Potrzebne są tanie rozwiązania w zakresie recyklingu, aby zająć się oceanicznymi tworzywami sztucznymi z krajów rozwijających się. Odpady z tworzyw sztucznych są wykorzystywane jako spoiwo do produkcji lekkich produktów budowlanych, w tym nawierzchni i dachówek w DC, aby usprawnić recykling. Jednak nie ma kompleksowych danych ani jasnego zrozumienia zachowania materiału piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Ta luka badawcza utrudniła jego zastosowanie na szeroką skalę, pomimo jego ogromnego potencjału w zakresie usprawnienia wysiłków w zakresie recyklingu i zapewnienia miejsc pracy w DC. Obszerne dane pierwotne dotyczące właściwości oraz kwestii związanych ze zdrowiem i bezpieczeństwem piasku związanego z tworzywami sztucznymi, przedstawione w tej pracy, ujawniają odpowiednie zastosowania i ograniczenia nowej technologii. Odkrycia stanowią podstawę rozwoju nowego łańcucha wartości dla odpadów z tworzyw sztucznych w DC.

Pomimo znacznej poprawy światowych wskaźników recyklingu, tylko mniej niż 20% odpadów z tworzyw sztucznych jest właściwie zagospodarowywanych [ 1 ]. Niewłaściwa utylizacja plastiku powoduje problemy środowiskowe związane z oceanicznymi plastikami, obecnie uznanymi za główny problem globalny [ 2 , 3 ] . Szacuje się, że 80% oceanicznych tworzyw sztucznych pochodzi z nadmorskich krajów rozwijających się (DC), gdzie nieodpowiednie systemy gospodarowania odpadami z tworzyw sztucznych skutkują masowym zrzucaniem tworzyw sztucznych do zbiorników wodnych [ 4 ]. Typowy przykład z Ghany pokazano na ryc.  1 . Niewłaściwie zarządzane odpady z tworzyw sztucznych blokują systemy odwadniające i drogi wodne, zwiększając ryzyko powodzi i stagnacji wody, co może mieć poważny szkodliwy wpływ na zdrowie publiczne.

Istnieją tanie technologie recyklingu tworzyw sztucznych, które wytwarzają kruszywa i włókna do stosowania w lekkim betonie i elastycznych nawierzchniach [ 5 , 6 , 7 , 8 , 9 ]. Beton zawierający kruszywo polietylenowe ma zwiększoną elastyczność i wytrzymałość [ 10 ]. Elastyczne nawierzchnie o wysokiej wydajności zostały wyprodukowane z odpadów asfaltowych modyfikowanych tworzywami sztucznymi przy obniżonych kosztach [ 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 ]. PET został użyty do zastąpienia 20% wag. kruszywa w asfalcie o małej gęstości [ 18]. Wyprodukowano elastyczne nawierzchnie, w których 30% wag. kruszywa zastąpiono LDPE [ 19 ].

WasteAid UK opracowało zestaw narzędzi do szkolenia lokalnych społeczności w DC w zakresie produkcji piasku związanego z tworzywami sztucznymi przy użyciu wszechobecnych plastikowych opakowań jednorazowego użytku [ 20 ]. W wielu krajach, w tym w Kenii, Kolumbii, Kamerunie, Ugandzie, Gambii i Ghanie, trwa innowacyjne wykorzystanie piasku związanego z tworzywami sztucznymi w kostkach brukowych, płytkach, słupach reklamowych i panelach konstrukcyjnych w tanich domach. Tego rodzaju zastosowania recyklingu zapewniają lokalne możliwości zatrudnienia i zapewniają gospodarkę o obiegu zamkniętym dla wybranych odpadów z tworzyw sztucznych [ 21 , 22 , 23 , 24]. Jednak badania nad wykorzystaniem odpadów z tworzyw sztucznych, zwłaszcza LDPE i HDPE, do produkcji piasku związanego z tworzywami sztucznymi są ograniczone. Wymagane jest dalsze zrozumienie wpływu temperatury na obróbkę i właściwości różnych kompozycji piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Niniejsze badania przedstawiają, w jaki sposób warunki przetwarzania i skład wpływają na gazy wytwarzane podczas przetwarzania oraz właściwości piasku związanego plastycznie. Przedstawiono wpływ temperatury obróbki, ilości dodatku piasku i wielkości cząstek piasku na wytrzymałość na ściskanie i zginanie mas wiązanych plastycznie na bazie LDPE i HDPE. Omówiono potencjał tych materiałów w rozwiązaniu problemu odpadów z tworzyw sztucznych w DC.

Produkcja piasku związanego z tworzywami sztucznymi w Gunjur w Gambii była badana w czerwcu 2019 r., aby zrozumieć, w jaki sposób te materiały są produkowane w terenie i zidentyfikować bariery dla szerszego wykorzystania procesu produkcyjnego. Badanie zostało przeprowadzone we współpracy z WasteAid UK i obejmowało 90 mieszkańców Gunjur, którzy zbierali, sortowali i przetwarzali odpady z tworzyw sztucznych na produkty z piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Co tydzień przetwarzano 800 kg LDPE na pokrycia dachowe i płytki chodnikowe, które wykorzystywano do układania nawierzchni na terenach lokalnych firm.

Odpady z tworzyw sztucznych zostały zebrane z gospodarstw domowych i wysypisk śmieci. Nieformalni zbieracze odpadów mogą odzyskać ~ 80% wartościowych surowców wtórnych z komunalnych odpadów stałych przy użyciu prostych technik sortowania [ 25 ]. LDPE oddzielono od odpadów za pomocą numeru recyklingu na pojemnikach (4 dla LDPE) oraz prostych testów płomienia i rozciągania, jak pokazano na ryc.  2a . LDPE wytwarza niebieski płomień po zapaleniu i ma większą elastyczność i plastyczność niż inne tworzywa sztuczne. Jako wypełniacz zastosowano miejscowy piasek budowlany. Posortowany LDPE i piasek przed obróbką suszono na słońcu, a jako opał stosowano drewno opałowe. Chociaż drewno opałowe jest wszechobecne w Gunjur, do tego procesu zaleca się bardziej wydajne źródło paliwa.

Wymaganą ilość LDPE ogrzewano w metalowej stalowej beczce wykonanej lokalnie, wstępnie ogrzanej do około 150°C. Następnie LDPE dalej ogrzewano, aż stopił się w temperaturze od 220 do 420 ° C, jak pokazano na ryc.  2b . Następnie do stopionego LDPE dodano piasek, aż do utworzenia jednorodnej pasty przypominającej ciasto. Został on następnie odlany do stalowych form, wstępnie pokrytych olejem palmowym, w celu uformowania nawierzchni z piasku związanego z tworzywami sztucznymi i dachówek, jak pokazano na ryc.  2c . Temperatura pasty przed odlewaniem wynosiła od 200 do 210°C. Wszystkie pomiary temperatury rejestrowano za pomocą termometru na podczerwień.

Osoby zaangażowane w przetwarzanie nosiły maski gazowe, kombinezony ognioodporne, buty ochronne, rękawice żaroodporne i okulary ochronne, aby zminimalizować ryzyko narażenia na gazy odlotowe. Tworzywa sztuczne często zapalały się podczas topienia i wytwarzały dym, jak pokazano na ryc.  2b . Dym może zawierać niebezpieczne związki, które stwarzają zagrożenie dla zdrowia pracowników [ 26 , 27 , 28 ]. Potencjalny wpływ związków na zdrowie może obejmować efekty sensoryczne, uszkodzenia narządów docelowych, układ nerwowy i skutki dla układu oddechowego [ 29 ]. Dopuszczalne wartości narażenia przy pracy dla wybranych związków powstających podczas termicznej obróbki polietylenu w temperaturze > 325°C przedstawiono w tabeli 1 [ 30 , 31 , 32]. Rodzaj żywicy, zawartość monomerów resztkowych, stopień stabilizacji oraz obecność dodatków mają wpływ na charakterystykę emitowanych LZO. Dodatki i stabilizatory UV obecne w przetwarzanych tworzywach sztucznych, takie jak dibutylohydroksytoluen, ulatniają się w temperaturach przetwarzania > 265°C [ 33 ]. Kluczowe obserwacje terenowe, które stanowiły podstawę eksperymentów w ramach tych badań, obejmowały:

• Uwalnianie dymu i gazów odlotowych w wyniku przetwarzania w niekontrolowanych temperaturach
• Wpływ zmiennej temperatury obróbki na właściwości masy plastycznej
• Wpływ dodatku piasku i wielkości cząstek na właściwości piasku związanego plastycznie.

Polietylen (C ₂ H ₄ ) _n jest niepolarnym polimerem bez grup funkcyjnych przyłączonych do szkieletu węglowego i dzieli się na polietylen o małej gęstości (LDPE) i polietylen o dużej gęstości (HDPE). LDPE ma wysoką plastyczność przy gęstości od 0,91 do 0,94 g cm – ³ i krystaliczności od 35 do 55%. HDPE ma gęstość większą niż 0,94 g cm – ³ przy wyższej krystaliczności, wytrzymałości i sztywności w porównaniu z LDPE. W doświadczeniach wykorzystano saszetki z wodą wykonane z nakrętek LDPE i HDPE.

Jako wypełniacz zastosowano dostępny w handlu piasek kwarcowy o gęstości cząstek 2,65 g cm – ^{3 .} Wysuszono go i przesiano na trzy różne frakcje wielkości cząstek o wielkości cząstek (d) w mm d < 0,30, 0,30 < d < 0,60 i 0,60 < d < 1,35. Przyjęto, że średni rozmiar cząstek dla trzech rozmiarów wynosi 0,15 mm, 0,45 mm i 0,98 mm.

Próbki testowe wytworzono przy użyciu dwóch procesów. Technika formowania w piecu (OMT) polegała na podgrzaniu warstw mieszanki tworzyw sztucznych i piasku do wymaganej temperatury obróbki (piec Wild Barefield M253 o czułości temperaturowej ± 5°C). Mieszaninę mieszano po 7, 10 i 15 min w temperaturze wymaganej do uzyskania jednorodnej mieszaniny. Mieszankę następnie odlano do stalowych form o boku 50 mm, wstępnie podgrzanych do co najmniej 150°C, aby zapewnić powolne chłodzenie, skuteczne zagęszczenie i zapobiec deformacji z powodu gwałtownych zmian temperatury [ 35 , 36 ]. Mieszankę następnie zagęszczono i ochłodzono do temperatury pokojowej w celu utworzenia próbek piasku związanego plastycznie. Badane próbki przetwarzano w temperaturze w zakresie od 250 do 375°C w odstępach co 25°C.

W technice mieszania ciepła (HMT) tworzywo sztuczne topiono w przykrytym rondlu na płycie grzejnej. Następnie do stopionego tworzywa termoplastycznego dodano wymaganą ilość piasku. Mieszanie kontynuowano aż do utworzenia jednorodnej mieszanki, którą następnie sprasowano we wstępnie ogrzanych stalowych formach o boku 50 mm. Próbki formowano po schłodzeniu do temperatury pokojowej [ 35 , 36 ].

Tabela 2 pokazuje różne projekty mieszanek próbek przygotowanych i przetestowanych w tej pracy. Zbadano wpływ temperatury przetwórstwa na wytrzymałość na ściskanie i zginanie mas wiązanych plastycznie metodą preparacji OMT. Zbadano również wpływ rodzaju spoiwa termoplastycznego na wytrzymałość na ściskanie, chociaż różne tworzywa sztuczne wymagały różnych czasów topnienia w celu uzyskania optymalnych próbek. Próbki LDPE ogrzewano przez 70 min, podczas gdy próbki HDPE ogrzewano przez 90 min. Zbadano również wpływ proporcji i wielkości cząstek piasku na właściwości masy związanej plastycznie metodą produkcji HMT.

Do określenia wytrzymałości na ściskanie, plastyczności i modułu sprężystości użyto maszyny testowej Zwick Roell 1474. Obciążenia ściskające stosowano z szybkością odkształcenia 10 mm min ^-1 , aż próbki wykazywały 10% odkształcenie lub zastosowane naprężenie zmniejszyło się po obciążeniu szczytowym do 10% wytrzymałości szczytowej. Suwmiarki z noniuszem zostały użyte do zmierzenia wymiarów próbek do obliczeń naprężenie-odkształcenie, a dane wyjściowe zostały przeanalizowane przy użyciu oprogramowania TestXpert 3 w wersji 1.11 w celu utworzenia krzywych naprężenia-odkształcenia ściskającego.

Testy trójpunktowego zginania przeprowadzono zgodnie z normą ASTM C580-02 (Zwick Roell Z010). Przebadano co najmniej pięć próbek, a wyniki uśredniono, aby uzyskać każdy punkt danych. Testy przeprowadzono przy prędkości wodzika 1 mm min ^-1 przy odległości podparcia (L) równej 30 mm. Głębokość pręta próbki (d) i szerokość (b) mierzono za pomocą suwmiarki z noniuszem. Oprogramowanie TestXpert 3 zmierzyło ugięcia (D) w środku belki w celu wygenerowania krzywych siła-przemieszczenie. Całkowitą pracę pękania obliczono z pola powierzchni pod krzywymi naprężenie-odkształcenie. Naprężenie i odkształcenie przy zginaniu obliczono za pomocą następujących równań:

Przewodność cieplną próbek piasku związanego plastycznie zmierzono za pomocą nieniszczącego testu opartego na technice źródła płaszczyzny przejściowej zgodnie z ISO 22007–2:2015 (analizator Hot Disk M1, Thermal 18 Instruments Ltd). Czujnik z gorącym dyskiem umieszczono pomiędzy powierzchniami dwóch próbek blokowych w temperaturze pokojowej (23,3°C). Ciepło dostarczano z czujnika przy mocy wyjściowej 0,25 mW przez 40 s i mierzono temperaturę w funkcji czasu [ 37 ].

Obrazy pękniętych powierzchni próbek badanych w trzypunktowym zginaniu uzyskano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM, maszyna Hitachi TM4000Plus).

Analizę termograwimetryczną (TGA) zastosowano do zbadania wpływu temperatury i czasu na degradację tworzywa sztucznego (Mettler Toledo TGA 2 z 70 ul tyglem z tlenku glinu). 6 mg LDPE ogrzewano od 30°C do 600°C ze stałą szybkością 10 K min ^-1 w powietrzu i N2 przy natężeniu przepływu gazu płuczącego 50 ml min ^– ₁ . Próbki testowe ogrzewano również w 260 ° C i 310 ° C przez 20 minut w eksperymentach izotermicznych, aby zaobserwować wpływ czasu przetwarzania na degradację termiczną w powietrzu.

Wpływ temperatury obróbki na zachowanie się naprężenie-odkształcenie i wytrzymałość na ściskanie próbek piasku LDPE związanego tworzywem sztucznym zawierającego 75% wag. piasku o wielkości cząstek d ≤ 300 µm pokazano na ryc.  3. Podwyższenie temperatury od 185 do 240°C zwiększa wytrzymałość na ściskanie o 30-65% w zależności od zawartości piasku. Przetwarzanie w temperaturach między 250 a 350°C nie powodowało znaczących zmian w wytrzymałości na ściskanie. Wyższe temperatury zmniejszały wytrzymałość na ściskanie i zmniejszały pracę pękania z powodu degradacji tworzywa sztucznego. Próbki przygotowane w temperaturze 375°C mogły wytrzymać około 20% maksymalnego obciążenia przy odkształceniu 0,075, podczas gdy próbki przygotowane w temperaturze 250°C zachowały co najmniej 74% wytrzymałości końcowej przy odkształceniu 0,024. Moduł ściskania piasku związanego plastycznie, określony w zakresie od 0 do 0,012 odkształcenia, zmieniał się w zakresie od 0,6 do 0,8 GPa.

Tryby zniszczenia próbek testowanych na ściskanie pokazano na ryc.  4 . Próbki poddane obróbce w temperaturze powyżej 325°C uległy uszkodzeniu wzdłuż płaszczyzny ścinania pod kątem 45° i rozpadły się na mniejsze kawałki [ 35 ]. Próbki o temperaturze poniżej 325 °C uległy zniszczeniu wzdłuż warstw zagęszczania bez rozpadu ze względu na niejednorodność próbek przetwarzanych w niższych temperaturach.

Wpływ temperatur obróbki na właściwości zginania próbek piasku związanego plastycznie pokazano na ryc.  5 . Moduł sprężystości przy zginaniu próbek poddanych obróbce w temperaturze powyżej 275°C wynosił od 0,5 do 0,7 GPa. Wytrzymałość na zginanie próbek przetwarzanych przez 27 minut pozostawała stała między 250 a 325 ° C. Obróbka w temperaturze powyżej 325°C spowodowała znaczne zmniejszenie wytrzymałości na zginanie i zmniejszenie pracy pękania . Wydłużenie czasu przetwarzania daje bardziej jednorodną próbkę z ulepszonym wypełnieniem piaskiem, co zwiększa wytrzymałość na ściskanie i zginanie. Jednakże, Ryc.  5b pokazuje, że próbki piasku LDPE związanego tworzywem sztucznym przetwarzane przez 17 minut miały większą wytrzymałość na zginanie niż próbki przetwarzane przez 27 minut .

Praca pękania próbek piasku związanego plastycznie zmniejszała się wraz ze wzrostem temperatury przetwarzania, jak pokazano na ryc.  6 . Praca danych dotyczących pęknięć dla próbek przetwarzanych w 250 ° C przez 17 minut była niespójna ze względu na niejednorodność próbki. Praca pękania zmniejszała się gwałtownie w temperaturze 275°C. Zwiększenie temperatury obróbki z 325 do 375°C spowodowało zmniejszenie średniej pracy pękania próbek LDPE przetwarzanych przez 17 min z 68 do 10% wartości przy 275°C. Dla próbek przetwarzanych przez 27 min praca łamania zmniejszyła się z 64 do 13% wartości przy 275°C. Spowodowane to było degradacją termiczną spoiwa termoplastycznego wynikającą z dłuższej ekspozycji na działanie ciepła w podwyższonych temperaturach.

Rysunek  7przedstawia wpływ proporcji piasku i wielkości cząstek piasku na wytrzymałość na ściskanie próbek piasku LDPE i HDPE związanych plastycznie. Optymalne proporcje piasku dające najwyższe wytrzymałości na ściskanie wahały się od 65 do 75% mas. dla LDPE i od 65 do 80% mas. dla HDPE, w zależności od wielkości cząstek piasku (d). W przypadku próbek LDPE piasek o d < 300 µm, 300 µm < d < 600 µm i 600 µm < d < 1,35 mm dał maksymalne wytrzymałości na ściskanie odpowiednio 27,2 MPa, 21,8 MPa i 20,1 MPa. Optymalne proporcje piasku dla wytrzymałości na ściskanie zmniejszały się wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek piasku. Zwiększanie zawartości piasku powyżej optymalnych proporcji powodowało szybszy spadek wytrzymałości na ściskanie próbek LDPE o tej samej wielkości ziarna piasku. Próbki piasku związanego z tworzywa sztucznego HDPE miały maksymalną wytrzymałość na ściskanie między 31,4 a 37. 1 MPa w zależności od wielkości cząstek piasku. Maksymalne wytrzymałości na ściskanie zmniejszały się wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku. Jednak związek między wytrzymałością na ściskanie a wielkością cząstek piasku był zależny od proporcji piasku. Wytrzymałość na ściskanie próbek LDPE o zawartości piasku ≤ 75% mas. zmniejszała się wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku. Zwiększenie wielkości cząstek piasku zwiększyło wytrzymałość na ściskanie próbek LDPE z > 75% wag. piasku i d < 500 µm. Dalszy wzrost wielkości cząstek piasku powyżej 500 µm obniżył wytrzymałość LDPE na ściskanie. Natomiast w przypadku próbek HDPE wytrzymałość na ściskanie malała wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku, niezależnie od proporcji piasku. Zoptymalizowany piasek związany plastycznie wypada korzystnie w porównaniu z betonem C20/25 o module sprężystości na ściskanie 31 GPa po 28 dniach utwardzania. Jednak ma tylko 2–2.

Wpływ zmiennego dodawania piasku na zachowanie próbek naprężenie-odkształcenie pokazano na ryc.  8 . Próbki LDPE są bardziej plastyczne, mają niższą wytrzymałość na ściskanie i wytrzymałość niż próbki HDPE. Praca pękania próbek wahała się od 0,6 do 2,3 MJ m- ³ dla próbek LDPE i od 1,0 do 2,1 MJ m- ³ dla próbek HDPE, w zależności od dodatku piasku i wielkości cząstek. Praca pękania próbek LDPE wzrastała wraz ze wzrostem udziału piasku do 68% wag. Wielkość cząstek piasku nie miała wpływu na pracę pękania próbek LDPE o zawartości piasku ≥ 75% mas. Praca pękania próbek LDPE z ≤ 75% wag. piasku wzrastała wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek piasku. Maksymalna praca pękania 2,1 MJ m- ³ , 1,9 MJ m- ³a 2,0 MJ m- ³ zaobserwowano odpowiednio dla próbek HDPE o d < 300 µm, 300 µm < d < 600 µm i 600 µm < d < 1, 35 mm. Praca pękania wymagana do złamania próbek HDPE wzrosła do optymalnego dodatku piasku wynoszącego 67% wag. Dalszy wzrost zawartości piasku zmniejszał pracę spękań próbki HDPE, niezależnie od wielkości cząstek piasku.

Moduł sprężystości próbek LDPE wynosił od 0,5 do 1,0 MPa, a próbki HDPE miały moduł sprężystości od 1,2 do 1,3 MPa. Dodatek piasku w ilości 75% wag. dawał najwyższy moduł sprężystości w próbkach LDPE. Moduł sprężystości próbek LDPE o zawartości piasku ≤ 75% mas. zmniejszał się wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku. W przypadku próbek LDPE zawierających więcej niż 75% wag. piasku moduł sprężystości wzrastał wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku, a dodatek 80% wag. piasku dawał najwyższy moduł sprężystości w próbkach HDPE.

Przewodność cieplna próbek LDPE i HDPE wynosiła odpowiednio od 0,8 do 1,6 W mK ^-1 i od 1,0 do 1,9 W mK ^-1 . Rycina  9 pokazuje, że przewodność cieplna piasku związanego z tworzywami sztucznymi wzrasta wraz ze wzrostem zawartości piasku i maleje wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku.

Degradacja termiczna spoiwa plastycznego zmienia właściwości pękania piasku związanego plastycznie. Obrazy SEM na ryc.  10 pokazują wyższą plastyczność próbek przetwarzanych w 275 ° C z długimi rozciągniętymi pasmami z tworzywa sztucznego, tworzącymi szorstką powierzchnię pęknięcia. Zwiększenie temperatury przetwarzania do ponad 325 ° C spowodowało znacznie gładszą powierzchnię pęknięcia z drobnymi pęknięciami w matrycy z tworzywa sztucznego i piasku. Defekty te pełnią rolę punktów koncentracji naprężeń, które powodują kruche zniszczenie w próbkach obrabianych w wyższych temperaturach.

Rysunek  11 przedstawia krzywe TGA odpadów tworzyw sztucznych LDPE . Degradacja termiczna rozpoczyna się odpowiednio w temperaturze 400°C i 240°C w N2 _iw powietrzu. Szybkość degradacji wzrastała gwałtownie wraz ze wzrostem temperatury > 450°C w _N2 . Szczytowa degradacja wystąpiła w temperaturze 490°C, a 99,5% masy LDPE zostało utracone w temperaturze 507°C. Degradacja termiczna w powietrzu przebiegała w trzech odrębnych fazach: utlenianie termiczne o niskiej szybkości poniżej 0,25% °C ^-1 , szybka degradacja powyżej 0,25% °C ^-1i degradację pozostałości. Szybkość degradacji wzrastała stopniowo wraz ze wzrostem temperatury, aż do 370°C. Wyższe temperatury gwałtownie zwiększyły szybkość degradacji do wartości szczytowej 450 ° C. Szybkość degradacji następnie zwolniła, aż 99,5% masy LDPE zostało utracone w temperaturze 570°C. Eksperymenty izotermiczne wykazały, że szczytowa degradacja próbek występowała na początku temperatur izotermicznych (310°C i 260°C), a następnie zmniejszała się z powodu gromadzenia się produktów degradacji na powierzchni próbki. Szczytowa degradacja w temperaturze 310°C była o 62% większa niż w temperaturze 260°C. Po 6-minutowej ekspozycji na temperatury izotermiczne obie próbki straciły 50% całkowitej masy utraconej w ciągu 20-minutowego okresu izotermicznego.

Dyskusja

Przekształcanie odpadów tworzyw sztucznych LDPE i HDPE w kompozyty piaskowe związane z tworzywami sztucznymi to tania opcja recyklingu. Kompozyty piasku związane z tworzywami sztucznymi są trwałymi, lekkimi materiałami wytwarzanymi przy niskim zużyciu energii. Piaski wiązane tworzywem sztucznym LDPE i HDPE mają właściwości odpowiednie do stosowania w wybranych wyrobach budowlanych, jak pokazano w tabeli 3 .

Zrozumienie wpływu temperatury przetwarzania, zawartości piasku i wielkości cząstek piasku może zoptymalizować właściwości piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Idealna temperatura przetwarzania musi zapewniać idealną lepkość spoiwa, aby skutecznie wprowadzić piasek do matrycy z tworzywa sztucznego w celu utworzenia piasku związanego z tworzywem sztucznym. Optymalna temperatura obróbki dla masy plastycznej wytworzonej przy użyciu OMT i HMT mieściła się w zakresie od 250 do 325°C i nie było znaczących różnic w wytrzymałości na ściskanie i zginanie próbek przetwarzanych w takich temperaturach. Te temperatury umożliwiają płynięcie spoiwa w celu zmniejszenia porów w matrycy z tworzywa sztucznego i piasku. Zwiększone czasy chłodzenia zwiększają również stopień krystaliczności [ 38 , 39]. Wyższe temperatury niekorzystnie wpływają na właściwości piasku związanego z tworzywem sztucznym z powodu degradacji termicznej tworzywa sztucznego. Niższe temperatury tworzą heterogeniczne próbki o gorszych właściwościach z powodu nieefektywnego mieszania.

Na właściwości piasku związanego plastycznie ma wpływ wytrzymałość osnowy tworzywa sztucznego i wiązanie międzyfazowe między tworzywem sztucznym a piaskiem. Kapsułkowanie piasku w plastikowym spoiwie poprzez mechaniczne sprzężenie i wiązanie molekularne tworzy mechanizm wiązania. W przypadku mechanicznego łączenia nierówności powierzchni piasku są wypełniane spoiwem, tworząc zazębiający się wzór [ 40]. Wyższa zawartość piasku zwiększa nierówności powierzchni piasku. Niższa zawartość piasku zmniejsza miejsca przylegania wraz ze wzrostem wielkości cząstek piasku. Jednak małe ilości cząstek piasku o nieregularnych kształtach nieznacznie zwiększają efekt mechanicznego blokowania w celu przezwyciężenia tarcia wewnętrznego i odwadniania. Cząstki piasku narzucają stosunkowo wyższe prędkości odkształcenia, aby wywołać wzmocnienie osnowy w piasku związanym plastycznie. Proporcja i wielkość cząstek piasku wpływa na wpływ tych czynników na właściwości mechaniczne piasku związanego z tworzywami sztucznymi [ 35 , 41 ].

Właściwości piasku związanego plastycznie są kontrolowane przez teorię perkolacji sztywności [ 42 ]. Punkt perkolacji jest ciągłą ścieżką wzajemnie połączonych cząstek wypełniacza powstających wraz ze wzrostem zawartości wypełniacza [ 43 ]. W punkcie przenikania sztywności jest tylko tyle spoiwa plastycznego, aby utworzyć sztywną sieć międzycząsteczkową. Perkolacja sztywnych regionów jest wymagana, aby spowodować znaczące zmiany właściwości. Perkolację sztywności uzyskuje się w piasku związanym tworzywem sztucznym o zawartości polimeru 20–25% obj. [ 43]. Powyżej perkolacji sztywności porowatość wzrasta, ponieważ nie ma wystarczającej objętości spoiwa, aby całkowicie otoczyć cząstki piasku. Zastosowanie większych cząstek piasku w danej objętości zmniejsza skuteczność wiązania plastycznego, ponieważ zmniejsza się grubość spoiwa otaczającego piasek [ 35 ]. Jest to kompensowane w normalnym betonie z cementu portlandzkiego przy użyciu wyższego stosunku woda/domieszka [ 44 ]. W piasku związanym plastycznie zwiększa się porowatość i zmniejsza się wytrzymałość na ściskanie [ 35]. Punkt perkolacji sztywności jest kontrolowany przez zdolność wiązania tworzywa sztucznego. Stosowanie różnych mieszanek tworzyw termoplastycznych zmienia pojemność objętościową spoiwa. Powłoka piasku LDPE i PET zmniejszyła wytrzymałość kompozytów na ściskanie. Częściowe zastąpienie PET przez PP zmniejszyło wytrzymałość kompozytu z powodu trudności w mieszaniu dwóch tworzyw termoplastycznych z powodu różnych temperatur topnienia [ 36 ]. Zaleca się dalsze badania w celu zbadania optymalnej temperatury topnienia mieszanek termoplastycznych.

Zoptymalizowane próbki piasku LDPE i HDPE związane z tworzywami sztucznymi nadają się do zastosowań, w których wymagana jest wytrzymałość, wytrzymałość lub plastyczność, w tym nawierzchni, dachówek i ścianek działowych. Zoptymalizowany piasek związany z tworzywami sztucznymi ma wytrzymałość na ściskanie porównywalną z betonem C20/25. Stosunek wytrzymałości na zginanie do wytrzymałości na ściskanie piasku związanego z tworzywa sztucznego LDPE jest co najmniej 5 razy wyższy niż betonu. Próbki piasku związanego PP wykazały wytrzymałość na zginanie około 3 razy wyższą niż beton i 5 razy wyższą niż beton asfaltowy [ 45]. Optymalne proporcje piasku, które dawały maksymalne wytrzymałości na ściskanie w próbkach LDPE i HDPE wynosiły odpowiednio od 65 do 75% wag. i 65 do 80% wag., w zależności od wielkości cząstek piasku. Jest to zgodne z wartościami zarejestrowanymi dla innych materiałów piaskowych związanych z tworzywami sztucznymi, w tym gleby laterytowej związanej z PET [ 36 ]. Tworzywa sztuczne zmieszane z wypełniaczami w postaci cząstek mają zmniejszoną plastyczność, co zaobserwowano w jednorazowych kubkach wypełnionych polipropylenem [ 46 ]. Piasek związany plastycznie wykazuje właściwości lepkosprężyste podobne do właściwości naprężenia i odkształcenia betonu asfaltowego [ 35]. Początkowe obciążenie ściskające daje liniową krzywą naprężenie-odkształcenie. Płaszczyzna ścinania jest tworzona przy dalszym obciążeniu z powodu sił tarcia międzycząsteczkowego generowanych, gdy cząstki piasku ślizgają się względem siebie. Krzywa spłaszcza się w punkcie szczytowego współczynnika tarcia i opada liniowo w miarę zmniejszania się współczynnika tarcia [ 47 ].

Kruszywa plastyczne zmniejszają przewodność cieplną betonu ze względu na niską przewodność cieplną tworzyw sztucznych [ 48 ]. Jednak próbki piasku związanego z tworzywami sztucznymi charakteryzowały się wyższą przewodnością cieplną niż beton czy zaprawa cementowa. Było to spowodowane zwiększoną szybkością wymiany ciepła wynikającą ze zmniejszonej porowatości próbki, co zaobserwowano w asfalcie [ 49 ].

Istniejący proces mieszania termicznego praktykowany w Gambii zapewnia prostą i niedrogą opcję recyklingu tworzyw sztucznych w celu tworzenia miejsc pracy w społecznościach o niskich dochodach. Jednak potrzebny jest ulepszony projekt, aby rozwiązać problemy związane ze zdrowiem i bezpieczeństwem oraz poprawić jakość piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Podstawowy tryb degradacji podczas przetwarzania jest spowodowany utlenianiem termicznym, a nie degradacją pirolityczną, ponieważ typowe temperatury przetwarzania są niższe od temperatury degradacji termicznej w środowisku beztlenowym (400 °C). Zalecane są dalsze badania w celu oceny ryzyka narażenia na gazy odlotowe wytwarzane podczas przetwarzania piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Względy bezpieczeństwa i znaczne straty ciepła utrudniają zwiększenie skali technologii masowej produkcji piasku związanego z tworzywami sztucznymi. Techniki wytłaczania i formowania wtryskowego mogą skutecznie utrzymywać niższe temperatury przetwarzania w celu zminimalizowania emisji gazów bez uszczerbku dla jakości produktu. Optymalizacja parametrów przetwarzania, w tym temperatura mieszania w stanie stopionym, temperatura formowania i ciśnienie dla technik wytłaczania i formowania wtryskowego, musi być traktowana priorytetowo w celu uzyskania doskonałych właściwości piasku związanego z tworzywami sztucznymi [39 ].

Wnioski

Odpady tworzyw sztucznych LDPE i HDPE można wykorzystać do produkcji materiałów piaskowych związanych z tworzywami sztucznymi przy użyciu niedrogich procesów o niskim zużyciu energii i wody. Może to stanowić ważne zastosowanie ponownego wykorzystania odpadów z tworzyw sztucznych, a zwłaszcza w DC. Podano parametry przetwarzania krytyczne dla optymalizacji właściwości masy plastycznej związanej dla wybranych materiałów konstrukcyjnych. Piaski związane z tworzywami sztucznymi wykonane z LDPE i HDPE są trwałe i nadają się do stosowania w kostkach brukowych, dachówkach i ścianach działowych. Zoptymalizowane próbki mają maksymalną wytrzymałość na ściskanie, która jest porównywalna z betonem C20/25 i znacznie wyższa niż z betonu piaskowego. Są twarde i mają wyższą plastyczność i przewodność cieplną niż beton. Układ strukturalny spoiwa termoplastycznego i kruszywa w osnowie kompozytu wpływa na właściwości. Temperatura przetwarzania dla uzyskania optymalnych właściwości masy związanej plastycznie mieściła się w zakresie od 250 do 325°C. Wyższe temperatury zmniejszają wytrzymałość materiału, plastyczność, wytrzymałość na zginanie i ściskanie z powodu degradacji termicznej. Niższe temperatury dawały heterogeniczne próbki o zmniejszonej wytrzymałości z powodu nieefektywnego mieszania. Recykling odpadów z tworzyw sztucznych na piasek związany z tworzywami sztucznymi jest zasobooszczędną alternatywą, która przynosi znaczne korzyści dla środowiska i zdrowia publicznego w porównaniu z istniejącymi opcjami unieszkodliwiania w DC. Istnieje jednak ryzyko narażenia na szkodliwe gazy odlotowe, gdy piasek związany tworzywem sztucznym jest wytwarzany w temperaturze > 250 °C w powietrzu. Temperatura i czas przetwarzania muszą być kontrolowane. Zaleca się temperaturę przetwarzania ≤ 250 °C w warunkach beztlenowych, aby kontrolować gazy odlotowe spowodowane degradacją polimeru.