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消费后包装废弃物木塑复合材料中高密度聚乙烯和木材颗粒的再利用潜力
Philipp F. Sommerhuber a,*, Johannes Welling a, Andreas Krause b
摘要：木塑复合材料（WPC）的市场份额很小，但预计在欧洲急剧增长。这引起了人们对欧洲人造板行业所需的合适木材颗粒的担忧。通过“欧洲生物经济战略”宣传木制品和通过“可再生能源指令”作为能源载体的木材之间的竞争激起了关注。资源的逐级使用和废物的价值化是克服资源稀缺的潜在策略。在实验设计条件下，由消费后再生木材和塑料（HDPE）制成的木塑混合材料与由原始资源制成的木塑混合材料相比较。聚合物基体中的木材含量分两步从0％提高到30％和60％。表征了机械和物理性质和颜色差异。讨论了使用WPC级联资源的可行性。结果表明从包装废物中使用回收HDPE用于WPC的技术和经济可行性。根据技术特性，木塑复合材料的回收木材含量为30％是可行的，但需要克服生物质高效连锁的经济和政治障碍。
关键词：木塑复合材料梯级使用；浪费价值的机械性能的替代；再生资源
收稿日期 2015.7.14
引言
欧洲走可持续增长的生物经济战略使得使用木材及木制品得到大力推广。木材资源正面临着原料和能量的利用率的激烈竞争（欧盟，2012；Puuml;LZL et al.，2014）。由于化石能源，化石燃料价格的快速增加使得发木材价格随之增加，这对木材加工业的盈利能力产生了不利影响。资源效率是欧洲木材加工业未来的主要议题。除了资源节约型欧洲的路线图（欧盟委员会，2011），循环经济这一术语，旨在通过关闭资源流动的经济和生态循环来减少原始材料的输入和废物的产出，这一术语正在增加(Haas et al., 2015)。生物质的梯级利用，其目的是在能源回收之前回收废物作为二次资源，强调作为一个解决方案来防止资源的稀缺性和价格的波动性(Houml;glmeier et al., 2013; Keegan et al., 2013; Houml;glmeier et al., 2014) ， 闭环回收系统的潜力似乎相当可观，50–70%废木材直接代替被回收的材料、能量回收利用的产品（meinlschmidt et al.，2013）。
木塑复合材料由于其低吸湿性低密度、耐生物攻击，良好的尺寸稳定性和高的刚度和强度而越来越受到人们的重视(Valente et al., 2011; Zimmermann and Zattera, 2013)，在生物质梯级链和循环级链中木塑复合材料往往是一个很好的中间步骤(Migneault et al., 2014; Teuber et al., 2015)。埃德称（2013）木塑复合材料的生产和使用预计将在欧洲增加。这将导致木材资源的需求加剧，为了木材资源的供求的，应该从可持续养护的森林中获得。此外塑料基烃源于木塑复合材料的塑料，意味着显著的环境影响。
在本研究中，废物被定义为没有功能的材料，因此，锯木厂的副产品没有被定义为浪费。Nourbakhsh et al. (2010), Boeglin et al. (1997)有几项研究已经发表，是仅针对WPC的废材进行研究，调查了WPC的次要资源。Gozdecki et al. (2015), Krause et al. (2013), Zimmermann and Zattera (2013), Chen et al. (2006), Balasuriya et al. (2003). Migneault et al. (2014)等人研究了以木材和木质纤维素含量为关键的WPC性能的关键衰减因子的HDPE-WPC基体，其中有20 ~ 40%的原始森林树种和木质纤维素残基。聚烯烃（聚乙烯、聚丙烯）是已知的与其他塑料好分类（如PET、PVC），在回收过程中，用原聚烯烃替代具有良好机械性能的二次产品(Hu et al., 2013).。Adhikary et al. (2008), Cui et al. (2010), Cui et al. (2008), Kazemi-Najafi et al. (2006), Selke and Wichman (2004), Yam et al. (1990)等人在以回收的HDPE作为木塑复合材料的研究大量的研究论文已经发表。利用再生HDPE可成功制备木塑复合材料。此外，从塑料木塑复合材料进行了研究，但是生物塑料目前的高价阻止了它的进一步使用(Kim, 2014)。
坎代坶等人对再生木和塑料木塑复合材料的力学性能进行了研究。通过砷酸铬铜CCA）处理过的刨花混合再生的高密度聚乙烯和木塑复合材料力学性能比较。Chaharmahali 等人(2008) 研究了中密度纤维板（MDF）和以回收率为60～80%的木质素作为填充料的刨花板使用熔融混合/热压机的方法来生产生产木制塑料板的可能性。Shalbafan 等人证明 (2013)平压WPCs可以从轻质泡沫芯板由木材颗粒残留（与尿素甲醛树脂固化–）和发泡聚苯乙烯（EPS）混合产生。木粉含量从75%到88%不等。面板是由破碎的用泡沫芯刨花板和2%偶联剂混合在一起生产。
在这些研究中，得到回收资源与塑木材料的力学性能相似这个共同结论。在纯塑料基体中加入木材颗粒可提高密度、抗折强度、弯曲和拉伸弹性模量、吸水率，并降低冲击强度和抗拉强度。然而，以前没有在木塑复合材料在一个成长的背景下，对竞争生物量需求与政治、技术、经济可行性，和木塑复合材料对客户接受的二次资源从特定的废物流进行研究。本文的第一部分研究市场信息、可用性，木塑复合材料二次资源价格现状，重点是从一个特定的废物类别：消费后包装的废木材和聚烯烃塑料。在第二部分中，实验室制备的消费再生资源的木塑复合材料的特点是机械性能（弯曲和拉伸试验和冲击强度），物理性能（吸水率和密度）和颜色属性。地理重点是德国。
木塑复合材料市场信息、可用性和价格状况
木材颗粒
据FAO报道，在欧洲与人造板消费价格整体下降相反，木塑复合材料的产量和研究进度增加了 (FAO, 2015)。在WPC市场数据取自埃德尔（2013）和Teuber等人（2015）。在欧洲，木塑复合材料生产从2010到2012年间增长了15%。2012至2015年间，产量预计将增长26%。在德国，木塑复合材料生产商在2012年度使用了约53 K吨的木材颗粒和纤维。木塑复合材料生产的木质颗粒仅占人造板工业消耗木质材料的1%。木塑户外装饰包括最大份额的WPC损坏市场（67%）。由于德国木塑复合材料自身的质量标准，面板生产商，木材必须来自FSC / PEFC CER -显示原始森林木材和消费后的木材，它被归类为未经处理的天然木材据德国废旧木材法案（德国政府，2003）。在补充资料中进一步说明了废木材类别。
消费后的木材供应。
德国消费的木材是6.3百万吨。木材的能量回收是主要的报废选择（78%）。木质颗粒工业消费木材替代原生颗粒的20%。处理垃圾填埋场几乎可以忽略不计（mantau et al.，2012），因为按照《欧洲废物框架指令》2008/98（欧盟委员会，2008）禁止填埋有机废物。
约1.3百万吨（30%）消费后的木材是通过小型燃烧装置大量回收。这一数额根据德国废木材法（德国政府，2003）包括第I部分的废木材和第II部分的采伐的木材产品如无木材防腐剂和PVC板。这种材料的污染水平低，适合作为产品的二次资源。消费后的木材的最大份额（5百万t = 70%）可看成第III部分，这是一个混合的未经处理的，处理和污染的废木材。一个分离成这一数额的物质回收（A - II）和能量回收的一部分（III - IV）和成本密集型的分离过程考虑禁止有害物质加剧扩散，通过回收活动在德国废物管理和产品回收法概述（德国政府，2012）和欧元—废物指令2008/98 / EC（欧洲委员会，2008）。全自动电脑传感器检测支持过程的近红外光谱（NIR）排序，离子迁移谱法（IMS）和X射线都是对木材分析使用的有前途的技术（meinlschmidt et al.，2013），但到目前为止还没有大规模的用于木材分析。
木质颗粒价格现状
木材材料和能源利用之间的竞争导致了木材废料市场价格的上涨（图1）。第一类木材的价格从2005提高到2015，平均每年增长3%，并有明显进一步增长的趋势。同一时期内，废材（第二类-第三类）的废材价格平均每年增长4%。同一时期，受污染的废木材（四）增加19%。价格的上涨可能与德国可再生能源法的生物质发电的进料关税有关（德国政府，2014）。价格变化的II，III和IV非常不稳定，倾向于略有下降。木质素原料木质素颗粒和纤维在木塑复合材料生产中的市场价格为2015毫米，约1毫米，在德国约为400欧元/吨。在补充信息中给出了每年价格发展的平均值、标准偏差和换算系数的详细信息。
图1.德国联合产品和后消费木材的木材颗粒的价格发展。后消费木材的粒径lt; 150mm。后消费者木材含水率为33, 价格是以绝对干质量为基础的。资料来源:根据EUWID回收和Entsorgung(2005 2008)和EUWID Holz und Holzwerkstoffe(2009年)改编
木塑复合材料用做热塑性聚烯烃
2012的全球原油总量约为41亿吨，使用其中的5%（205百万吨在塑料行业（弗兰卡等人，2014）。在欧洲以及挪威和瑞士的塑料转换器的年消耗量约46百万吨。其中，10%（4.6百万吨）是再生的起源。约60%的包装行业消耗（18百万吨）和建筑施工等行业（10百万吨）（维拉纽瓦和艾德，2014）。2011，德国生产10百万吨的塑料颗粒，其中30%是转换成包装材料。
消费后塑料的可用性
约1.5百万吨/年包装废弃物（HDPE、LDPE、PP、金属等）进行单独处理，通过双轨制系统许可的合作伙伴收集。这些活动是根据德国包装材料条例（德国政府，1998）的回收率而定的。据弗兰卡等（2014）可知收集的潜力是40 - 46%或者更大，因为家庭不收集这一数额，由于消费行为分开。到目前为止每一年都有专门的塑料回收设施回收0.5百万T PE和0.2百万吨PP再生资源。
有趣的是，塑料包装构成了最大的塑料市场份额，但在大多数情况下，塑料包装材料在产品的生命周期中只停留在建筑产品的短时间内。哈根和卡迈勒（2011）提到40%的塑料使用少于一个月。这些包装材料，是热塑性聚烯烃（LDPE、LLDPE、HDPE和PP）组成的最大份额（欧洲塑料，2015）。在欧洲的木塑复合材料生产中，热塑性聚烯烃是主要的塑料资源。在德国，2012年约30kt的PE和44 ktPP用于生产木塑复合材料（Eder，2013）。与再生塑料颗粒起每年的量相比，热塑性聚烯烃木塑复合材料的生产需求可以由消费包装材料再生材料满足。
聚烯烃颗粒的价格情况对木塑复合材料生产影响
回收塑料的价格不是由生产成本决定的，因为它们在一个有效的市场中。相反，从长期来看，回收塑料价格与原始塑料价格有关。原生塑料价格与原油价格有关。2015，德国回收塑料的价格（600 - 800欧元/吨聚乙烯和聚丙烯）低于原塑料价格（1200欧元/吨）的30 - 50%。价格范围取决于再生塑料颗粒的质量标准（维拉纽瓦和艾德，2014）。
在德国，生物能源的回收是通过直接资助（关税）促进，导致在过去的十年里，木副产品和废弃木材的价格相当大的增加（2005–2015）。如果原始的木质颗粒价格急剧增加，财务津贴也应讨论木质颗粒材料的回收。这些财政奖励可能会导致经济上可行，专门的废旧木材回收设施的自动分拣技术有效将混合废木材分类为特定类别的材料回收（I–II）和能量回收（III–IV）。第二类产品在全国废木材流中，如木塑复合材料在木材产品中的级联使用有很大的潜力。第二类产品在木材产品中有潜在的应用潜力，就比如木塑材料在全国的木材输出。
目前，木质颗粒的价格波动可能对木塑复合材料工业来说不是至关重要的，因为产品中有90%以上的木材颗粒在传统的人造板工业中。刨花板，中密度纤维板。专用（0.1毫米）原生木材颗粒的价格约为400欧元/吨，62欧元/吨（5克）木屑，51欧元/吨（7克）。第一类废木材和44欧元/吨（含6）的II - III废木材。必须说明颗粒大小、杂质和水分含量低（＜7%），与合成产品或废木材相比，专用的原木质颗粒可直接用于塑料与WPC的复合。从7%～1%含水率的干燥处理与废材含水率（15～33%）比较低。对于其他作用和废木材价值，粉碎、干燥、筛分粒度合适的相关费用复合木塑复合材料大大高于合作产品。
此外，废木材类应根据德国木材废弃物指令（Riedel et al.，2014）分为有害杂质的废木材，无有害杂质，防止有害物质潜在的扩散。《废物框架指令2008/98》禁止有害物质通过再循环活动扩散。
与此相反，塑料和添加剂在木塑复合材料行业中的成本比木材颗粒要高，从而导致对油气化石价格变化的强烈依赖。使用
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