Evaluation of particle and fibre degradation during processing of wood plastic composites (WPC) using dynamic image analysis

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1703 „Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ durchgeführt. Es wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie der Holzkomponente von Holz-Kunststoff-Kompositen (Wood Plastic Composites – WPC) untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits anderswo publiziert bzw. zur Publikation eingereicht (insgesamt vier Publikationen) und werden innerhalb individueller Kapitel der vorliegenden Arbeit wiedergegeben. WPC vereinen die Eigenschaften von Holz als Füllstoff mit den Eigenschaften von Polymeren als Matrixmaterial. Aktuelle Literatur und Forschungsarbeiten wurden gesichtet, um Möglichkeiten zu identifizieren, wie WPC zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vielzahl von Abfall- und Nebenprodukten aus Holz- und Agrarwirtschaft zur Herstellung von WPC verwendet werden kann, z.B. Sägespäne, Reststoffe aus der Plattenproduktion und Schlämme aus der Faserstoffproduktion. Darüber hinaus können auch Kunststoff-Rezyklate und Biokunststoffe als Rohstoff dienen. Für die Eigenschaften von WPC spielt die Morphologie der Holzkomponente – Fasern oder Partikel – eine entscheidende Rolle. Während der Verarbeitung von WPC treten hohe Temperaturen und Scherkräfte auf, welche zur Zerkleinerung der Holzkomponente führen. Um die Zerkleinerung während der Verarbeitung analysieren zu können, wurde die Eignung der Partikel¬charakterisierung mittels dynamischer Bildanalyse zur Größenbestimmung von WPC-Füllstoffen geprüft. Dafür wurden Holzpartikel aus der Polymermatrix gelöst und ihre Morphologie vor und nach der Verarbeitung verglichen. Es zeigte sich, dass eine Auswertung bezüglich der längenbasierten Größenverteilung am besten geeignet ist, um Prozess-Effekte zu analysieren, da Partikel an beiden Enden der Größenverteilung gut abgebildet werden. Die Effekte von Prozessparametern wie Holzanteil, Beschickungsmethode, Vorwärmen des Holzes, Polymerviskosität, Rotor-/Schneckendrehzahl, Förderrate und Schneckenkonfiguration auf die Holzzerkleinerung wurden untersucht. Dazu wurden Fichtenholz-Partikel (Picea abies) entweder unter Verwendung eines Innenmischers oder eines Doppelschnecken-Extruders mit Polypropylen (PP) compoundiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Polymerviskosität wurden verschiedene Sorten PP und schwachverzweigtes Polyethylen (HDPE) verwendet, welche sich in ihrem Schmelzflussindex (melt flow rate – MFR) unterscheiden. Nach dem Compoundieren betrug die Partikelgröße nur noch < 3 % der ursprünglichen Größe. Bei den PP-Kompositen nahm die Partikelzerkleinerung sowohl im Innenmischer als auch im Extruder mit zunehmendem Holzanteil zu. Auch eine zunehmende Anzahl an Knetelementen im Schneckenprofil führte zu einer stärkeren Partikelzerstörung. Bei den HDPE-Kompositen war der Einfluss des Holzanteils nur gering. Wurden die Holzpartikel und das Polymer dem Prozess gleichzeitig zugeführt, war die Partikelzerstörung intensiver als wenn die Partikel dem bereits geschmolzenen Polymer zugegeben wurden. Auch ein Vorwärmen der Partikel führte zu einer stärkeren Zerkleinerung. Die Zerkleinerung konnte unter Verwendung eines Matrixpolymers mit hohem MFR reduziert werden. Zum einen variierte der Einfluss der Förderrate mit der Schneckendrehzahl, zum anderen variierte der Einfluss von Förderrate und Schneckendrehzahl auch mit dem Holzanteil. Da die Bedingungen des Compoundierprozesses im Labormaßstab üblicherweise nicht mit Bedingungen im Industriemaßstab vergleichbar sind, wurden die Prozessparameter an einem Labor-Extruder so gewählt, dass sie industrielle Bedingungen imitieren. Die Einkürzung von Kiefernholzfasern (Pinus radiata) wurde mit der Einkürzung von Glasfasern verglichen, da diese ein Standardmaterial in der industriellen Kompositfertigung darstellen. Mittels sogenannter „Dead-stop“-Versuche und Probennahme entlang der Extruderschnecken wurde der Einfluss von Schneckenkonfiguration, Schneckendrehzahl und Förderrate analysiert. Prozesseinstellungen, die einen geringeren Anteil an spezifischer mechanischer Energie ins Material eintrugen, sowie eine schonende Schneckenkonfiguration verzögerten die Fasereinkürzung entlang der Extruderschnecken. Für eingangs längere Glasfasern war dieser Effekt ausgeprägter als für eingangs kürzere Holzfasern. Die Faserlänge im Endprodukt zeigte jedoch keine Unterschiede bezüglich der Prozesseinstellungen. Glasfasern zeigten deutlichere Unterschiede in der Faserlänge aufgrund der Schneckenkonfiguration als Holzfasern. Diese spiegelten sich auch in den mechanischen Eigenschaften wieder: ein aggressiveres Schneckenprofil resultierte in geringeren Festigkeiten bei den Glasfaser-Kompositen, jedoch nicht bei den Holzfaser-Kompositen

Wood polymer composites and their contribution to cascading utilisation

Due to a shortage of resources and a growing competition of land use, sustainable and efficient resource utilisation becomes increasingly important. The application and multiple, cascading utilisation of renewable resources is aimed at to ensure an allocation and future availability of resources. Wood polymer composites (WPCs) are a group of innovative materials consisting of mainly renewable resources. By means of summarizing recent research, it is shown how WPC can potentially contribute to an enhanced cascading utilisation. For the production of WPC, waste materials and by-products from wood and agricultural industry, e.g. offcuts, sawdust, residues from board manufacturing, pulping sludge, can serve as a raw material. Furthermore, the cited literature presents the use of recycled polymers and biopolymers as a potential alternative for the polymer component of WPC. By using biodegradable polymers, a fully biodegradable composite can be formed. In addition to using recycled materials and potentially being biodegradable, it is pointed out that WPC furthermore offers the possibility of being recycled itself, therefore being considered as a “green composite”. Although the influence of contaminated waste streams and mixed filler and polymer types on the properties of WPC made with such recyclates is yet not fully understood and no collection systems exist for post-consumer WPC, in-house recycling on the production sites is identified as a promising option as it reduces production costs and enhances resource efficiency and cascading utilisation. On the basis of cited life cycle assessments, the eco friendliness of WPC is assessed resulting in the conclusion that WPC cannot compete with solid wood with respect to environmental impact but is an environmentally friendly alternative to neat plastics in several applications

Is the meiofauna a good indicator for climate change and anthropogenic impacts?

Our planet is changing, and one of the most pressing challenges facing the scientific community revolves around understanding how ecological communities respond to global changes. From coastal to deep-sea ecosystems, ecologists are exploring new areas of research to find model organisms that help predict the future of life on our planet. Among the different categories of organisms, meiofauna offer several advantages for the study of marine benthic ecosystems. This paper reviews the advances in the study of meiofauna with regard to climate change and anthropogenic impacts. Four taxonomic groups are valuable for predicting global changes: foraminifers (especially calcareous forms), nematodes, copepods and ostracods. Environmental variables are fundamental in the interpretation of meiofaunal patterns and multistressor experiments are more informative than single stressor ones, revealing complex ecological and biological interactions. Global change has a general negative effect on meiofauna, with important consequences on benthic food webs. However, some meiofaunal species can be favoured by the extreme conditions induced by global change, as they can exhibit remarkable physiological adaptations. This review highlights the need to incorporate studies on taxonomy, genetics and function of meiofaunal taxa into global change impact research

Investigating associations between physical activity, stress experience, and affective wellbeing during an examination period using experience sampling and accelerometry

Abstract Previous studies reported that physical activity could buffer the negative association of psychological stress with affective wellbeing. However, the studies that examined this relation in everyday life have assessed physical activity only by self-report but not with objective measures such as accelerometry. We therefore investigated the associations of both subjectively and objectively measured physical activity with stress experiences and affective wellbeing. A total of 90 university students participated in a 10-day experience sampling and diary study during their examination period and reported about stress experiences, physical activity, and affective states. Physical activity was additionally assessed using accelerometry in 50 of the participants. Subjectively assessed physical activity and objectively assessed light physical activity were associated with feeling less stressed in the evening. Also, light physical activity during the day was associated with a smaller increase/higher decrease in feeling stressed from morning to evening. The association of stress experience with negative affect was moderated by objective light physical activity. No interactive effects of stress intensity and physical activity on affective wellbeing were found. On stressful days, physical activity may buffer the negative association between stress and affective wellbeing. Particularly light physical activity as assessed with accelerometry seems to play an important role. It may be beneficial for students' affective wellbeing to increase or at least maintain physical activity during examination periods