CELFI: Het ontwikkelen, produceren, toepassen en recycleren van WPC's (Wood Plastic Composites) (Celfi)

Dit traject richt zich tot de "plastic supply chain"-ondernemingen die WPC-granulaten en -materialen compounderen en produceren en tot maakbedrijven die WPC verder bewerken of verwerken in eindproducten.   "¢ producenten van WPC-compounds en -composieten;   "¢ ondernemingen die WPC-materialen verder verwerken tot half afgewerkte of eindproducten;   "¢ distributiesector die dergelijke materialen verkoopt voor DIY, bouwondernemingen;   "¢ designers en architectenbureaus die WPC-materialen gebruiken of voorschrijven;   "¢ recyclagebedrijven;   "¢ polymeerproducenten en chemiebedrijven;   "¢ machineconstructeurs en producenten van processing-tools.  
Celfi faciliteert en ondersteunt de ontwikkeling, productie, toepassing en recyclage van WPC via TECHNOLOGISCH ADVIES over specifieke grond- en hulpstoffen, normen, testmethodes, applicatie- en assemblagetechnieken van WPC, over de diverse toepassingsdomeinen, zoals bouw, meubilair, decoratie, transport, verpakking en speelgoed, en over recyclagetechnieken en recyclaten.   WPC zijn materialen die door TOEPASSINGSGERICHT ONDERZOEK geoptimaliseerd en verbeterd kunnen worden. Vooral bij de langlevende "structurele" bouwtoepassingen kunnen een aantal materiaaleigenschappen zoals kruip- en brandgedrag, bewerkbaarheid en veroudering nog verder verbeterd worden.   Het CELFI traject beoogt het efficiënt ontwikkelen, produceren, toepassen en recycleren van WPC (Wood Plastic Composites), die de belangrijkste productgroep is in de familie van de cellulosevezel (CELlulosic FIbers) versterkte kunststoffen.   De toenemende interesse en de jaarlijkse groei met meer dan 10% van deze thermoplastische composieten in Europa wordt verklaard door de zeer interessante grondstofcombinatie "thermoplastische kunststof-houtvezel" en de grote inzetbaarheid in tal van toepassingsdomeinen.   Voordelen van thermoplastische kunststoffen versterkt met houtvezels:   "¢ verbeterde materiaaleigenschappen   "¢ interessante kostprijs in vergelijking met andere composieten   "¢ een natuurlijk "hout"-look   "¢ duurzaamheid (biobased, lage C-footprint)   "¢ gemakkelijker recycleren van dergelijke composieten   Nochtans zijn nog te veel ondernemingen niet of onvoldoende op de hoogte van de verschillende technieken om WPC te produceren, van de grond- en hulpstoffen die erin worden gebruikt en van de toepassingsdomeinen van deze materialen.   

Resultaten en conclusies

In de voorbije decennia werden ‘wood plastic composites’ (WPCs) vooral populair als bouwmateriaal voor de constructie van terrassen, omheiningen, maar ook in de automobielindustrie. De oorzaak hiervan is tweeledig. Enerzijds bestaan deze materialen uit kunststofmaterialen, zoals PVC, PP, PE…, die gekenmerkt worden door een relatief lage kost en makkelijk verwerkbaar zijn door hun goede vloei-eigenschappen bij verhoogde temperatuur. Anderzijds bestaan zij uit houtvezels, die goedkoper zijn dan kunststoffen en extra sterkte en stijfheid meebrengen in het eindproduct. Bovendien is het composietmateriaal minder gevoelig aan waterabsorptie vergeleken met zuivere houtcomponenten. Aangezien WPC materialen het beste van twee werelden combineert, worden zij gekenmerkt door unieke eigenschappen, zoals een geode mechanische sterkte, een natuurlijke ‘wood-look’, weinig onderhoud, slip resistentie en een splintervrije natuur.

Tijdens het project Celfi werden verschillende aspecten aangaande deze materialen bekeken.

In een eerste deel werd door wood.be onderzocht of WPCs potentieel kunnen bieden in de bouw- wereld voor toepassingen die gekenmerkt worden door een hogere belastingsgraad. Aangezien in de literatuur enkel waarden terug te vinden zijn voor elasticiteitsmoduli (MOE) en buigsterktes (MOR) voor stalen op kleine schaal, werd door wood.be onderzocht of zij een nieuwe testmethode konden implementeren die testing van commercieel beschikbare WPC materialen op een structurele en dus grotere schaal mogelijk maakt en dit voor toepassingen met lange termijn belasting. Testen (tot 8 maanden) toonden aan dat het kruipgedrag van WPCs vooral overeenkomt met het gedrag van kunststoffen i.p.v. hout. Bovendien kon voor één van de geselecteerde marktstalen potentieel aangetoond worden voor structurele toepassingen. Er kan dan ook geconcludeerd worden dat er binnen het project een waardevolle, low-tech en relatief snelle methode ontwikkeld werd om lange termijn mechanische eigenschappen in kaart te brengen. Desalniettemin, indien positieve resultaten bekomen worden via deze methode, zal een meer intensieve beoordeling noodzakelijk zijn om de feitelijke implementatie van het materiaal in bouwapplicaties te kunnen bewijzen.   

Naast het verkennen van nieuwe markten voor WPC materialen werd er door Centexbel gezocht naar oplossingen voor courante problemen die optreden binnen deze materiaalklasse.

Een eerste probleem dat zich voordoet omvat het ontstaan van donkere vlekken. Deze kunnen veroorzaakt worden door schimmels en vlekschimmels (staining fungi) en deze laatste groep ontwikkelen zich meestal sneller op het materiaal dan rotschimmels en veroorzaken meestal verkleuring van het materiaal. In deze context werden dan ook verschillende fungiciden uitgetest en ingemengd in de WPC matrix om schimmelgroei te voorkomen. Verschillende testmethodes werden gebruikt om de efficiëntie van de fungiciden te evalueren en op basis van de resultaten kon een geschikt product geïdentificeerd worden.

Een tweede probleem dat onder de loep genomen werd binnen dit project omvat de watergevoeligheid van WPC materialen. Eerst en vooral werd er een uitgebreide studie uitgevoerd waarbij de water absorptie eigenschappen van verschillende WPC materialen, inclusief PVC-, HDPE- , PP-, weekgemaakte PVC- gebaseerde WPCs en WPCs bestaande uit verschillende houtpercentages, in kaart werden gebracht. In een volgende stap werden verschillende routes verkend die mogelijks de waterabsorptie eigenschappen kunnen verlagen. In deze context werden houtvezels geïncubeerd in SMA-gebaseerde wateremulsies alvorens deze te verwerken tot WPCs via het compoundeerproces. Er kon aangetoond worden dat de houtvezels wel degelijk getransformeerd werden tot hydrofobe (waterafstotende) materialen, aangezien geen water meer geabsorbeerd werd door de vezels. Desalniettemin, door de behandelde vezels te compounderen in combinatie met kunststof bij verhoogde temperaturen, werd dit effect teniet gedaan. De behandeling had zelfs een tegenovergesteld effect op het water absorptie gedrag. Toevoeging van 50% hydrofobe vezels bracht het waterabsorptieniveau immers gelijk met het niveau van WPCs die 70% houtvezel bevatten.
Naast de SMA aanpak werd er ook een alternatieve houtvezel behandeling geëvalueerd om de wateropname van WPCs te doen dalen, nl. het gebruik van humines als hydrofoberend agentia. Humines worden gevormd als bijproduct in het productieproces van PEF (polyethylene furanoaat), een bio-gebaseerd polymeer dat als superieur alternatief voor PET ingezet kan worden. Aangezien significante hoeveelheden beschikbaar zullen komen van zodra de PEF productie op volle toeren draait, bleek hun gebruik als hydrofoberend middel een interessante piste. Jammer resulteerde het gebruik van humines niet in een verminderde wateropname t.o.v. het gebruik van een coupling agent. Er kon dan ook geconcludeerd worden dat het project niet in staat was om een succesvolle route te identificeren om de water absorptie eigenschappen te verminderen. 

Er kan ook vermeld worden dat het Celfi project verschillende verwerkingsprocessen evalueerde. Hierbij kwamen de standaard verwerkingstechnieken zoals extrusie en spuitgieten aan bod, maar ook perstechnieken en 3D printing werden gedemonstreerd. In het kader van 3D printing werden er 3D print filamenten, bestaande uit PLA en 30% houtvezel, aangemaakt via monofilamentextrusie, en verder verwerkt via een 3D filament printer. Verder werden ook PP-gebaseerde WPC pellets aangemaakt die verder verwerkt werden tot 3D samples via de ‘Freeformer’ technologie. Voor de nabewerking van WPC materialen werd tot slot ook het (spiegel-)lasproces onder de loep genomen en werd er geëvalueerd hoe het lasproces een invloed heeft op de mechanische eigenschappen van de materialen.

Wat de WPC samenstelling betreft werden er tijdens de loop van het project verschillende additieven gescreend en besproken. Naast fungiciden werden verschillende ‘coupling agents’ vergeleken om de compatibiliteit tussen het hout en kunststof te verhogen, alsook verschillende ‘lubricants’ om de verwerkbaarheid tijdens het compounderen en spuitgieten te verbeteren. Ook schuimmiddelen werden geïntroduceerd tijdens het project om tot lage dichtheidsmaterialen te komen en tot slot werden er alternatieve (natuurlijke) vulstoffen bestudeerd, zoals het gebruik van gerecycleerd behangpapier, ter vervanging van het hout in WPCs.