Luonnonkomposiittien tutkimus

Transkriptio

1 1 Luonnonkomposiittien tutkimus Kari Kolppo TTY Muovi- ja Elastomeeritekniikan Laboratorio PL 589, Tampere, Finland Tel Luonnonkomposiittien Roadshow 2008 Special Car from Lignophenols-Cellulosic Fibers TYTA AUT BDY C.,LTD. Sivu (1/25)

2 Luonnonkomposiittien tutkimus Sisältö 2 1. Johdanto Lisääntyvä ympäristötietoisuus Liika riippuvuus öljystä kasvihuoneilmiö, energiapula Puu on Suomen tukijalka, uusiutuva luonnonvaramme 2. Puun kestävä hyödyntäminen 1. ikea puu oikeaan paikkaan RFID ( 2. Paranneltu puu oikeaan paikkaan jalostus, molekyylibiologia 3. Parannetut puutuotteet puukomposiitit 4. Tarkoitukseen valmistetut Keinopuumateriaalit = uusiutuvat muovit, luonnonkuitukomposiitit 3. Luonnonkomposiitit Luonnonkuitukomposiitit Kuitu, luonnonkuitu = lujite Matriisi = liima- ja dispergointiaine Kytkentäaineiden tarve ja käyttö Uudet ligniinipohjaiset Keinopuumateriaalit 4. Yhteenveto Suomi panostaa puututkimukseen TTY panostaa luonnonkomposiittien tutkimukseen Sivu (2/25)

3 Muinainen maailma Suuri konsentraatio Kasvien ilmaantuminen Kiertävä hiili Earth Kaasumuoto Matala konsentraatio Kiinteä muoto Sitoutunut hiili Hiili Öljy Fotosynteesi kiinteyttää / sitoo kaasumaisen hiilen Sivu (3/25)

4 Nykyhetki Paluu menneen ajan ilmastoon Nopea muutos Korkea konsentraatio Sitoutuneen hiilen nopea vapautuminen Laaja biomassaa hyödyntävä teollisuus Suunnaton kemianteollisuus Käänteinen hiilen virtaus Häiriytynyt ekobalanssi Hiili Öljy Sitoutuneen hiilen kuluminen / loppuminen Maan aineenvaihdunnan häiriytyminen Sivu (4/25)

5 Luonnon uusiutuvan raaka-aineen - Puun kestävä käyttö 5 Puun käyttö sellaisenaan Puun ominaisuuksien ja vaihtelun tehostettu hyödyntäminen Puun ohjaus oikeaan käyttökohteeseen RFID ( Jalostus ja molekyylibiologia Parannetut puutuotteet Puun fysikaalinen ja kemiallinen muokkaus - puukomposiitit Uudet puupohjaiset materiaalit ja tuotteet Parannetut molekyylit, rakenteet ja tuotteet Raaka-aineena puujäte, sanomalehtipaperi Ligniinin teollinen hyödyntäminen Keinopuumateriaalit Korvaa puulla öljyä ja öljypohjaisia tuotteita Metsä ja puu on laaja orgaanisten uusiutuvien kemikaalien lähde Mitä pidempään ligniiniä kierrätämme, sitä luontaisempaa toimintamme on Sivu (5/25)

6 Miksi luonnonkuitukomposiitti? Kestomuovit lujuus ja jäykkyys kasvaa pienentää lämpölaajenemista, imuja ja muottikutistumaa ei kuluta ruuveja tai muotteja miellyttävä tuntu huoltovapaa parempi kosteuden kesto Kertamuovit kustannustehokas työhygienia (ihokosketus) hyvä lujuus/paino Sivu (6/25)

7 Kasvikuitujen ominaisuuksia Imevät herkästi kosteutta Huokoinen ja hengittävä rakenne Sähköistymättömiä Rypistyviä Kuivuvat hitaasti Syttyvät ja palavat herkästi Hajoavat luonnossa Homehtuvat Sivu (7/25)

8 Matriisimuovit Polyolefiinit; PP, PE Poolittomia Suuri pintaenergia Huono tartunta Vaatii adheesionedistäjän Polyamidi, PVC Biohajoavat muovit (Polylaktidi) Kertamuovit; Epoksi, polyesteri, fenolimuovit Ligniini? Kasvikuitujen luontainen matriisimateriaali Sivu (8/25)

9 Sulasekoitus Dispersio = kuitujen jakaantuminen Adheesio = tartunta kuidun ja matriisin välillä Viskositeetti vaikuttaa kostutukseen Helposti virtaava matriisimateriaali Sekoitusparametrit vaikuttavat dispersioon Laitteisto Ruuvin geometria Liian suuri lämpötila aiheuttaa luonnonkuidun palamisen Sivu (9/25)

10 Adheesio Kahden erilaisen aineen välisten vetovoimien yhteisvaikutus Rajapinta siirtää kuormituksen matriisista kuidulle kuitujen kostuminen luja sidos kuidun ja matriisin välillä Polyolefiinit poolittomia ja hydrofobisia luonnonkuidut polaarisia ja hydrofiilisiä huono adheesio Tarve käyttää kytkentäaineita ja pinnoitteita Sivu (10/25)

11 Adheesio Adheesiota selittäviä mekanismeja: Adsorptio ja kostutus Diffuusio ja kemiallinen reaktio Sähköstaattinen adheesio Mekaaninen adheesio Sidoslujuuteen voidaan vaikuttaa kytkentäaineilla ja pinnoitteilla Sivu (11/25)

12 Kytkentäaineet Kemikaali, joka mahdollistaa kemiallisen sidoksen kuidun ja matriisin välille Yleisimmin käytettyjä: Maleiinihappo anhydridimodifioitu polypropeeni (MAPP), maleiinihapon anhydridi (MA tai MAH) Silaanit Ligniini Toiminta ilman kytkentäaineita? Rakenteen monimutkaisuus tehnyt teollisen käytön vaikeaksi Prosessoituva ligniini? Rakenteen yksinkertaistaminen Reaktiivisuuden säilyttäminen Kiesel, H., Richer, E.,Licomont AR 504: Adhesion promoter and Compatibilizer, Clariantin tuote-esite, 2003, 27 s. Sivu (12/25)

13 Phase-separation system Professor Funaoka, Mie University, JAPAN 1st Stage Solvation 2nd Stage Aqueous layer (acid) 3rd Control Separation For carbohydrates Hydrolysis and dissolution For Lignin Cleavage of benzyl ethers Phenol grafting Muovi- ja elastomeeritekniikka Luonnonkomposiittien Roadshow 2008 Sivu (13/25)

14 H3 C H3 C H2 H H2 C H3 C H2 C H3 H3 C H H2C C H3 H2 H3 C C H3 H2 C H3 H C H3 H2 H2 H3 C C H3 C H2 C H3 C H2 H2 H2 H C H3 2 C H3 H3 C C H3H H2 C C H3 C H3 C H3 H2 H H2C C H3 C H3 C H3 H3 C H H2C H2 C H3 C C H2 H3 C C H3 H3 C H2 C C H3 H3 C 2 C H3 H2 C H3 2H 2H C C H3 C H3 Phase-separation system Professor Funaoka, Mie University, JAPAN Functionality: Polymer Type Network type Native Lignin Building Unit R H Reactivity controllable Structure controllable Molecular weight controllable * Hybridization Linear type Polymer type: Linear-type Unit: 1,1-Bis(aryl)propane Interunit linkage: Alkyl-aryl ether Molecular weight (Mw): Softwood type Hardwood type Solid-liquid transformation: Softwood type 170 Hardwood type 130 Activity: Phenolic (latent) Lignophenol (H) H 3 n 1,1-Bis(aryl)propane type polymer Sivu (14/25) 3/29/2008

15 Application Fields of Lignophenols Professor Funaoka, Mie University, JAPAN Recyclable Composites Cellulose Biopolyesters Inorganic materials Glasses Metals thers Raw materials for recyclable polymers Photoresists Antioxidants UV barriers Detachable adhesives Switching devices for material recycling Electromagnetic shielding materials Carbon molecular sieving membranes Enzyme Supports Adsorbents Bioreactor, Affinity chromatography Proteins, Metals Performance control agents Lead-acid battery Enzymes Sivu (15/25)

16 Woody Composite preparation Professor Funaoka, Mie University, JAPAN Pulps Disintegration Forming Metal plate Metal wire Lignophenol Lignophenol-Fiber Composites Composites Separation Sivu (16/25)

17 Suomi elää puusta 17 Puun varaan on rakennettu suuri osa hyvinvoinnistamme ja työpaikoistamme Sellu ja paperinvalmistus ei enää aina ole Suomessa kilpailukykyistä - kansainvälistyminen on tehnyt siitä bulkkituotantoa Suomessa valmistetaan vuosittain 8 miljoonaa tonnia sellua sellunvalmistus ohjaa jo puun kasvatusta ja laatua Juuri muodostettu metsäklusteri pyrkii pitämään puuteollisuuden Suomessa kilpailukykyisenä 2030 tuotanto 2 * nykyistä suurempi puolet kasvusta uusista tuotteista 2015 tuotanto 1,5* nykyinen 1/3 uusista tuotteista Sivu (17/25)

18 18 Anne Brunila, CE Finnish forest industries: Finland will remain a key producer in the forest sector Developing new business operations requires investments and does not happen overnight Public discussion often gives the impression that the rapid development of new products is the only solution. Developing new operations has to be financed with current operations, HUM! Tämä on IS muutos aiemmin metsäteollisuus keskittyi paperinvalmistukseen, ja ulkoisti kaiken muun! Tavoitteisiin pyritään lisäämällä kotimaisen puun käyttöä neljänneksellä ja kaksinkertaistamalla tutkimus- ja kehityspanostukset Pallo on heitetty tartutaan toimeen! Sivu (18/25)

19 Wide wood related expertise Degree programmes at TUT Architecture Automation Biotechnology Civil Engineering Communications and Electronics Electrical Engineering Environmental and Energy Technology Fibre, Textile and Clothing Science Industrial Engineering and Management Information and Knowledge Management Information Technology Materials Engineering Mechanical Engineering Science and Engineering Sivu (19/25)

20 Wood related capabilities at TUT Plastics and Elastomer Laboratory Wood/Plastic compounds Production and testing of W/P compounds Wood added as powder, fiber, paper Structural and Rheological properties Coating of Wood Laboratory scale extrusion coating Adhesion of coating material to wood Properties of coated material Wood/Plastic Adhesion Determination and improvement of adhesion Novel Wood Materials Produced with wood components by plastic production means Behaves ~like plastic in use, and like wood in nature Biomass industry From biomass industry Molecular specification Upstream Biomass industry Irregular Heterogeneous Multifunction Matching Lignocellulose industry In molecular level Regular homogeneous Single function Chemical industry Coal Petroleum Fixed carbon From chemical industry Requested specification Downstream Chemical industry Sivu (20/25)

21 Yhteyshenkilöt: TTY Luonnon(kuitu)komposiittitutkimukseen Tampereen teknillinen yliopisto (TTY) Talous: Merja Fagerström (etunimi.sukunimi(at) tut.fi) Lakiasiat: Aapo Kiviniemi TTY EU-koordinaattori: Pirjo Kuhanen Materiaalitekniikan osasto Professorit Pentti Järvelä (muovit) Jyrki Vuorinen (komposiitit) Seppo Järvelä (reologia) Tutkijat Pertti Nousiainen (kuidut) Ali Harlin (puu) mm. Kari Kolppo (puu) Sivu (21/25)

22 22 Ekosysteemi Pitkäaikainen kierto 1. Taso: Puutuoteteollisuus 2. Taso: Puuhun perustuva kemianteollisuus Faasi-erottelu Siirtymävaihe Ligniini Hemiselluloosa Selluloosa Sivu (22/25)

23 Car made from Wood composites TYTA AUT BDY C., LTD. 23 Sivu (23/25)

24 Hiilen kaasu-kiinteä -tasapainon palautus Kiertävä hiili 21 Century 24 Liika Kemianteollisuus Puutuoteteollisuus Terve ekosysteemi Hiili Öljy Puupohjainen kemianteollisuus Nanotekniikka Sitoutunut hiili Biomassaa hyödyntävä teollisuus Epäsäännöllinen Heterogeeninen Monitoiminen Sivu (24/25) Säännöllinen Homogeeninen Vain yksi toiminto Kemianteollisuus

25 Uusiutuvia materiaaleja hyödyntävä kestävä tuotanto 25 Metsänhoito Puuteollisuus Faasierottelu Edistyksellinen puutuoteteollisuus Potentiaali Potentiaali Kemianteollisuus ~Yksisuuntainen kierto Sivu (25/25)