L'effetto delle frazioni di plastica dei rifiuti di costruzione e demolizione sulle proprietà composite wood-Polymer

Riepilogo

È stato dimostrato che i flussi di materiale secondario includono potenziali materie prime per la produzione. Presentato qui è un protocollo in cui vengono identificati i rifiuti di plastica CDW come materia prima, seguiti da varie fasi di lavorazione (agglomerazione, estrusione). Di conseguenza, è stato prodotto un materiale composito e sono state analizzate le proprietà meccaniche.

Abstract

I rifiuti da costruzione e demolizione (CDW), compresi i materiali preziosi come la plastica, hanno una notevole influenza sul settore dei rifiuti. Affinché i materiali plastici possano essere nuovamente utilizzati, devono essere identificati e separati in base alla loro composizione polimerica. In questo studio, l'identificazione di questi materiali è stata eseguita utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR), che ha identificato il materiale in base alle loro proprietà fisico-chimiche. I vantaggi del metodo NIR sono un basso impatto ambientale e una misurazione rapida (entro pochi secondi) nell'intervallo spettrale di 1600-2400 nm senza una speciale preparazione del campione. Le limitazioni includono la sua incapacità di analizzare i materiali scuri. I polimeri identificati sono stati utilizzati come componente per il composito del polimero di legno (WPC) costituito da una matrice polimerica, riempitivi a basso costo e additivi. I componenti sono stati prima composti con un apparato di agglomerazione, seguito dalla produzione da estrusione. Nel processo di agglomerazione, l'obiettivo era quello di composto tutti i materiali per produrre materiali distribuiti uniformemente e granulati come pellet. Durante il processo di agglomerazione, il polimero (matrice) è stato fuso e riempitivi e altri additivi sono stati poi mescolati nel polimero fuso, essendo pronti per il processo di estrusione. Nel metodo di estrusione, le forze di calore e taglio sono state applicate a un materiale all'interno della canna di un estrusore di tipo a doppia vite conica, che riduce il rischio di bruciare i materiali e la miscelazione di taglio inferiore. La miscela riscaldata e tosata è stata poi trasmessa attraverso un da dito per dare al prodotto la forma desiderata. Il protocollo sopra descritto ha dimostrato il potenziale di ri-utilizzo dei materiali CDW. Le proprietà funzionali devono essere verificate in base ai test standardizzati, come i test di flessione, tensione e resistenza all'impatto del materiale.

Introduzione

La produzione globale di rifiuti è cresciuta in modo significativo nel corso della storia e si prevede che aumenterà di decine di percentuali in futuro, a meno che non si zioni^{un'azione 1}. In particolare, i paesi ad alto reddito hanno generato più di un terzo dei rifiuti mondiali, sebbene essi rappresentano solo il 16% della popolazione mondiale¹. Il settore delle costruzioni è un produttore significativo di questi rifiuti a causa della rapida urbanizzazione e della crescita della popolazione. Secondo le stime, circa un terzo dei rifiuti solidi globali è costituito da progetti di costruzione e demolizione; tuttavia, i valori esatti provenienti da aree diverse sono^{mancanti 2}. Nell'Unione europea (UE), la quantità di rifiuti da costruzione e demolizione (CDW) è di circa il 25%-30% della produzione totale di^{rifiuti 3}e comprende materie prime secondarie preziose e significative, come la plastica. Senza la raccolta e la gestione organizzate, la plastica può contaminare e influenzare negativamente gli ecosistemi. Nel 2016 sono state generate 242 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica nel mondo¹. La quota di plastica riciclata in Europa era solo del 31,1%⁴.

La scarsità di risorse ha creato la necessità di cambiare le pratiche verso un'economia circolare, in cui gli obiettivi sono di utilizzare i rifiuti come fonte di risorse secondarie e recuperare i rifiuti per il riutilizzo. La crescita economica e l'impatto ambientale minimizzato saranno creati dall'economia circolare, che è un concetto popolare in Europa. La Commissione europea ha adottato un piano d'azione dell'Unione europea per un'economia circolare, che ha fissato obiettivi e indicatori per i^{contributi 5}.

Norme e leggi ambientali più severe stanno contribuendo al settore delle costruzioni che si sta ade utilizzando maggiori sforzi nella gestione dei rifiuti e nelle questioni relative al riciclaggio dei materiali. Ad esempio, l'Unione europea (UE) ha fissato obiettivi per il recupero dei materiali. A partire dal 2020, il tasso di recupero materiale di CDW non pericolosi dovrebbe essere del 70%⁶. La composizione della CDW può variare ampiamente da una posizione geografica all'altra, ma è possibile identificare alcune caratteristiche comuni, tra cui, ad esempio, la plastica che è una materia prima potenziale e preziosa per i compositi del polimero di legno. Il riutilizzo della plastica è un passo concreto verso un'economia circolare in cui i polimeri in plastica vergine vengono sostituiti da polimeri riciclati.

I materiali compositi sono un sistema multi-fase, costituito da un materiale a matrice e da una fase di rinforzo. Il composito polimero di legno (WPC) contiene tipicamente polimeri come matrice, materiali legnosi come rinforzo e additivi per migliorare l'adesione, come agenti di accoppiamento e lubrificanti. Il WPC può essere conosciuto come un materiale rispettoso dell'ambiente perché la materia prima può essere fonte da materiali rinnovabili, come l'acido polilattico (PLA) e il legno. Secondo l'ultima innovazione⁷, gli additivi di WPC possono essere basati su fonti rinnovabili. Inoltre, la fonte della materia prima può essere riciclata (non vergine), che è un'alternativa ecologicamente e tecnicamente superiore⁸. Ad esempio, i ricercatori hanno studiato il WPC estruso che contiene CDW e hanno scoperto che le proprietà dei compositi basati su CDW erano a un livello^{accettabile 9}. Anche l'utilizzo di materie prime riciclate come componente per il WPC è accettabile dal punto di vista ambientale, come dimostrato da diverse valutazioni. Nel complesso, è stato dimostrato che l'utilizzo di CDW nella produzione di WPC può diminuire le influenze ambientali della gestione CDW¹⁰. Inoltre, è stato scoperto che l'utilizzo di plastica riciclata in polipropilene (PP) in WPC ha il potenziale per ridurre il riscaldamento globale¹¹.

La quantità di polimeri riciclati disponibili aumenterà in futuro. La produzione globale di plastica è aumentata in media di circa il 9% rispetto all'anno, e si prevede che questo incremento continuerà nei^{prossimi 12}. I tipi di polimero plastico più generali sono, tra l'altro, il polipropilene (PP) e il polietilene (PE). Le quote della domanda totale di PE e PP sono state rispettivamente del 29,8% e del 19,3%, in Europa nel 2017⁴. Il mercato globale del riciclo della plastica dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuo del 5,6% nel periodo 2018-2026¹³. Una delle principali applicazioni in cui viene utilizzata la plastica è la costruzione e la costruzione. Ad esempio, quasi il 20% della domanda totale di plastica europea è stata associata alle applicazioni edilizie e edilizie⁴. Da un punto di vista economico, l'uso di polimeri riciclati nella produzione WPC è un'alternativa interessante, che porta alla produzione di materiali a basso costo. Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli effetti fisici hanno un'influenza più forte sui materiali estrusi realizzati in plastica secondaria rispetto al materiale vergine corrispondente, ma le proprietà dipendono dalla fonte plastica¹⁴. Tuttavia, l'uso di plastica riciclata diminuisce la forza di WPC a causa della minore compatibilità¹⁵. La variazione tra le strutture dei polimeri plastici causa preoccupazioni per il riuso e il riciclaggio, che contribuiscono all'importanza dello smistamento della plastica basato sul polimero.

Questo studio intende valutare l'utilizzo del materiale plastico da CDW come materia prima per WPC. Le frazioni polimere valutate nello studio sono acrilonitrile butadiene styrene (ABS), polipropilene (PP) e polietilene (PE). Queste sono note come frazioni di plastica universali all'interno di CDW. Le frazioni polimere sono trattate con processi di produzione generali, come l'agglomerazione e l'estrusione, e vengono testate con test di proprietà meccanica universali. L'obiettivo primario dello studio è quello di scoprire come le proprietà del WPC cambierebbe se i polimeri riciclati fossero utilizzati come materia prima in matrice invece che come polimeri vergini primari.

Sulla base del centro di gestione dei rifiuti (locale) (Etel-Karjalan J'tihuolto Oy), è stato mostrato come viene immagazzinato cdW ricco di plastica. È stato dimostrato che è inclusa una grande quantità di materiale plastico e sono stati mostrati alcuni esempi di polimeri plastici CDW. I ricercatori hanno raccolto i polimeri più adatti per un'ulteriore elaborazione, come ABS, PP e PE. I polimeri desiderati (PE, PP, ABS) sono stati identificati mediante spettroscopia portatile vicino all'infrarosso (NIR). Sono stati presentati esempi di prodotti WPC in cui i materiali plastici raccolti potevano essere utilizzati come materia prima. La definizione del composito e i suoi vantaggi sono stati spiegati.

Protocollo

1. Identificazione e pre-trattamento

1. Identificare i polimeri in plastica con lo strumento di spettroscopia portatile a quasi infrarosso (NIR) nella gamma spettrale di 1600-2400 nm. Contattare il polimero con lo strumento spettroscopia e determinare il polimero mediante la riflettanza misurata.
   1. In base alla curva di identificazione della spettroscopia, analizzare i risultati dell'identificazione dallo schermo in laboratorio.
2. In base al risultato dell'identificazione, ordinare i materiali tra i polimeri e misurare i rispettivi pesi.
   NOTA: il materiale è stato smis ordinato e ponderato in base ai risultati di identificazione misurati. I polimeri selezionati per un'ulteriore lavorazione erano ABS, PE e PP con gli importi, rispettivamente 27,1, 14,2 e 44,7 kg.
3. Eseguire la riduzione delle dimensioni per i materiali plastici selezionati in condizioni di laboratorio con un apparato di frantumazione. Inserire i materiali raccolti e identificati nell'apparato che ha frantumato i materiali con la forza meccanica degli impatti del martello.
   1. Schiacciare i materiali plastici utilizzando un sistema di triturazione a singolo albero con un apparecchio di frantumazione/trituratore dotato di una dimensione del setaccio variabile da 10 a 20 mm.
   2. Sottopone i frammenti di plastica a un frantumatore a bassa velocità, dotato di un setaccio da 5 mm. Assicurarsi che il materiale sia omogeneo.
4. Misurare gli importi dei materiali per i compositi. Mostrate una ricetta come esempio e presentate questi materiali nelle relative quantità di plastica, legno, agente di accoppiamento e lubrificante (64, 30, 3 e 3 wt%, rispettivamente).
   NOTA: in questo studio sono stati studiati tre diversi compositi. I polimeri plastici riciclati del CDW erano ABS, PP e PE. Il riempitore del materiale composito era la farina di legno, che è stata preparata da una specie di abete essiccato (Picea abies) dimensione ridotta utilizzando attrezzature di frantumazione e setacciato per una dimensione omogenea (20 mm maglia). Sono stati utilizzati additivi commerciali dell'agente di accoppiamento e del lubrificante. Le composizioni e il nome dei materiali preparati sono riportati nella tabella 1.

Materiale	Polimero / importo	Legno	Ca	Lubr
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

Tabella 1: La composizione dei materiali studiati. Il nome del campione è costituito dal componente della matrice incluso, dall'acrilonitrile butadiene riciclato (ABS), dal polipropilene (PP) e dal polietilene (PE) dei rifiuti di costruzione e demolizione (CDW). Le quantità di legno, agente di accoppiamento (CA) e lubrificante (Lubr.) erano le stesse in tutti i campioni.

2. Elaborazione di materiali WPC con tecnologia di estrusione dopo il trattamento di riduzione delle dimensioni

1. Trasferire i materiali identificati e pre-trattati nella fase di lavorazione successiva (agglomerazione).
   CAUTION: Il materiale plastico di ABS include un componente di styrene. L'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro ritiene che lo styrene sia "possibilmente cancerogeno per l'uomo". Pertanto, la fase di agglomerazione in azione non è stata inclusa nelle riprese, ma il suo processo è delineato in questo lavoro. Inoltre, solo il polimero PP o PE è stato utilizzato nella produzione di estrusione durante le riprese.
2. Eseguire agglomerazione del materiale.
   1. Mescolare tutti i componenti del processo (polimero, legno, agente di accoppiamento e lubrificante) in un apparato costituito da un turbomixer e un refrigeratore. Agglomerare i materiali nel turbomixer fino a quando la temperatura dei materiali ha raggiunto i 200 gradi centigradi. A causa dell'effetto combinato della temperatura e dell'attrito, i materiali di granuli si sono formati dopo il processo di trattamento dell'agglomerazione.
   2. Raffreddare i materiali dopo il trattamento del turbomixer per 4-7 minuti in un apparato più fresco.
3. Evacuare il materiale dal processo e raccogliere il materiale agglomerato.
4. Trasferire i materiali trattati con agglomerazione alla fase di processo successiva (estrusione).
   1. Fare clic sul pannello di controllo della macchina di estrusione e verificare la presenza dei parametri corretti. Le temperature medie tra barile e utensili variavano rispettivamente tra 167 e 181 gradi centigradi, e rispettivamente 183 e 207 gradi centigradi. La temperatura di fusione variava tra i 164 e i 177 gradi centigradi, e le pressioni del dadre erano tra 3,7 e 5,9 MPa. Regolare i parametri perché i materiali riciclati sono eterogenei e il processo richiede un controllo professionale.
   2. Composto i componenti utilizzando un estrusore a doppia vite conica con uscita di materiale a 15 kg/h. I parametri dei materiali sono presentati nella tabella 2. Dopo il processo di estrusione, è stato generato il materiale del profilo del composito.

Materiale	Barile T C	Utensile T	Sciogliere T S.	Sciogliere Pressione (barra)	Alimentazione (kg/h)	Avg.Screw velocità (rpm)
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

Tabella 2: Parametri di lavorazione dei materiali compositi. (I valori dopo il contrassegno '±'" indicano deviazioni standard. Media media)

3. Campionamento dei materiali prodotti e analisi delle proprietà

1. Preparare i campioni per le prove di proprietà meccanica in laboratorio.
   1. Tagliare i campioni da profili estrusi con una macchina (cioè una sega da tavolo scorrevole). Per i test sono necessari tre esemplari di diverse dimensioni: flessione, tensione e forza d'impatto.
   2. Determinare le dimensioni dei campioni di prova in base alle norme applicabili, sulla base della raccomandazione di EN 15534¹⁶. Secondo lo standard, testare un minimo di cinque campioni, ma il numero di misurazioni può essere più di cinque se è necessaria una maggiore precisione del valore medio.
2. Campioni di prova dei materiali estrusi per la prova di proprietà flessibile, secondo lo standard EN 310¹⁷.
   1. Utilizzare una sega da tavolo scorrevole con le seguenti dimensioni per il campione: 800 mm x 50 mm x 20 mm (lunghezza, larghezza, spessore).
   2. Produrre 20 campioni per l'analisi delle proprietà flessiurali (forza e modulo).
3. Campioni di prova dei materiali estrusi per il test di proprietà della tensile, secondo lo standard EN ISO 527 2¹⁸. Utilizzare la sega da tavolo scorrevole per tagliare il materiale nelle seguenti dimensioni: 150 mm x 20 mm x 4 mm (lunghezza, larghezza, spessore).
   1. Impostare le preforme del materiale per la lavorazione di una forma a campana muto tramite il controllo numerico del computer (CNC). La larghezza del campione nella sua porzione stretta era di 10 mm, e la superficie trasversale del campione era di 4 mm x 10 mm, dove è stata affrontata la sollecitazione della tensione. La lunghezza della porzione stretta era di 60 mm, terminando in un angolo arrotondato con un raggio di 60 mm.
   2. Fare 20 campioni per l'analisi delle proprietà della tensione (forza e modulo).
4. Campioni di prova dei materiali estrusi per la prova di resistenza all'impatto, secondo lo standard EN ISO 179-1¹⁹.
   1. Utilizzare la sega da tavolo scorrevole per tagliare i campioni nelle seguenti dimensioni: 80 mm x 10 mm x 4 mm (lunghezza, larghezza, spessore). Fare 20 campioni per l'analisi della proprietà di forza d'impatto.
5. Spostare il materiale di prova nella camera di condizione di umidità relativa 23 e 50%, secondo lo standard EN ISO 291²⁰, fino a raggiungere una massa costante. Assicurarsi che i campioni siano condizionati prima della prova delle proprietà del materiale.
6. Eseguire i test (flessibile, tensile e impatto). Determinare le caratteristiche meccaniche dei campioni mediante prove di resistenza flesso e di tensione con una macchina di prova in conformità rispettivamente agli standard EN^{310 17} e EN ISO 527-2^18.
   1. Eseguire il test di resistenza e modulo flessibile per ciascuno dei 20 campioni, utilizzando l'apparato di prova. Impostare il campione di prova flessibile al supporto di due punti e applicare un carico al centro del campione facendo clic su Test start nel programma informatico che controlla l'apparato di prova, con un pre-caricamento di 15 N e una velocità di prova di 10 mm/min. Il test si interrompe automaticamente dopo la registrazione del risultato. Rimuovere il campione di test dagli strumenti di supporto e impostare un nuovo campione sugli strumenti.
      1. Ripetere la procedura fino a quando 20 campioni sono stati testati e i risultati del programma sono stati registrati. Il programma per computer calcola i risultati medi del test.
         NOTA: il protocollo può essere sospeso qui mentre gli strumenti di test verranno modificati per l'apparecchio di prova.
   2. Eseguire il test di resistenza e modulo della tensione per 20 campioni di macchine (a forma di campana). Impostare il campione di prova di tensione tra gli strumenti di prova e attaccare morsetti pneumatici, che manterrà il campione negli strumenti durante la prova. Avviare il test dal pannello di controllo del computer, con un pre-caricamento di 10 N e una velocità di prova di 2 mm/min, e collegare uno strumento misuratore di estensione immediatamente dopo l'avvio del test.
      NOTA: lo strumento misuratore di estensione misura il modulo tensile dal campione. Ogni test si è interrotto automaticamente dopo la registrazione del risultato.
      1. Rimuovere il campione di test dallo strumento dopo ogni test e impostare un nuovo campione sugli strumenti. Ripetere la procedura per tutti i campioni. Il programma per computer calcola i valori medi dei risultati.
   3. Eseguire un test di resistenza all'impatto con un tester d'impatto, secondo lo standard EN ISO 179-1¹⁹. Impostare la dimensione di 10 mm x 4 mm del campione (larghezza, spessore) tra il supporto, azzerare la forza e rilasciare il martello d'impatto di 5 kpcm.
      NOTA: Il campione del campione di prova della forza d'impatto si rompe a causa dell'impatto del martello e la quantità di energia assorbita è visibile nell'indicatore del tester.
      1. Registrare il risultato e ripetere il per i 20 campioni, dopo di che viene calcolato il valore medio della forza di impatto. I risultati registrati sono stati in unità "kpcm", che è stata trasformata in joule (J), e i risultati sono stati presentati come un kilojoule per metro quadrato.
         NOTA: L'intervallo tra il supporto del campione (distanza tra le linee del contatto del campione) nella prova di resistenza all'impatto era di 62 mm o, in alternativa, di 20 volte il suo spessore.
7. Analizzare i risultati dei test meccanici, presentati nella Figura 1, Figura 2 e Figura 3.

Risultati

Per studiare l'effetto del polimero plastico CDW sulle proprietà meccaniche del WPC, sono stati studiati tre diversi tipi di polimeri come matrice. La tabella 1 presenta la composizione dei materiali e la tabella 2 riporta i processi di produzione. Il materiale di CDW-PP richiede una temperatura di trattamento più elevata per gli utensili, ma, di conseguenza, la pressione di fusione era inferiore rispetto agli altri materiali (CDW-ABS e CDW-PE).

Discussione

Le proprietà meccaniche di WPC svolgono un ruolo importante nel decidere l'idoneità di questi prodotti in varie applicazioni. WPC è costituito da tre ingredienti principali: plastica, legno e additivi. Le proprietà meccaniche dei compositi a base di fibre dipendono dalla lunghezza della fibra utilizzata, dove "lunghezza critica della fibra" è il termine utilizzato per indicare un rinforzo^{sufficiente 25}. Oltre alle proprietà degli ingredienti, la qualità delle materie prime è il fattore imp...

Materiali

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