HUIS VAN EEN FOTOCAMERA

Artikel

IDE442 MATERIALISEREN

1998

EEUWIGE RECYCLING BESTAAT NIET

HUIS VAN EEN FOTOCAMERA Recycleer papier, glas en groenafval. En het gaat de goede kant op. Recyclatie is populair. Alles waar gerecycleerd op staat, is goed. Heb je toch weer iets voor het milieu gedaan en een beter milieu begint toch bij je zelf. Dat krijgen we de laatste jaren van de overheid te horen. Nederlanders schijnen het meeste te recycleren, maar produceren onder-tussen ook procentueel het meeste afval in Europa. In dit artikel zal aan de hand van een case nader ingegaan worden op de recyclatie van polymeren en het maken van een materiaalkeuze met een knipoog naar het milieu. WAT VERSTAAN WE NU EIGENLIJK ONDER RECYCLING? Er zijn verschillende soorten recyclatie: produktrecycling materiaalrecyclatie: primaire recyclatie secundaire recyclatie grondstofrecyclatie energierecyclatie tertiaire recyclatie In dit artikel wordt met recyclatie materiaalrecyclatie bedoeld, specifieker secundaire recyclatie . Materiallrecyclatie is het terugwinnen en opnieuw geschikt maken van grondstoffen uit produkten of onderdelen na einde levensduur. HET RECYCLEREN VAN POLYMEREN De meest gebruikte polymeren in de consumentengoederen zijn PE, PP, PVC, PS, ABS, PMMA, PC, PETP. In de polymeer-recyclatie zijn er twee systemen te onderscheiden; open keten en gesloten keten systemen. In de open keten wordt het te recycleren materiaal uit (produktie- en consumenten-) afval gehaald, waarna het verder wordt verwerkt. In de gesloten keten wordt door de producent zijn eigen produkten teruggehaald, waarna ze verder worden verwerkt. De open keten biedt weinig kostenvoordeel, omdat het relatief duur en moeilijk is om het materiaal te scheiden. De gesloten keten biedt meer voordelen. Als de fabrikant zijn produkt geschikt maakt voor diemontage, kan hij zelf bij het terugnemen kosteneffectief recycleren. 65% Van de totale recyclatie-kosten wordt gevormd door transport (5%), demonteren (47%), sorteren (13%), tegenover 35% voor het werkelijke geschikt maken van het materiaal voor de productie. Aan het hoge percentage kosten voor demontage is te zien dat daar een groot deel winst gemaakt kan worden door een goed ontwerp. Een goed voorbeeld van een gesloten keten systeem is de Kodak Funsaver wegwerpkamera, waarvan er wereldwijd jaarlijks zo'n 7 miljoen door Kodak gerecycleerd worden. In de USA wordt 63% van de verkochte camera's geretourneerd om gerecycled te worden. Kodak begon met het ontwikkelen van zijn recycleprogramma voor de wegwerpcamera in 1989. In 1990 kwam een wegwerpcamera op markt die voor 86% van zijn gewicht gerecycleerd of hergebruikt kan worden. De overige 14% zijn de batterij en de lens, deze worden door andere bedrijven of instellingen gerecycleerd en hergebruikt. Alle camera's die vandaag op de markt zijn, bevatten gerecycleerd materiaal. Kodak heeft door het zelf ontwikkelde terugname-systeem gezorgd voor een eigen continue grondstofstroom, naast de aanvoer van primaire grondstof. Voor Kodak is dit rendabel.

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Artikel


1998

WELK EFFECT HEEFT RECYCLATIE OP DE KWALITEIT VAN DE POLYMEREN? Door vermalen en granulatie worden de ketens van de moleculen verkort, wat in het algemeen resulteert in daling van de sterkte, de slagvastheid en de scheurweerstand . Daarnaast neemt de Melt Flow Index (MFI) sterk toe, waardoor spuitgieten moeilijker wordt. Per materiaal verschilt het aantal cycli voordat onacceptabele degradatie optreedt, gemiddeld is het materiaal na zes cycli onbruikbaar. Om de kwaliteit van het recyclaat te verbeteren is het mogelijk primair materiaal en/of toevoegingen bij te mengen. De toe-voegingen in tegenstelling tot primair materiaal, vervuilen het recyclaat, waardoor op lange termijn de kwaliteit ervan verslechterd. Er treedt ook een verandering in van de chemische samenstelling van een polymeer op, degradatie. Deze veranderingen zijn ketenbreuk en vernetting van de moleculen. Ketenbreuk betekent dat de molecuulketens breken. Dit heeft dus tot gevolg dat er een polymeer ontstaat met kortere ketens dan nieuw polymeer. Bij vernetting vormen de moleculen macro-moleculen door verbindingen aan te gaan met mede-moleculen. Zo ontstaat er een netwerk van ketens. In de praktijk hebben beiden een verslechte-ring van de eigenschappen tot gevolg. WAT ZIJN DE EFFECTEN VAN KETENBREUK? Indien ketenbreuk optreedt, treden de volgende veranderingen in eigenschappen op: lagere rek bij breuk lagere breukspanning sterk verlies van slagvastheid verlaging van de glastemperatuur reductie van de stijfheid Ketenbreuk leidt tot een verlaging van het molekuulgewicht en daarmee een verbrossing van het polymeer. Naast ketenbreuk kan ook vernetting aan de polymeerketens optreden. Daarnaast kunnen zich bijvoorbeeld laagmoleculaire verbindingen WAT ZIJN DE EFFECTEN VAN VERNETTING? De belangrijkste invloeden van vernetting op de mechanische eigenschappen zijn: grotere E-modulus lichte stijging van de vloeigrens grotere weerstand tegen kruip Andere effecten van vernetting zijn verkleuring en een niet homogene structuur van het materiaal. Vernetting heeft in het algemeen een verhoging van de glastemperatuur en verhoging van de stijfheid tot gevolg. VORMEN VAN DEGRADATIE BIJ POLYMEREN WORDEN INGEDEELD NAAR BRON 1. Degradatie veroorzaakt tijdens het verwerken en vervaardigen. Meestal ontstaat dit door de verhoogde temperaturen, zoals in het smeltproces, vaak in combinatie met een oxiderende omgeving. 2. Degradatie tijdens het gebruik veroorzaakt door de natuurlijke omgeving, bijvoorbeeld zonlicht en andere weersomstandigheden. 3. Degradatie door chemische aantasting tijdens het gebruik. Degradatievormen hebben invloed op elkaar. Als een degradatievorm is opgetreden, is het kunststof meer vatbaar voor de andere degradatievormen. DEGRADATIEMECHANISMEN Chemische degradatie De molecuulketens kunnen in een aggresieve che-mische omgeving breken (ketenbreuk), dwarsver-bindingen vormen (cross-links) of substitutie-reacties ondergaan. Substitutie komt het


2


Artikel


1998

minst voor en veroorzaakt maar kleine veranderingen in de eigen-schappen. Ketenbreuk en het vormen van dwarsverbindingen kunnen beide ontstaan bij natuurlijke weersomstandigheden en tijdens de vervaardiging van het polymeer. Chemische degradatie vindt voornamelijk plaats op defecten in de molecuulketens. Foto-oxidatie Foto-oxidatie is een kettingreactie die gestart word door een botsing tussen een energierijke foton en een polymeer molecuul (P) of door een onzuiverheid in het materiaal. Hierdoor ontstaan radicalen () van de oorspronkelijke molecuul die op hun beurt weer andere moleculen breken. Als twee radicalen elkaar ontmoeten dan reageren ze met elkaar. Degradatie ontstaat doordat de radicalen ontstabiel zijn en er hierdoor ketenbreuk in het molecuul optreedt. Fotooxydatie treedt sneller op in een amorf polymeer dan in (semi-)kristallijn polymeer. Thermische afbreking en oxidatie Thermische degradatie is belangrijk omdat de schade, die bij het polymeer wordt aangericht tijdens de verwerking ervan bij hoge temperaturen, kan leiden tot verdere degradatie door fotooxidatie (behandeld in de vorige paragraaf). Het blijkt dat de levensduur bij blootstelling aan UVstraling, beïnvloed wordt door de graad van oxidatie die plaatsvindt tijdens de verwerking van het polymeer, tevens blijkt dat de mate van degradatie door UV-straling leidt tot verslechtering van de "Melt Flow Index" (MFI) van het materiaal. Dit betekent dus dat als er thermische oxidatie heeft plaatsgevonden, dit indirect leidt tot een verslechtering van de MFI en het polymeer dus moeilijker verwerkbaar wordt (a). Opgemerkt dient te worden dat tijdens thermische oxidatie zowel in PE als in PE hydroperoxides ontstaan. Hydrolyse Hydrolyse kan ketenbreuk veroorzaken in sommige polymeren, doordat de polymeermoleculen met water reageren. Dit leidt onvermijdelijk tot verslechtering van de eigenschappen. Een ander aspect wat de kwaliteit van het polymeer sterk beïnvloed is of er andere polymeren doorheen gemengd zijn. Sommige combinaties van polymeersoorten hechten niet aan elkaar en leveren dus een slechte kwaliteit kunststof op. Dit wordt de compatibiliteit van een combinatie van twee polymeren genoemd. Deze reactie vindt met een onacceptabele snelheid plaats op verhoogde temperaturen, wat een groot probleem kan zijn bij producten die gesteriliseerd moeten worden. Sommige polymeren absorberen water en kunnen hierdoor onderhevig zijn aan degradatie door hydrolyse. Door de wateropname kunnen er zich schijfvormige defecten vormen waardoor er spanningsconcentraties ontstaan, wat resulteert in een aanzienlijke verlaging van de sterkte. Mechanische degradatie Als een product te hoog belast wordt, breken een aantal ketens. Dit komt voor in polymeren met veel dwarsverbindingen, een sterk georiënteerd polymeer of bij het uiteinde van een groeiende scheur.Het breken van de ketens is een op zich staand proces; er volgt geen kettingreactie. Dit heeft als gevolg dat deze vorm van degradatie minder grote gevolgen heeft voor de achteruitgang van de eigenschappen van het polymeer dan andere vormen van degradatie. Spannings/chemische degradatie Uit onderzoek blijkt dat er een veilige spanning is, die gedurende het gebruik van het product opgelegd kan worden, zonder dat de degradatiesnelheid daardoor wordt beïnvloed. Is de opgelegde spanning hoger dan heeft de spanning een versnellend effect op ketenbreuk door chemische mechanismen. De hoogst gespannen ketens zullen het snelst degraderen, dus ketens met veel dwarsverbindingen of hooggerekte ketens zijn het meest kwetsbaar. Sterk georiënteerde polymeren zijn in het algemeen beter bestand tegen dit type degradatie, omdat de ketens de spanning gelijkmatiger verdelen. Dit in tegenstelling tot amorfe materialen, waar sneller hoge spanningen en rekken in ketens kunnen ontstaan. Andere redenen voor deze betere bestendigheid is dat in amorfe materialen de diffusie van zuurstof sneller verloopt en dat amorfe materialen vatbaarder zijn voor chemische degradatie. Een relevante opmerking is dat de diffusie van stabiliserende middelen ook langzamer verloopt, dit kan gunstig of ongunstig zijn, afhankelijk van het degradatieme-chanisme en gebruikte stabiliserende middel.


3


Artikel


1998

VERWERKINGSEFFECTEN: MORFOLOGIE De temperatuur die nodig is om de gewenste vloeieigenschappen te verkrijgen voor het spuitgieten van polymeren, is vaak hoog genoeg om het materiaal te degraderen, vooral in de aanwezigheid van zuurstof. Soms zijn de krachten op de smelt hoog genoeg om mechanische ketenbreuk te veroorzaken. Vaak zullen er ook omstandigheden tijdens het verwerkingsproces voorkomen die spannings/chemische degradatie bevorderen.De afkoelsnelheid bij spuitgieten is in het product niet op alle plaatsen gelijk en daardoor zullen er oriëntatieverschillen ontstaan. Het belangrijkste is dat de degradatiereacties voornamelijk in de amorfe delen voorkomen, omdat het sneller zuurstof opneemt dan de kristallijne fase. Ook wordt gesuggereerd dat oxidatie vooral op de kristallijn-amorfe grenzen plaatsvindt, waar het effect de meeste schade aanricht (a). Bij semi-kristallijne polymeren is er soms sprake van chemie-kristallisatie die de stijfheid van het oppervlakt kan verhogen. DESIGN FOR RECYCLING De demontage van de produkten is 47% van de totale recyclingkosten. Het lijkt logisch om hier naar kostenverlagende oplossingen te zoeken. In het voorgaande werd al Design for Recycling (DFR) genoemd. Tijd om hier verder op in te gaan. DFR staat voor het ontwerpen van produkten waarbij speciaal aandacht is geschonken aan de end-of-life ervan. DFR bestaat uit een reeks richtlijnen om een milieubewust produkt te ontwikkelen. Een aantal richtlijnen hebben betrekking op het construeren, zodat het demonteren snel en eenvoudig kan gebeuren. Andere richtlijnen gaan over het gebruik van materialen. RICHTLIJNEN VOOR MATERIAALKEUZE 1. Als het polymeer tijdens de verwerking boven de smelttemperatuur wordt verhit, kies dan een materiaal dat ongevoelig is voor thermische afbreking en oxidatie. 2. Deze richtlijn is nog belangrijker als het product tijdens het gebruik gedurende langere tijd aan UV-straling wordt blootgesteld, omdat thermisch gedegradeerd materiaal gevoeliger is voor foto-oxidatie. 3. Als het product tijdens het gebruik wordt blootgesteld aan hoge externe spanningen, welke de oorzaak zijn van mechanische degradatie, hebben amorfe polymeren de voorkeur boven kristallijne polymeren. 4. Als je gaat spuitgieten kies dan voor een polymeer dat minder gevoelig is voor oxidatie, omdat bij het afkoelen na spuitgieten veel oriëntatieverschillen ontstaan en de amorfe delen sneller zullen oxideren dan de kristallijne delen. Ketenbreuk en vernetting ontstaat voornamelijk op de amorf-kristallijn grenzen. 5. Als er omstandigheden tijdens het verwerkings-proces voorkomen die spannings/chemische degradatie bevorderen, dan heeft een polymeer die daar minder gevoelig voor is de voorkeur. 6. Wanneer in een product veel interne spanningen voorkomen en/of het product wordt blootgesteld aan externe spanningen kies dan een polymeer dat minder gevoelig is voor spannings/chemische degradatie. Kristallijne polymeren zijn in het algemeen beter bestand tegen dit type degradatie. 7. Als het product wordt blootgesteld aan UV-straling, kies dan een materiaal dat minder gevoelig is voor foto-oxydatie. Als vuistregel hebben kristallijne polymeren de voorkeur boven amorfe polymeren. 8. Wanneer het product wordt blootgesteld aan een combinatie van watermoleculen en verhoogde temperaturen kies dan een polymeer dat minder gevoelig is voor hydrolyse. MATERIAALKEUZE VOOR DE KODAK FUNSAVER Gebruiksprofiel Met behulp van alle gegevens uit het voorgaande is het mogelijk een gebruiksprofiel van de camera op te stellen en met het diagram een weloverwogen materiaalkeuze te maken.


4


Artikel


1998

Verwerkingsomstandigheden Temperatuur: de temperatuur komt bij het spuitgieten tot boven de smelttemperatuur, de thermische degradatie is afhankelijk van de tijdsduur van deze temperatuur, dit is weer afhankelijk van de spuitgietinstallatie en het volume van het product. De camera is relatief klein van volume, dus de tijdsduur kan beperkt blijven. Als het product vaak gerecycleerd wordt, dan zal het vaak verwerkt worden en dus zal er veel degradatie ontstaan . Spanningen: bij het spuitgieten ontstaan spanningen in het product. Oriëntatie: door het spuitgieten ontstaan oriëntatieverschillen van ketens in het product. Gebruiksomstandigheden Temperatuur: door zon (bijvoorbeeld op het strand of in de auto) kan de temperatuur (zeker bij een donker oppervlak) oplopen tot circa 100º C. UV-straling: omdat de wegwerp camera een typisch (zon-)vakantieproduct is, zal de camera aan veel UV-straling worden blootgesteld. Omdat de gebruiksduur van de camera in het algemeen beperkt is tot ongeveer 1 tot 2 maanden per consument, zal de degradatie door UV-straling beperkt blijven. Spanningen: er is geen sprake van hoge externe spanningen. Chemische aantasting: er worden misschien bij het verwijderen van het label (wat vastgeplakt zit op het huis van de camera) chemische stoffen gehanteerd. Dit weten we echter niet zeker. Terugnameomstandigheden Recyclatie: bij het granuleren wordt een aantal moleculen afgebroken. Demontage: de lens en de zoeker zijn gemaakt van een doorzichtig materiaal (vanwege de helderheid altijd PMMA). Het demonteren kost tijd en het zou gemakkelijk zijn als het polymeer van het huis compatibel is met PMMA. KEUZE Bij de keuze van het polymeer selecteren we op de invloedrijkste grootheden. Uiteraard spelen meer-dere factoren mee, bijvoorbeeld de oppervlakteglans en de verwerkbaarheid. Uiteindelijk hebben we gekozen voor Polypropeen (PP). Dit materiaal is goed te stabiliseren tegen weersinvloeden door middel van roet ( de kleur hiervan is niet nadelig, omdat de camera donker van kleur moet zijn om licht in de camera te voorkomen) en heeft een hoge temperatuursbestendigheid (110). We verwachten dat het polymeer tijdens vakanties dus ook niet snel zal degraderen door temperatuursverhogingen. Vergeleken met PS, waar de camera op dit moment van is gemaakt, zijn de E-modulus en de treksterkte lager. Dit zijn factoren waar de camera niet zulke hogen eisen aan stelt doordat hij, onder gebruikelijke omstandigheden, niet hoog zal worden belast CONCLUSIES Bij de polymeerkeuze bij producten die geschikt moeten zijn voor recyclatie, spelen er andere eisen mee dan bij producten die niet worden gerecycleerd. Je zou een materiaal kunnen kiezen dat iets duurder per volume is, maar meerdere malen gerecycleerd kan worden. Dit betekent namelijk dat de prijs per product minder wordt.Bij reyclatie zijn er enkele oorzaken van degradatie erg belangrijk. Vooral de schade die ontstaat tijdens het verwerken van het polymeer is hier van belang. Bij vaak recycleren van het polymeer zal het materiaal ook vaak verwerkt worden, dit betekent dus dat het polymeer ook vaak aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Blootstelling aan UV-straling heeft tot gevolg dat de thermische afbreking en oxidatie sneller zal plaatsvinden. Dit komt dus neer op een nog ergere degradatie van het polymeer. Het bijmengen van primaire grondstof is onvermijdelijk om de gewenste kwaliteit te handhaven. Dus eeuwige recyclatie van polymeren is niet mogelijk. Het is belangrijk bij een product alle voorkomende oorzaken van degradatie te inventariseren. Dit is omdat je hiermee een overzicht verkrijgt van omstandigheden waar het polymeer zo lang mogelijk tegen bestand dient te zijn. Met behulp van dit overzicht kun je een weloverwogen polymeerkeuze maken.


5


HUIS VAN EEN FOTOCAMERA

Recommend Documents