Vooronderzoek
Melvin ter Wal, Carlo Hooijen & Tom Gentenaar Keuzeproject O&O
Polyethyleentereftalaat (PET)
Polyethyleentereftalaat is een thermoplastische1 polyester. Het bestaat uit ketens van ethyleentereftalaat. De kunststof is recyclebaar alleen vaak is opwerking hierbij nodig. PET is kleurloos, sterk, impact-bestendig en erg lichtgewicht. Verder vormt het een goede barrière voor gas en vocht. PET wordt vaak gebruikt in plasticdrinkflessen. Bij hergebruik kan de stof DEHP vrijkomen. Deze weekmaker kan mogelijk kanker veroorzaken. PET wordt onder andere gebruikt voor petflessen en andere verpakkingen van voedingsmiddelen; voor industriële en textielvezels, bijvoorbeeld fleece; voor films, platen en voor keukengerei. Uit eigen ervaring weten wij dat veel leerlingen plastic drinkflesjes meenemen naar school. In de prullenbakken zullen zich dan ook veel Petflesjes bevinden die mogelijk gerecycled kunnen worden. PET wordt geproduceerd door de verestering van tereftaalzuur met etheenglycol. In het moderne proces gebeurt dit rechtstreeks (zie reactievergelijking). De reactie gebeurt bij temperaturen van 220 tot 260°C en onder een druk van 2,7 tot 5,5 bar. n C6H4(CO2H)2 + n HOCH2CH2OH → [(CO)C6H4(CO2CH2CH2O)]n + 2n H2O
(C10H8O4)n
Verwachting geschiktheid 3D-filament
Omdat PET een plasticsoort is die veel gebruikt wordt voor drinkflesjes, zal deze ook vaak voorkomen in het afval op school. Omdat PET lichtgewicht kleurloos en sterk is lijkt het ons erg geschikt om er filament van te maken. Casper van der Meer, een expert op het gebied van filament productie, raadde ons echter af om met PET te werken vanwege meerdere complicaties.
1
Thermoplast: Materiaal dat zacht wordt bij verhitting.
Hoge dichtheid polyethyleen (HDPE) HDPE-plastic bevat alleen koolstof (C) en waterstof (H) atomen. Bij een volledige verbranding ontstaan hierdoor geen giftige stoffen (alleen koolstofdioxide en water). HDPE is een harde, dikke en ondoorzichtige plastic soort waardoor het erg sterk en licht is. HDPE heeft een zeer goede chemische residentie tegen basen en zuren, daarom is het mogelijk om oliën en schoonmaakmiddelen erin te stoppen. Verder is HDPE makkelijk recyclebaar en kan het worden omgesmolten. Net als andere kunststoffen wordt polyetheen niet snel door bacteriën afgebroken, waardoor het lang in het milieu kan rondzwerven. HDPE wordt vooral gebruikt bij verpakkingen van vloeistoffen, hierbij kan je denken aan het flessen van melk, shampoo en schoonmaakflessen. Ook wordt HDPE gebruikt voor producten die langer mee gaan zoals plastic emmers, speelgoed en onderdelen van computer. Polyetheen wordt gemaakt door polymerisatie van etheen. Ethaan wordt gewonnen door aardolie in fracties op te delen. HDPE wordt gemaakt bij een lage druk, met behulp van katalysators. Door de lage druk ontstaan er lineaire ketens. Verwachting geschiktheid 3D-filament HPDE zal waarschijnlijk een goede plastic soort zijn voor ons filament omdat het makkelijk omgesmolten kan worden. Tijdens het smeltproces komen er geen schadelijk stoffen vrij wat erg fijn is voor ons. Daarnaast zal het eindproduct erg sterk zijn en zeer lang meegaan.
(C2H4)n
Polyvinylchloride (PVC) Deze plastic soort staat beter bekend als PVC. Polychlooretheen (PCE) is de systematische naam van PVC, deze naam wordt voornamelijk door scheikundigen gebruikt. Het plastic is een veelvuldig toegepaste thermoplast die ontstaat na polymerisatie van het monomeer vinylchloride (VCM). PVC wordt voor vele doeleinden gebruikt, dit komt omdat het goedkoop is en ook nog eens relatief eenvoudig te bewerken. Het wordt eigenlijk in bijna alle delen van de industrie gebruikt, voornamelijk als vervanging van hout en beton. In het dagelijks leven zie je PVC vooral terug in de vorm van buizen, deze kan je bijvoorbeeld kopen in de bouwmarkt. Toch wordt het ook nog voor vele andere doeleinden gebruikt, zoals dakbedekking, kabels en flessen. PVC is erg sterk en heeft daarmee een eigenschap, die voornamelijk veel gebruikt wordt in de bouw. Ook wordt het plastic voor speelgoed gebruikt, deze moeten dan wel onder strenge eisen worden gefabriceerd. PVC is namelijk een stof die bij verbranding loodhoudende stabilisatoren en gechloreerde koolwaterstoffen vrij laat komen. Deze stoffen zijn schadelijk voor de mens, hier moet dus goed op gelet worden. Polyvinylchloride ontstaat na de polymerisatie van vinylchloride en chlooretheen. Dit wordt eigenlijk gefabriceerd in twee stappen. Etheen reageert met chloor tot 1,2dichloorethaan (EDC). Gevolgd door het EDC welke geëlimineerd wordt tot VCM en waterstofchloride (HCl). Als nabewerking worden er nog enkele stabilisatoren toegevoegd. Dit is voor ons een nadeel aangezien het PVC dus geen puur plastic meer is.
(C2H3Cl)n
Verwachting geschiktheid 3D-filament
Voordelen van PVC zijn dat het een sterk materiaal is en dat het makkelijk te bewerken is. Helaas bevat het schadelijke stoffen en is het weinig te vinden bij ons op school. Daarom lijkt ons PVC minder geschikt voor de productie van filament
Lage dichtheid polyetheen (LDPE) Informatie over eigenschappen LDPE is soortgelijk aan HDPE. LDPE is waterafstotend en reageert over het algemeen (temp. 0-40) niet met andere stoffen, Het is net zoals HDPE goed bestand tegen basen en zuren. Ook is het veilig om te verbranden doordat er bij verbranding alleen koolstof en waterstof atomen vrijkomen. LDPE is meer vertakt dan HDPE (2% meer koolstofatomen) hierdoor kunnen er minder kristallijnen ontstaan en dit verklaart de lagere dichtheid. LDPE is tot tegenstelling tot HDPE vrij zacht. Informatie over materiaal waarin het gebruikt wordt. LPDE wordt vaak toegepast bij productie van folie (om voedselvers te houden), tasjes, flessen en kabelbescherming. LPDE is goed te recyclen of herbruikbaar voor andere producten. Informatie over productieproces Polyetheen wordt gemaakt door polymerisatie van etheen. Ethaan wordt gewonnen door aardolie in fracties op te delen. LDPE wordt gemaakt bij een Hoge druk (tegenstelling tot HDPE die wordt gemaakt met lage druk), met behulp van katalysators. Door de hoge druk ontstaan er lineaire ketens. Voor en nadelen als gebruikt 3Dfilament Bij verbranding komen er geen schadelijke stoffen vrij Het kan worden omgesmolten Eenvoudig recyclebaar, goed herbruikbaar LPDE vergaat niet waardoor het fijn is om het te veranderen in filament Verwachting geschiktheid 3D-filament LDPE zal waarschijnlijk een goed plastic soort zijn voor ons filament, omdat het makkelijk omsmolten kan worden. Tijdens het smeltproces komen er geen schadelijk stoffen vrij wat erg fijn is voor ons. Daarnaast zal het eindproduct erg sterk zijn en erg lang meegaan.
Polypropeen (PP) Polypropeen is in de verschillende afval soorten afgekort tot PP, dit is een thermoplastisch polymeer welke voor vele doeleinde gebruikt wordt. Wat men niet zo gauw zou denken is dat polypropeen bijvoorbeeld ook gebruikt wordt in het maken van Australische bankbiljetten. Polypropeen is een recente naam, vroeger werd deze plasticsoort herkend onder de naam polypropyleen. Echter, deze naam schepte verwarring tijdens gesprekken over het plastic tussen mensen die geen expert zijn op het gebied van plastic en scheikundigen. Polypropeen kan zeer zuiver worden gemaakt, hierdoor is het een goede grondstof voor de halfgeleiderindustrie. Het plastic is goed bestand tegen chemische oplosmiddelen, basen en zuren. Het is zelfs bestand tegen bacteriegroei, hierdoor is het geschikt voor bijvoorbeeld wegwerpspuiten en andere medische apparatuur. Dit polymeer kan op verschillende manieren vervormd worden, dit maakt het een zeer bruikbare plasticsoort met verschillende doeleinden. Wij komen deze stof ook regelmatig tegen in het dagelijks leven, zoals in jerrycans of touwen. Polypropeen lijkt op polyetheen, het is ook even duur, best goedkoop. Toch is polypropeen veel sterker.
Verwachting geschiktheid 3D-filament Voor ons is polypropeen een plasticsoort welke wij vrijwel niet bruikbaar vinden voor ons project. Dit door de weinige beschikbaarheid in het afval op school. De andere eigenschappen zagen er wel veelbelovend uit. Zo is het polypropeen sterk en op verschillende manieren te produceren.
(C3H6)n
Polystyreen (PS) Polystyreen is een thermoplastisch polymeer. Zoals de naam doet vermoeden bestaat het uit het monomeer styreen. De ketens bereiken vaak een moleculaire massa tussen de 100.000 en 400.000 u. De stof is waterafstotend maar niet bijzonder sterk. Het kan echter stijver worden gemaakt door toevoegingen als 1,3butadieen en van acrylonitril. Acrylonitril is een uiterst giftige stof, bij opname is het menselijk lichaam kan het cyaniden vormen. Een voorbeeld van een cyanide is waterstofcyanide. Dit gas staat bekend om zijn dodelijke werking en werd vroeger in de Verenigde Staten gebruikt gevangen te executeren. Verder is de stof mogelijk carcinogeen.
Er bestaan meerder varianten polystyreen. PS in zijn normale vorm wordt gebruikt voor bijvoorbeeld patatbakjes en wegwerpbestek. Geëxpandeerd polystyreen (EPS) wordt geproduceerd door toevoeging van CO2. Dit materiaal wordt ook wel piepschuim genoemd. Daarnaast bestaat er ook Geëxtrudeerd polystyreen (XPS). Dit materiaal lijkt veel op EPS maar kan meer druk aan en is een betere isolator vanwege zijn gesloten celstructuur. EPS en XPS worden veel gebruik in de bouw.
(C8H8)n
Verwachting geschiktheid 3D-filament
PS is bij ons op school weinig te vinden. Bovendien zijn de stoffen, waarmee het kunststof mogelijk is bewerkt, zeer giftig. Polystyreen lijkt ons daarom ongeschikt voor de productie van 3D-filament.
Polycarbonaat (PC) Polycarbonaat is een thermoplastisch polymeer. De monomeren zijn verbonden doormiddel van carbonaatbindingen. Het is stevig, hard en relatief makkelijk te bewerken. PC staat er echter om bekend dat het bij contact met voedingsmiddelen de schadelijke stof bisfenol A (BPA) vrij laat komen. Dit maakt het eigenlijk ongeschikt voor het verpakken van voedingsmiddelen en er is inmiddels een verschuiving gaande naar BPA vrij plastic. PC staat ook bekend als ‘other’ in de plastic categorieën. Vanwege zijn kracht wordt polycarbonaat gebruikt in bijvoorbeeld veiligheidsbrillen. Ook is het terug te vinden in cd’s en dvd’s. De productie van PC is vrij ingewikkeld maar kan worden samengevat in onderstaande reactievergelijking.
(C16H12O3)n
Verwachting geschiktheid 3D-filament Vanwege de giftigheid van het BPA in Polycarbonaat zullen wij dit liever niet gebruiken voor de productie van filament. Waarschijnlijk zal het technische gezien wel mogelijk zijn om van PC filament te maken alleen het past niet binnen onze ‘groene filosofie’.
Afvalbeschikbaarheidsonderzoek
Om te weten welke plasticsoort wij het beste kunnen recyclen is het van belang te weten wat er op school beschikbaar is. Daarom hebben wij de inhoud van zo’n 40 prullenbakken bij ons op school bekeken. Wij hebben hierbij vooral gelet op plasticafval. Wij vonden onderstaande resultaten. Van het totale niet gescheiden afval schatten wij dat 35% plastic is. In het cirkeldiagram staan de geschatte massaverhoudingen van het afval. In onze Plastic Fruitresten Dubbellaags materiaal Papier Overige schattingen kijken wij alleen naar de massa. Wij houden geen rekening met het volume van de producten omdat dit voor ons project niet van belang is. Met dubbellaags materiaal worden verpakkingen zoals chips zakken bedoeld. Deze zijn namelijk gemaakt van een laagje aluminiumfolie en een laagje plastic. Deze lagen zijn moeilijk te scheiden, daarom zullen wij deze materialen niet gaan gebruiken. Plastic wordt bij ons op school ook gescheiden ingezameld. Hiervoor is gelegenheid in de aula. De getoonde resultaten gaan echter over materiaal dat wij aantroffen in restbakken. Het aangetroffen plastic hebben we onderverdeeld in de verschillende soorten plastic zoals beschreven in ons vooronderzoek. Eerst hebben we per soort gekeken hoe veel producten wij aantroffen. Vervolgens hebben we deze resultaten vermenigvuldigd met het gemiddelde gewicht van de betreffende producten. De resultaten hiervan staan in onderstaande grafiek. PLASTICSOORTEN IN AFVAL Massapercentage in afval 1. PET 2. HDPE 3. PVC 4. LDPE 5. PP 6. PS 7. OTHER De conclusie die wij hieruit trekken is dat de plasticsoort PET de ruimste beschikbaarheid heeft. Het komt veel voor in het afval en een bijkomend voordeel is dat de producten per stuk veel wegen en het dus relatief minder moeite kost om het te scheiden. Immers per keer dat je één product naar de plasticbak brengt scheid je veel materiaal. 1,8%
1,8%
1,8%
12,5%
1,8%
1,8%
78,5%
AFVAL
Filamentproductie De productie van filament begint vaak met het kleuren van het granulaat. Dit zijn eigenlijk plastickorrels waaraan je een pigment toevoegt. Daarna wordt het granulaat gedroogd. Dit neemt zo’n twee uur in beslag bij een temperatuur van 60 tot 80 graden Celsius. Na het drogen wordt het filament in de extruder gebracht. De extruder is het belangrijkste onderdeel van het proces aangezien hier het granulaat wordt omgevormd tot een filamentdraad. Deze draad wordt vervolgens gekoeld in langwerpige waterbaden van verschillende temperatuur. Na het koelen wordt het filament opgerold op spoelen. De werking van de extruder wordt duidelijk in het onderstaande plaatje. In de trechter wordt het filament ingebracht. Vervolgens wordt het granulaat met behulp van de schroef naar voren gebracht. Onder druk van de schroef en met behulp van de verhitting wordt het granulaat omgezet tot een filamentdraad.
Conclusie Uit onze vooronderzoeken naar de verschillende plasticsoorten kwamen meerder geschikte soorten naar voren. Echter met een beschikbaarheid van 78,5% is PET plastic veruit het meest verkrijgbaar op school. Daarom zullen wij ons onderzoek, ondanks de bij ons bekende complicaties, richten op PET plastic. Naar de verwachte complicaties zullen wij nog een uitgebreider literatuuronderzoek doen, zodat wij de uitkomsten hiervan kunnen meenemen in het ontwerp van onze proefopstellingen. Omdat filament gemaakt wordt met behulp van een extruder, zullen wij in onze eerste proefopstelling zeker een extruder plaatsen. Aanpassingen aan deze proefopstellingen zullen volgen aan de hand van waarnemingen tijdens de experimenten en aan de uitkomsten van het onderzoek naar PET-plastic.
