Mekaanisen kierrätyksen vaikutus HDPE:n prosessoitavuuteen

Abstract

Opinnäytetyö on tehty Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n Materiaalien prosessointi ja kiertotalouden ratkaisut -tutkimusryhmässä Tampereella. Työ liittyy läheisesti VTT:n vuonna 2019 toteuttamaan investointiin, jonka tarkoituksena on parantaa Tampereella sijaitsevan polymeeri-pilot-tutkimusympäristön laitekantaa. Investoinnilla pyritään lisäämään erityisesti muovin mekaanisen kierrätyksen sekä siihen liittyvien kemiallisten prosessien kehittämisen tutkimusvalmiutta.

Opinnäytetyön tavoitteena oli eri menetelmin etsiä mekaanisen kierrätyksen vaikutusta kierrätettyjen muovipullojen korkeatiheyksisen polyeteenin (HDPE) prosessoitavuuteen, joka on oleellinen tieto polyeteenin kierrätyksen tehostamisen kannalta. HDPE on yksi muoviteollisuudessa yleisimmin käytetyistä muovilaaduista, ja lisäksi polyeteenin (PE) kemialliset ominaisuudet mahdollistavat mm. reaktiivisen ekstruusion avulla tehtäviä polymeeriketjujen muokkauksia. Nämä seikat tekevät HDPE:n erityisen kiinnostavaksi VTT:n uudistetun tutkimusinfran käytön kannalta.

Tässä opinnäytetyössä mekaanisen kierrätyksen vaikutuksia tutkittiin differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrillä, sulaindeksilaitteella sekä kapillaarireometrillä. Tutkittavat HDPE-pullot rouhittiin, pestiin, kuivattiin sekä lopuksi ekstrudoitiin ja granuloitiin seitsemässä peräkkäisessä syklissä mekaanista kierrätysprosessia simuloiden. Näytteet analysoitiin ja tuloksia verrattiin ennen simuloitua kierrätystä otettujen näytteiden tuloksiin.

Sulaindeksin mukaan HDPE:n viskositeetti kasvaa kierrätyskertojen myötä, ja myös kapillarireometrillä tehdyt tutkimukset vahvistivat tätä tietoa. Differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrillä tehtyjen hapetuksen kestävyystestien mukaan HDPE voi kestää noin kymmenen kierrätyskertaa ilman stabilointiaineiden lisäämistä.

Saadut tulokset palvelevat VTT:tä uusien tutkimuslaitteiden ominaisuuksien tarkemmassa määrittelyssä sekä tulevan tutkimustyön aloittamisessa. Opinnäytetyö vahvistaa ja täydentää kirjallisuudesta saatavia tietoja VTT:n tarvitsemalla tavalla.

This thesis was commissioned by VTT Technical Research Centre of Finland Ltd and it was related to an investment carried out in 2019 targeted to improve the equipment of the polymer-pilot research environments located in the City of Tampere in Southern Finland. The goal of the investment is to increase the readiness of research regarding the mechanical recycling of thermoplastics and improve the R&D facilities for the related chemical processes.

The purpose of this thesis was to identify the effects of mechanical recycling on the processability of High-density polyethylene (HDPE) from detergent bottles. This is an essential question when optimizing recycling of polyethylene. HDPE is one of the most common plastic used in the plastic industry. Furthermore, polyethylene has characteristic chemical features that are enabling, for example, the modifying of a polymer chain carried out with reactive extrusion. These qualities make HDPE especially interesting in the use of renewed development infrastructure.

In this thesis the effects of mechanical recycling were studied with differential scanning calorimetry, melt flow indexer and capillary rheometer. HDPE bottles under investigation were milled, washed, dried, and then extruded and granulated in seven consecutive cycles, simulating the actual mechanical recycling process. Samples were then analysed, and the results compared with the results of the non-recycled samples taken before simulation.

According to the melt flow index, the viscosity of HDPE increases with the increasing number of extrusion cycles and this was supported by measurements with capillary rheometer. Oxidation induction time indicated that HDPE can be recycled approximately ten times without adding stabilisers.

The results are helping VTT to define the more specific features to the new research equipments as well as to start the future research work. The thesis also strengthens and complements the information found from literature, benefiting VTT.