Влияние строительных и сносных отходов пластиковых фракций на древесно-полимерные композитные свойства

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Глобальная генерация отходов значительно выросла на протяжении всей истории и, по прогнозам, увеличится на десятки процентов в будущем, если не будут приняты^{меры 1}. В частности, страны с высоким уровнем дохода произвели более одной трети мировых отходов, хотя они составляют лишь 16% мирового^{населения 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 областей^{отсутствуют 2}. В Европейском союзе (ЕС) количество строительных и сносных отходов (CDW) составляет примерно 25%-30% от общего объема^{отходов производства 3, и включает в}себя 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 пластиковых^{отходов.} 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 взносов^5.

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 приемлемом^{уровне 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 2017^{году 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 приложениями^4. 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 от^{источника 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.

протокол

1. Идентификация и предварительное лечение

1. Определите полимеры в пластике с помощью переносного инструмента спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIR) в спектральном диапазоне 1600-2400 нм. Свяжитесь с полимером с помощью инструмента спектроскопии и определите полимер по измеренной отражательной связи.
   1. Согласно кривой идентификации спектроскопии, проанализируйте результаты идентификации с экрана в лаборатории.
2. Основываясь на результате идентификации, сортировать материалы между полимерами и измерять их соответствующие веса.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Материал был отсортирован и взвешен в соответствии с измеренными результатами идентификации. Выбранными полимерами для дальнейшей обработки были АБС, ПЭ и ПП с объемами 27,1, 14,2 и 44,7 кг соответственно.
3. Выполните уменьшение размера для выбранных пластиковых материалов в лабораторных условиях с дробилка аппарата. Поместите собранные и идентифицированные материалы в аппарат, который измельчал материалы с механической силой ударов молотка.
   1. Измельчить пластиковые материалы с помощью одной шахты измельчения системы с дробилки / шредера аппарат оснащен сито размером от 10 до 20 мм.
   2. Подвергите пластиковые фрагменты низкоступенчатой дробилка, оснащенной 5-мм сито. Убедитесь, что материал однороден.
4. Измерьте количество материала для композитов. Покажите рецепт в качестве примера и представить эти материалы в относительном количестве пластика, дерева, соответствующего агента и смазки (64, 30, 3 и 3 wt%, соответственно).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании были изучены три различных композита. Переработанные пластиковые полимеры из CDW были ABS, PP и PE. Наполнителем композитного материала была древесная мука, которая была приготовлена из высушенного вида ели(Picea abies)размер уменьшена с использованием дробильного оборудования и просеяна для однородного размера (20 мм сетки). Использовались коммерческие добавки соточного агента и смазки. Композиции и название подготовленных материалов представлены в таблице 1.

Материал	Полимерный / сумма	Дерева	Ca	Любр
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

Таблица 1: Состав изучаемых материалов. Название образца состоит из включенного матричного компонента, переработанного адрилонитриле бутадиена (АБС), полипропилена (ПП) и полиэтилена (PE) из строительных и сносных отходов (CDW). Количество древесины, соточного агента (CA) и смазки (Lubr.) было одинаковым во всех образцах.

2. Обработка материалов WPC с технологией экструзии после обработки уменьшения размера

1. Перенесите выявленные и предварительно обработанные материалы на следующий (агломерация) этап обработки.
   ВНИМАНИЕ: Пластиковый материал ABS включает в себя компонент стирола. Международное агентство по исследованию рака считает, что стирол "возможно канцерогенных для человека". Таким образом, агломерация шаг в действии не был включен в съемках, но его процесс изложен в этой работе. Кроме того, во время съемок в экструзионом производстве использовался только полимер PP или PE.
2. Выполните агломерацию материала.
   1. Смешайте все компоненты процесса (полимер, дерево, сотый агент и смазка) в аппарате, который состоит из турбомиксера и охладителя. Агломерат материалов в турбомиксере до тех пор, пока температура материалов не достигла 200 градусов по Цельсию. Благодаря комбинированному эффекту температуры и трения, гранулы материал были сформированы после процесса обработки агломерации.
   2. Охладить материалы после лечения турбомиксером в течение 4-7 минут в более прохладном аппарате.
3. Эвакуировать материал из процесса и собрать агломерации материала.
4. Передача материалов, обработанных агломерацией, на следующий этап процесса (экструзия).
   1. Нажмите на панель управления экструзио-машины и проверьте правильные параметры. Средняя температура барреля и инструмента варьировалась от 167 до 181 градусов по Цельсию и 183 и 207 градусов по Цельсию, соответственно. Температура расплава варьировалась от 164 до 177 градусов по Цельсию, а давление смерти было между 3,7 и 5,9 МПА. Отрегулируйте параметры, потому что переработанные материалы неоднородны, и процесс требует профессионального контроля.
   2. Соединение компонентов с использованием конического контрверверного двухвинтового экструдера с выходом материала 15 кг/ч. Параметры материалов представлены в таблице 2. После процесса экструзии был создан профильный материал композита.

Материал	Баррель Т КК	Инструмент Т КК	Растопить T КК	Расплава Давление (бар)	Кормления скорость (кг/ч)	Авг.Винт скорость (об/мин)
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

Таблица 2: Параметры обработки композитных материалов. (Значения после отметки «±» указывают на стандартные отклонения. Avg. - средний)

3. Выборка произведенных материалов и анализ свойств

1. Подготовка образцов для испытаний механических свойств в лаборатории.
   1. Вырезать образцы из экструдированных профилей с помощью машины (т.е. раздвижной пилы стола). Для испытаний необходимы три образца разного размера: гибкие, напряженные и ударные прочности.
   2. Определите размер тестовых образцов в соответствии с применимыми стандартами, основываясь на рекомендации EN 15534^16. В соответствии со стандартом, проверить как минимум пять образцов, но количество измерений может быть больше, чем пять, если требуется большая точность среднего значения.
2. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для гибкого теста свойства, в соответствии со стандартным EN 310¹⁷.
   1. Для образца используйте раздвижную пилу со следующими габаритами: 800 мм x 50 мм x 20 мм (длина, ширина, толщина).
   2. Изготовить 20 образцов для анализа гибких свойств (прочность и модуль).
3. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для испытания на напряженное свойство, в соответствии со стандартным EN ISO 527 2¹⁸. Используйте раздвижную пилу, чтобы разрезать материал на следующие размеры: 150 мм х 20 мм х 4 мм (длина, ширина, толщина).
   1. Установите материальные преформы для обработки формы тупого колокола с помощью компьютерного численного управления (CNC). Ширина выборки на ее узкой части составила 10 мм, а поперечная площадь поверхности образца составила 4 мм х 10 мм, где был решен напряженный стресс. Длина узкой части составила 60 мм, закончив в закругленный угол с радиусом 60 мм.
   2. Сделайте 20 образцов для анализа напряженных свойств (прочность и модуль).
4. Пила тестовых образцов из экструдированного материала для испытания силы удара, в соответствии со стандартным EN ISO 179-1¹⁹.
   1. Используйте раздвижную таблицу пилы, чтобы сократить образцы в следующих измерениях: 80 мм х 10 мм х 4 мм (длина, ширина, толщина). Сделайте 20 образцов для анализа свойства силы удара.
5. Переместив испытательный материал в камеру с относительной влажностью 23 градусов по Цельсию и 50%, согласно стандарту EN ISO 291^20,до тех пор, пока не будет достигнута постоянная масса. Убедитесь, что образцы обусловлены перед тестированием свойств материала.
6. Выполните тесты (гибкие, напряженные и ударные). Определите механические характеристики образцов по flexural и напряженным испытаниям прочности с помощью испытательной машины в соответствии со стандартами EN^{310 17} и EN ISO 527-2¹⁸ соответственно.
   1. Выполните гибкий тест прочности и модуль для каждого из 20 образцов, используя испытательный аппарат. Установите гибкий тестовый образец при поддержке двух точек и примените нагрузку к центру образца, нажав тестовый старт в компьютерной программе, которая управляет испытательным аппаратом, с предварительной нагрузкой 15 Н и тестовой скоростью 10 мм/мин. Тест автоматически останавливается после записи результата. Удалите тестовый образец из инструментов поддержки и установите новый образец на инструменты.
      1. Повторите процедуру до тех пор, пока не будет проверено 20 образцов и не будут зарегистрированы результаты программы. Компьютерная программа вычисляет средние результаты теста.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол можно приостановить здесь, в то время как тестовые инструменты будут изменены для испытательного аппарата.
   2. Выполните тест на прочность и модуль для 20 машинных (тупо-колоколообразных) образцов. Установите напряженный тестовый образец между испытательными инструментами и прикрепите пневматические зажимы, которые будут хранить образец в инструментах во время теста. Начните тест с панели управления компьютером, с предварительной нагрузкой 10 N и скоростью тестирования 2 мм/мин, и приложите инструмент удлинитель сразу после начала теста.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент удлинитель измеряет напряженный модуль из образца. Каждый тест автоматически останавливался после того, как был записан его результат.
      1. Удалите тестовый образец из инструмента после каждого теста и установите новый образец на инструменты. Повторите процедуру для всех образцов. Компьютерная программа вычисляет средние значения результатов.
   3. Выполните тест на прочность удара с тестером удара, в соответствии со стандартным EN ISO 179-1¹⁹. Установите 10 мм х 4 мм размер (ширина, толщина) образца между поддержкой, сбросить силу и освободить удар молоток 5 kpcm.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разрывы образца испытания прочности удара из-за удара молотка и количества поглощенной энергии видимы в индикаторе тестера.
      1. Завехайте результат и повторите для 20 образцов, после чего рассчитывается среднее значение силы удара. Записанные результаты были в блоке "kpcm", который был изменен в joule (J), и результаты были представлены как килоджоуль на квадратный метр.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Промежуток между поддержкой выборки (расстояние между линиями контакта образца) в испытании прочности удара был 62 мм или, в качестве альтернативы, 20x его толщина.
7. Проанализируйте результаты механических испытаний, которые представлены на рисунке 1, рисунке 2 и рисунке 3.

Результаты

Для изучения влияния пластикового полимера CDW на механические свойства WPC были изучены три различных типа полимеров в качестве матрицы. В таблице 1 представлен состав материалов, а в таблице 2 представлены производственные процессы. Материал CDW-PP требует более высокой ...

Обсуждение

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?...

Материалы

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