Method Article
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.
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.
Глобальная генерация отходов значительно выросла на протяжении всей истории и, по прогнозам, увеличится на десятки процентов в будущем, если не будут принятымеры 1. В частности, страны с высоким уровнем дохода произвели более одной трети мировых отходов, хотя они составляют лишь 16% мировогонаселения 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 областейотсутствуют 2. В Европейском союзе (ЕС) количество строительных и сносных отходов (CDW) составляет примерно 25%-30% от общего объемаотходов производства 3, и включает всебя 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 пластиковыхотходов. 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 взносов5.
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 приемлемомуровне 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 2017году 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 приложениями4. 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 отисточника 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.
1. Идентификация и предварительное лечение
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
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
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 температуры обработки инструментов, но, соответственно, давление расплава было ниже по сравнению с другими материалами (CDW-ABS и CDW-PE).
На рисунке 1 представлена гибкость материала (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Наивысшие значения гибкости прочности были достигнуты с материалом, содержащим переработанный полимер ABS в матрице. Почти конгруэнтное высокотякое качество было достигнуто в материале, в котором переработанный полимер PE использовался в матрице. Самые низкие гибкие сильные стороны были достигнуты с материалом, содержащим переработанный полимер PP в матрице. На рисунке 1 также представлены аналогичные результаты для гибкого модула материалов, который измерялся одновременно с прочностью свойства. Однако, несмотря на то, что переработанные полимеры ABS и PE имеют конгруэнтные результаты, как и в тестах на прочность, результаты flexural modulus были разными. Переработанные материалы PE имеют значительно более низкую стоимость modulus по сравнению со стоимостью переработанного полимера ABS.
Рисунок 1: Гибкие свойства изучаемых материалов.
Гибкость представлена в сплошных цветных барах (красном, зеленом и синем), а флексуальный модуль представлен с использованием тех же цветов в заполненных узором барах. Стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
На рисунке 2 показана прочность и модуль (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Материалы, в которых использовались переработанные АБС и ПЭ, имеют почти конгруэнтные результаты прочности, но стандартное отклонение было выше для материала, в котором использовалась переработанная АБС. Самой слабой напряженной прочностью был достигнут материал, содержащий переработанный полимер PP в матрице. Результаты напряженного модула совпадали с результатами гибкого модула, в котором лучший модуль был достигнут с переработанным полимером ABS.
Рисунок 2: Напряженные свойства изучаемых материалов.
Сила прочности представлена в сплошных цветных барах (красный, зеленый и синий), а напряженный модуль представлен с использованием тех же цветов в заполненных узором барах. Стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
На рисунке 3 отображаются свойства силы удара материалов (в среднем от 20 измерений) в качестве барных диаграмм, включая стандартные отклонения в качестве бара ошибок. Сильные стороны воздействия переработанных полимеров ABS и PP были почти на том же уровне, но большая прочность удара была достигнута с переработанным полимером PE, который имел лучшее свойство прочности удара в этом изучении.
Рисунок 3: Свойства силы удара изученных материалов.
Сила удара представлена в сплошных цветных барах, а стандартные отклонения описываются как бары ошибок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
ПОЛИМЕР ABS состоит из трех мономеров, что может увеличить благоприятное поведение внутри WPC. Например, компонент акрилонитрила способствует прочности, компоненты бутадиена способствуют устойчивости к воздействию, а компоненты стирола способствуют жесткости. PE основе WPC приходится самая большая доля рынка, например, в Северной Америке, и это легко гвоздь, винт, и пилы. Тем не менее, PE производится в различных полимерных формах, таких как полиэтилен высокой плотности (HDPE) и полиэтилен низкой плотности (LDPE), которые имеют различные особенности. ПП основе WPC были слабые свойства в этом исследовании, в соответствии с тем, что его доля на рынке является относительно небольшой. Хотя он имеет несколько превосходных свойств по сравнению с полиэтиленом, таких как легче и сильнее, он также является более хрупким, чем полиэтилен21.
В целом, переработка композитов является экологическипредпочтительным путем 8, и переработанных отходов пластика является подходящим сырьем для композитов, в котором производительность может быть улучшена с помощью совместимых22. Причиной различных механических свойств может быть состав материалов и, в частности, соединение агента может иметь значительный эффект. Механические свойства переработанных полимеров в WPC были улучшены с совместимыми, но эффект сильно зависит от используемого агента и его количество в структуре, вызывая большие различия между используемымиагентами 23. Предыдущее исследование показало, что самая высокая производительность PP на основе WPC была достигнута с количеством совместимых натрех процентных уровнях 24, что совпадает с количеством, используемым в данном исследовании. Таким образом, используемый агент связи может быть более проблематичным, чем уровень агента. Тем не менее, общепризнано, что механическая производительность WPCs улучшается, когда акселинг агентов используются в оптимизированныхусловиях 25.
Каждый полимер имеет индивидуальные особенности в материале, демонстрируя, что разделение полимеров увеличивает ценность WPC с правильными добавками. В будущем для удовлетворения спроса могут быть использованы новые экологически чистые альтернативные ас-соединения для переработанных полимерных композитов, таких как крахмальная резинка, показанная в новом исследовании Rocha и Rosa26. Кроме того, повторное использование пластика должно иметь экономический смысл, и, таким образом, также требует будущих действий.
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 длина волокна" является термин, используемый для обозначения достаточного укрепления25. Помимо свойств ингредиентов, качество сырья является важным фактором для производительности WPC. В этом исследовании, в частности, там, где использовалось переработанное сырье, большое внимание уделялось сырью. В этом исследовании использовались материалы, по которым были использованы CDW, которые могут варьироваться в зависимости от строительных площадок, и эта изменчивость является критическим фактором при сравнении различных исследований. Таким образом, материал должен быть изучен в соответствии со стандартизированными тестами, которые обеспечивают единообразное качество продукции.
В flexural испытании, материал WPC испытывает сжатый усилие на нагрузк-подшипниковой стороне и соответственно, напряженный усилие на противоположном конце. Метод тестирования основан на стандарте деревянных панелей (EN 310), иллюстрирующих гибкие свойства экструдированного профиля в реальном использовании. Гибкий тест вызовет сжатие (на верхней поверхности) и напряженный (на нижней стороне) стресс для материала, поэтому важно, чтобы экструдированный (полый) профиль симметричен. Другой тест на гибкое свойство (например, стандартный EN ISO 17827),где размеры выборки были меньше, не даст реальной ценности для используемого профиля экструзии, но будет анализировать свойство материала без эффекта полого профиля. Важно использовать стандартизированное расстояние между пролетами поддержки, поскольку это влияет на результаты. Гибкость зависит линейно от опорного пролета, в котором увеличение пролета поддержки приводит к пропорциональному снижению нагрузки28.
Как правило, напряженный модуль увеличивается с увеличением содержания PP полимера в древесномволокне 25. Поэтому можно предположить, что состав материалов, в том числе добавок, таких как сотый агент, не был оптимальным для этого материала. Самая высокая разница между толщинами напряженных тестовых образцов составила 0,94 мм; это изменение указывает на то, что крепление образцов является критическим шагом. В состав испытательной машины входили пневматические крепления, которые вызывают излишние силы с различной толщиной образцов. Поэтому измерение силы должно быть сброшено в начале напряженного теста, чтобы пневматические крепления не искажали результаты. Кроме того, это устранение неполадок может быть устранено путем производства однородных тестовых образцов на этапе отбора проб.
Испытание прочности удара иллюстрирует различную механическую характеристику материала потому что оно измеряет сиюминутное напряжение, пока большое часть из других испытаний измеряет долгосрочное напряжение материала. Увеличение содержания древесного волокна уменьшило силу удара25. Размеры образцов должны быть измерены во всех тестах, и могут быть различия между исследователями в использовании измерительных приборов (например, сила сжатия при использовании калипера или микрометра). Поэтому важно, чтобы один и тот же человек измеряет размеры образцов в каждом тесте, тем самым исключая человеческие ошибки в измерениях. Другой вариант в качестве метода модификации заключается в использовании устройства, которое включает в себя момент для сжатия. Кроме того, испытательная атмосфера может влиять на изучаемые свойства. В этом исследовании, все изученные тесты были проведены в одинаковых условиях, так что эффект атмосферы был похож, и имел совпадающий эффект для каждого теста. В будущем тесты могут проводиться в помещении, где атмосфера будет стабильной.
Поскольку WPC состоит по крайней мере из двух материалов, таких как дерево и полимер, это может осложнить выбор стандарта. Например, могут быть соответствующие стандарты для древесных материалов, а также для полимерных материалов, что вызовет ограничения в выборе соответствующего стандарта для изучения. Стандартная организация опубликовала стандарты (EN 15534-1:2014-A1:2017), в которых были охарактеризованы методы тестирования композитов из целлюлозных материалов и термопластика. Стандарт позволяет исследователям, которые следуют Европейскому стандарту, действовать универсально в своих исследованиях. Осложнение может возникнуть, если значительная часть исследователей будет следовать другому стандарту (например, ASTM International), что вызовет проблемы при сравнении результатов. В будущем разработкой может стать единая стандартная организация, стандарты которой будут действовать на глобальном уровне.
Стандарты WPCs включают подробные инструкции по измерению свойств, но их интерпретация может варьироваться между исследователями. Бенчмаркинг между исследовательскими организациями мог бы унифицировать методы работы, но не может быть разрешен, поскольку исследовательские организации часто ограничивают учреждения, занимающиеся конфиденциальной информацией. Таким образом, такого рода визуально описанная работа обеспечивает универсальность методов тестирования для более широкого круга людей, тем самым ограничивая возможности для недопонимания.
Circwaste-проект получает финансовую поддержку от ЕС для производства своего материала. Мнения, отраженные в содержании, полностью являются собственными проектами, и комиссия ЕС не несет ответственности за их использование.
Авторы признают поддержку исследовательской платформы LUT RESOURCE (Ресурсные эффективные производственные процессы и цепочки создания стоимости), координируемой Университетом LUT и Life IP по отходам – проектом «К круговой экономике в Финляндии» (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). Финансирование проекта было получено из комплексной программы ЕС Life, компаний и городов.
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены