Die Auswirkungen von Bau- und Abbruchabfällen kunststofffraktioniert auf Holz-Polymer-Verbundeigenschaften

Die weltweite Abfallerzeugung ist im Laufe der Geschichte erheblich angestiegen und wird in Zukunft voraussichtlich um zig Prozent steigen, wenn nicht gehandelt wird¹. Insbesondere Länder mit hohem Einkommen haben mehr als ein Drittel der weltweiten Abfälle erzeugt, obwohl sie nur 16 % der Weltbevölkerung ausmachen¹. Der Bausektor ist aufgrund der raschen Urbanisierung und des Bevölkerungswachstums ein bedeutender Produzent dieser Abfälle. Schätzungen zufolge wird etwa ein Drittel des weltweiten festen Abfalls durch Bau- und Abbruchprojekte gebildet; Genaue Werte aus verschiedenen Bereichen fehlen jedoch². In der Europäischen Union (EU) beträgt die Menge an Bau- und Abbruchabfällen (CDW) etwa 25 % bis 30 % der gesamten Abfallerzeugung³und umfasst wertvolle und bedeutende Sekundärrohstoffe wie Kunststoff. Ohne organisierte Sammlung und Verwaltung kann Kunststoff Ökosysteme kontaminieren und beeinträchtigen. Im Jahr 2016 wurden weltweit 242 Millionen Tonnen Plastikmüll erzeugt¹. Der Anteil der in Europa recycelten Kunststoffe betrug nur 31,1 %⁴.

Ressourcenknappheit hat dazu führen, dass die Praktiken in Richtung einer Kreislaufwirtschaft geändert werden müssen, in der das Ziel besteht, Abfälle als Quelle sekundärer Ressourcen zu nutzen und Abfälle zur Wiederverwendung zu verwerten. Wirtschaftswachstum und minimierte Umweltauswirkungen werden durch die Kreislaufwirtschaft entstehen, die in Europa ein beliebtes Konzept ist. Die Europäische Kommission hat einen Aktionsplan der Europäischen Union für eine Kreislaufwirtschaft angenommen, in dem Ziele und Indikatoren für Beiträge festgelegt werden⁵.

Strengere Umweltvorschriften und Gesetze tragen dazu bei, dass der Bausektor mehr Anstrengungen in Fragen der Abfallbewirtschaftung und des Materialrecyclings aufnimmt. So hat sich beispielsweise die Europäische Union (EU) Ziele für die materielle Verwertung gesetzt. Ab dem Jahr 2020 sollte die Materialrückgewinnungsrate von nicht-gefährlichem CDW 70%⁶betragen. Die Zusammensetzung von CDW kann je nach geographischen Standorten sehr unterschiedlich sein, aber es lassen sich einige gemeinsame Merkmale identifizieren, darunter beispielsweise Kunststoff, der ein potenzieller und wertvoller Rohstoff für Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe ist. Die Wiederverwendung von Kunststoff ist ein konkreter Schritt in Richtung einer Kreislaufwirtschaft, in der native Kunststoffpolymere durch recyceltes Polymer ersetzt werden.

Verbundwerkstoffe sind ein mehrphasiges System, das aus einem Matrixmaterial und einer Verstärkungsphase besteht. Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC) enthält in der Regel Polymere als Matrix, Holzmaterialien als Verstärkung und Additive zur Verbesserung der Haftung, wie Z. B. Kupplungsmittel und Schmierstoffe. WPC kann als umweltfreundliches Material bezeichnet werden, da der Rohstoff aus nachwachsenden Rohstoffen wie Polymilchsäure (PLA) und Holz gewonnen werden kann. Nach der neuesten Innovation⁷können die Additive von WPC auf erneuerbaren Quellen basieren. Zusätzlich kann die Rohstoffquelle recycelt werden (nicht-native) Materialien, was eine ökologisch und technisch überlegene Alternative^{ist 8}. Zum Beispiel haben Forscher extrudierte WPC untersucht, die CDW enthält, und festgestellt, dass die Eigenschaften von CDW-basierten Verbundwerkstoffen auf einer akzeptablen Stufe⁹waren. Die Verwendung von recycelten Rohstoffen als Komponente für WPC ist auch unter dem Aspekt der Umwelt akzeptabel, wie mehrere Bewertungen belegen. Insgesamt wurde gezeigt, dass die Verwendung von CDW in der WPC-Produktion die Umwelteinflüsse des CDW-Managements verringern kann¹⁰. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verwendung von recyceltem Polypropylen (PP) Kunststoff in WPC das Potenzial hat, die globale Erwärmung zu reduzieren¹¹.

Die Menge der verfügbaren recycelten Polymere wird in Zukunft zunehmen. Die weltweite Kunststoffproduktion ist im Durchschnitt um etwa 9 % pro Jahr gestiegen, und es wird erwartet, dass sich dieser Anstieg auch in Zukunft fortsetzen wird¹². Die allgemeinsten Kunststoffpolymertypen sind unter anderem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Die Anteile an der Gesamtnachfrage nach PE und PP betrugen 2017 in Europa⁴29,8 % bzw. 19,3 %. Der weltweite Kunststoffrecyclingmarkt wird im Zeitraum 2018–2026 voraussichtlich um 5,6 % jährlich um 5,6 % wachsen¹³. Eine der Hauptanwendungen, bei denen Kunststoffe verwendet werden, ist der Bau und die Konstruktion. So entfielen beispielsweise fast 20 % der Gesamtnachfrage nach europäischem Kunststoff auf Bauanwendungen⁴. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Verwendung von recycelten Polymeren in der WPC-Herstellung eine interessante Alternative, die zur Herstellung von Materialien mit geringen Kosten führt. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass physikalische Wirkungen einen stärkeren Einfluss auf extrudierte Materialien aus Sekundärkunststoff im Vergleich zum entsprechenden Neumaterial haben, aber die Eigenschaften hängen von der Kunststoffquelle^{ab 14}. Die Verwendung von recyceltem Kunststoff verringert jedoch die Festigkeit von WPC aufgrund der geringeren Kompatibilität¹⁵. Die Variation zwischen den Strukturen von Kunststoffpolymeren bereitet bedenken die Wiederverwendung und das Recycling, die zur Bedeutung der Kunststoffsortierung auf Basis des Polymers beitragen.

In dieser Studie soll die Verwendung von Kunststoff aus CDW als Rohstoff für WPC bewertet werden. Die in der Studie bewerteten Polymerfraktionen sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Diese werden als universelle Kunststofffraktionen innerhalb von CDW bezeichnet. Die Polymerfraktionen werden mit allgemeinen Herstellungsverfahren wie Agglomeration und Extrusion behandelt und mit universellen mechanischen Eigenschaftstests getestet. Das primäre Ziel der Studie ist es herauszufinden, wie sich die Eigenschaften von WPC verändern würden, wenn recycelte Polymere als Rohstoff in Matrix anstelle von primären virginpolymeren verwendet würden.

Basierend auf dem (lokalen) Abfallwirtschaftszentrum (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy) wurde gezeigt, wie kunststoffreiche CDW gelagert werden. Es wurde gezeigt, dass eine große Menge an Kunststoffmaterial enthalten ist und einige Beispiele von CDW-Kunststoffpolymeren gezeigt wurden. Die Forscher sammelten die am besten geeigneten Polymere für die Weiterverarbeitung, wie ABS, PP und PE. Die gewünschten Polymere (PE, PP, ABS) wurden mittels portabler Nahinfrarotspektroskopie (NIR) identifiziert. Vorgestellt wurden WPC-Produktbeispiele, in denen gesammelte Kunststoffe als Rohstoff verwendet werden konnten. Die Definition des Verbunds und seine Vorteile wurden erläutert.