İnşaat ve Yıkım Atık Plastik Fraksiyonlarının Ahşap-Polimer Kompozit Özellikleri Üzerine Etkisi

Özet

İkincil malzeme akışlarının üretim için potansiyel hammaddeleri içerdiği gösterilmiştir. Burada sunulan bir hammadde olarak CDW-plastik atık tespit edildiği bir protokol, çeşitli işleme adımları (aglomerasyon, ekstrüzyon) takip. Sonuç olarak kompozit malzeme üretildi ve mekanik özellikler analiz edildi.

Özet

Plastik gibi değerli malzemeler de dahil olmak üzere inşaat ve yıkım atıkları (CDW) atık sektörü üzerinde dikkate değer bir etkiye sahiptir. Plastik malzemelerin yeniden kullanılabilmesi için polimer kompozisyonlarına göre tanımlanmalı ve ayrıştırılmalıdır. Bu çalışmada, bu malzemelerin tanımlanması, fiziksel-kimyasal özelliklerine göre malzemeyi tanımlayan yakın kızılötesi spektroskopi (NIR) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. NIR yönteminin avantajları, özel numune hazırlama olmadan 1600-2400 nm spektral aralığında düşük çevresel etki ve hızlı ölçüm (birkaç saniye içinde) dir. Sınırlamalar karanlık maddeleri analiz edememesini içerir. Tanımlanan polimerler, polimer matris, düşük maliyetli dolgu maddeleri ve katkı katkı maddelerinden oluşan ahşap polimer kompozit (WPC) için bir bileşen olarak kullanılmıştır. Bileşenler ilk olarak bir aglomerasyon aparatı ile birleştirildi, ardından ekstrüzyon ile üretim yapıldı. Aglomerasyon sürecinde amaç, tüm malzemelerin tek tip olarak dağıtılmış ve granüllenmiş maddeleri pelet olarak üretmek için biraraya getirmekti. Aglomerasyon işlemi sırasında polimer (matris) eritildi ve dolgu maddeleri ve diğer katkı maddeleri eritilmiş polimer içine karıştırılarak ekstrüzyon işlemine hazır olarak hazır bırakıldı. Ekstrüzyon yönteminde, konik ters dönen çift vidalı tip ekstrüzyonun namlusundaki bir malzemeye ısı ve kesme kuvvetleri uygulandı, bu da malzemelerin yanma ve daha düşük makas karıştırma riskini azaltıyor. Isıtılan ve yıkıntılı karışım daha sonra ürün istenilen şekli vermek için bir kalıp yoluyla iletildi. Yukarıda açıklanan protokol, CDW malzemelerinin yeniden kullanılma potansiyelini kanıtlamıştır. Fonksiyonel özellikler, malzeme için fleksural, çekme ve darbe mukavemeti testleri gibi standart testlere göre doğrulanmalıdır.

Giriş

Küresel atık üretimi tarih boyunca önemli ölçüde büyüdü ve eylem¹yapılmazsa gelecekte yüzde onlarca artış öngörüldüğütahmin edilir. Özellikle, yüksek gelirli ülkeler dünya nüfusunun sadece % 16'sını oluştursalar da dünya atıklarının üçte birinden fazlasını oluşturmuşlardır^1. İnşaat sektörü hızlı kentleşme ve nüfus artışı nedeniyle bu atıkların önemli bir üreticisidir. Tahminlere göre, küresel katı atıkların yaklaşık üçte biri inşaat ve yıkım projelerinden oluşur; ancak, farklı alanlardaki tam değerler²eksiktir. Avrupa Birliği'nde (AB) inşaat ve yıkım atıklarının (CDW) miktarı toplam atık üretimi^3'ünyaklaşık %25-30'udur ve plastik gibi değerli ve önemli ikincil hammaddeleri içerir. Organize toplama ve yönetim olmadan, plastik ekosistemleri kirletebilir ve olumsuz etkileyebilir. 2016 yılında dünyada 242 milyon ton plastik atık^üretildi. Avrupa'da geri dönüştürülmüş plastik payı sadece% 31.1⁴oldu.

Kaynak kıtlığı, amaçların atıkları ikincil kaynak olarak kullanmak ve atıkları yeniden kullanmak için geri kazanmak olduğu dairesel bir ekonomiye yönelik uygulamaları değiştirme ihtiyacı yaratmıştır. Avrupa'da popüler bir kavram olan dairesel ekonomi, ekonomik büyüme ve en aza indirilmiş çevresel etkiler yaratacaktır. Avrupa Komisyonu, katkıları için hedefler ve göstergeler belirleyen dairesel bir ekonomi için Avrupa Birliği Eylem Planı'nı kabul etti^5.

Daha sıkı çevre düzenlemeleri ve yasaları, inşaat sektörüne atık yönetimi ve malzeme geri dönüşümü konularında daha fazla çaba harcanmasına katkıda bulunmaktadır. Örneğin, Avrupa Birliği (AB) maddi kurtarma için hedefler belirlemiştir. 2020 yılından itibaren, tehlikeli olmayan CDW'nin malzeme geri kazanım oranı %70⁶olmalıdır. CDW bileşimi coğrafi konumlar arasında büyük ölçüde değişebilir, ancak bazı ortak özellikleri, örneğin, ahşap-polimer kompozitler için potansiyel ve değerli bir hammadde plastik de dahil olmak üzere tanımlanabilir. Plastiğin yeniden kullanımı, bakire plastik polimerlerin geri dönüştürülmüş polimerile değiştirildiği dairesel bir ekonomiye doğru atılmış somut bir adımdır.

Kompozit malzemeler, matris malzeme ve takviye fazından oluşan çok fazlı bir sistemdir. Ahşap polimer kompozit (WPC) genellikle matris olarak polimerler içerir, takviye olarak ahşap malzemeler, ve yapıştırıcı geliştirmek için katkı maddeleri, kaplin ajanlar ve yağlar gibi. Hammadde polilaktik asit (PLA) ve ahşap gibi yenilenebilir malzemelerden temin edilebilir, çünkü WPC çevre dostu bir malzeme olarak bilinen olabilir. En son yenilik⁷göre, WPC katkı maddeleri yenilenebilir kaynaklara dayalı olabilir. Ayrıca, hammadde kaynağı geri dönüştürülebilir (bakire olmayan) malzemeler, hangi bir ekolojik ve teknik olarak üstün alternatif⁸. Örneğin, araştırmacılar CDW içeren ekstrüzyon wpc inceledik ve CDW tabanlı kompozitözellikleri kabul edilebilir bir^düzeyde9 olduğunu bulundu. WPC için bir bileşen olarak geri dönüştürülmüş hammadde kullanımı da çevresel açıdan kabul edilebilir, çeşitli değerlendirmeler tarafından kanıtlanmıştır. Genel olarak, WPC üretiminde CDW kullanarak CDW yönetiminin çevresel etkilerini azaltabilir gösterilmiştir^10. Buna ek olarak, WPC geri dönüşümlü polipropilen (PP) plastik kullanarak küresel ısınma yı azaltmak için potansiyele sahip olduğu bulunmuştur^11.

Mevcut geri dönüştürülmüş polimerlerin miktarı gelecekte artacaktır. Küresel plastik üretimi yılda ortalama olarak yaklaşık % 9 artmıştır ve bu artış gelecekte¹²devam edeceği beklenmektedir. En genel plastik polimer tipleri, diğerlerinin yanı sıra, polipropilen (PP) ve polietilen (PE) vardır. 2017⁴yılında Avrupa'da PE ve PP için toplam talep payı sırasıyla %29,8 ve %19,3 olarak gerçekleşmiştir. Küresel plastik geri dönüşüm pazarının 2018-2026 döneminde yıllık %5,6 büyüme¹³hızıyla büyümesi beklenmektedir. Plastiklerin kullanıldığı ana uygulamalardan biri de inşaat ve inşaattır. Örneğin, Avrupa plastik için toplam talebin neredeyse% 20 bina ve inşaat uygulamaları ile ilişkili⁴. Ekonomik açıdan bakıldığında, WPC üretiminde geri dönüştürülmüş polimerlerin kullanımı ilginç bir alternatiftir, düşük maliyetli malzemelerin üretimine yol açan. Önceki araştırmalar, fiziksel etkilerin ikincil plastikten yapılan ekstrüzyon malzemeleri üzerinde ilgili bakire malzemeye göre daha güçlü bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir, ancak özellikleri plastik kaynak¹⁴bağlıdır. Ancak, geri dönüşümlü plastik kullanımı wpc gücünü düşük uyumluluk nedeniyle azaltır^15. Plastik polimerlerin yapıları arasındaki değişim, polimer e dayalı plastik sıralamanın önemine katkıda bulunan yeniden kullanım ve geri dönüşüm endişelerine neden olur.

Bu çalışma, CdW'den plastik malzeme kullanımını WPC için hammadde olarak değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmada değerlendirilen polimer fraksiyonları akrilonitril bütadien stiren (ABS), polipropilen (PP) ve polietilen (PE) olup. Bunlar CDW içinde evrensel plastik fraksiyonları olarak bilinir. Polimer fraksiyonları, aglomerasyon ve ekstrüzyon gibi genel üretim süreçleri ile tedavi edilir ve evrensel mekanik özellik testleri ile test edilir. Çalışmanın temel amacı, geri dönüştürülmüş polimerler birincil bakire polimerler yerine matris bir hammadde olarak kullanıldığında WPC özellikleri nasıl değişecek keşfetmektir.

(Yerel) atık yönetim merkezi (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) dayanarak, plastik açısından zengin CDW'nin nasıl depolandığını göstermiştir. Bu büyük miktarda plastik malzeme dahil olduğu gösterilmiştir ve CDW plastik polimerler bazı örnekler gösterilmiştir. Araştırmacılar ABS, PP ve PE gibi daha fazla işleme için en uygun polimerleri topladılar. İstenilen polimerler (PE, PP, ABS) taşınabilir yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi kullanılarak tanımlanmıştır. Toplanan plastik malzemelerin hammadde olarak kullanılabileceği WPC ürün örnekleri sunulmuştur. Kompozitin tanımı ve avantajları açıklanmıştır.

Protokol

1. Tanımlama ve ön arıtma

1. 1600-2400 nm spektral aralığında taşınabilir yakın kızılötesi (NIR) spektroskopi aracı ile plastik polimerleri tanımlayın. Spektroskopi aleti ile polimerle iletişime geçin ve ölçülen yansıma ile polimeri belirleyin.
   1. Spektroskopinin tanımlama eğrisine göre laboratuvardaki ekrandan alınan tanımlama sonuçlarını analiz edin.
2. Tanımlama sonucuna göre, polimerler arasında malzemeleri sıralayın ve kendi ağırlıklarını ölçün.
   NOT: Malzeme ölçülen tanımlama sonuçlarına göre sıralandı ve ağırlıklandırıldı. Daha fazla işleme için seçilen polimerler sırasıyla 27.1, 14.2 ve 44.7 kg olan ABS, PE ve PP idi.
3. Bir kırıcı aparatı ile laboratuvar koşullarında seçilen plastik malzemeler için boyut küçültme gerçekleştirin. Çekiç darbelerin mekanik kuvveti ile malzemeleri ezen aparata toplanan ve tanımlanmış malzemeleri yerleştirin.
   1. 10 ila 20 mm arasında değişen elek boyutuna sahip bir kırıcı/parçalayıcı aparatı ile tek şaftlı parçalama sistemi kullanarak plastik malzemeleri ezin.
   2. Plastik parçaları 5 mm elek ile donatılmış düşük hızlı bir kırıcıya tabi tart.edin. Malzemenin homojen olduğundan emin olun.
4. Kompozitler için malzeme miktarlarını ölçün. Bir tarifi örnek olarak gösterin ve bu malzemeleri sırasıyla plastik, ahşap, kaplin maddesi ve yağlayıcı (sırasıyla %64, 30, 3 ve 3 wt) olarak göreceli miktarlarda sunun.
   NOT: Bu çalışmada üç farklı kompozit incelenmiştir. CDW geri dönüşümlü plastik polimerler ABS, PP ve PE idi. Kompozit malzemenin dolgu su, kurutulmuş ladin türlerinden hazırlanan odun unu(Picea abies)boyutu kırma ekipmanları kullanılarak azaltılmış ve homojen bir boyut (20 mm örgü) için elek. Kaplin maddesi ve yağlayıcının ticari katkı maddeleri kullanıldı. Hazırlanan malzemelerin kompozisyonları ve adı Tablo 1'degösterilmiştir.

Malzeme	Polimer / tutar	Ahşap	Ca	Lubr
CDW-ABS	ABS / 30	64	3	3
CDW-PP	PP / 30	64	3	3
CDW-PE	PE / 30	64	3	3

Tablo 1: İncelenen malzemelerin bileşimi. Numunenin adı dahil matris bileşeni oluşur, geri dönüşümlü akrilonitril bütadien stiren (ABS), polipropilen (PP) ve polietilen (PE) inşaat ve yıkım atık (CDW). Tüm örneklerde ahşap, kaplin maddesi (CA) ve yağlayıcı (Lubr.) miktarları aynıydı.

2. WPC malzemelerinin boyut küçültme işleminden sonra ekstrüzyon teknolojisi ile işlenmesi

1. Tanımlanan ve önceden işlenmiş malzemeleri bir sonraki (aglomerasyon) işleme adımına yakın bir şekilde aktarın.
   DİkKAT: ABS plastik malzeme bir stiren bileşeni içerir. Uluslararası Kanser Araştırma Ajansı stirenin "muhtemelen insanlar için kanserojen" olduğunu düşünüyor. Bu nedenle, eylem aglomerasyon adım filme dahil edilmedi ama süreci bu çalışmada özetlenmiştir. Ayrıca, sadece PP veya PE polimer ekstrüzyon üretiminde filme sırasında kullanılmıştır.
2. Malzemenin aglomerasyon gerçekleştirin.
   1. İşlemin tüm bileşenlerini (polimer, ahşap, kaplin maddesi ve yağlayıcı) turbomikser ve soğutucudan oluşan bir cihazda karıştırın. Malzemelerin sıcaklığı 200 °C'ye ulaşana kadar turbomikserin deki malzemeleri aglomeralayın. Sıcaklık ve sürtünmenin kombine etkisi nden dolayı granül ler aglomerasyonun tedavi sürecinden sonra oluşmuştur.
   2. Turbomixer tedavisinden sonra malzemeleri soğutucu bir aparatta 4-7 dakika soğutun.
3. İşlemden malzeme boşaltın ve aglomera malzeme toplamak.
4. Aglomerasyon la işlenmiş malzemeleri bir sonraki işlem adımına (ekstrüzyon) aktarın.
   1. Ekstrüzyon makinesinin kontrol paneline tıklayın ve doğru parametreleri kontrol edin. Ortalama varil ve takım sıcaklıkları sırasıyla 167 ile 181 °C arasında, 183 ve 207 °C arasında değişmektedir. Erime sıcaklığı 164 ile 177 °C arasında, kalıp basınçları ise 3.7 ile 5.9 MPa arasında değişmekteydi. Geri dönüştürülmüş malzemeler heterojen olduğundan ve işlem profesyonel kontrol gerektirdiğinden parametreleri ayarlayın.
   2. 15 kg/h malzeme çıkışı ile konik ters dönen çift vidalı ekstrüder kullanarak bileşenleri birleştirin. Malzemelerin parametreleri Tablo 2'de sunulmuştur. Ekstrüzyon işleminden sonra kompozitprofil malzemesi oluşturuldu.

Malzeme	Namlu T °C	Araç T °C	Erime T °C	Eritmek Basınç (çubuk)	Besleme hızı (kg/h)	Avg.Vida hız (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

Tablo 2: Kompozit malzemelerin işleme parametreleri. ('±' işaretinden sonraki değerler standart sapmaları gösterir. Avg. = ortalama)

3. Üretilen malzemelerin örneklemesi ve özelliklerinin analizleri

1. Laboratuvarda mekanik özellik testleri için numuneler hazırlayın.
   1. Ekstrüde profillerden alınan örnekleri bir makineyle (örn. sürgülü bir masa testeresi) kesin. Testler için üç farklı boyutta numune gereklidir: fleksural, çekme ve darbe mukavemeti.
   2. EN 15534^16'nıntavsiyesine göre test numunelerinin boyutunu ilgili standartlara göre belirleyin. Standarda göre, en az beş numune test edin, ancak ortalama değerin daha fazla hassasiyeti gerekiyorsa ölçüm sayısı beşten fazla olabilir.
2. Standart EN 310^17'yegöre flekstural özellik testi için ekstrüzyon malzemelerinden alınan test örneklerini gördüm.
   1. Örnek için aşağıdaki boyutlarda bir sürgülü tablo testere kullanın: 800 mm x 50 mm x 20 mm (uzunluk, genişlik, kalınlık).
   2. Fleksural özelliklerin (mukavemet ve modül) analizi için 20 numune üretin.
3. Standart EN ISO 527 2^18'egöre, çekme özelliği testi için ekstrüzyon malzemelerinden testere testi örnekleri. Malzemeyi aşağıdaki boyutlara kesmek için sürgülü tablo testeresini kullanın: 150 mm x 20 mm x 4 mm (uzunluk, genişlik, kalınlık).
   1. Bilgisayar sayısal kontrol (CNC) ile bir dumb-bell şekliişleme için malzeme preformları ayarlayın. Numunenin dar kısmındaki genişliği 10 mm, numunenin kesit yüzey alanı 4 mm x 10 mm olup, gerilme gerilimi giderilmiştir. Dar kısmın uzunluğu 60 mm olup, yarıçapı 60 mm olan yuvarlak bir köşede sonlandı.
   2. Çekme özelliklerinin (mukavemet ve modül) analizi için 20 numune yapın.
4. Standart EN ISO 179-1^19'agöre, darbe mukavemettesti için ekstrüzyon malzemelerinden testere testi örnekleri.
   1. Örnekleri aşağıdaki boyutlara kesmek için sürgülü tablo testeresini kullanın: 80 mm x 10 mm x 4 mm (uzunluk, genişlik, kalınlık). Darbe mukavemeti özelliğinin analizi için 20 numune yapın.
5. Test malzemesini standart EN ISO 291^20'yegöre 23 °C ve %50 bağıl nem durumu odasına sabit bir kütleulaşıncaya kadar taşıyın. Malzeme özellikleri test edilmeden önce numunelerin şartlandırıldığından emin olun.
6. Testleri (fleksural, çekme ve darbe) gerçekleştirin. En 310¹⁷ ve EN ISO 527-2¹⁸ standartlarına uygun olarak bir test makinesi ile numunelerin mekanik özelliklerini fleksural ve çekme mukavemet testleri ile belirleyin.
   1. Test cihazını kullanarak 20 numunenin her biri için esnek mukavemet ve modül testi yapın. 15 N ön yük ve 10 mm/dk test hızı ile test cihazını kontrol eden bilgisayar programında Test başlat'ı tıklayarak iki noktanın desteğinde esnek test numunesini ayarlayın ve numunenin merkezine bir yük uygulayın. Test, sonucu kaydettikten sonra otomatik olarak durur. Destek araçlarından test örneğini çıkarın ve araçlara yeni bir örnek ayarlayın.
      1. 20 örnek test edilene ve program sonuçları kaydedilene kadar tekrar prosedürü. Bilgisayar programı testin ortalama sonuçlarını hesaplar.
         NOT: Test cihazları test cihazları değiştirilirken protokol burada duraklatılabilir.
   2. 20 işlenmiş (dumb-bell şeklinde) numune için çekme mukavemeti ve modül testi yapın. Test araçları arasında çekme testi örneğini ayarlayın ve test sırasında numuneyi araçlarda tutacak pnömatik kelepçeler takın. Testi 10 N'lik ön yük ve 2 mm/dk'lık test hızıyla bilgisayar kontrol panelinden başlatın ve test başladıktan hemen sonra bir uzatma ölçer aracı takın.
      NOT: Uzatma ölçer aracı, numunedeki çekme modüllerini ölçer. Her test, sonucu kaydedildikten sonra otomatik olarak durduruldu.
      1. Her testten sonra test örneğini araçtan çıkarın ve araçlara yeni bir örnek ayarlayın. Tüm numuneler için yordamı tekrarlayın. Bilgisayar programı ortalama sonuç değerlerini hesaplar.
   3. Standart EN ISO 179-1^19'agöre, bir darbe test edicisi ile darbe mukavemettesti gerçekleştirin. Destek arasındaki 10 mm x 4 mm boyutu (genişlik, kalınlık) örneğini ayarlayın, kuvveti sıfırlayın ve 5 kpcm darbe çekicini bırakın.
      NOT: Çekiç etkisi ve emilen enerji miktarı nedeniyle darbe mukavemeti testi örnek rüptürü test göstergesinde görülebilir.
      1. Sonucu kaydedin ve darbe mukavemetinin ortalama değeri hesaplanan 20 örnek için tekrarlayın. Kaydedilen sonuçlar joule (J) olarak değiştirildi "kpcm" birimi, ve sonuçlar metrekare başına bir kilojoule olarak sunuldu.
         NOT: Darbe mukavemettestinde numune desteği (numunenin temas çizgileri arasındaki mesafe) arasındaki mesafe 62 mm veya alternatif olarak kalınlığı 20 kat idi.
7. Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3'tesunulan mekanik testlerden elde edilen sonuçları analiz edin.

Sonuçlar

CDW plastik polimerin WPC'nin mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak için matris olarak üç farklı polimer türü incelenmiştir. Tablo 1 malzemelerin bileşimini sunar ve Tablo 2 üretim süreçlerini rapor etmektedir. CDW-PP'nin malzemesi aletler için daha yüksek bir arıtma sıcaklığı gerektirir, ancak buna karşılık, erime basıncı diğer malzemelere (CDW-ABS ve CDW-PE) göre daha düşüktür.

Şekil 1,

Tartışmalar

WPC mekanik özellikleri çeşitli uygulamalarda bu ürünlerin uygunluğu karar önemli bir rol oynamaktadır. WPC üç ana maddeleroluşur: plastik, ahşap, ve katkı maddeleri. Elyaf bazlı kompozitlerin mekanik özellikleri kullanılan elyafın uzunluğuna bağlıdır, burada "kritik lif uzunluğu" yeterli takviyeyi göstermek için kullanılan terimdir²⁵. Malzemelerin özelliklerine ek olarak, hammadde kalitesi WPC performansı için önemli bir faktördür. Özellikle geri dönüştürülmü...

Malzemeler

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