تأثير البناء والهدم نفايات الجزيئات البلاستيكية على خصائص الخشب والبوليمر المركب

Summary

وقد تبين أن تدفقات المواد الثانوية تتضمن مواد أولية محتملة للإنتاج. هنا هو بروتوكول الذي يتم تحديد النفايات البلاستيكية CDW كمادة خام، تليها خطوات معالجة مختلفة (التجمع، البثق). ونتيجة لذلك، تم إنتاج مادة مركبة، وتم تحليل الخصائص الميكانيكية.

Abstract

نفايات البناء والهدم، بما في ذلك المواد القيمة مثل البلاستيك، لها تأثير ملحوظ على قطاع النفايات. من أجل المواد البلاستيكية التي يمكن إعادة استخدامها، يجب تحديدها وفصلها وفقا لتكوين البوليمر. وفي هذه الدراسة، تم تحديد هذه المواد باستخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR)، الذي حدد المواد استناداً إلى خصائصها الفيزيائية والكيميائية. مزايا طريقة NIR هي تأثير بيئي منخفض وقياس سريع (في غضون ثوان قليلة) في النطاق الطيفي من 1600-2400 نانومتر دون إعداد عينة خاصة. وتشمل القيود عدم قدرتها على تحليل المواد المظلمة. وقد استخدمت البوليمرات المحددة كمكون للخشب البوليمر المركب (WPC) الذي يتكون من مصفوفة البوليمر، حشوات منخفضة التكلفة، والمواد المضافة. وتضاعفت المكونات أولاً مع جهاز التكتل، يليه الإنتاج عن طريق البثق. في عملية التكتل ، كان الهدف هو مضاعفة جميع المواد لإنتاج مواد موزعة ومحببة بشكل موحد ككريات. خلال عملية التكتل ، تم ذوبان البوليمر (المصفوفة) ثم تم خلط الحشوات وغيرها من المواد المضافة في البوليمر الذائب ، حيث تكون جاهزة لعملية البثق. في طريقة البثق، تم تطبيق الحرارة والتهز القوات على مادة داخل برميل من مخروطية مضادة للبرغي المزدوج نوع الطارد، مما يقلل من خطر حرق المواد وانخفاض الاختلاط القص. ثم تم نقل الخليط الساخن والم القص من خلال يموت لإعطاء المنتج الشكل المطلوب. 10 - أثبت البروتوكول المذكور أعلاه إمكانية إعادة استخدام مواد برنامج الطاقة النظيفة. يجب التحقق من الخصائص الوظيفية وفقا للاختبارات الموحدة، مثل الثنية، الشد، واختبارات قوة التأثير للمادة.

Introduction

وقد نما توليد النفايات على الصعيد العالمي بشكل كبير على مر التاريخ، ومن المتوقع أن يزداد بعشرات النسب المئوية في المستقبل ما لم يتم اتخاذ إجراءات¹. وعلى وجه الخصوص، فإن البلدان المرتفعة الدخل قد ولدت أكثر من ثلث النفايات في العالم على الرغم من أنها لا تمثل سوى 16 في المائة من سكان العالم¹. وقطاع البناء منتج هام لهذه النفايات بسبب التوسع الحضري السريع والنمو السكاني. ووفقا للتقديرات، فإن ما يقرب من ثلث النفايات الصلبة العالمية تتشكل من مشاريع البناء والهدم؛ ومع ذلك، القيم الدقيقة من مناطق مختلفة مفقودة². في الاتحاد الأوروبي (EU)، كمية نفايات البناء والهدم (CDW) حوالي 25٪ -30٪ من إجمالي النفايات توليد^3،وتشمل قيمة وكبيرة المواد الخام الثانوية، مثل البلاستيك. وبدون جمع وإدارة منظمين، قد يلوث البلاستيك النظم الإيكولوجية ويؤثر عليها سلبا. في عام 2016، تم توليد 242 مليون طن من النفايات البلاستيكية في العالم¹. وكانت حصة البلاستيك المعاد تدويره في أوروبا فقط 31.1٪⁴.

وقد أدت ندرة الموارد إلى نشوء حاجة إلى تغيير الممارسات نحو اقتصاد دائري، حيث تهدف إلى استخدام النفايات كمصدر للموارد الثانوية واستعادة النفايات من أجل إعادة استخدامها. وسينشأ النمو الاقتصادي والآثار البيئية إلى أدنى حد من خلال الاقتصاد الدائري، وهو مفهوم شائع في أوروبا. واعتمدت المفوضية الأوروبية خطة عمل للاتحاد الأوروبي من أجل اقتصاد دائري، تحدد الأهداف والمؤشرات للمساهمات⁵.

وتسهم الأنظمة والقوانين البيئية الأكثر صرامة في قطاع البناء في بذل المزيد من الجهد في قضايا إدارة النفايات وإعادة تدوير المواد. فعلى سبيل المثال، حدد الاتحاد الأوروبي أهدافاً لاسترداد المواد. من عام 2020 فصاعدا، ينبغي أن يكون معدل استرداد المواد من CDW غير الخطرة 70٪⁶. وقد يختلف تكوين الـ CDW اختلافاً كبيراً من حيث المواقع الجغرافية، ولكن يمكن تحديد بعض الخصائص المشتركة، بما في ذلك، على سبيل المثال، البلاستيك الذي هو مادة خام محتملة وقيمة لمركبات الأخشاب والبوليمرات. إعادة استخدام البلاستيك هو خطوة ملموسة نحو اقتصاد دائري حيث يتم استبدال البوليمرات البلاستيكية البكر من البوليمر المعاد تدويرها.

المواد المركبة هي نظام متعدد المراحل ، ويتألف من مادة مصفوفة ومرحلة التعزيز. الخشب البوليمر المركب (WPC) وعادة ما تحتوي على البوليمرات والمصفوفة ، والمواد الخشبية كتعزيز ، والمواد المضافة لتحسين التصاق ، مثل عوامل اقتران ومواد التشحيم. ويمكن أن يعرف WPC كمادة صديقة للبيئة لأن المواد الخام يمكن أن يكون مصدرها من المواد المتجددة، مثل حمض متعدد الولاتيك (جيش التحرير الشعبي) والخشب. وفقا لأحدث الابتكارات⁷، يمكن أن تستند إضافات WPC على مصادر متجددة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تدوير مصدر المواد الخام (غير عذراء) المواد ، وهو بديل أفضل بيئيا وتقنيا^8. على سبيل المثال، درس الباحثون WPC مقذوف يحتوي على CDW، ووجدت أن خصائص المركبات المستندة إلى CDW كانت في مستوى مقبول⁹. كما أن استخدام المواد الخام المعاد تدويرها كعنصر من عناصر مؤتمر ال WPC هو أيضاً استخدام مقبول من الجانب البيئي، كما أثبتت عدة تقييمات. عموما، وقد ثبت أن استخدام CDW في إنتاج WPC يمكن أن تقلل من التأثيرات البيئية لإدارة CDW¹⁰. وبالإضافة إلى ذلك، فقد وجد أن استخدام البولي بروبلين المعاد تدويرها (PP) البلاستيك في WPC لديه القدرة على الحد من الاحترار العالمي¹¹.

وسوف تزيد كمية البوليمرات المعاد تدويرها المتاحة في المستقبل. وقد زاد الإنتاج العالمي من البلاستيك حوالي 9٪ سنويا، في المتوسط، ومن المتوقع أن تستمر هذه الزيادة في المستقبل¹². وأكثر أنواع البوليمرات البلاستيكية شيوعاً هي، في جملة أمور، البولي بروبلين (PP) والبولي إيثيلين (PE). وكانت أسهم إجمالي الطلب على الـPE وPP 29.8% و19.3% على التوالي، في أوروبا في عام 2017⁴. من المتوقع أن ينمو السوق العالمي لإعادة تدوير البلاستيك بمعدل نمو سنوي قدره 5.6٪ خلال الفترة 2018-2026^13. أحد التطبيقات الرئيسية التي تستخدم فيها البلاستيك هو البناء والبناء. على سبيل المثال، ارتبط ما يقرب من 20٪ من إجمالي الطلب على البلاستيك الأوروبي مع تطبيقات البناء والتشييد⁴. من منظور اقتصادي، واستخدام البوليمرات المعاد تدويرها في تصنيع WPC هو بديل مثير للاهتمام، مما يؤدي إلى إنتاج المواد بتكلفة منخفضة. وقد أظهرت الأبحاث السابقة أن الآثار المادية لها تأثير أقوى على المواد المقذوفة المصنوعة من البلاستيك الثانوي مقارنة مع المواد العذراء المقابلة، ولكن خصائص تعتمد على مصدر البلاستيك¹⁴. ومع ذلك ، فإن استخدام البلاستيك المعاد تدويره يقلل من قوة WPC بسبب انخفاض التوافق^15. الاختلاف بين هياكل البوليمرات البلاستيكية يسبب مخاوف لإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، مما يساهم في أهمية الفرز البلاستيكي على أساس البوليمر.

تهدف هذه الدراسة إلى تقييم استخدام المواد البلاستيكية من CDW كمادة خام ل WPC. كسور البوليمر التي تم تقييمها في الدراسة هي الاكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS) ، البولي بروبلين (PP) ، والبولي ايثيلين (PE). وتعرف هذه الكسور البلاستيكية العالمية داخل CDW. يتم التعامل مع كسور البوليمر مع عمليات التصنيع العامة، مثل التكتل والبثق، ويتم اختبارها مع اختبارات الملكية الميكانيكية العالمية. والهدف الرئيسي من الدراسة هو اكتشاف كيف يمكن أن تتغير خصائص WPC إذا تم استخدام البوليمرات المعاد تدويرها كمادة خام في المصفوفة بدلاً من البوليمرات البكر الأولية.

واستنادا إلى مركز إدارة النفايات (المحلي) (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy)، فقد تبين كيف يتم تخزين CDW الغنية بالبلاستيك. وقد ثبت أن كمية كبيرة من المواد البلاستيكية مدرجة وبعض الأمثلة على البوليمرات البلاستيكية CDW تم عرضها. جمع الباحثون البوليمرات الأكثر ملاءمة لمزيد من المعالجة، مثل ABS، PP، وPE. تم تحديد البوليمرات المطلوبة (PE، PP، ABS) باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء (NIR) المحمولة. وقدمت أمثلة عن منتجات WPC حيث يمكن استخدام المواد البلاستيكية المجمعة كمادة خام. وشرحت اللجنة تعريف المركب ومزاياه.

Protocol

1- تحديد الهوية والمعالجة المسبقة

1. تحديد البوليمرات في البلاستيك باستخدام أداة التحليل الطيفي المحمولة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR) في النطاق الطيفي من 1600 إلى 2400 نانومتر. اتصل بالبوليمر باستخدام أداة التحليل الطيفي وحدد البوليمر بواسطة العاكسة المقاسة.
   1. وفقا لمنحنى تحديد من التحليل الطيفي، وتحليل نتائج تحديد الهوية من الشاشة في المختبر.
2. استنادا إلى نتيجة تحديد، فرز المواد بين البوليمرات وقياس الأوزان الخاصة بها.
   ملاحظة: تم فرز المواد ورجحت وفقا لنتائج التحديد المقاسة. وكانت البوليمرات المختارة لمزيد من المعالجة ABS وPE و PP مع الكميات، 27.1، 14.2، و 44.7 كجم، على التوالي.
3. تنفيذ خفض حجم للمواد البلاستيكية المختارة في ظروف المختبر مع جهاز الكسارة. مكان جمعها وحددت المواد في الجهاز الذي سحق المواد مع القوة الميكانيكية من آثار المطرقة.
   1. سحق المواد البلاستيكية باستخدام نظام تمزيق رمح واحد مع جهاز محطم / التقطيع مجهزة بحجم منخل تتراوح بين 10 إلى 20 ملم.
   2. إخضاع الشظايا البلاستيكية لمحطم منخفض السرعة، مجهز منخل عيار 5 ملم. تأكد من أن المادة متجانسة.
4. قياس كميات المواد للمواد المركبة. اعرض وصفة كمثال على ذلك، وقدم هذه المواد في الكميات النسبية من البلاستيك والخشب وعامل الاقتران ومواد التشحيم (64، 30، 3، و 3 wt، على التوالي).
   ملاحظة: تمت دراسة ثلاثة مركبات مختلفة في هذه الدراسة. كانت البوليمرات البلاستيكية المعاد تدويرها من CDW ABS و PP و PE. وكان حشو المادة المركبة الدقيق الخشب، الذي تم إعداده من أنواع التنوب المجففة (Picea abies) حجم مخفضة باستخدام سحق المعدات وغربلة لحجم متجانس (20 مم شبكة). واستخدمت الإضافات التجارية من وكيل اقتران ومواد التشحيم. تظهر تركيبات واسم المواد المعدة في الجدول 1.

المواد	البوليمر / المبلغ	الخشب	كاليفورنيا	لوبر
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

الجدول 1: تكوين المواد المدروسة. يتكون اسم العينة من مكون المصفوفة المُتضمن، والأكريلونيتريل بوتاديين (ABS)، والبولي بروبلين (PP)، والبولي إيثيلين (PE) من نفايات البناء والهدم. وكانت كميات الخشب، وكيل اقتران (CA) ومواد التشحيم (لوبر. ) هي نفسها في جميع العينات.

2. تجهيز مواد WPC مع تكنولوجيا البثق بعد معالجة تقليل الحجم

1. نقل المواد المحددة والمعالجة مسبقا إلى أقرب الخطوة التالية (التكتل) المعالجة.
   تنبيه: تتضمن المادة البلاستيكية من ABS مكون الستايرين. وتعتبر الوكالة الدولية لبحوث السرطان أن الستيرين "قد يكون مسرطناً للبشر". لذلك، لم يتم تضمين خطوة التجمع في العمل في التصوير ولكن يتم عرض سيريتها في هذا العمل. بالإضافة إلى ذلك، فقط PP أو البوليمر PE استخدمت في إنتاج البثق أثناء التصوير.
2. إجراء تجمع المواد.
   1. اخلط جميع مكونات العملية (البوليمر، الخشب، وكيل الاقتران، ومواد التشحيم) في جهاز يتكون من جهاز شاحن توربيني ومبرد. Agglomerate المواد في turbomixer حتى وصلت درجة حرارة المواد 200 درجة مئوية. بسبب التأثير المشترك لدرجة الحرارة والاحتكاك ، تشكلت مواد الحبيبات بعد عملية المعالجة للتكتل.
   2. تبريد المواد بعد العلاج turbomixer لمدة 4-7 دقائق في جهاز أكثر برودة.
3. إخلاء المواد من العملية وجمع ما يصل المواد التكتل.
4. نقل المواد المعالجة للتكتل إلى الخطوة التالية العملية (البثق).
   1. انقر فوق لوحة التحكم في جهاز البثق وتحقق من المعلمات الصحيحة. وتراوح متوسط درجات حرارة البرميل والأداة بين 167 و181 درجة مئوية، و183 و 207 درجة مئوية على التوالي. اصهر درجة حرارة بين 164 و177 °C، وكانت ضغوط الموت بين 3.7 و 5.9 MPa. ضبط المعلمات لأن المواد المعاد تدويرها غير متجانسة، وتتطلب العملية مراقبة مهنية.
   2. مركب المكونات باستخدام مخروطية مضادة الدورية التوأم المسمار الطارد مع 15 كجم / ساعة إخراج المواد. يتم عرض المعلمات من المواد في الجدول 2. بعد عملية البثق، تم إنشاء مادة ملف التعريف المركب.

المواد	برميل T °C	أداة T °C	تذوب T °C	تذوب الضغط (شريط)	تغذيه معدل (كجم / ساعة)	Avg.Screw السرعة (دورة في الدقيقة)
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

الجدول 2: بارامترات تجهيز المواد المركبة. (تشير القيم بعد علامة '±'إلى الانحرافات المعيارية. متوسط = متوسط)

3. أخذ عينات من المواد المنتجة وتحليلات الخصائص

1. إعداد عينات لاختبارات الملكية الميكانيكية في المختبر.
   1. قطع عينات من ملامح مقذوف مع آلة (أي، منشار جدول انزلاق). هناك حاجة إلى ثلاث عينات مختلفة الحجم للاختبارات: الشد والشد وقوة التأثير.
   2. تحديد حجم عينات الاختبار وفقا للمعايير المعمول بها، استنادا إلى توصية EN 15534^16. ووفقاً للمعيار، اختبر ما لا يقل عن خمس عينات ولكن قد يكون عدد القياسات أكثر من خمسة إذا كان هناك حاجة إلى دقة أكبر للقيمة المتوسطية.
2. عينات اختبار منشار من المواد مقذوف لاختبار الممتلكات المرن، وفقا لEN القياسية 310^17.
   1. استخدام جدول منزلق منشار مع الأبعاد التالية للعينة: 800 مم × 50 مم × 20 ملم (الطول والعرض والسمك).
   2. تصنيع 20 عينة لتحليل الخصائص الثنية (القوة والمصنع).
3. عينات اختبار من رأى من المواد مقذوف لاختبار خاصية الشد، وفقا لمعيار EN ISO 527 2^18. استخدام الجدول انزلاق منشار لقطع المواد إلى الأبعاد التالية: 150 مم × 20 مم × 4 ملم (الطول والعرض والسمك).
   1. تعيين التشكيلات المادية لماكينات شكل البكم جرس عبر التحكم الرقمي الكمبيوتر (CNC). وكان عرض العينة عند جزائها الضيق 10 مم، وكانت مساحة السطح المقطعي العرضي للعينة 4 مم × 10 مم، حيث تم معالجة الإجهاد الشدي. وكان طول الجزء الضيق 60 ملم، وينتهي في زاوية مستديرة مع دائرة نصف قطرها 60 ملم.
   2. جعل 20 عينات لتحليل خصائص الشد (القوة ومعامل).
4. عينات اختبار من رأى من المواد مقذوف لاختبار قوة تأثير، وفقا لمعيار EN ISO 179-1^19.
   1. استخدام الجدول انزلاق منشار لقطع العينات إلى الأبعاد التالية: 80 مم × 10 مم × 4 ملم (الطول والعرض والسمك). جعل 20 عينات لتحليل تأثير قوة الملكية.
5. نقل المواد الاختبار في 23 درجة مئوية و 50٪ غرفة شرط الرطوبة النسبية، وفقا لمعيار EN ISO 291^20،حتى يتم التوصل إلى كتلة ثابتة. التأكد من أن العينات مكيفة قبل اختبار خصائص المواد.
6. إجراء الاختبارات (ثنائية، الشد، والتأثير). تحديد الميزات الميكانيكية للعينات من خلال اختبارات قوة الشد والثني مع آلة اختبار وفقا لمعايير EN 310¹⁷ و EN ISO 527-2¹⁸ على التوالي.
   1. تنفيذ اختبار القوة وال ومعامل المرونة لكل عينة من 20 عينة، باستخدام جهاز الاختبار. تعيين عينة اختبار flexural في دعم نقطتين وتطبيق الحمل على مركز العينة عن طريق النقر فوق اختبار بدء في برنامج الكمبيوتر الذي يتحكم في جهاز الاختبار، مع ما قبل تحميل 15 N وسرعة الاختبار من 10 مم / دقيقة. يتوقف الاختبار تلقائياً بعد تسجيل النتيجة. إزالة عينة اختبار من أدوات الدعم وتعيين نموذج جديد على الأدوات.
      1. كرر الإجراء حتى تم اختبار 20 عينة وتسجيل نتائج البرنامج. يقوم برنامج الكمبيوتر بحساب متوسط النتائج من الاختبار.
         ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول هنا أثناء تغيير أدوات الاختبار لجهاز الاختبار.
   2. قم بإجراء اختبار قوة الشد ومعامل 20 عينة (على شكل جرس البكم). تعيين عينة اختبار الشد بين أدوات الاختبار وإرفاق المشابك الهوائية، والتي سوف تبقي العينة في الأدوات أثناء الاختبار. ابدأ الاختبار من لوحة التحكم في الكمبيوتر، مع حمولة مسبقة تبلغ 10 N وسرعة اختبار 2 مم/دقيقة، وارفق أداة عداد التمديد بعد بدء الاختبار مباشرة.
      ملاحظة: أداة مقياس التمديد تقيس معامل الشد من العينة. توقف كل اختبار تلقائيا بعد تسجيل نتيجته.
      1. قم بإزالة عينة الاختبار من الأداة بعد كل اختبار ثم قم بتعيين عينة جديدة على الأدوات. تكرار الإجراء لكافة العينات. يقوم برنامج الكمبيوتر بحساب متوسط قيم النتائج.
   3. إجراء اختبار قوة تأثير مع اختبار تأثير، وفقا لمعيار EN ISO 179-1^19. تعيين 10 مم × 4 ملم حجم (العرض، سمك) عينة بين الدعم، وإعادة تعيين القوة والافراج عن مطرقة تأثير 5 kpcm.
      ملاحظة: تتمزق عينة اختبار قوة التأثير بسبب تأثير المطرقة وكمية الطاقة الممتصة مرئية في مؤشر المختبر.
      1. تسجيل النتيجة وتكرار ل 20 عينات، وبعد ذلك يتم حساب متوسط قيمة قوة تأثير. وكانت النتائج المسجلة في وحدة "kpcm" التي تم تغييرها إلى جول (J)، وتم تقديم النتائج على شكل كيلوجول لكل متر مربع.
         ملاحظة: كان الامتداد بين نموذج الدعم (المسافة بين خطوط الاتصال من العينة) في اختبار قوة التأثير 62 مم أو، بدلاً من ذلك، 20x سمكه.
7. تحليل نتائج الاختبارات الميكانيكية، التي ترد في الشكل 1، الشكل 2 والشكل 3.

النتائج

للتحقيق في تأثير البوليمر البلاستيك CDW على الخصائص الميكانيكية للWPC، تمت دراسة ثلاثة أنواع بوليمر مختلفة كمصفوفة. ويعرض الجدول 1 تكوين المواد، ويقدم الجدول 2 تقارير عن عمليات التصنيع. المواد من CDW-PP يتطلب درجة حرارة أعلى للمعالجة الأدوات ولكن، في المقابل، كان ضغط الذوبان ...

Discussion

تلعب الخواص الميكانيكية لـ WPC دورًا مهمًا في تحديد مدى ملاءمة هذه المنتجات في التطبيقات المختلفة. تتكون WPC من ثلاثة مكونات رئيسية: البلاستيك والخشب والمواد المضافة. تعتمد الخصائص الميكانيكية للمركبات القائمة على الألياف على طول الألياف المستخدمة ، حيث "طول الألياف الحرجة" هو المصطلح المس?...

Materials

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