picea abies) taille réduite à l’aide d’équipement de concassage et tamisée pour une taille homogène (maille de 20 mm). Des additifs commerciaux d’agent de couplage et de lubrifiant ont été utilisés. Les compositions et le nom des matériaux préparés sont indiqués au tableau 1.

Matériel	Polymère / montant	Bois	CA	Lubr
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

Tableau 1 : Composition des matériaux étudiés. Le nom de l’échantillon se compose du composant matriciel inclus, du styrène de l’acrylonitrile recyclé (ABS), du polypropylène (PP) et du polyéthylène (PE) provenant des déchets de construction et de démolition (CDW). Les quantités de bois, d’agent de couplage (CA) et de lubrifiant (Lubr.) étaient les mêmes dans tous les échantillons.

2. Traitement des matériaux WPC avec la technologie d’extrusion après traitement de réduction de taille

1. Transférer les matériaux identifiés et pré-traités plus près de l’étape suivante (agglomération).
   ATTENTION : Le matériau plastique de l’ABS comprend un composant styrène. Le Centre international de recherche sur le cancer considère que le styrène est « peut-être cancérogène pour l’homme ». Par conséquent, l’étape d’agglomération en action n’a pas été incluse dans le tournage, mais son processus est décrit dans ce travail. En outre, seul le polymère PP ou PE a été utilisé dans la production d’extrusion pendant le tournage.
2. Effectuer l’agglomération du matériau.
   1. Mélanger tous les composants du procédé (polymère, bois, agent de couplage et lubrifiant) dans un appareil composé d’un turbomixer et d’un refroidisseur. Agglomère les matériaux dans le turbomixer jusqu’à ce que la température des matériaux atteigne 200 °C. En raison de l’effet combiné de la température et de la friction, les matériaux de granules ont été formés après le processus de traitement de l’agglomération.
   2. Refroidir les matériaux après le traitement turbomixer pendant 4-7 minutes dans un appareil plus frais.
3. Évacuer le matériel du processus et ramasser les matériaux agglomérés.
4. Transférer les matériaux traités par agglomération à l’étape suivante du processus (extrusion).
   1. Cliquez sur le panneau de commande de la machine d’extrusion et vérifiez les paramètres corrects. Les températures moyennes du baril et de l’outil variaient entre 167 et 181 °C, et 183 et 207 °C, respectivement. La température de fonte variait entre 164 et 177 °C, et les pressions de matrice étaient comprises entre 3,7 et 5,9 MPa. Ajuster les paramètres parce que les matériaux recyclés sont hétérogènes, et le processus nécessite un contrôle professionnel.
   2. Composé des composants à l’aide d’un extrudeur à double vis conique à double vis avec une sortie matérielle de 15 kg/h. Les paramètres des matériaux sont présentés au tableau 2. Après le processus d’extrusion, le profil du composite a été généré.

Matériel	Baril T °C	Outil T °C	Faire fondre T °C	Fondre Pression (barre)	Alimentation taux (kg/h)	Avg.Screw vitesse (tr/min)
CDW-ABS	181 ± 11,9	189 ± 14,7	177	50	15	14
CDW-PP	170 ± 10,4	207 ± 8,62	164	37	15	15
CDW-PE	167 ± 8,51	183 ± 10,1	164	59	15	13

Tableau 2 : Paramètres de traitement des matériaux composites. (Les valeurs après la marque « ± » indiquent des écarts types. Avg. = moyenne)

3. Échantillonnage des matériaux produits et analyse des propriétés

1. Préparer des échantillons pour les essais de propriété mécanique en laboratoire.
   1. Couper des échantillons à partir de profils extrudés à l’aide d’une machine (c.-à-d. une scie à table coulissante). Trois spécimens de taille différente sont nécessaires pour les essais : flexural, tendu et force d’impact.
   2. Déterminer la taille des échantillons d’essai selon les normes applicables, sur la base de la recommandation de l’EN 15534¹⁶. Selon la norme, tester un minimum de cinq spécimens, mais le nombre de mesures peut être supérieur à cinq si une plus grande précision de la valeur moyenne est nécessaire.
2. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour l’essai de propriété flexible, selon la norme EN 310¹⁷.
   1. Utiliser une scie à table coulissante avec les dimensions suivantes pour l’échantillon : 800 mm x 50 mm x 20 mm (longueur, largeur, épaisseur).
   2. Fabriquer 20 échantillons pour l’analyse des propriétés flexurales (résistance et module).
3. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour le test de propriété de traction, selon la norme EN ISO 527 2¹⁸. Utilisez la scie à table coulissante pour couper le matériau dans les dimensions suivantes : 150 mm x 20 mm x 4 mm (longueur, largeur, épaisseur).
   1. Définissez les préformes de matériau pour l’usinage d’une forme de cloche muette via le contrôle numérique par ordinateur (CNC). La largeur de l’échantillon à sa portion étroite était de 10 mm, et la surface transversale de l’échantillon était de 4 mm x 10 mm, où le stress de traction a été abordé. La longueur de la partie étroite était de 60 mm, se terminant dans un coin arrondi avec un rayon de 60 mm.
   2. Faire 20 échantillons pour l’analyse des propriétés de la traction (résistance et module).
4. Échantillons d’essai de scie des matériaux extrudés pour le test de résistance d’impact, selon la norme EN ISO 179-1¹⁹.
   1. Utilisez la scie à table coulissante pour couper les échantillons dans les dimensions suivantes : 80 mm x 10 mm x 4 mm (longueur, largeur, épaisseur). Faire 20 échantillons pour l’analyse de la propriété de force d’impact.
5. Déplacer le matériau d’essai dans la chambre d’état d’humidité relative de 23 °C et 50 %, selon la norme EN ISO 291²⁰, jusqu’à ce qu’une masse constante soit atteinte. Assurez-vous que les échantillons sont conditionnés avant l’essai des propriétés du matériau.
6. Effectuer les tests (flexural, tendu et impact). Déterminer les caractéristiques mécaniques des spécimens par des essais de résistance flexurale et tendu avec une machine d’essai conformément aux normes EN 310¹⁷ et EN ISO 527-2^18, respectivement.
   1. Effectuer un test de résistance flexurale et de module pour chacun des 20 échantillons, à l’aide de l’appareil d’essai. Placez l’échantillon d’essai flexible à l’appui de deux points et appliquez une charge au centre de l’échantillon en cliquant sur Début de test dans le programme informatique qui contrôle l’appareil d’essai, avec une préchargement de 15 N et une vitesse d’essai de 10 mm/min. Le test s’arrête automatiquement après l’enregistrement du résultat. Supprimez l’exemple de test des outils de support et définissez un nouvel exemple sur les outils.
      1. Procédure de répétition jusqu’à ce que 20 échantillons aient été testés et que les résultats du programme aient été enregistrés. Le programme informatique calcule les résultats moyens du test.
         REMARQUE : Le protocole peut être mis en pause ici pendant que les outils de test seront modifiés pour l’appareil de test.
   2. Effectuez un test de résistance à la traction et de module pour 20 échantillons usinés (en forme de cloche muette). Réglez l’échantillon de test de traction entre les outils d’essai et attachez des pinces pneumatiques, qui conserveront l’échantillon dans les outils pendant le test. Démarrez le test à partir du panneau de commande de l’ordinateur, avec une préchargement de 10 N et une vitesse d’essai de 2 mm/min, et attachez un outil de compteur d’extension immédiatement après le début de l’essai.
      REMARQUE : L’outil de compteur d’extension mesure le module de traction de l’échantillon. Chaque test s’est arrêté automatiquement après l’enregistrement de son résultat.
      1. Retirez l’échantillon de test de l’outil après chaque test et définissez un nouvel échantillon sur les outils. Procédure de répétition pour tous les échantillons. Le programme informatique calcule les valeurs de résultats moyennes.
   3. Effectuer un test de force d’impact avec un testeur d’impact, conformément à la norme EN ISO 179-1¹⁹. Réglez la taille de 10 mm x 4 mm de l’échantillon (largeur, épaisseur) entre le support, réinitialisez la force et relâchez le marteau d’impact de 5 kpcm.
      REMARQUE : Les ruptures d’échantillon d’essai de résistance à l’impact dues à l’impact du marteau et la quantité d’énergie absorbée sont visibles dans l’indicateur du testeur.
      1. Enregistrez le résultat et répétez le résultat pour les 20 échantillons, après quoi la valeur moyenne de la force d’impact est calculée. Les résultats enregistrés étaient dans l’unité « kpcm », qui a été changée en joule (J), et les résultats ont été présentés comme un kilojoule par mètre carré.
         REMARQUE : La portée entre le support de l’échantillon (distance entre les lignes du contact de l’échantillon) dans l’essai de résistance à l’impact était de 62 mm ou, alternativement, 20x son épaisseur.
7. Analyser les résultats des essais mécaniques, qui sont présentés à la figure 1, figure 2 et figure 3.

Résultats

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...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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