Kunststof/hout composietproducten uit secundaire materialen haalbaarheidsonderzoek
Datum
september 1998
Auteur(s)
Dr. D. Robson Ir. R. Gort
TNO-MEP TNO-Bouw RWS-DWW
Bestemd voor
Directoraat Generaal Milieubeheer (directie Afvalstoffen) en Directoraat Generaal Rijkswaterstaat (dienst Weg- en Waterbouwkunde); DROP-Programma Contactpersoon: Ir. R. Gort (DWW)
2 van 74
3 van 74
Samenvatting Hout en kunststoffen vormen in volume belangrijke afvalstromen; de desbetreffende materialen kennen echter unieke eigenschappen, hetgeen conform het overheidsbeleid kringloopsluiting (dus hergebruik van deze materialen) mogelijk moet maken. Dit wordt aangemoedigd door het ingetreden resp. het aankomende stortverbod voor deze materialen. In de bouw (weg- en waterbouw; huizen- en utiliteitsbouw) worden vele materialen toegepast, zoals hout, kunststoffen, metalen en steenachtige materialen. In deze sectoren wordt hergebruik van materialen eveneens nagestreefd. Een alternatief voor genoemde materialen kan kunststof/hout-composieten zijn. Het gebruik van hout als kunststof vervanger biedt goede mogelijkheden voor verbetering van de materiaaleigenschappen (met name de stijfheid) van thermoplastische kunststoffen. Door thermoplasten en hout op de juiste wijze met elkaar te mengen kan een toegevoegde waarde verkregen worden voor een sterk concurrerende prijs. Als secundaire kunststoffen kunnen kunststofafvallen uit vele bronnen toegepast worden, onder andere landbouwfoliën, verpakkingsfoliën, vormvaste verpakkingen, kunststof leidingsystemen, bouwafvallen. Als secundair hout kunnen houtafvallen afkomstig uit de waterbouw, spoorbielzen, bouw- en sloopafvallen, pallets, etc. toegepast worden. Door combinaties van verschillende kunststof- en houtsoorten kunnen er verschillende soorten en kwaliteiten composieten vervaardigd worden. TNO Milieu, Energie en Procesinnovatie (afdeling Rest- en Grondstoffen) en TNO Bouw (Centrum voor Houttechnologie) hebben tezamen in opdracht van het DROP-programma de haalbaarheid van de productie en toepassing van composietmaterialen uit kunststof- en houtafval nader onderzocht. Het DROP-programma is een onderzoeksprogramma, dat gefinancierd wordt door het Directoraat Generaal Milieubeheer (Ministerie VROM) en Rijkswaterstaat (Ministerie van Verkeer en Waterstaat). Onderhavig rapport bevat de bevindingen van het onderzoek. De doelstelling van het totale onderzoekstraject omvat het aangeven en aantonen van de productiemogelijkheden van composietmaterialen en producten uit secundaire kunststoffen en secundair hout met een scala aan unieke eigenschappen en daardoor diverse toepassingsmogelijkheden in de weg- en waterbouw. Deze toepassingsmogelijkheden zullen aangegeven worden. Tevens is de interesse van bedrijven gepeild om deze toepassingsmogelijkheden verder te ontwikkelen.
4 van 74
Het onderhavige rapport bevat de onderzoeksresultaten van fase 1; het haalbaarheidsonderzoek. Deze resultaten geven aan wat de kansen en de marsroute zijn voor de implementatie van de toepassing van kunststof/houtcomposietproducten uit secundaire materialen in de GWW-sector. Op basis van de resultaten van de inventariserende onderzoeksactiviteiten zijn de volgende conclusies te trekken: a) Kunststof/hout-composieten met thermoplasten dienen niet gezien te worden als een “concurrent” van hout. Vergelijking met kunststoffen is meer op zijn plaats. In bijvoorbeeld toepassingen waarbij stijfheid en treksterkte van belang zijn, kan het beschouwd worden als een “kunststof+”-materiaal. b) Zwelling vormt een negatieve eigenschap die vermoedelijk door toevoeging van additieven kan worden gereduceerd tot aanvaarbare grenzen. Ook kan het naar alle waarschijnlijkheid voorkomen worden door coëxtrusie toe te passen (het composietmateriaal insluiten tussen 2 filmlagen kunststof). Dit dient door resultaten van onderzoek aangetoond te worden. Naast zwelling dient ook het aspect veroudering onderzocht te worden. Hierna volgt een overzicht van de vergelijking van de eigenschappen van het composietmateriaal met die van hout en kunststof (thermoplasten). Eigenschap Stijfheid Buigsterkte Slagsterkte Dichtheid Zwelling1) Biologisch aantasting Kruip 2) 1)
Vergeleken met 100% hout
Vergeleken met 100% kunststof
lager lager lager hoger lager lager
hoger enigszins hoger lager hoger ? ?
?
?
Voorgesteld wordt een beproeving volgens NEN 7037 uit te voeren. Daarbij worden sterkte en rek voor en na veroudering in water bepaald.
2) Over de kruipeigenschappen van het composietmateriaal vergeleken met die van hout of kunststoffen is niets in de literatuur gevonden
Het maken van een treksterkte/rek-diagram wordt belangrijk geacht, vooral voor producten die een belasting ondervinden. Aanbevolen wordt nader praktisch onderzoek te doen naar de relatie tussen treksterkte en rek. c) De twee grondstoffen, secundair kunststof en secundair hout, kunnen in een extruder verwerkt worden tot composietmateriaal. Een economische analyse heeft aangetoond dat dit een aantrekkelijke optie is. Dezelfde machines die 100% kunststofgranulaat, of regranulaat vervaar-
5 van 74
digen, kunnen ingezet worden voor de productie van composietmaterialen. Ten opzichte van de productie van 100% kunststof uit primaire grondstof zijn door de inzet van de secundaire materialen kunststoffen en hout belangrijke kostenreducties te realiseren. d) De genoemde kostenreducties vormen tegelijk de garantie dat de benodigde grondstoffen ook in de toekomst ingekocht kunnen blijven worden, omdat de concurrerende markten minder kunnen bieden. De twee grondstoffen, secundair kunststof en secundair hout zijn in ruime mate beschikbaar. Het overheidsbeleid (stortverboden, sluiten Convenant Verpakkingen II) heeft ervoor gezorgd dat gescheiden inzameling en sorteren van met name bedrijfsafvallen een vlucht heeft genomen. De kunststoffen LDPE (foliën), HDPE, PP zullen in combinatie met oud hout (kwaliteiten A of B) verwerkt kunnen gaan worden. Indien oud hout vooral als bio-energiebron toegepast wordt, kan resthout (uit bossen of van verwerkende industrie) als alternatief dienen e) Het materiaal heeft een duidelijke meerwaarde als het milieu in beschouwing wordt genomen: - er wordt gekozen voor 2 secundaire materialen, waarvan 1 vernieuwbaar (hout). Hergebruik wordt bewerkstelligd. - substitutie van energie-intensieve materialen, zoals verzinkt staal, wordt, met functionele eisen in acht genomen, niet uitgesloten; nader onderzoek is echter nodig (de materiaaleigenschappen zijn nog niet vergeleken). - het kunststof/hout-materiaal heeft een betere vochtbestendigheid dan hout, c.q. vezelplaten en is dus onderhoudsarm. - doordat voor thermoplastische kunststoffen wordt gekozen, behoort herhaald hergebruik (in tegenstelling tot thermoharders) tot de mogelijkheden. a) Een eerste selectie van potentiële producten uit het composietmateriaal heeft geleid tot de volgende suggesties: - Weg- en waterbouw; tijdelijke barrières, geluidsschermen, tekens/borden, kaderandbalken - Huizen- en utiliteitsbouw; profielen, raamkozijnen, meubelplaten, gevelbekledingen, dakpanelen, bouwplaten. Er wordt aanbevolen als voorfase van enkele demonstratieprojecten te starten met algemeen materiaalkundig vervolgonderzoek, waarbij de volgende eigenschappen nader onderzocht worden: • Zwelling • Veroudering (NEN 7037) • Treksterkte/rek-relatie • Warmtegeleidingscoëfficiënt • Invloed van toevoegen van additieven op genoemde eigenschappen • Invloed van coëxtrusie op genoemde eigenschappen
6 van 74
Per demonstratieproject dient een samenwerkingsverband opgericht te worden dat het ontwikkeltraject van het geselecteerde demonstratieproject oppakt. Aanbevolen wordt met de volgende twee demo’s te starten: • Geleidebaken/verkeerskegel; samenwerkingsverband VAR/Reko/Vermolen Groep/Rijkswaterstaat • Kaderandbalk/beschoeiing; samenwerkingsverband VAM/Lankhorst/Steon/Rijkswaterstaat Voorgesteld wordt de partners die in zo’n samenwerkingsverband participeren gezamenlijk het voorstel voor een demonstratieproject in samenspraak met TNO te laten formuleren. Om deze twee demo’s verder te kunnen ontwikkelen wordt voorgesteld afspraken te maken met de desbetreffende diensten/groepen van Rijkswaterstaat ten behoeve van acceptatie en instemming. Wat betreft een demo in de huizen- en utiliteitsbouw (gevelbekleding/dakpaneel) wordt aanbevolen het Projectbureau Duurzaam Bouwen en de Rijksgebouwendienst te betrekken bij vervolgactiviteiten.
7 van 74
Inhoudsopgave Samenvatting .............................................................................................. 3 Inhoudsopgave ........................................................................................... 7 1. Inleiding.................................................................................................. 9 1.1 Achtergrond ............................................................................ 9 1.2 Doelstelling ........................................................................... 10 1.3 Afbakening............................................................................ 12 1.4 Opzet rapport ....................................................................... 12 1.5 Begeleiding onderzoek .......................................................... 13 2. Aanbod secundaire materialen .............................................................. 15 2.1 Kunststoffen.......................................................................... 15 2.2 Hout...................................................................................... 18 3. Opwerkings- en reinigingstechnieken.................................................... 23 3.1 Kunststoffen.......................................................................... 23 3.2 Hout...................................................................................... 25 4. Productieprocessen kunststof/hout-composieten .................................. 27 4.1 Composieten met laag gehalte synthetische materialen ......... 27 4.2 Composieten met hoog gehalte synthetische materialen........ 30 5. Materialen met eigenschappen.............................................................. 36 5.1 Inleiding ................................................................................ 36 5.2 Kunststof/hout-composieten met thermoplasten ................... 37 5.3 Evaluerende conclusies .......................................................... 47 6. Economie van de productie ................................................................... 49 6.1 Productiekosten plaatmateriaal uit hout................................. 49 6.2 Productiekosten kunststof/hout-composieten........................ 52 6.3 Resumé ................................................................................. 55 7. Tussenevaluatie..................................................................................... 57 7.1 Selectie secundaire materialen ............................................... 57 7.2 Opwerking en verwerking ..................................................... 58 7.3 Producten uit composietmaterialen........................................ 58 7.4 Evaluatie milieuwinst ............................................................. 62 8. Verdergaande selectie toepassingen met marktkansen/milieuwinst ....... 64 8.1 Selectie producten ................................................................. 64 8.2 Vorming samenwerkingsverbanden ....................................... 66 8.3 Vervolgtrajecten .................................................................... 67 9. Conclusies en aanbevelingen................................................................. 70
8 van 74
9.1 Conclusies ............................................................................. 70 9.2 Aanbevelingen ...................................................................... 71 10. Verantwoording .................................................................................. 74 Bijlage 1
Literatuurlijst
Bijlage 2
Afkortingenlijst
9 van 74
1.
Inleiding
1.1
Achtergrond
Hout en kunststoffen vormen in volume belangrijke afvalstromen; de desbetreffende materialen kennen echter unieke eigenschappen, hetgeen conform overheidsbeleid kringloopsluiting (dus hergebruik van deze materialen) mogelijk moet maken. Dit wordt aangemoedigd door het ingetreden stortverbod voor hout en het aangekondigde stortverbod voor kunststofafval. In de weg- en waterbouw worden vele materialen toegepast, zoals hout, kunststoffen, metalen en steenachtige materialen. In deze sector wordt hergebruik van materialen eveneens nagestreefd. Een alternatief voor genoemde materialen kan kunststof/hout-composieten zijn. Het gebruik van hout als kunststofvervanger biedt goede mogelijkheden voor verbetering van de materiaaleigenschappen (met name de stijfheid) van thermoplastische kunststoffen. Door thermoplasten en hout op de juiste wijze met elkaar te mengen kan een toegevoegde waarde verkregen worden voor een sterk concurrerende prijs. Een voorbeeld van een composiet materiaal met primair thermohardende kunststof en primair hout is TRESPA (40% fenolformaldehyde, 60% hout). De gedachte dat met secundaire materialen ook dat moet kunnen, hetgeen nu alleen met primaire materialen wordt gedaan, vormde de start voor een eerste intensieve check. Gelet op de technische eigenschappen lijken diverse kunststofafvallen, zoals landbouwfoliën, verpakkingsfoliën, vormvaste verpakkingen, leidingsystemen, bouwafvallen benut te kunnen worden. Evenzo lijken diverse houtafvallen in aanmerking te komen; te noemen zijn spoorbielzen, bouw- en sloopafvallen, pallets. Door combinaties van verschillende kunststof- en houtsoorten kunnen er verschillende soorten en kwaliteiten composieten vervaardigd worden. Daarnaast zijn de volgende veronderstellingen gedaan: Het materiaal kunststof/hout-composiet heeft naar alle waarschijnlijkheid voordelen op het gebied van: • Economie: houtvezel is significant goedkoper dan kunststof, waardoor een lagere prijs voor het samengestelde materiaal t.o.v. kunststof moet kunnen gelden. Dit wordt versterkt indien in plaats van primaire materialen wordt gekozen voor secundaire materialen. • Verwerkingstechnologie; het composietmateriaal lijkt goed te verwerken op kunststofverwerkingsmachines. Ten opzichte van spaanplaat en ande-
10 van 74
re houtvezelplaten lijkt het composietmateriaal voordelen te bieden wat betreft vormvrijheid en verwerkbaarheid. Toepassing van houtvezels en kunststoffen lijkt technisch gezien een meerwaarde te bieden; de sterke eigenschappen van beide materialen kunnen worden gecombineerd. • Beschikbaarheid; de secundaire materialen lijken in ruime mate beschikbaar te zijn (althans voor de vermoedelijke inkoopprijs). Bovendien wordt een meerwaarde voor het materiaal verwacht als het milieu in beschouwing genomen wordt: • er wordt gekozen voor secundaire materialen, waarvan één vernieuwbaar (hout). Verdergaande kringloopsluiting wordt bewerkstelligd. • substitutie van energie-intensieve materialen, zoals metalen wordt op basis van functionele gronden niet uitgesloten. • het kunststof/hout-materiaal lijkt een duidelijk betere vochtbestendigheid dan hout, c.q. vezelplaten te hebben en is in dat geval onderhoudsarm. • doordat voor thermoplastische kunststoffen (i.p.v. thermoharders) wordt gekozen, behoort herhaald hergebruik tot de mogelijkheden. Uit het hiervoor omschrevene kan geconcludeerd worden dat het zinvol lijkt nader onderzoek te doen naar de juistheid van de hiervoor genoemde veronderstellingen en de haalbaarheid van toepassingen en marktkansen van het materiaal na te gaan. Bij positieve conclusies kan dan vervolgens nader onderzoek gedaan worden naar de aanwezige vrijheidsgraden, de exacte keuze van te realiseren kwaliteiten en de selectie van te maken produkten. Ook zou op dat moment nog verbreding gezocht kunnen worden door eveneens onderzoek te doen naar toepassing in de B&U-sector. TNO Milieu, Energie en Procesinnovatie (afdeling Rest- en Grondstoffen) en TNO Bouw (Centrum voor Houttechnologie) hebben tezamen in opdracht van het DROP-programma de haalbaarheid van composietproduktie uit kunststof- en houtafval nader onderzocht. Het DROP-programma is een onderzoekprogramma dat gefinancierd wordt door het Directoraat Generaal Milieubeheer (Ministerie VROM) en Rijkswaterstaat (Ministerie Verkeer en Waterstaat). Onderhavig rapport bevat de bevindingen van dit onderzoek.
1.2
Doelstelling
De doelstelling van dit haalbaarheidsonderzoek bestaat uit aangeven en aantonen van de productiemogelijkheden van composietmaterialen en producten uit secundaire kunststoffen en secundair hout, het aangeven van de materiaaleigenschappen en in het verlengde daarvan het benoemen van kansrijke toepassingsmogelijkheden in de weg- en waterbouw.
11 van 74
Tevens zullen de economische aspecten en de milieuaspecten beschreven worden, waarbij aandacht is voor: − aanbod en afzetperspectieven op langere termijn − mogelijkheid voor herhaald hergebruik − inzamelbaarheid met het oog op herhaald hergebruik − meerwaarde t.o.v. de bestaande verwijdering van kunststof- en houtafval. Na het huidige haalbaarheidsonderzoek (fase 1) is een vervolgtraject denkbaar, bestaande uit: − fase 2: Toetsingsonderzoek − fase 3: Implementatie pilot-installatie Het onderhavige rapport bevat de onderzoeksresultaten van uitsluitend het haalbaarheidsonderzoek (fase 1). Deze resultaten dienen duidelijk aan te geven wat de kansen, de beperkingen, de onzekerheden en de vervolgstappen zijn voor de implementatie van de toepassing van kunststof/houtcomposietproducten uit secundaire materialen in de GWW en mogelijk de B&U-sector. Onderzoeksaspecten zijn onder andere (zie ondermeer projectvoorstel): − inventarisatie hoeveelheden toepasbare kwaliteiten en soorten kunststoffen met name uit KWDI-sector (Kantoren, Winkels, Diensten, Industrie) en hoeveelheden toepasbare kwaliteiten en soorten hout (omvang en kwaliteit van diverse partijen kunststoffen en hout); het aangeven van de huidige en toekomstige beschikbaarheid. − inventarisatie noodzakelijke opwerkingsprocessen voor de afzonderlijke materialen naar specifieke kwaliteiten voor verschillende toepassingen in de weg- en waterbouw; − inventarisatie vervaardigingsprocessen voor composietmaterialen van verschillende kwaliteiten; − inventarisatie van de afzetmogelijkheden; het aangeven van welke deelmarkten er bestaan voor langdurige producten in de GWW-sector, die na de gebruiksduur inzamelbaar en in principe recyclebaar zijn en waar beleidsmatig gezien vervanging zou kunnen worden toegejuicht (bijvoorbeeld producten van hardhout, geimpregneerd hout en verzinkt staal) of waar het onderhoudsarm zijn een duidelijk winstpunt kan vormen (bijv. constructie-doeleinden in havens, geluidsschermen, wegmeubilair, geleidewerken, geleiderails); vanwege concurrentie op het materialenniveau kunnen in verschillende producten bestaande materialen door het nieuwe materiaal gesubstitueerd worden; − benaderen van geïnteresseerde partijen voor praktijkimplementatie; − uitwerken van een samenwerkingsverband ten behoeve van de continuïteit van het ontwikkeltraject.
12 van 74
1.3
Afbakening
Bij de uitvoering van de haalbaarheidsstudie zijn de volgende aspecten niet onderzocht: − vervanging van materialen op produktniveau met de bijbehorende economische en milieukundige aspecten (in het onderhavige rapport zijn alleen de gevolgen van vervanging op materiaalniveau bestudeerd). − resultaten van praktijkonderzoek; er zijn alleen resultaten van literatuuronderzoek gepresenteerd, waarvan een deel gegevens van laboratoriumtesten zijn.
1.4
Opzet rapport
Na deze inleiding wordt in hoofdstuk 2 het aanbod van secundaire materialen beschouwd. Het betreft zowel kunststoffen als hout. Er wordt niet alleen gekeken naar de vrijkomende hoeveelheden, maar ook de kwaliteit van de diverse deelstromen speelt een belangrijke rol. In hoofdstuk 3 wordt aangegeven welke opwerkings- en reinigingsprocessen toegepast kunnen worden, indien de kunststof- en/of houtstromen nog niet de gewenste kwaliteit bezitten. Verschillende vervaardigingsprocessen van composietmaterialen en composietproducten worden in hoofdstuk 4 beschreven. De composietmaterialen en de daaruit vervaardigde producten kennen specifieke eigenschappen. In hoofdstuk 5 wordt daar nader in detail op ingegaan en met name vergeleken met die van concurrerende materialen, zoals primaire kunststoffen en primair hout. Vooral de mechanische eigenschappen zijn voor sommige toepassingen van wezenlijk belang. Ook op de beïnvloedingsmogelijkheden van verschillende eigenschappen wordt in dit hoofdstuk ingegaan. In hoofdstuk 6 worden de bedrijfseconomische vooruitzichten nader toegelicht, uitgaande van vervanging op materiaalniveau. Na deze 5 beschrijvende hoofdstukken (2 t/m 6) volgt een tussenevaluatie (hoofdstuk 7). Daarnaast wordt aangegeven welke onzekerheden nog resten en hoe deze d.m.v. vervolgonderzoek zouden kunnen worden onderzocht (en zo mogelijk worden weggenomen). Op basis hiervan wordt een vervolgtraject geformuleerd (hoofdstuk 8). In hoofdstuk 8 wordt dus beschreven welk(e) product(en) geselecteerd zijn en met welke actoren samengewerkt kan worden voor ontwikkeling van composietproducten. Daarnaast wordt in dit hoofdstuk een opzet gegeven voor algemeen vervolgonderzoek. Het rapport wordt afgesloten met conclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 9. In figuur 1.1 wordt de opzet van het rapport geïllustreerd.
13 van 74
1.5
Begeleiding onderzoek
Zoals reeds in 1.1 aangegeven is het onderzoek uitgevoerd door TNO Milieu, Energie en Procesinnovatie en TNO Bouw. Het onderzoek is (deels) gefinancierd door het DROP-programma, een samenwerkingsverband tussen het Ministerie van VROM en Rijkswaterstaat, voor onderzoek gericht op hergebruik in de bouw. Het onderzoek is begeleid door een begeleidingscommissie, die bestond uit: R.H. Gort DWW, afdeling Infrastructuur grondstoffen, voorzitter J. Lommelaars VROM, Directie Afvalstoffen M. Keve DWW, afdeling Infrastructuur grondstoffen, (project kunststoffen) W.J. Bak DWW, afdeling Waterbeheer, (project hout) M.D. Ros BD, afdeling Ontwikkeling technieken, (onderzoek nieuwe materialen)
14 van 74
paragraaf 2.1
Aanbod secundaire kunststoffen
Aanbod secundair hout
paragraaf 2.2
paragraaf 3.1
Opwerkings- en reinigingsprocessen
Opwerkings- en reinigingsprocessen
paragraaf 3.2
Figuur 1.1
Vervaardigingsprocessen materialen/ producten
hoofdstuk 4
Producten/ materialen met eigenschappen
hoofdstuk 5
Economie productie composieten
hoofdstuk 6
Tussenevaluatie
hoofdstuk 7
Verdergaande selectie toepassingen
hoofdstuk 8
Conclusies/ aanbevelingen
hoofdstuk 9
Opzet rapport.
15 van 74
2.
Aanbod secundaire materialen
2.1
Kunststoffen
In Nederland worden kunststoffracties gescheiden ingezameld door gespecialiseerde bedrijven. Vaak zamelen zij meerdere soorten afval of secundaire materialen in. Daarnaast worden secundaire kunststoffen via retoursystemen ingezameld. Te noemen zijn de retoursystemen voor koffiebekertjes, koelkasten, PVC-buizen en gevelelementen, frisdrankkratten en foliën uit de bouw en landbouw. Actuele situatie De hoeveelheid kunststofafval (thermoplastische polymeren) die jaarlijks in Nederland vrijkomt, bedraagt grofweg een miljoen ton. Onder invloed van marktmechanismen is de inzameling en het hergebruik van kunststofafvallen al voor een deel tot stand gekomen. In 1994 werd 196.000 ton kunststofafval in Nederland ingezameld en herverwerkt tot maalgoed en regranulaat. Het grootste deel van het kunststofafval wordt nog verbrand en gestort, veelal als deel van een gemengde stroom, zoals grijs houdelijk afval, KWDIafval en ongesorteerd bouwafval. De stand van zaken van inzameling en herverwerking verschilt per kunststof. In tabel 2.1 wordt de herverwerking per kunststof uitgesplitst [1]. Daarnaast worden de grote retoursystemen genoemd. De vergelijking van de vrijkomende hoeveelheid met de hoeveelheid mechanische recycling laat zien dat er ruimte is voor extra hergebruik in kwantitatieve zin. Uiteraard spelen kwaliteitsaspecten een belangrijke rol bij verhoging van het hergebruik van de desbetreffende stromen. Gelet op de hoeveelheden vormen HDPE, LDPE, PP en PS kansrijke opties voor verhoging van het materiaalhergebruik. Daarbij zijn de stromen afkomstig van bedrijven veelal schoner dan die uit huishoudens. Bovendien is het vanuit logistieke overwegingen aan te bevelen hoeveelheden afkomstig uit de KWDI-sector her te verwerken. Het betreft grotere hoeveelheden, afkomstig van minder bronnen, die dus kostenaantrekkelijk in te zamelen zijn. Kansrijke stromen voor verdergaande toepassingen (materiaalhergebruik) zijn: − HDPE : kratten/bakken/flacons/emmers; − LDPE : foliën; − PP : kratten/accuscrap; − PS ; koffiebekers/bloempotten/koelkastpanelen.
16 van 74
Aangezien het grootste deel nog gestort of verbrand wordt, zijn er in principe grote stromen beschikbaar voor materiaalhergebruik, nadat ze aan de bron gescheiden zijn. Tabel 2.1
Vrijkomende jaarlijkse hoeveelheden kunststoffen, het ingezamelde gehalte mechanische recycling en de soorten producten [1]; dit is de meest gedetailleerde verdeling die tijdens de uitvoering van het onderzoek bekend was.
Kunststof
Vrijkomende Mechanische recycling (in ton hoeveelheid per jaar, 1994 kunststofafval in Nederland (CE, eigen enq.) uit Nederland uit buitenland
Ingezamelde product, hoeveelheden product die jaarlijks vrijkomen (cijfers 1994), percentage hergebruik (1994)
PE-HDPE
78.000 ton
12.600 ton1
12.400 ton2
Kratten: 16.000 ton (incl. PP), 81% Flacons en doppen uit huishoudelijk afval: 35.000 ton
PE-LDPE
417.000 ton, waarvan 263.000 ton in huishoudelijk afval
42.500 ton1
36.100 ton2
Landbouwfolie: 16.500 ton (10.000 ton kuipfolie, 3.500 ton loopfolie, 500 ton anticondensfolie en 2.500 ton substraatfolie), 40% Bouwfolie: 16.100 ton, 0% Folie uit KWDB-sector: 148.000 ton, 25% (incl. 10% in buitenland)
PET
7.500 ton
8.400 ton1,3
1.800 ton2
Flessen: 7,5 kton, 67%
1
2
PP
130.000 ton
11.300 ton
7.600 ton
Drankflessen Kratten: zie HDPE Accuscrap Folies Bumpers Productieafval, totaal ca. 6,5%
PS (zonder EPS)
73.000 ton (incl. EPS)
8.700 ton1
3.200 ton2
Koffiebekers: Bloempotten Klerenhangers totaal ca. 1,5% (incl. EPS)
PS - EPS
12.500 ton4
8.400 ton1
1.800 ton2
PVC
5
37.000 ton
1,6
4.400 ton
0 ton2
Buizen/leidingsystemen: 5.000 ton, 46%
1
Cijfers inclusief productie-afval.
2
Cijfers exclusief productie-afval. De totale hoeveelheid productieafval (alle kunststofsoorten) uit het buitenland, in Nederland verwerkt, was in 1994 grofweg even groot als de hoeveelheid niet-productieafval (productafval oftewel post-consumentenafval). Hieruit valt echter weinig te concluderen over herverwerkte hoeveelheden uit het buitenland per kunststof, omdat de verhoudingen productieafval/productafval per kunststof sterk verschillen. In werkelijkheid is de herverwerkte hoeveelheid (in kolom 3) niet hoger dan de hoeveelheid afval die ontstaat (kolom 2). De bron die de 7.500 ton vrijkomend Nederlands PET-afval in 1994 noemt (CE, 1996), noemt een herverwerking van 5.000 ton over dat jaar, oftewel een herverwerkingspercentage van 67%. Cijfers uit 1990 door Stybenex (EPS-verpakkingen en ketenbeheer. Optimalisering in Nederland). Verwacht wordt dat de hoeveelheden PVC-afval in bouwafval de komende decennia sterk zullen stijgen als gevolg van een toename van PVC-toepassingen (gevelelementen, buizen) in de afgelopen decennia. Een andere bron (CE-enq.) vermeldt een veel grotere hergebruikte hoeveelheid PVC in 1994, namelijk 18.000 ton in 1994.
3
4 5
6
Indien er sprake is van materiaalrecycling, komt het materiaal terecht in de handel van secundaire kunststoffen. Deze handel is mondiaal en met name ook Europees. Vandaar dat het toekomstige vrijkomen van kunststofstromen
17 van 74
en het beschikbaar zijn voor materiaalrecycling principieel een Europese beschouwing behoeft. De Association of Plastic Manufacturers Europe (APME) volgt de trends van materialenaanbod, kunststofverwerking en de eindbestemming van afgedankte kunststoffen op de voet. Men laat externe bureaus, zoals Sofres en TNO periodiek studies uitvoeren. Toekomst De resultaten van een recent uitgevoerde studie laten zien dat de hoeveelheid vrijkomende kunststoffen naar de toekomst toe voortdurend zal groeien [9]. Groeipercentages van 3 à 5% jaarlijks tot 2006 worden voorspeld. De grootste hoeveelheden zullen in de distributiesector, industrie en huishoudens vrijkomen en bestaan met name uit verpakkingen (55 à 60%). Het betreft vooral de producten die in tabel 2.1 reeds genoemd zijn. De mechanische recycling (materiaalhergebruik) zal trendmatig groeien (68% jaarlijks) in West-Europa, hetgeen betekent dat de capaciteit mechanische recycling zich tussen 1995 en 2006 zal verdubbelen. De recent uitgevoerde studie “Kunststof recycling 1996; inzameling en herverwerking, materiaalstromen in kaart, ontwikkelingen naar 2000” [10] bevestigt de hiervoor gegeven constateringen. Onder invloed van de Europese Richtlijn Verpakkingen en in Nederland Convenant Verpakkingen II zal voor de inzameling en herverwerking van folieverpakkingen (LDPE) een jaarlijkse stijging van het binnenlandse aanbod van 12 -15% te verwachten zijn. De groei van het binnenlandse aanbod zal door inzameling en herverwerking van bijvoorbeeld flessen/flacons/vaten en tuinbouwmaterialen eveneens voor de materialen HDPE en PP gaan gelden. Door de afkondiging van stortverboden en het ingaan van Convenant Verpakkingen II worden steeds meer partijen bedrijfsafval aan afvalsorteerbedrijven aangeboden. In de periode 1992-1996 is het aantal afvalsorteerbedrijven gegroeid tot ruim 50. Het voorscheiden van kunststof verpakkingen met name foliën heeft sterke aandacht. Inzamelen, sorteren wordt daarnaast ook nog door kunststofrecyclingbedrijven (ca. 60) beoefend. In 1996 werd in Nederland 371.328 ton kunststoffen, zowel uit Nederland (145.000 ton) als uit het buitenland, voor sortering en/of herverwerking ingenomen, hetgeen een sterke stijging t.o.v. 1994 betekent [10]. De verwachting is dat dit zal stijgen naar 505.000 ton in 2000. Naast toename van export komt er via de inzamel- en sorteerbedrijven een grotere hoeveelheid voor binnenlandse herverwerking beschikbaar. Dit betekent dat er in principe reële hoeveelheden voor composietproduktie beschikbaar kunnen komen. Toekomstige marktgroottes voor alternatieve toepassingen en toekomstige marktprijzen zullen dan bepalen welk deel in reële zin beschikbaar komt. Met name grotere LDPE-partijen zullen in principe voor composietproduktie toegepast kunnen worden.
18 van 74
2.2
Hout
Indien men over houtafval spreekt, wordt er onderscheid gemaakt tussen resthout en oud hout. Onder resthout wordt verstaan snoeisel, plantenresten, takken en bomen van beplantingen en bijproducten uit de houtverwerkende industrie en handel. Oud hout is hout dat vrijkomt aan het eind van de gebruiksduur van het product waarin het verwerkt is. Het betreft onder andere hout uit grof huisvuil, bouw- en sloopafval en emballage. De laatste categorie (oud hout) wordt als secundair hout beschouwd en ook in het onderzoek betrokken. Actuele situatie In tabel 2.2 is een overzicht van de vrijkomende hoeveelheden gegeven [2]. Tabel 2.2
Overzicht stromen afvalhout (1993) [2]; dit is de meest gedetailleerde verdeling die tijdens de uitvoering van het onderzoek bekend was.
Afvalstroom
Hoeveelheid (kton/jaar)
Opmerkingen
Emballage
401
grote hoeveelheden geconcentreerd vrijkomen beperkt verontreinigd
Bouw
275
grote hoeveelheden sorteren bij BSA-verwerkers
NS (bielzen)
12
geconcentreerd vrijkomen verontreinigd
Grof huisvuil
120
veelal slechte kwaliteit
Klein huishoudelijk
144
vermengd met overige huisvuil lage kwaliteit
Industrie
10
beperkte hoeveelheid
KWD
30
beperkte hoeveelheid
Totaal
992
Hergebruik van oud hout in 1993 geschiedde op een aantal plaatsen in Nederland. Het betreft daarbij onder meer spoorbielzen van de NS, die worden hergebruikt als tuinhout, en verkleind bouwafval, t.b.v. inzet in de spaanplaatindustrie. In 1993 bedroeg de hergebruikte hoeveelheid ca. 65.000 ton. De rest wordt verstookt in bijvoorbeeld AVI’s en open haarden, maar ook deels gestort. Twee interessante afvalcategorieën, rekening houdend met de kwaliteit en het vrijkomen in grote hoeveelheden op een beperkt aantal locaties, zijn: − afvalhout uit de bouw; − afvalhout afkomstig van emballage.
19 van 74
Het afvalhout afkomstig van de bouw zal in het algemeen bij gespecialiseerde verwerkers van bouw- en sloopafval, bij de sorteerbedrijven, vrijkomen. Het emballagemateriaal zal via inzamelaars bij bedrijven en winkels worden verzameld. In tabel 2.2 is aangegeven dat grote hoeveelheden hiervan geconcentreerd vrijkomen. Omdat dus het grootste deel van het afvalhout, uit de bouw, en het afvalhout, afkomstig van emballage nog gestort of verbrand wordt, zijn er in principe grote stromen beschikbaar voor materiaalhergebruik. Toekomst De benutting van oud hout wordt aangemoedigd door de overheid. De invoering van stortverboden voor bouw- en sloopafval en houtafval illustreren dit. Daarnaast spreekt de recent verschenen 3e Energienota (1997) over stimulering van de toepassing van duurzame energie waaronder biomassa (dus ook out hout), o.a. in het kader van CO2-reductie. Vanwege het overheidsbeleid zal de inzet van oud hout [4] toenemen. Daardoor gaat de vraag naar oud hout en de verwerkingscapaciteit stijgen. Het betreft de vraag naar oud hout voor gebruik als materiaal (inclusief exporten, bijvoorbeeld naar Duitsland en België ten behoeve van spaanplaatproductie) en voor gebruik als energiebron (inclusief exporten, bijvoorbeeld naar Zweden). Een voorbeeld van energiebenutting is het bijstoken van verpoederd hout in de EPON energiecentrale te Nijmegen. In tabel 2.3 is de verwachte extra verwerking voor 2000 in Nederland geïllustreerd. Tabel 2.3
Verwachte extra verwerkingsmogelijkheden in 2000 [2].
Soort verwerking
Extra jaarlijkse capaciteit (kton/jaar)
Materiaalhergebruik = industriële verwerking
104
Thermische verwerking met energiebenutting = verbranden = vergassen
212 120
Totaal
435
Hierbij wordt zowel een beroep gedaan op resthout (uit bossen en van houtbewerking) als op oud hout. Bij gelijkblijvend aanbod als in 1993 zal de benuttingsgraad van resthout en oud hout in Nederland duidelijk stijgen. In het meest gunstige scenario, als alle plannen uitgevoerd gaan worden, worden deze ingevuld met onbenut oud hout. Dus met het hout dat nog wordt gestort of verbrand met beperkte energieterugwinning. Het is wel de vraag of het aanbod van resthout en oud hout (vanwege onder andere exporten) stabiel zal blijven.
20 van 74
In hoofdstuk 6 wordt aangegeven dat de grondstofkosten van kunststof in belangrijke mate de kosten bepalen voor de productie van het materiaal. Vervanging van kunststof (ca. ƒ 2000/ton) door hout (lager dan ƒ 200/ton) is aantrekkelijk. De prijs van oud hout c.q. resthout kan in principe nog stijgen, vanwege de marge van ca. ƒ 1800/ton. Deze marge van ƒ 1800/ton is aanmerkelijk groter dan de marge, die geldt voor alternatieve, concurrerende houtverwerkingsroutes en sommige kunststof afvalverwerkingsroutes. Dit betekent dat eventueel in de toekomst gevestigde composiet producerende bedrijven door het betalen van hogere grondstofprijzen (voor hout) hun marktaandeel veilig kunnen stellen. Als voorbeeld kunnen de spaanplaatproducenten genoemd worden, die met relatief gemak secundaire grondstoffen, t.b.v. hun produktie, op de internationale markt verwerven. Houtkwaliteiten Door de werking van stortverboden en de toenemende vraag naar afvalhout ontstaat er economisch gezien ruimte om bij de sorteerbedrijven houtfracties af te scheiden voor verdere opwerking. Indien er een zuigende markt ontstaat, zal dus het aanbod geen probleem vormen. Enkele sorteerbedrijven oriënteren zich reeds op nieuwe verwerkingsmogelijkheden van oud hout. De sorteerbedrijven (verenigd in de BRBS, Belangenvereniging Recycling Bouw- en Sloopafval) onderscheiden voor de houtfracties de volgende 4 kwaliteiten [4]: − Massief onbewerkt hout: Onbewerkt wil zeggen dat het hout schoon is, ongelakt en niet geïmpregneerd of verlijmd. − A-kwaliteit: Deze houtfractie bestaat uit zowel massief onbewerkt als massief bewerkt hout. Massief bewerkt hout mag net als massief onbewerkt hout niet geïmpregneerd of verlijmd zijn, maar wel gelakt of geverfd. Aangezien veel van dit hout gesorteerd wordt voor de spaanplaatindustrie wordt in dit verband ook wel gesproken van ‘spaanplaatkwaliteit’. − B-kwaliteit: Dit hout bestaat uit de overige stukken hout of houtproducten, zoals plaatmaterialen, tuinpaaltjes en schuttingen, mits er geen onderscheid naar stortkwaliteit wordt gemaakt. − Stortkwaliteit: Hieronder vallen voornamelijk gecreosoteerde bielzen en doorweekt hout. Het is wel zo dat herverwerkers een beroep doen op dezelfde categorieën resthout en oud hout. Het betreft veelal schoon (wit) resthout t.b.v. hergebruik en de minst verontreinigde soorten oud hout (schoon bouw- en sloopafval, emballagehout) t.b.v. thermische benutting.
21 van 74
In het kader van de toepassingen in kunststof/hout-composietmaterialen is met name de A-kwaliteit relevant; echter aangezien de houtvezels volledig opgenomen en opgesloten worden in de kunststofmatrix zijn ook droge, niet-biologische aangetaste B-kwaliteitmaterialen geschikt voor de beoogde toepassing(en) (zie 8.3). Resultaten van nader onderzoek zullen dienen aan te tonen welke verontreinigingen in welke mate verantwoord toegepast kunnen worden (dit kan betekenen dat er op verschillende B-kwaliteiten gesorteerd dient te worden). Hetgeen hiervoor beschreven is, geeft aan dat er in principe reële hoeveelheden afvalhout voor composietproduktie vrijkomen en dus beschikbaar kunnen komen. Toekomstige marktgroottes voor alternatieve toepassingen en toekomstige marktprijzen zullen dan bepalen welk deel in reële zin beschikbaar komt.
22 van 74
23 van 74
3.
Opwerkings- en reinigingstechnieken
3.1
Kunststoffen
Bij het op kwaliteit brengen, het reinigen van kunststofstromen dient men onderscheid te maken tussen monostromen en mengsels. Er is sprake van monostromen indien de fractie bestaat uit één kunststofsoort. Deze kunststofpartij kan nog wel verontreinigd zijn met niet-kunststoffen. Er wordt van mengsels gesproken als meerdere soorten kunststoffen in een fractie aanwezig zijn. Ook dan kan de partij verontreinigd zijn met niet-kunststoffen. Afhankelijk van de homogeniteit/heterogeniteit van de beschouwde stroom zal een gering aantal technieken c.q. een proces van een redelijk aantal geschakelde technieken ingezet dienen te worden. Standaard-stappen die nagenoeg altijd voorkomen, zijn verkleinen, wassen (verwijderen stof, aanhangend vuil en geringe hoeveelheden verontreinigingen) en extruderen. Dus afhankelijk van de heterogeniteit van de beschouwde stroom worden aan deze stappen minder of meer technieken toegevoegd. De bewuste selectie van opwerkings- en reinigingstechnieken geschiedt al t.b.v. materiaalrecycling; voor de composietproduktie zijn geen aanvullende bewerkingen nodig. Monostromen Vele partijen worden opgewerkt met behulp van de genoemde 3 standaardstappen verkleinen, wassen en extrusie. Indien de beschouwde partij vervuild is met kleine zware deeltjes (zoals zand) kunnen de technieken zeven (scheiding op basis van grootte) en luchtclassificatie (scheiding op basis van gewicht, dichtheid) toegevoegd worden. Met behulp van magneten en elektrostaatscheiders kunnen metalen verwijderd worden. De beschreven groep betreft droge bulkscheidingstechnieken. Ook kunnen natte bulkscheidingstechnieken toegepast worden. Water wordt meestal als scheidingsmedium gebruikt. De scheiding berust op verschillen in dichtheid tussen water, kunststof en verontreinigingen. De kunststof gaat drijven (in een drijf/zink-cel) en de verontreinigingen zinken. Indien de verontreiniging ook drijft, of moeilijk zinkt (zweeft), bijvoorbeeld bij de aanwezigheid van papier of hout, kan een frictiewasser met een fijne zeef worden toegepast. Verpulpt papier of houtstof wordt door de zeefgaten gedrukt en met het water afgevoerd. Er is dus een scala aan opwerkings- en reinigingsapparatuur beschikbaar. De geringe economische ruimte echter beperkt de inzet aan apparatuur.
24 van 74
Mengsels In de praktijk worden ook mengsels van enkele kunststoffen, al dan niet licht verontreinigd aangeboden. Voor de reiniging kunnen dezelfde technieken als die beschreven bij de opwerking van monostromen ingezet worden. Indien men naar de ontwikkelingen in het verwerkingsproces kijkt, heeft vooral de stap scheiden de aandacht. De trend is meer samengestelde mengsels met verschillende verontreinigingsgraden te kunnen verwerken, waardoor er hogere technische eisen aan de scheidingsstap gesteld worden. Wat betreft scheidingstechnieken zijn twee richtingen te onderscheiden [3]: 1. Bulkscheidingstechnieken; fracties, bestaande uit deeltjes, worden in een continu proces uit een deeltjesmengsel afgescheiden. 2. Sensorgestuurde scheidingstechnieken; op basis van een sensorsignaal wordt deeltje voor deeltje uit een stroom afgescheiden. Wat betreft bulkscheiding zijn de toepassing van de drijf/zink-cel en de hydrocycloon reeds langer bekend. Deze natte technieken berusten op verschillen in dichtheid tussen het scheidingsmedium, veelal water, en de kunststoffen. Zout, suspensiemiddel, of alcohol kunnen aan het water toegevoegd worden om de dichtheid te sturen. Het scheidingsmedium heeft een dichtheid die tussen die van de te scheiden componenten inligt. Zodoende zinkt de zwaardere kunststof in de drijf/zink-cel of wordt naar buiten geslingerd in een hydrocycloon. De sensorgestuurde technieken zijn vrij nieuwe technieken. Wijdverbreide toepassingen zijn nog niet te constateren, maar ontwikkelingen zijn er duidelijk gaande. De groep technieken behorende onder bulkscheiding heeft meestal betrekking op sterk verkleinde deeltjes, terwijl sensorgestuurde technieken aangrijpen op onverkleinde of beperkt verkleinde delen. Opgemerkt dient te worden dat de trend is dat bulkscheidingstechnieken ook voor grotere deeltjes en sensorgestuurde technieken ook voor kleinere deeltjes worden toegepast. Daarnaast kunnen sensorgestuurde technieken en bulkscheidingstechnieken gecombineerd worden toegepast. Nieuwe (gemodificeerde) technieken binnen de twee groepen die steeds meer toegepast worden of op het punt van introductie staan, zijn [3]: 1. Bulkscheidingstechnieken: - elektrostatische scheiding; het scheiden van opgeladen kunststofdeeltjes in een elektrisch veld; - centrifugescheiding; in Duitsland heeft Humboldt een horizontale centrifuge ontworpen, waarbij deeltjes op basis van dichtheidsverschillen van elkaar worden gescheiden;
25 van 74
-
aërohydrocycloon; het scheiden van deeltjes op basis van dichtheidsverschillen in een water/lucht-dispersie met een gemodificeerde hydrocycloon. 2. Sensorgestuurde scheidingstechnieken: - infraroodscheiding (Near Infra Red, NIR): het scheiden van flessenmengsels op basis van verschillen in gedetecteerde infraroodspectra van verschillende polymeren; - beeldherkenning; het scheiden van verschillende delen op basis van verschillen in vorm/kleur met behulp van camerasignalen. Door de integratie van bestaande met nieuwe technieken op een creatieve wijze ontstaan er mogelijkheden om uit verontreinigde mengsels zuivere polymeerfracties af te scheiden. Zo ontstaat er de mogelijkheid van niet alleen de verwerking van zuivere éénsoortige polymeerfracties, maar ook die van minder zuivere meersoortige polymeermengsels. Het netto-effect is dat de verwerking van meerdere kunststoffenmengsels tot materiaalhergebruik leidt. Uiteraard dienen deze scheidingstechnische verbeteringen en innovaties binnen economische randvoorwaarden plaats te vinden.
3.2
Hout
Via sortering en mechanische naverwerking is het in principe mogelijk spaanderfracties van verschillende kwaliteiten af te scheiden. Ten behoeve van de produktie van grondstoffen voor de vervaardiging van composietprodukten zijn geen aanvullende processtappen nodig (wellicht dient de sortering aangepast te worden, zie 2.2). Bedrijfsafvallen (waaronder emballage) en bouw- en sloopafvallen worden steeds meer nagesorteerd in daarvoor ingerichte sorteerbedrijven. Daarbij worden fracties voor hergebruik, voor verbranding en voor storten (dus eindverwerking) afgescheiden. Dit geschiedt ook met de houtfracties. Deze worden ook geselecteerd naar verschillende kwaliteiten met verschillende potentiële bestemmingen. In een erop volgend opwerkingsproces worden houtpartijen veelal in 2 stappen verkleind. De voorverkleiner creëert deeltjes met een diameter van ca. 10 cm. De voeding voor deze voorverkleiner bestaat uit massieve delen. De naverkleining geschiedt met behulp van een hamermolen met een hoog toerental. Metaaldelen (zoals spijkers en schroeven) en overige niethoutdelen worden nu voldoende vrijgemaakt. Niet-houtdelen worden verwijderd met behulp van zeven (fijn stof onder andere afkomstig van verflagen) en/of luchtclassificatie-apparatuur.
26 van 74
Magneten scheiden de ferrodelen, zoals spijkers, schroeven, scharnieren, etc. af. De niet-magnetische metalen worden verwijderd met behulp van een eddy current scheider of metaaldetectoren. Metaalverwijdering geschiedt veelal zowel vóór (bescherming molens) als ná de verkleinstappen (afscheiden kleinere metalen delen).
27 van 74
4.
Productieprocessen kunststof/hout-composieten
De producten betreffen in deze context composieten. Daarbij kan men onderscheid maken tussen composieten met een laag gehalte aan kunststoffen (synthetische materialen), 3-12%, en composieten met een hoog gehalte aan kunststoffen, 30-80%. Om de verschillen goed toe te kunnen lichten, wordt de productie van beide categorieën beschreven.
4.1
Composieten met laag gehalte synthetische materialen
Bij de beschouwing van deze producten spreekt men over de productie van plaatmaterialen uit hout. Er zijn vele soorten plaatmaterialen. Daarvan zijn alleen spaanplaat, midden dichtheid vezelplaat (MDF) en anorganische matrixcomposieten (cementgebonden spaanplaat) geschikt voor de toepassing van houtafvallen. De productiemethoden kennen zes stappen: − behandeling grondstoffen; − productie spanen/vezels; − drogen en verlijming; − vorming plaatstructuur; − persen; − afwerkende activiteiten. Behandeling grondstoffen De grondstoffen zijn afkomstig van recyclingbedrijven, maar kunnen gemengd worden met grondstoffen afkomstig van primair hout, dus het mengen van spanen afkomstig van verschillende bronnen. Het reinigen van de mengsels spanen (afscheiden stof, kleine bastdeeltjes, houtvreemde deeltjes) hoort tot de voorbehandelingen. Productie spanen/vezels Zoals reeds in 3.2 is aangegeven worden spanen via een 2-trapsverkleining geproduceerd. Daarbij staan verschillende molentypen ter beschikking. Houtcomposieteigenschappen worden bepaald door de spaanderlengte/spaanderdikte-verhouding of door de spreiding van lengte/dikteverhoudingen. Dit is te sturen door de toepassing van verschillende verkleiningstechnieken.
28 van 74
De oppervlakte-eigenschappen worden verbeterd door een lage lengte/dikte-verhouding, terwijl waterabsorptie, dikte zwelling en lineaire expansie verbeterd worden bij toenemende lengte/dikte-verhoudingen. In het verleden werd batchgewijs de stoomexplosiemethode (het Masoniteproces) toegepast om vezels uit hout te vervaardigen. Tijdens het proces werd het hout verhit in een hogedrukstoom atmosfeer , waarna plotseling de druk werd weggenomen. Door de snelle decompressie van de stoom vielen de spaanders uiteen in vezels. Tegenwoordig wordt hogedruk ‘disk refining’ toegepast om gecontroleerde vezels te vervaardigen. De spaanders worden voorverwarmd in stoom met een druk van 0,7 MPa. Daarna worden ze tussen 2 ronde platen (de een draaiend met hoge snelheid en de ander stationair) in het centrum gevoed. De spaanders bewegen vanaf het centrum naar de buitenzijde. De platen hebben een afmeting van 1 meter diameter en de afstand ertussen aan de buitenzijde is 25 µm. De snelheid van de bewegende plaat is 1800 toeren per minuut. De combinatie van mechanische wrijving, veroorzaakt door de platen, en de druk/decompressie cycle veroorzaakt de scheiding van spaanders en vezels met gecontroleerde afmetingen. Toepassing van deze methode geeft een groot aantal sterke cellen die nog intact zijn. Drogen en toevoeging synthetisch materiaal Spaanplaat Het vochtgehalte van de spaanders dient teruggebracht te worden naar 28%, afhankelijk van de gebruikte toevoeging. Roterende drogers worden toegepast om dit eindvochtgehalte te realiseren. Afvalhout heeft het voordeel dat het aanvangsvochtgehalte beduidend lager is dan dat van vers, nieuw hout. In de spaanplaatindustrie wordt 8 gew.% ureum formaldehyde (UF) of melamine ureum formaldehyde (MUF) toegevoegd. Daarnaast wordt ook nog paraffinewas toegevoegd om de plaat een korte termijn vochtweerstand te geven. Hars en was worden in een korte tijd gemengd (2 à 3 seconden) met de spaanders. In de ronddraaiende mengers (600-1000 toeren per minuut) wordt de hars over elke spaanderdeeltje versproeid. Cementgebonden spaanplaat De spaanders worden niet gedroogd. Het vochtgehalte wordt gecontroleerd door het mengsel water/cement af te stemmen op gegeven condities. Midden dichtheid vezelplaat (MDF)
29 van 74
Bij de productie van deze platen wordt de hars vóór het droogproces toegevoegd. Toevoeging van was en hars geschiedt gedurende het zogenaamde ‘blowline blending’ proces. De was wordt direct na de toevoer gedoseerd. Daarentegen wordt de hars in een stroom met hoge snelheid en veel turbulentie geïnjecteerd, die de vervezelsectie verlaat. Harsdruppeltjes van 25 µm worden gevormd en de verspreiding van deze druppeltjes gebeurt door de botsingen van de vezels in een turbulente stroom. Op deze wijze wordt 812% gew.% UF aan het vezelmateriaal toegevoegd. Een warme luchtstroom (120-170 °C) droogt daarna het vezelmateriaal. De snelheid van de lucht is 80 m/s en in 3 seconden wordt het vochtgehalte teruggebracht van 140% naar 8-10%. Op deze wijze wordt de verdamping van hars beperkt. Vorming plaatstructuren De dichtheid van de plaat moet zowel over de lengte als over de breedte consistent zijn. Om kromtrekken te voorkomen, vanwege vochtopname en zwellen, dient het dichtheidsprofiel over de dikte van de plaat vanuit het centrum overal symmetrisch te zijn. In het ideale geval is de oriëntatie van de spaanders of vezels ongestructureerd in zowel de lengte- als breedterichting. Soms is er echter enige oriëntatie in de werkrichting van de vormmachine. Spaanplaat en cementgebonden spaanplaat Ten behoeve van maximale buigsterkte (bijvoorbeeld voor constructiedoeleinden) dienen de sterke (lange) spaanders aan de buitenzijde te liggen. Voor toepassing in bijvoorbeeld meubilair wordt een hard oppervlak gevraagd, dat door kleine deeltjes wordt bewerkstelligd. De verdeling van afmetingen geschiedt met behulp van vormgereedschappen. Dit kan een luchtstraal zijn die kleine deeltjes naar binnen drukt, of bewegende rollers die door het moment zwaardere deeltjes verder naar binnen drukken. MDF-plaat Niet-scheidende vormgereedschappen worden gebruikt bij de productie van MDF-platen. Het zijn bewegende rollen of trillende spreidingskokers. Deze worden toegepast als verschillende lagen in de plaat aanwezig zijn. Bijvoorbeeld als het hart van de plaat een andere hars bevat dan het oppervlak van de plaat, worden deze gereedschappen gebruikt. Persen
30 van 74
Vormdelen worden veelal eerst koud geperst om het grootste deel van de lucht te verwijderen. Daarna volgt heet persen om de hars te laten uitharden. Er is een trend in de toepassing van meerdere kleine persen naar enkele grote persen en een trend naar continu persen. De drijvende krachten hierachter zijn het voorkomen van plaatverliezen en het voorkomen van problemen bij de overgang van continue processen (vormen plaatdelen) naar batchprocessen (persen). Er bestaat een limiet bij het persen wat betreft de breedte van de plaat, nl. 2,5 m. Dit wordt veroorzaakt door het warmtetransport. De minimum perstijd wordt bepaald door de benodigde buigsterkte in het centrum van de plaat. Het hoofdmechanisme voor warmtetransport in de plaat is het koken, stromen en condenseren van stoom, afkomstig van vocht in de spaanders/vezels. Daardoor ontstaat er een hoge gasdruk in het centrum van de plaat, die weggenomen dient te zijn voor het openen van de pers. Deze wordt weggenomen als de stoom aan de randen van de plaat ontsnapt. Om warmtetransport te versnellen, uitharding te verkorten en pers cycle tijden te verkorten, wordt stoominjectie persen toegepast. Een alternatief is water op het oppervlak van het vormdeel te sproeien alvorens de pers gesloten wordt (stoom shock methode). Het oppervlak van de plaat wordt veelal verdicht vanwege de thermische plastificering van hout tijdens het persen. Het dichtheidsprofiel van de plaat wordt gecontroleerd door de tijd voor sluiten van de pers aan te passen of door stoominjectie te gebruiken tijdens het persen om de plaat uniform te verhitten. Cementgebonden vezelplaten worden ca. 8 uur bij 70 °C geperst totdat de cement enige sterkte heeft. De volledige sterkte is bereikt na een opslag van ca. 20 dagen. Afwerkende activiteiten Na het persen dienen platen met UF of MUF afgekoeld te worden om thermische degradatie van harsen te voorkomen. Na de koelperiode worden ze op maat gemaakt.
4.2
Composieten met hoog gehalte synthetische materialen
Als een composietmateriaal vervaardigd wordt (bijvoorbeeld glas/kunststof of hout/kunststof), worden de componenten gemengd tijdens een aparte stap.
31 van 74
Met behulp van een extrusieproces kunnen pellets (of granulaten) geproduceerd worden, die bestaan uit houtvezelversterkte kunststof; zie figuur 4.1. Een alternatief voor extrusie betreft menging bij hoge snelheid. Tijdens het mengen van hout en kunststof moet bewaakt worden dat: • het hoge specifieke volume van hout, vergeleken met kunststof geen inhomogene menging geeft; • de vezels niet beschadigd worden; • de vezels niet wegbranden. Daarnaast moet het hout droog zijn en dient de extruder ontluchtingsgaten (voor stoom) te bevatten.
32 van 74
Hout/kunststof
Dubbele schroef Kamer Pellets
Figuur 4.1
Compounderen hout/kunststof-composiet.
Houtvezels en kunststoffen worden gemengd toegevoegd en gevoerd naar de extruder, alwaar smelten van de kunststof in een kamerruimte plaatsvindt. De smelt wordt gehomogeniseerd en met behulp van de dubbele schroef naar buiten gedrukt, alwaar de streng in pellets gehakt wordt. Deze pellets van gehomogeniseerd materiaal worden verder verwerkt in de hierna beschreven processen. Een aantal processen kan toegepast worden voor de vervaardiging van versterkte kunststofcomposieten. De keuze van een specifiek proces voor de vervaardiging van een geselecteerd product hangt af van een aantal factoren. Deze zijn onder andere: − de afmetingen, complexiteit van het gewenste product; − de hoeveelheid gewenste producten; − de kosten, performance en specificaties van het bewuste product; − de kosten en levensduur van de mal; − de compatibiliteit van een specifieke kunststof, vezels en additieven in relatie tot het geselecteerde proces. Compressiegieten Houtvezels worden tussen dunne lagen kunststoffen gemengd in het bodemdeel van de mal. Het topdeel wordt naar beneden gedrukt en de toegevoerde hoeveelheid vult de holle ruimte tussen de twee delen; zie figuur 4.2. De voorgevormde structuur wordt gevuld en uitharding geschiedt als de 2 maldelen onder hitte en druk naar elkaar gebracht worden. De uithardingscyclus hangt af van de gekozen kunststof, temperatuur, druk, dikte van het product en de complexiteit ervan. Op deze wijze kunnen schermen, panelen, etc. gevormd worden. Een voorbeeld is de productie van body panelen voor de automobielindustrie.
33 van 74
Kunststof Mal
Vezels
Figuur 4.2
Schematische weergave compressiegieten.
Het continu lamineringsproces wordt heden ten dage eveneens toegepast, waarbij een lopende bandsysteem wordt gebruikt. Vezels komen op een dragende film, waarna bedekking met een laag weekgemaakte kunststof plaatsvindt. De film loopt verder door en rollers drukken de vezels in de kunststof waarna een topfilm wordt toegevoegd. De kunststof/vezel-mix tussen 2 filmlagen wordt tussen compressierollers doorgevoerd om de lucht te laten ontsnappen en de dikte te stabiliseren. Daarna passeert het materiaal de vormgevings- en uithardingssectie. Vooral plaatmaterialen worden vervaardigd voor bijvoorbeeld toepassingen in de tuinbouw en als gevelmaterialen in de bouw. Extrusie Extrusieprocessen worden geselecteerd voor de vervaardiging van producten met uniforme doorsneden, zoals buizen, slangen, foliën, die continu geproduceerd worden. De pellets komen in de extruder en smelten in een speciale kamerruimte. De smelt wordt gehomogeniseerd en met behulp van een enkele schroef naar de vormstempel getransporteerd, zie figuur 4.3
34 van 74
Pellets
Vormstempel Product Enkele schroef Pellets
Die Product Single Screw
Figuur 4.3
Schematische
weergave extrusie spuitgieten.
De geëxtrudeerde smelt passeert daarna downstream apparatuur en vormgeving en afkoeling geschiedt.
35 van 74
Extrusie spuitgieten is een optie, waarbij holle voorwerpen worden vervaardigd; in een mal waar lucht wordt ingevoerd, wordt de smelt tegen het oppervlak van de mal gedrukt. Injectie spuitgieten De belangrijkste componenten van dit proces zijn een toevoervat, een injectiekamer met schroef en een mal. Vezelversterkte thermoplasten worden gefabriceerd vanuit pellets. Zij worden gevoerd naar de injectiekamer en aldaar opgewarmd. De weekgemaakte pellets zijn transporteerbaar en injectie in een mal met behulp van een schroef volgt daarna, zie figuur 4.4. Trechter
Kamer
Schroef
Figuur 4.4
Mal
Schematische weergave injectie spuitgieten.
De ruimte in de mal is gekoeld, zodat de smelt vast wordt en de gewenste vorm aanneemt.
36 van 74
5.
Materialen met eigenschappen
5.1
Inleiding
In dit hoofdstuk worden belangrijke eigenschappen van composietmaterialen nader belicht. Het betreft de vergelijking van de eigenschappen van het composietmateriaal met die van enerzijds hout en die van anderzijds kunststoffen (op basis van laboratoriumtesten in binnen- en buitenland). Op deze wijze kan de plaats van het kunststof/hout-composiet onderbouwd worden en kan de relatie met beoogde toepassingen (groepen producten) gelegd worden. De sterkte van hout (onder andere buigsterkte van massief hout) is niet in alle richtingen gelijk. Daarom zijn in het verleden al materialen zoals triplex (als voorbeeld van hout/hout-composieten) ontwikkeld. Meer recent is het materiaal MDF ontwikkeld om deze variatie te elimineren (= anisotropie reductie). De eigenschappen van deze commerciële plaatmaterialen zijn goed bekend en voldoen veelal aan internationale normen. Figuur 5.1 toont de vergelijking van de buigsterkte van hout met die van hout/hout-composieten. Het effect van de verschillende plaatmaterialen op anisotropie wordt eveneens geïllustreerd.
MDF
SPAANPLAAT
TRIPLEX MASSIEF HOUT
0
Figuur 5.1
20 40 60 Buigsterkte (MPa) loodrecht parallel perpendicular
80
Buigsterkte van hout en houtproducten [12].
Het nadeel van hout/hout-composieten is de zwelling bij contact met water. In figuur 5.2 wordt deze meest nare eigenschap van houtproducten getoond. Deze zwelling is niet reversibel. Daarom kunnen veel plaatmaterialen niet buiten zonder beschermende maatregelen toegepast worden.
37 van 74
8 7 Relatieve dikte zwelling (%)
6 5 4 3 2 1 0
Lage kwaliteit spaanplaat
Figuur 5.2
Hoge kwaliteit spaanplaat
Cementgebonden
MDF
MFD (vochtbestendig
Zwelling van de dikte van houtproducten (24 uur contact met water) [13].
De toepassingen van genoemde houtproducten (met secundair hout) zijn vanwege deze zweleigenschappen vooral in de binnenatmosfeer te vinden. Te noemen toepassingen zijn meubilair, dakdelen, vloeren en algemene constructiedelen. Ten behoeve van buitentoepassingen komen vochtresistente kunststof/hout-composieten steeds meer voor. Composieten met thermoharders zijn reeds op de markt. Te noemen is Trespa. De waterresistentie van dit materiaal is de belangrijke eigenschap. De sterkte-eigenschappen (bijv. treksterkte) van deze composieten zijn vergelijkbaar met die van massief hout. Omdat kunststof/hout-composieten met thermoharders niet goedkoop zijn en beperkt recyclebaar zijn, komen kunststof/hout-composieten met thermoplasten in beeld. In 5.2 wordt nader ingegaan op relevante eigenschappen, zoals sterkte, waterresistentie en biologische resistentie. Met name wordt ingegaan op de eerste resultaten van laboratoriumtesten.
5.2
Kunststof/hout-composieten met thermoplasten
Waar in zijn algemeenheid over kunststoffen, hout en kunststof/houtcomposieten gesproken wordt in deze paragraaf (o.a. wat betreft de eigenschappen ervan), heeft het betrekking op een samentrekking van de gegevens uit de literatuurbronnen [6], laboratoriumonderzoek/pilot plant onder-
38 van 74
zoek, en [7], laboratoriumonderzoek en (niet gepubliceerd) TNO-onderzoek [11], pilot plant onderzoek. Hierna worden enkele eigenschappen van kunststof, zacht hout en kunststof/hout-composieten (primaire materialen) met elkaar vergeleken. Dichtheid De dichtheid van kunststof/hout-composieten is hoger dan die van kunststoffen, maar lager dan die van kunststoffen met anorganische vulstoffen, zoals glasvezels en talkpoeder. Het dichtheidsniveau betekent dat de plantaardige vezels bijna volledig geïmpregneerd zijn door de kunststof (zie figuur 5.3); het gehalte plantaardige vezels in kunststof bedraagt 8-30 gew.%. 1.2
1
Dichtheid (kg/dm3)
0.8
0.6
0.4
0.2
0 Kunststof
Figuur 5.3
Composiet
Zacht hout
Vergelijking van de dichtheid tussen kunststof, hout en kunststof/hout-composiet1 [6], [7].
Buigstijfheid en buigsterkte De stijfheid van kunststof/hout-composieten is veelal hoger dan die van pure kunststoffen (figuur 5.4). Dit geldt in principe ook voor de buigsterkte (figuur 5.5). Het gehalte hout in het desbetreffende composietmateriaal bedraagt 8-40 gew.%. 1
De dichtheid van zacht hout is laag, omdat het een poreus materiaal is (met gaten tussen en in de vezelstructuren); indien deze poreuze stuctuur (deels) gevuld wordt met polymeermateriaal neemt de bruto-dichtheid van het composietmateriaal zodanig toe, dat deze hoger is dan die van de corresponderende kunststof.
39 van 74
12000
10000
Buigstijfheid (MPa)
8000
6000
4000
2000
0 Kunststof
Figuur 5.4
Composiet
Zacht hout
Vergelijking van de buigstijfheid tussen kunststof, hout en kunststof/hout-composiet op praktijkschaal [6], [7], [11].
100 90 80 70
Buigsterkte (MPa)
60 50 40 30 20 10 0 Kunststof
Figuur 5.5
Composiet
Zacht hout
Vergelijking van de buigsterkte tussen kunststof, hout en kunststof/hout-composiet op laboratoriumschaal [6], [7], [11].
Elasticiteitsmodules, treksterkte en slagsterkte In de figuren 5.6 en 5.7 is duidelijk te zien dat de verschillende kunststoffen met verschillende vezeltypen een van elkaar afwijkende interactie vertonen. De toevoeging van houtvezel heeft een gunstig effect op de elasticiteitsmodulus en de treksterkte. Dit verschilt voor polystyreen (HIPS) en polyprop-
40 van 74
een. De slagsterkte van kunststof/hout-composieten is over het algemeen lager. De figuren 5.8 en 5.9 laten dit nogmaals zien. Daarbij is ook duidelijk te zien dat het type houtvezel een belangrijke invloed heeft.
41 van 74
E-modules, Treksterkte, Notched lzod (slagsterkte)
60
50
40
30
20
10
0 100% polypropeen
40% talk
E-Modules, GPa x 10
Treksterkte, MPa
50% houtmeel Slagsterkte, J/m
60
E-modulus, Treksterkte, Notched Izod
50
40
30
20
10
0 polypropyleen
40% talk E-Modulus GPa x 10
Figuur 5.6
Treksterkte MPa
50% houtmeel Not. Izod Imp. J/m
Vergelijking van elasticiteitsmodulus, treksterkte en ‘Notched Izod Impact’ (slagsterkte) van 100% primair polypropyleen, composiet met talk en primair polypropyleen met houtmeel (met additief 5% MAPP) [7].
42 van 74
E-modules (Mpa)
5000 4000 3000 2000 1000 0 gerecycled HIPS 100% Kunststof
Figuur 5.7
primair PP
40% Houtmeel
40% Zaagsel
40% Houtvezel
Elasticiteitsmodulus van 100% polymeer en composiet met verschillende soorten houttoevoegingen [11].
40 35 30
Treksterkte (MPa)
25 20 15 10 5 0 100% Kunststof
40% Meel
40% Zaagsel
40% Vezel
Hout type
Figuur 5.8
Effect van het type houtafval op de treksterkte van primair high impact polystyreen [14].
43 van 74
3.5
3
Slagsterkte (kJ/m)
2.5
2
1.5
1
0.5
0 100% Kunststof
40% Meel
40% Zaagsel
40% Vezel
40% Zaagsel
40% Vezel
Hout type 3.5
3
Notched Impact (kJ/m2)
2.5
2
1.5
1
0.5
0 100% Kunststof
40% Meel Hout type
Figuur 5.9
Effect van het type houtafval op de slagsterkte van primair high impact polystyreen [14].
Toevoeging van additieven heeft een gunstig effect op de mechanische eigenschappen. In figuur 5.10 is dit te zien voor de elasticiteitsmodulus.
44 van 74
500.0
Elasticiteits modulus (MPa)
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0 geen additief
additief 1
additief 2
Figuur 5.10 Effect van de toevoeging van copolymeren op de elasticiteitsmodulus van primair LDPE/zaagsel-composieten [11].
Breukrek/trekspanning-diagram Door substitutie van kunststof door houtvezel wordt het materiaal stijver en brosser. Dat betekent dat de toelaatbare belasting, trekspanning daalt. In figuur 5.11 is de breukrek als functie van trekspanning bij breuk weergegeven. Duidelijk te zien is dat bij toename van het houtpercentage het materiaal sneller breekt bij belasten en dat de rek afneemt. Door toevoeging van additieven, door toepassing van coëxtrusie en door er bij het ontwerp van producten rekening mee te houden kan het geschetste nadeel voor een wezenlijk deel opgevangen worden [11]. Dit behoeft nader onderzoek voor verificatie.
45 van 74
100
Breukrek [%]
0% hout
50
50% hout
20% hout 40% hout
0 0
50
100
Trekspanning bij breuk [Mpa]
Figuur 5.11 Breukrek als functie van de trekspanning voor een primair LDPE/hout-composiet [11].
Zwelling De toevoeging van additieven heeft ook een gunstige invloed op de zweleigenschappen van kunststof/hout-composieten. Het zwellen neemt duidelijk af, hetgeen in figuur 5.12 geïllustreerd wordt. Het effect van een contact van 7 dagen met water van 20 °C wordt getoond. Door het kunststof/hout-composietmateriaal volledig “in te pakken” zou zwelling in belangrijke mate voorkomen kunnen worden. Dit is mogelijk door het composietmateriaal in te sluiten tussen 2 filmlagen kunststof (coëxtrusie). Of zwelling inderdaad voorkomen kan worden dient onderzocht te worden.
46 van 74
4.0 3.5
Percentage zwelling
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 geen additief
additief 1
additief 2
Figuur 5.12 Effect van de toevoeging van copolymeren op de zweleigenschappen van primair LDPE/hout-composieten (7 dagen contact met water van 20 °C) [11].
Biologische resistentie De degradatie (veroudering) van hout is wezenlijk bij contact met fungi (schimmels). TNO heeft een degradatietest uitgevoerd (norm NEN-EN 113) gedurende 16 weken. Daarbij zijn de monsters aan 3 houtverwerende schimmels blootgesteld. Geen aantasting was geconstateerd bij de kunststof/hout-composieten, terwijl de houtmonsters sterk verrot waren; zie figuur 5.13. 60
Percentage gewichtsverlies
50 40 kunststof (PP)/hout (gewichtsverlies)
30
hout (gewichtsverlies) 20 10 0 C. versicolor
C. putcana
G. trabeum
Figuur 5.13 Gewichtsverlies door schimmelaantasting (rotting) van hout en kunststof (PP)/hout-composiet1. 1
Er was geen gewichtsverlies van het composietmateriaal geconstateerd; dit is zichtbaar gemaakt door 3 dikke streepjes op de nul-as in de figuur. (De gevolgde procedure is conform NEN-EN113).
47 van 74
5.3
Evaluerende conclusies
Gelet op de resultaten van experimenten op laboratoriumschaal tot nu toe, kan het volgende geconcludeerd worden. Kunststof/hout-composieten met thermoplasten dienen niet gezien te worden als een ‘concurrent’ van hout, gezien o.a. de eigenschappen buigsterkte en zwelling. Vergelijking met kunststoffen is meer op zijn plaats. In toepassingen waarbij stijfheid en treksterkte van belang zijn, kan het beschouwd worden als een ‘kunststof +’materiaal. Door toevoeging van additieven kan een nadeel (zwelling) sterk gereduceerd worden. Dit nadeel kan volledig voorkomen worden door coëxtrusie toe te passen (het composiet materiaal insluiten tussen 2 filmlagen kunststof). Aanvullend onderzoek is noodzakelijk, met name naar de invloed van veroudering, rek en zwelling. Rijkswaterstaat (Bouwdienst) schrijft voor nieuwe kunststofmaterialen voor, dat ze getest worden conform NEN 7037. Deze test heeft nog niet plaatsgevonden. De test geeft een goede indicatie van de invloed van veroudering op de materiaaleigenschappen. Rijkswaterstaat hanteert daarnaast een norm van 1% rek voor kunststofprodukten, te meten bij -10°C. Hierna volgt een overzicht van de vergelijking van de eigenschappen van het composietmateriaal met die van hout en kunststof; zie tabel 5.1. Tabel 5.1
Vergelijking van de eigenschappen van kunststof/hout-composiet met thermoplasten met die van 100% hout en met die van 100% kunststof.
Eigenschappen Stijfheid Buigsterkte Slagsterkte Dichtheid Zwelling Biologische aantasting Kruip 1) 1)
Vergeleken met 100% hout
Vergeleken met 100% kunststof
lager lager lager hoger lager lager ?
hoger enigszins hoger lager hoger ? ? ?
Over de kruipeigenschappen van het composietmateriaal, vergeleken met die van hout of kunststoffen, is niets in de literatuur gevonden.
Het maken van een treksterkte/rek-diagram wordt belangrijk geacht, vooral voor producten die een belasting ondervinden (waarbij de toevoeging van additieven als wezenlijk geacht wordt). Overigens wordt zeker niet uitgesloten (zie hoofdstuk7) dat thermoplastische composieten andere materialen gaan vervangen, zoals (al dan niet ver-
48 van 74
zinkte) stalen wegprodukten. Procestechnisch is echter de vergelijking met hout resp. kunststoffen aan de orde.
49 van 74
6.
Economie van de productie
Het is van belang om de bedrijfseconomie van houtcomposieten en kunststof/hout-composieten (en 100% kunststoffen) te beschouwen. Die van houtcomposieten is goed bekend en voor de vergelijking in 6.1 gegeven. De productiekosten van kunststof/hout-composieten, vergeleken met die van 100% kunststoffen, zijn minder bekend. Daarom hebben TNO Bouw en TNO Industrie een spreadsheet model ontwikkeld om deze te kunnen berekenen. De resultaten zijn in 6.2 gegeven. Daarbij is gekozen voor het extrusieproces, omdat dan bij de productie van composieten gebruik gemaakt kan worden van bestaande kunststofproductiemachines. Om de economische berekeningen te kunnen uitvoeren, is het van belang de grondstoffenprijzen te kennen. Van kunststoffen is bekend dat deze sterk kunnen fluctueren. Dit geldt de laatste tijd ook voor hout. Dit wordt voor een belangrijk deel veroorzaakt door het overaanbod aan afvalhout en de wisselende vraag ervan. Bijvoorbeeld 2 jaar geleden was de verkoopprijs van spaanders minder dan fl. 50,-/ton. Sinds echter de Zweedse markt biomassa-energie subsidieert, wordt er fl. 150,-/ton betaald. In tabel 6.1 zijn enige ramingen van grondstoffenprijzen gegeven. Tabel 6.1
Grondstofprijzen van hout en kunststoffen [5].
Materiaal
Grondstofprijs (fl./ton d.s.)
Hout
rond hout verse spaanders zaagsel vezel meel industrieel houtafval
Kunststoffen1)
PP HDPE
1)
190 180 170 300 100 50-250 2000 1750
Afhankelijk van de kwaliteit van de secundaire grondstof bedraagt de prijs 60-100% van de gegeven prijs voor primaire grondstof.
6.1
Productiekosten plaatmateriaal uit hout
Figuur 6.1 laat zien hoe de productiekosten van hout/hout-composieten opgebouwd kunnen zijn. De kosten van de grondstoffen zijn minder dan 40% van de totale productiekosten. Dit komt met name door de hoge investeringskosten voor de productie van houten panelen. Begin negentiger
50 van 74
jaren bedroegen bijvoorbeeld de opstartkosten van een MDF-fabriek tussen de 50 en 60 miljoen US $.
Percentage van de totale kosten
51 van 74
Kapitaalskosten Andere kosten Arbeid Energie Chemicaliën Hout
MDF
Hardboard
Krantenpapier
Kraft papier
Percentage van de totale kosten
Spaanplaat
Kapitaalskosten Andere kosten Arbeid Energie Chemicaliën Hout
Spaanplaat
Figuur 6.1
MDF
Hardboard
Krant
Kraft papier
Procentuele verdeling van de onderdelen van de productiekosten van enige houtproducten.
In 6.2 zal te zien zijn dat bij de productie van composieten, door toepassing van het extrusieproces, de grondstofkosten een duidelijk hoger aandeel in de productiekosten vormen.
52 van 74
6.2
Productiekosten kunststof/hout-composieten
In deze paragraaf wordt een vergelijking tussen houtproducten en geëxtrudeerde kunststof/hout-composieten gemaakt. In tabel 6.2 worden de vaste kosten in de opstartperiode van een kunststof/hout-composiet plant gegeven; aangenomen dat de kunststof/hout pellets centraal vervaardigd worden, bedragen de vaste kosten fl. 600.000 (ca. 1% van de opstartkosten van MDF-productie). Indien de productie toegevoegd wordt aan een bestaande kunststofproductie, zijn de kosten lager; dit is een duidelijk voordeel van kunststof/hout-composieten; er kan gewerkt worden met bestaande kunststofproductiemachines. De kosten van de grondstoffen bedragen ca. 85% van de jaarlijkse productiekosten; zie tabel 6.3. Tabel 6.2
Vaste en variabele (jaarlijkse) kosten1) van de productie van kunststof/hout-composieten.
Kosten industriële unit Kosten extruder Kosten injectie spuit/giet-machine Leaseperiode Leasekosten van de extruder per jaar Leasekosten van de injectie spuit/giet-machine Kosten van een werknemer per jaar Aantal werknemers 1 ploeg 2 ploegen 3 ploegen Aantal operationele dagen per jaar Onvoorziene kosten 1)
fl. 150.000 fl. 300.000 fl. 375.000 8 jaar fl. 37.500 fl. 46.875 fl. 60.000 0,5 2 x 0,5 3 x 0,5 250 15%
Geen marketing en verkoopkosten zijn voorzien; daarnaast zijn er geen verschillen gemaakt tussen proceskosten voor 100% kunststoffen en kunststof/hout-composieten.
Voor de berekening zijn de volgende gegevens voor de inputvariabelen gebruikt: − Capaciteit extruder : 450 kg/uur. − Dichtheid composietmateriaal : 1000 kg/m3. − Dwarsdoorsnede profiel : 0,0036 m2. − Percentageverdeling kunststof-hout : 50 gew%: 50 gew% − Type houtmateriaal : zaagsel. − Type kunststof : polypropyleen (primair) en polypropyleen (gerecycled). − Aantal ploegen :2 Wat betreft de berekeningen zijn de volgende kanttekeningen te plaatsen: − De vaste kosten, gegeven in tabel 6.3, betreffen gebouwen en leasekosten.
53 van 74
−
−
− −
De variabele kosten hangen af van: - de input (doorzet extruder; dichtheid materiaal; typen hout en kunststof in de composiet; percentage kunststof en hout in de composiet); - aantal ploegen, aantal werknemers per ploeg en aantal operationele dagen per jaar. De kosten van de additieven zijn vergeleken met die van de overige grondstoffen verwaarloosbaar gering (er wordt slechts een gering percentage additieven toegevoegd). De totale jaarlijkse productiekosten zijn vaste + variabele kosten. De kosten per meter is de totale productie gedeeld door het aantal geproduceerde lineaire meters (doorzet extruder, dichtheid materiaal, dwarsdoorsnede profiel).
54 van 74
Tabel 6.3
Voorbeeld kostenberekening voor de productie (exclusief overhead) van composietmaterialen en de vergelijking met eenzelfde berekening van de productie van 100% kunststofmateriaal. Kunststof/hout-composiet 50% primaire kunststof
Vaste kosten, unit + lease extruder (fl.) Doorzet extruder (ton/j) Kosten grondstoffen (fl.) Arbeidskosten (fl.) Totale productiekosten/jaar (fl.) Totale productiekosten/ton (fl.) Totale productiekosten/m (fl.) 1)
187.500 1.800 1.953.900 60.000 2.201.000 1.223 4,4
Kunststof/hout-composiet 50% gerecyclede kunststof 1)
100% prim. kunststoffen 187.500 1.800 3.600.000 60.000 3.847.500 2.138 7,7
187.500 1.800 1.233.900 60.000 1.481.000 823 3,0
De prijs van de gerecyclede kunststof bedraagt 60% van die van de primaire kunststof; de kosten van voorbewerking van secundaire kunststoffen zijn in de desbetreffende prijs verdisconteerd.
Vanwege de verschillen in prijs tussen kunststoffen en hout, illustreren de cijfers in tabel 6.3 dat de kostenreductie, door gebruik van hout, bijna direct te relateren is aan de hoeveelheid hout. Dit geeft een relevante kostenreductie als houtafval in kunststofcomposieten wordt toegepast. Deze reductie wordt belangrijk versterkt als gerecyclede kunststof in plaats van primaire kunststof wordt gebruikt. Tabel 6.4 toont cijfers van de dwarsdoorsnede, aankoopprijs van hout en extrusiekosten van het composietmateriaal met primaire kunststof. De extrusie-kosten zijn gebaseerd op de productie met 2 ploegen van een composiet bestaande uit 75% primair polypropeen en 25% zaagsel. Tabel 6.4
De aankoopprijs van voorbeeldproducten uit 100% hout en de extrusiekosten voor voorbeeldproducten uit composietmateriaal; de kunststof betreft primair materiaal.
plint 1 plint 2 MDF-plaat Plafondschroot Spaanplaat (3,05 m) Spaanplaat (2,5 m)
Dwarsdoorsnede (m2)
Aankoopprijs 100% hout (fl./m)
Kosten extrusie composiet met primaire kunststof (fl./m)
0,000749 0,000524 0,001071 0,001884 0,0036 0,0036
4,62 3,65 3,69 4,68 5,08 3,4
1,26 0,88 1,31 3,17 6,05 6,05
In tabel 6.4 zijn de aankoopprijs van houten producten (productiekosten zijn niet in detail bekend) en de productiekosten van composietproducten (aankoopprijzen zijn niet bekend, omdat de producten van dit materiaal nog niet op de markt zijn) gegeven. Met de globale aanname dat de productiekosten van de houten producten ca. 50% van de aankoopprijs zijn, kan vastgesteld
55 van 74
worden dat de productie van plint 1, plint 2 en de MDF-plaat uit composietmateriaal bedrijfseconomisch gezien aantrekkelijk is. In tabel 6.5 zijn eveneens cijfers voor de dwarsdoorsnede, aankoopprijs en extrusiekosten gegeven met dit verschil dat in plaats van 75% primair polypropeen 75% gerecycled polypropeen is toegepast. Tabel 6.5
De aankoopprijs van voorbeeldproducten uit 100% hout en de extrusiekosten voor voorbeeldproducten uit composietmateriaal; de kunststof betreft secundair materiaal. Dwarsdoorsnede (m2)
Plint 1 Plint 2 MDF-plaat Plafondschroot Spaanplaat (3,05 m) Spaanplaat (2,5 m)
0,000749 0,000524 0,001071 0,001884 0,0036 0,0036
Aankoopprijs 100% hout (fl./m) 4,62 3,65 3,69 4,68 5,08 3,4
Kosten extrusie composiet met gerecyclede kunststof (fl./m) 0,81 0,57 1,16 2,04 3,89 3,89
Evenals in tabel 6.4 zijn in tabel 6.5 niet de productiekosten voor producten uit 100% hout (niet in detail bekend) en niet de aankoopprijs voor producten uit composietmateriaal (er worden nog geen producten van dit materiaal verkocht) gegeven. Met de globale aanname dat de productiekosten van de houten producten ca. 50% van de aankoopprijs zijn, kan worden vastgesteld dat de productie van plint 1, plint 2, MDF-plaat en plafondschroot uit composietmateriaal met gerecyclede kunststof bedrijfseconomisch gezien interessant is.
6.3
Resumé
De volgende conclusies zijn te trekken: − Het is relatief goedkoop (vergeleken met MDF-productie) de productie van kunststof/hout-composieten te starten. − In vergelijking met kunststof producten geeft substitutie van kunststoffen door houtafvallen belangrijke kostenreducties. − In vergelijking met de toepassing van primair kunststof geeft die van secundaire (gerecyclede) kunststof een verdergaande kostenreductie. − In vergelijking met houtproducten geeft de productie van kunststof/hout-producten met een kleine doorsnede en complexe vormen belangrijke kostenvoordelen. − In vergelijking met houtproducten is de vervaardiging van grote, eenvoudige vormen niet kosteneffectief.
56 van 74
57 van 74
7.
Tussenevaluatie
7.1
Selectie secundaire materialen
Beschouwing van de eigenschappen van kunststof/hout-composieten, vergeleken met 100% hout en 100% kunststoffen geeft het beeld zoals samengevat in tabel 7.1 (eerder samengevat in tabel 5.1). Tabel 7.1
Vergelijking van de eigenschappen van kunststof/houtcomposieten(met thermoplasten) met die van 100% hout en met die van 100% kunststof.
Stijfheid Sterkte Slagsterkte Zwelling Prijs Dichtheid Biologische aantasting Kruip 1) 1)
Vergeleken met 100% hout
Vergeleken met 100% kunststof
lager lager lager lager ? hoger lager ?
hoger enigszins hoger lager ? lager hoger ? ?
Over kruipeigenschappen van composietmaterialen t.o.v. hout of kunststoffen is niets in de literatuur gevonden.
Algemeen beeld die de waarden van de eigenschappen geven zijn, dat ze te verbeteren zijn door toevoeging van additieven en dat er sprake is van een ‘kunststof +’-materiaal. Bovendien is aangegeven dat de combinatie polyolefinen (polyetheen of polypropeen) en vezels een perspectiefvolle is. Kansrijke kunststoffen zijn (zie 2.1): − LDPE : foliën; − HDPE : kratten/bakken/flacons/emmers; − PP : kratten/accuscrap. Hiervan komen grote hoeveelheden vrij. In het kader van het 2e convenant verpakkingen heeft de VMK (Vereniging Milieubeheer Kunststofverpakkingen) zich tot doel gesteld verpakkingen, afkomstig van bedrijven, zoveel mogelijk als materiaal te willen hergebruiken in de toekomst. Met name de grote hoeveelheid LDPE-foliën vormt daarbij een aandachtspunt. Echter ook HDPE- en PP-partijen komen voor materiaalhergebruik in aanmerking. Dit sluit duidelijk aan bij de optie van de ontwikkeling en toepassing van composietmaterialen. Dezelfde analyse kan gemaakt worden voor het vrijkomende hout. Via de sorteerbedrijven kunnen relevante hoeveelheden van kwaliteit A of een
58 van 74
goede kwaliteit B afgescheiden worden. Als vanwege goede afzetkansen de markt voor composiet-produkten zuigt, zullen goede kwaliteiten vezels ter beschikking komen. Sommige sorteerbedrijven (verenigd in de BRBS) oriënteren zich reeds op nieuwe verwerkingsmogelijkheden van oud hout.
7.2
Opwerking en verwerking
Om de kosten van opwerking te beperken zullen in principe meer schone partijen secundaire materialen de voorkeur verdienen. Indien in het geval van kunststoffen voor bedrijfsafvallen wordt gekozen kan veelal volstaan worden met verkleinen en wassen. Een beperkte afscheiding van verontreinigingen wordt eventueel nog toegevoegd. Het maalgoed kan aan een extruder worden aangeboden. Een overeenkomstige benadering geldt voor de grondstof secundair hout. Omdat er in principe voldoende A-kwaliteit beschikbaar is, kan volstaan worden met twee verkleinstappen en een beperkte afscheiding (metalen) en reiniging (afscheiding stof). De kosten van de beschreven opwerkingsstappen zijn inbegrepen in de prijzen van secundaire materialen (zie tabel 6.1). De twee verkregen grondstoffen kunnen in een extruder verwerkt worden tot composietmateriaal. Een economische analyse (zie hoofdstuk 6) heeft aangetoond dat dit een relevante optie is. Dezelfde machines, die 100% kunststofgranulaat vervaardigen, kunnen ingezet worden voor de productie van composieten. Ten opzichte van de productie van 100% kunststof uit primaire grondstof zijn door de inzet van de secundaire materialen kunststof en hout belangrijke kostenreducties te realiseren. Daarom is het aantrekkelijk en realistisch deze richting verder te ontwikkelen.
7.3
Producten uit composietmaterialen
Op basis van de waarden van de eigenschappen vermeld in hoofdstuk 5 en de kostenvoordelen, zoals aangegeven in hoofdstuk 6 kunnen selecties van (groepen) producten gemaakt worden. Twee beschouwingen dienen hieraan toegevoegd te worden: − de meeste kunststof producten kunnen gesubstitueerd worden door kunststof/hout-composieten; − toepassingen dienen ontwikkeld te worden parallel met basismateriaal onderzoek.
59 van 74
Zonder gedetailleerde productontwikkeling en marktstudies is het in principe moeilijk om een goed beargumenteerde en rationele selectie van potentiële producten te geven. Daarom is een kwalitatieve selectiemethode toegepast. Deze methode omvat het beoordelen van een aantal eigenschappen door een groep TNO-materiaalspecialisten. De geselecteerde eigenschappen zijn: − Elasticiteitsmodules − Breukrek − Kruip − Slagsterkte − Weerstand tegen UV-straling − Zwelling − Veroudering − Prijs − Markt − Herhaald hergebruik Hierna worden producten in respectievelijk de weg- en waterbouwmarkt en de huizen- en utiliteitsbouwmarkt voorgesteld, die in aanmerking komen voor toepassing van het kunststof/hout-composietmateriaal. Weg- en waterbouw De in de selectie betrokken producten zijn de volgende: − tijdelijke barrières − geluidsschermen − tekens/borden − bermrails − kaderandbalken Op basis van algemeen inzicht kan gesteld worden dat telkens “markt”, “prijs” en “herhaald hergebruik” als mogelijke voordelige eigenschappen, in relatie tot de voorgestelde producten, genoemd kunnen worden. Voor de productgroep tijdelijke barrières geldt dat ook de “slagsterkte” een positieve eigenschap is. Op basis van algemeen inzicht kan gesteld worden dat telkens “UVweerstand”, “zwelling” en “veroudering” als mogelijke nadelige eigenschappen genoemd kunnen worden. Voor geluidsschermen, bermrails en kaderandbalk vormt bovendien “breukrek” een potentieel nadelige eigenschap. De “elasticiteitsmodules” kan voor de producten bermrails en kaderandbalken nadelig zijn. Toevoegingen van additieven aan de kunststoffen (meestal copolymeren) zullen de eigenschappen “UV-weerstand”, “zwelling” en “veroudering” verbeteren. De nadelige eigenschap breukrek kan worden teruggedrongen door toepassing van coëxtrusie of door er rekening mee te houden bij het
60 van 74
ontwerp van de producten. Door een goed ontwerp na te streven kan eveneens de potentiële nadelige invloed van de elasticiteitsmodules beperkt worden. Hierbij dient opgemerkt te worden dat de beoordeling is geschiedt op basis van substitutie op materiaalniveau. Bij de keuzen op productniveau zullen meerdere criteria een rol gaan spelen. Huizen- en utiliteitsbouw De in de selectie betrokken producten zijn: − profielen − raamkozijn − meubelplaat − gevelbekleding − dakpanelen − bouwplaat − dwarsligger − plank Op basis van algemeen inzicht kan gesteld worden dat telkens “markt” en “herhaald hergebruik” als mogelijke voordelige eigenschappen, in relatie tot de voorgestelde producten, genoemd kunnen worden. Voor de producten profielen, raamkozijn en gevelbekleding geldt “prijs” als een positieve eigenschap. Op basis van algemeen inzicht kan gesteld worden dat telkens “UVweerstand” (behalve voor profielen en planken) en “zwelling/veroudering” bij buitentoepassingen als mogelijke nadelige eigenschappen genoemd kunnen worden. “Prijs” vormt voor de producten meubelplaat, dakpanelen, bouwplaat en planken een nadelige eigenschap. “Kruip” is een eigenschap, waaraan bij de producten raamkozijn, meubelplaat, dankpanelen, bouwplaat, dwarsligger en plank speciale aandacht besteed dient te worden. Voor de producten raamkozijn, gevelbekleding, bouwplaat en dwarsligger geldt “slagsterkte”als een potentieel nadelige eigenschap. Voor producten die mogelijk belast gaan worden, zoals de dwarsligger, geldt dat hiernaast speciale aandacht gegeven moet worden aan de eigenschappen “elasticiteitsmodules” en “breukrek”. Evenals bij de geselecteerde producten in de weg- en waterbouw geldt opnieuw dat met de volgende maatregelen de geschetste nadelen beperkt kunnen worden: − UV-weerstand, zwelling, veroudering: Toevoeging van additieven aan kunststoffen − Kruip: Toevoeging van additieven/beter ontwerp
61 van 74
−
Slagsterkte: Beter ontwerp van het product/coëxtrusie − Elasticiteitsmodules, breukrek: Toevoeging van additieven/verbeterd ontwerp. In de huizen- en utiliteitsbouw zijn vele binnentoepassingen te onderkennen. Dit houdt in dat potentiële nadelen minder snel zullen optreden. Vervolg selectie Dit eerste voorstel vormt een basis voor verdergaande gesprekken met marktpartijen voor potentiële ontwikkelingen. Daarbij worden 2 sporen bewandeld; een waterbouw-spoor (toepassing in natte omstandigheden) en een droge toepassingen-spoor.Dit wordt verder uitgewerkt in hoofdstuk 8. Gelet op de onzekerheden met betrekking tot de eigenschap zwelling en het feit dat meer onderzoek voor natte en vochtige toepassingen nodig is, kunnen er nog geen conclusies getrokken worden over de geschiktheid voor toepassingen m.b.t. het waterbouw-spoor. Vanuit de opdrachtgever is aangegeven dat bij voorkeur toepassingen ontwikkeld moeten worden waarbij bestaande materialen, die een relatief grote milieubelasting kennen, vervangen kunnen worden. Als voorbeelden worden verzinkte produkten gezien. In paragraaf 8.3 wordt hier nader op ingegaan.
62 van 74
7.4
Evaluatie milieuwinst
De grondstoffen secundair kunststof en secundair hout worden nu nog voor een belangrijk deel als afval gestort of verbrand. De inzet ten behoeve van de toepassing als hoogwaardig materiaal is nog beperkt. Ontwikkelingen als toepasbaar hoogwaardig composietmateriaal geven het materiaalhergebruik een belangrijke impuls. Laagwaardige stromen krijgen hoogwaardige toepassingen Wat betreft hout zijn naast de A-kwaliteit ook verschillende Bkwaliteiten geschikt voor toepassing in composietmaterialen. Een beperkt verontreinigingsniveau van de grondstof hout is toegestaan, aangezien verontreinigingen opgesloten worden in de kunststofmatrix. Hergebruik van de materialen kunststoffen en hout past in reeds geformuleerde beleidsuitgangspunten (zie onder andere Nota Milieu en Economie) [8]. Door voor kunststoffen thermoplasten toe te passen kan herhaald hergebruik technisch gezien plaatsvinden. Bij de toepassingen van additieven (in kunststoffen) dienen niet-milieubelastende stoffen geselecteerd te worden. Copolymeren gelden als voorbeeld van zo’n selectie. Voor producten uit composietmateriaal zouden dan retoursystemen opgezet moeten worden (zoals voor PVC-buizen), om dit herhaald hergebruik daadwerkelijk mogelijk te maken. Materiaalhergebruik en substitutie van energie-intensieve materialen dragen bovendien bij aan indirecte energiebesparing en leveren dus een bijdrage aan het CO2-emissiereductiebeleid. De verschillende opwerkingsprocessen van secundaire kunststoffen en secundair hout en het produktieproces van composieten vervangen die van bestaande materialen. Er is dus niet direct sprake van extra milieubelasting. LCA-analyses van de vervaardigings- en benuttingsprocessen van de verschillende met elkaar concurrerende materialen dienen in werkelijkheid aan te tonen welke materiaalkeuze met de geringste milieubelasting gepaard gaat.
63 van 74
64 van 74
8.
Verdergaande selectie toepassingen met marktkansen/milieuwinst
Potentiële toepassers staan in eerste instantie gereserveerd wat betreft het gebruik van secundaire materialen. Veelal dienen deze zich eerst te bewijzen, voordat meer op grote schaal toepassingen ervan geaccepteerd worden. Hiervoor is verder onderzoek nodig. Hierbij is besloten het vervolgtraject te differentiëren in algemeen vervolgonderzoek en een ontwikkelingstraject met enkele geselecteerde kansrijke produkten. De reden voor deze aanpak is dat de onderzoeksbudgetten beperkt zijn en een snelle marktintroductie gewenst is. Deze zal sneller kunnen plaatsvinden als zo vlug mogelijk de stap gezet wordt naar concrete produkten en toepassingen. Bedrijven die actief zijn in de desbetreffende sectoren zullen dan sneller willen participeren bij de verdere introductie en ook eerder financieel willen bijdragen aan vervolgonderzoek. Het scala aan toepassingen genoemd in 7.3 behoeft daarom nog verdere inperking. Deze inperking is gemaakt in overleg met marktpartijen, die reeds actief zijn op dit terrein, en met de begeleidingscommissie van dit onderzoek. Secundaire kunststoffen worden reeds in palen, hekken, beschoeiingen, etc. toegepast. Daar is dus ervaring mee opgedaan. De overstap naar kunststof/hout-composieten is vanuit dit oogpunt geen grote verandering. Dit vormt de reden om de toepassingen in hetzelfde gebied te selecteren. In 8.1 worden selecties van producten in de weg- en waterbouw gegeven. Daarna worden potentiële samenwerkingsverbanden, die de ontwikkeltrajecten van deze producten willen ingaan, beschreven in 8.2, waarna in 8.3 de vervolgtrajecten globaal worden beschreven.
8.1
Selectie producten
Tijdens de vergadering op 11 november 1997 van de begeleidingscommissie is besloten de toepassingen zowel in een natte als droge omgeving, wat betreft de GWW-sector, te zoeken. Selectie op basis van marktsignalen Met betrekking tot gebruik in een natte omgeving zijn met 3 bedrijven gesprekken gevoerd: − Kreune, Lochem − Kors, Lochem − Steon, Rotterdam
65 van 74
Vertegenwoordigers van deze bedrijven noemden als potentiële toepassingen kademuurbescherming, geleidingsbalken, beschoeiingen, wrijfstijlen, gordingen. De lage prijs van het composietmateriaal werd als het belangrijkste voordeel gezien, vooropgesteld dat aan de technische eisen voldaan werd. Indien zwelling een probleem zou geven, is coëxtrusie een belangrijke optie: Een tussenlaag van het composietmateriaal en 2 buitenlagen van thermoplastisch materiaal. Als thermoplastische kunststof is polyetheen door alle 3 de bedrijven genoemd. Steon Rotterdam heeft reeds ervaring in de toepassing van secundair polyetheen. PEREC (‘Polyetheen Recycled’) wordt in het Maasvlakte-gebied reeds in meerdere producten teruggevonden, zoals glijstrippen en randbalken van kades. Daarbij is ook ervaring met gebruik onder water opgedaan. De bedrijven waren sterk geïnteresseerd in de aangedragen nieuwe materiaalontwikkelingen en wilden eventueel participeren in een vervolgtraject. Als eerste product zou de randbalk voor kades geselecteerd kunnen worden. Met betrekking tot gebruik van composieten in de droge omgeving is de Vermolen Groep, producent van verkeersborden, wegmeubilair genoemd. Tijdens een eerste telefonisch onderhoud bleek dat de interesse er is om te participeren en dat men de productie van enkele demo’s ter hand wil nemen. Facetten als lage prijs en milieuvriendelijk materiaal werden als positieve aspecten genoemd. Selectie op basis van milieuwinst Voorbeelden van toegepaste materialen in de waterbouw (natte omgeving) die nogal eens ter discussie staan, zijn tropisch hardhout en met (wolman)zouten, chloorphenolen of creosoten geïmpregneerd zachthout. In sommige toepassingen zouden deze materialen gesubstitueerd kunnen worden door de onderhoudsloze of onderhoudsarme composietmaterialen. In de groep wegmeubilair heeft het materiaal gegalvaniseerd staal een relevante positie. In de tijd gezien degradeert de zinklaag echter en de uitspoeling van zink in de omringende bodem van het geplaatste meubilair doet kritische geluiden van diverse groepen en organisaties doorklinken. Voor sommige toepassingen kan het onderhoudsloze of onderhoudsarme composietmateriaal een aantrekkelijke vervanger vormen. De eigenschappen onderhoudsloos(onderhoudsarm), lage prijs en grote vormvrijheid vormen de basis voor eventuele toepassingen in de utiliteitsbouw. In deze sector worden nogal eens onderhoudsgevoelige gevels en wanden ontworpen. Daardoor vormt het voorgestelde composietmateriaal een aantrekkelijk alternatief, waarbij op de toepassing van milieugevoelige
66 van 74
onderhoudsmiddelen, zoals impregneermiddelen, verven, coatings, bespaard kan worden.
8.2
Vorming samenwerkingsverbanden
Om een succesvol samenwerkingsverband te creëren dienen de diverse partijen in de keten te participeren. Daartoe is met verschillende partijen contact opgenomen. Als eerste kansrijk samenwerkingsverband (partijen hebben interesse getoond) is de volgende combinatie geselecteerd (rondom de productie van kaderandbalken): − VAM, als aanbieder van secundaire materialen. Men kan zowel polyolefinenfracties uit grijs huishoudelijk afval als polyolefinenfracties uit bedrijfsafval aanbieden. In het noorden van het land werkt VAM samen met BFI ten behoeve van de inzameling en sortering van bedrijfsafvallen. − Lankhorst, als verwerker van de aangeboden secundaire materialen. Dit bedrijf heeft jarenlange ervaring met de verwerking van secundaire kunststoffen. De heer Klobbie wees op de ontwikkelingen in de toepassingen van kunststof/hout-composieten in de Verenigde Staten alwaar hij geweest was. Op basis van deze ervaringen wilde hij de technologie oppakken en in Europa toepassen. − Steon, als intermediair richting toepassers. De goede ervaringen van dit bedrijf met het gebruik van gerecycled polyetheen in de Maasvlakte biedt een goede startpositie. Een demo-toepassing in dit gebied kan de aantrekkelijkheid van het gebruik van composieten aantonen. Als tweede potentieel samenwerkingsverband is de volgende combinatie te noemen (rondom de productie van verkeerstekens): − VAR, als aanbieder van secundaire materialen. Dit bedrijf beheert een sorteerinstallatie, alwaar noemenswaardige partijen kunststoffolie (LDPE) en hout vrijkomen. Men sorteert zowel bouwafvallen als bedrijfsafvallen. − Reko, als verwerker van secundaire materialen. Dit bedrijf heeft jarenlange ervaring met de verwerking van secundaire kunststoffen. − Vermolen Groep als toepasser, marktpartij. Het bedrijf heeft aangegeven te willen participeren in een ontwikkeltraject voor een of enkele demoproducten uit de groep wegmeubilair.
67 van 74
8.3
Vervolgtrajecten
Wat betreft de ontwikkeling van produkten, bestaande uit het kunststof/hout-composietmateriaal (selectie van secundaire materialen), worden volgende vervolgtrajecten voorgesteld: 1. Algemeen vervolgonderzoek Voorgesteld wordt de volgende eigenschappen nader te onderzoeken: − Zwelling − Veroudering (NEN 7037) − Treksterkte/rek-relatie − Warmtegeleidingscoëfficiënt − Invloed toevoeging additieven op genoemde eigenschappen − Invloed coëxtrusie op genoemde eigenschappen 2. Vervolgonderzoek gericht op specifieke producten 2a. Vervolgtraject in de GWW-sector / droge toepassingen − Samenwerkingsverband VAR/Reko/Vermolen Groep/Rijkswaterstaat. − De eerste voorgestelde producten uit de groep wegmeubilair zijn: - geleidebaken - verkeerskegel − Voorgesteld wordt productgerichte onderzoeks- en ontwikkelingstrajecten uit te voeren voor de genoemde producten. Hierbij dient met name de invloed van de toevoeging van additieven en de uitvoering van coëxtrusie onderzocht te worden. 2.b Vervolgtraject in de GWW-sector / natte, vochtige toepassingen − Samenwerking tussen Rijkswaterstaat en de combinatie VAM/Lankhorst/Steon. − De eerste voorgestelde producten zijn: - kaderandbalk (Steon heeft hier ervaring mee) - beschoeiing (milieuwinst is relevant) − Voorgesteld wordt eerst het materiaalonderzoek uit te breiden met zwellings- en verouderingsproeven. De invloed van de toevoeging van additieven en de uitvoering van coëxtrusieproeven dienen hieraan gekoppeld te worden. Aanbevolen wordt daarna de produktgerichte onderzoeksen ontwikkelingstrajecten voor de voorgestelde produkten te starten. 2.c Vervolgtraject in de B&U-sector − Een samenwerkingsverband dient nog gevormd te worden, waarbij deelname van de Rijksgebouwendienst voorgesteld wordt. − Het voorstel is te beginnen met: - Gevelbekleding - Dakpaneel
68 van 74
−
Voorgesteld wordt produktgerichte onderzoeks- en ontwikkelingstrajecten uit te voeren voor de genoemde produkten. Hierbij dient o.a. de invloed van de toevoeging van additieven en de uitvoering van coëxtrusie onderzocht te worden.
69 van 74
70 van 74
9.
Conclusies en aanbevelingen
9.1
Conclusies
Op basis van de resultaten van de inventariserende onderzoeksactiviteiten zijn de volgende conclusies te trekken: • Kunststof/hout-composieten met thermoplasten dienen op basis van materiaaleigenschappen niet gezien te worden als een “concurrent” van hout. Vergelijking met kunststoffen is meer op zijn plaats. In bijvoorbeeld toepassingen waarbij stijfheid en treksterkte van belang zijn, kan het beschouwd worden als een “kunststof+”-materiaal. • Zwelling vormt een negatieve eigenschap die vermoedelijk door toevoeging van additieven kan worden gereduceerd tot aanvaardbare grenzen. Ook kan het naar alle waarschijnlijkheid voorkomen worden door coëxtrusie toe te passen (het composietmateriaal insluiten tussen 2 filmlagen kunststof). Dit dient door resultaten van onderzoek aangetoond te worden. Naasr zwelling dient ook het aspect veroudering onderzocht te worden. Het maken van een treksterkte/rek-diagram wordt belangrijk geacht, vooral voor producten die een belasting ondervinden. Aanbevolen wordt nader praktisch onderzoek te doen naar de relatie tussen treksterkte en rek. • De twee grondstoffen, secundair kunststof en secundair hout, kunnen in een extruder verwerkt worden tot composietmateriaal. Een economische analyse heeft aangetoond dat dit een aantrekkelijke optie is. Dezelfde machines die 100% kunststofgranulaat, of regranulaat vervaardigen, kunnen ingezet worden voor de productie van composietmaterialen. Ten opzichte van de productie van 100% kunststof uit primaire grondstof zijn door de inzet van de secundaire materialen kunststoffen en hout belangrijke kostenreducties te realiseren. • Deze kostenreducties vormen tegelijk de garantie, dat de benodigde grondstoffen ook in de toekomst ingekocht kunnen blijven worden, omdat de concurrerende markten minder kunnen “bieden”. De twee grondstoffen, secundair kunststof en secundair hout komen in ruime mate vrij. Het overheidsbeleid (stortverboden, sluiten Convenant Verpakkingen II) heeft ervoor gezorgd dat gescheiden inzameling en sorteren van met name bedrijfsafvallen een vlucht heeft genomen. De kunststoffen LDPE (foliën), HDPE, PP zullen in combinatie met oud hout (kwaliteiten A of B) verwerkt kunnen gaan worden. Indien oud hout
71 van 74
vooral als bio-energiebron toegepast wordt, kan resthout (uit bossen of van verwerkende industrie) als alternatief dienen. • Het materiaal heeft een duidelijke meerwaarde als het milieu in beschouwing wordt genomen: - er wordt gekozen voor 2 secundaire materialen, waarvan 1 vernieuwbaar (hout). Hergebruik wordt bewerkstelligd. - substitutie van energie-intensieve materialen, zoals verzinkt staal, wordt, met functionele eisen in acht genomen, niet uitgesloten; nader onderzoek is echter nodig (de materiaaleigenschappen zijn nog niet vergeleken); - het kunststof/hout-materiaal heeft een betere vochtbestendigheid dan hout, c.q. vezelplaten en vraagt daardoor minder onderhoud; - doordat voor thermoplastische kunststoffen wordt gekozen, behoort herhaald hergebruik (in tegenstelling tot thermoharders) tot de mogelijkheden. • Een eerste selectie van potentiële producten uit het composietmateriaal heeft geleid tot de volgende suggesties: - Weg- en waterbouw; tijdelijke barrières, geluidsschermen, tekens/borden, kaderandbalken - Huizen- en utiliteitsbouw; profielen, raamkozijnen, meubelplaten, gevelbekledingen, dakpanelen, bouwplaten.
9.2
Aanbevelingen
Er wordt aanbevolen als voorfase van enkele demonstratieprojecten te starten met algemeen materiaalkundig vervolgonderzoek, waarbij de volgende eigenschappen nader onderzocht worden: • Zwelling • Veroudering (NEN 7037) • Treksterkte/rek-relatie • Warmtegeleidingscoëfficiënt • Invloed van toevoeging van additieven op genoemde eigenschappen • Invloed van coëxtrusie op genoemde eigenschappen Per demonstratieproject dient een samenwerkingsverband opgericht te worden dat het ontwikkeltraject van het geselecteerde demonstratieproject oppakt. Aanbevolen wordt met de volgende demo’s te starten: • Geleidebaken/verkeerskegel; samenwerkingsverband VAR/Reko/Vermolen Groep/Rijkswaterstaat • Kaderandbalk/beschoeiing; samenwerkingsverband VAM/Lankhorst/Steon/Rijswaterstaat
72 van 74
Voorgesteld wordt de partners die in zo’n samenwerkingsverband participeren gezamenlijk het voorstel voor een demonstratieproject in samenspraak met TNO te laten formuleren Om deze twee demo’s verder te kunnen ontwikkelen wordt voorgesteld afspraken te maken met de de Bouwdienst en Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat ten behoeve van acceptatie en instemming. Wat betreft een demo in de huizen- en utiliteitsbouw (gevelbekleding/dakpaneel) wordt aanbevolen het Projectbureau Duurzaam Bouwen en de Rijksgebouwendienst te betrekken bij vervolgactiviteiten.
73 van 74
74 van 74
10.
Verantwoording
Naam en adres van de opdrachtgever:
Directoraat-Generaal Milieubeheer (directie Afvalstoffen) en Directoraat Generaal Rijkswaterstaat (dienst Weg- en Waterbouwkunde) DROP-Programma Contactpersoon: ir. R. Gort (DWW) Namen en functies van de projectmedewerkers:
TNO-MEP Dr. D. Robson TNO-Bouw Namen van instellingen waaraan een deel van het onderzoek is uitbesteed:
N.v.t. Datum waarop, of tijdsbestek waarin, het onderzoek heeft plaatsgehad:
Oktober 1997 - september 1998 Ondertekening:
Goedgekeurd door:
Ir. A. Ansems projectleider
Ir. J. de Koning hoofd Afdeling Rest- en Grondstoffen
