Lisäarvoa biomateriaaleistaesimerkkinä. Lieksan Puuakatemian seminaari Professor Ali Harlin, D.Sc. VTT Technical Research Centre of Finland

Transkriptio

1 Lisäarvoa biomateriaaleistaesimerkkinä biomuovit Lieksan Puuakatemian seminaari Professor Ali Harlin, D.Sc. VTT Technical Research Centre of Finland

2 Bioeconomy lisäarvon laajentaminen Arvo Volymi Biopolymeerit, komposiitit Pinnoittet liimat Hake, pelletit, kaasutus Lääkkeet Lääke ja Kosmetiikka kosmetiikka Biomateriaalit Biomaterialit Biokemikaalit Biopolttoaineet Biopolttonesteet liikenteeseen Bioenergia- Bioenergia, lämpö lämpö ja sähkö ja Sähkö teollisuudelle teollisuudelle ja kotitalouksille ja talouksille Puutuotteet, sellu, paperi and kartonki Sellu, paperi ja kartonki viestint ään, pakkaamiseen ja pehmopapereihin sekä puutuotteet mm. rakentamiseen Korjuu ja logistiikka Uuden osaamisen kerryttäminen Uudet Investoinnit materiaalit, uuteen tuotteet teknologiaan ja palvelut ja liiketoimintoihin Globaali verkostoituminen T&K ja innovaatiot Bioenergia tuotteet Nykyisten tuotteiden kilpailukyky Modified from the source: Metsäteollisuus ry 27/05/

3 Eco-efficient materials Ajurit Goals Vähentää Kierrättää Uudistua Keveys Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Raaka-aine tehokkuus 27/05/2014 3

4 Click VTT sto status edit Master performer title style of R&D work Click to edit Master text styles Second level Basic research Third level Fourth level Applied research Fifth level UNIVERSITIES VTT Development INDUSTRY 27/05/2014 4

5 Ekotehokkaat Materiaalit Click to edit Master title style Ajurit Click to edit Master text styles Second level Third level Vähentää Fourth level Kierrättää Uudistaa Fifth level Tavoitteet Keveys Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Raaka-aine tehokkuus 27/05/2014 5

6 Termoplastiset komposiitit Tutkimus Click to edit Master title style - lingiini kuitukomposiitin kehitys- esimerkki Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Plasticization and melt compounding (Brabender Plasti-Corder 50 cm 3 batch) Injection moulding (Thermo-Haake Mini-Jet) Tensile testing (Instron 4505) 27/05/2014 6

7 Click Biocomposites to edit Master title style VTT on kehittänyt muovipuu teknologiaa komposiiteille, jotka sisältävät Click to edit Master text styles jopa 80 paino-% puukomponenttia. Second level Muovien työstöteknologiat avaavat uusia mahdollisuuksia biokomposiiteille Suulakepuristuksen Third level metritavarasta Fourth level Ruiskuvalettuun kappaletavaraan Fifth level Laajennetaan raaka-ainepohjaa Uudet tuotteet Uusi muotoilu Materiaalikustannusten aleneminen CO2-neutraali Öljyn hinnan aleneva vaikutus 27/05/2014 7

8 Click Biokomposiittien to edit Master prosessikehitys title style Nykyiset prosessit muovien valmistuksesta Click to edit Master text styles Prosessikehitys biokomposiiteille vaatii Second level Biomateriaalien erikoispiirteiden huomioiminen Uudet suunnitteluperusteet Third level Uudet tuotteet Mallinnus Fourth level Fifth level Uudet prosessointiteknologiat Laitteiden modifiointi Syöttölaitteet Sekoittimet Työkalut Extrusion line for WPC profiles in K2004 Exhibition 27/05/2014 8

9 Biokomposiittien kehitys Click to edit Master title style Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa Puu-muovi, WPC Click Synteettinen to edit muovi Master + puu text + lisäaine styles Second level Luonnonkuitu Third komposiitti, level NFC Synteettinen hartsi + luonnonkuitu + lisäaine. Fourth level Fifth level Biokomposiitti Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine. Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC Hartsi + puu/luonnonkuitu + lisäaine. Muovi Muovi + Biopolymeeri + Biopolymeeri Puu + Luonnonkuitu + Luonnonkuitu Nano Bio-based Composites Green Composites Natural Composites Standardontitarpeita terminologia tuotteet testaus LCA 27/05/2014 9

10 Click Ekotehokkaat to edit Master materiaaliratkaisut title style huonekalurakentamiselle Click to edit Master text styles Ekotehokkuus ja kannattavuus Second level Vähennä pidennä käyttöikää - kierrätä valitse laatu Third level Ekologiset ratkaisut yhdistettynä käyetttävyyteen Tuotantotehokkuus alentaa valmistuskustannusta Fourth level Fifth level Biokomposiittien suorituskyky Biomuovien ja komopsiittien hyödyntäminen Muovintyöstötekniikat kappaletavaralle 35% vähemmän painoa ja 45% vähemmän CO2 CASE: Puustelli Ecokitchen Eettisesti ja kestävästi tuotettu ISO sertifikaatin mukainen keittiö, jossa hyödynnetty keveiden materiaalien ja valmistusmenetelmä etuja Helppohoitoiset ja kestävät pinnat Ohut ja läpinäkyvä AddSol sol-gel pinnoite Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa Metallit, puu, muovi ja tekstiilit 27/05/

11 puustelli ekokeittiö 2012 Click to edit Master title style Irtokalustejärjestelmän osat: -runko -edusta -taso -laatikko Click to edit Master text styles Second level Third level Ekotehokkuuden kriteerejä: -kevyt -vähän osia -hyvät, kauniisti kuluvat materiaalit -pitkä ikä -kehdosta kehtoon kierrätysmateriaalit Fourth level Fifth level Pienkertopuurunko Ruiskupuristettu puukomposiittirunko Pursotettu biokomposiittirunko. LCA -> tuotesuunnittelu -> työmenetelmäkehitys => tuotteistus Ruiskupuristettu puukomposittilaatikkorunko Matalapainepuristettu laatikko biohajoavaa komposiittia 11 Copy right Juhani Salonius

12 Puustelli Click to Miinus edit Master keittiö title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 12

13 Pakkausteollisuus Globaalin pakkausteollisuuden liikevaihto 2013 lähestyy 600 Mrd EUR, joka koostui pääasiassa konvertoiduista materiaaleista. Primääripakkausmarkkina on fragmentoitunut eri materiaalien, konvertointitekniikoiden ja pakkaustekniikoiden kesken. Kuljetuspakkaus aaltopahvin dominoima. Teollisuuspakkaus pääasiassa aaltopahvia, muovikalvoja sekä eri tyyppisiä minikontteja. Aaltopahvi 105 miljoonaa tonnia, muovi 80 miljoonaa tonnia, kartonki 46 miljoonaa tonnia, biomuovi 1miljoona tonnia. 27/05/

14 100% bio-pakkaukset Kierrätettävät kuitumateriaalit ja biopolymeerit Yhteensopivuus pakkaus arvoketjuun Tehokkaat valmistusratkaisut pakkaus sovelluksissa Joustavat työtavat 27/05/

15 Mater-bi (Novamont) Environmental statements Biohajoavuus ja kompostoitavuus Sertifioitu biohajoavuus kompostointi olosuhteissa biodegradation under composting conditions Hajoavuus meressä Preliminary results show that Mater-Bi films are subject both to degradation and to biodegradation in three typical marine environments: on the free sea water (pelagic domain), on the beach (tidal zone) and on the bottom of the sea (benthic domain). Biopohjaiset raaka-aineet The different types of Mater-Bi are made using natural and synthetic raw materials Kaikki käytetyt polymeerit biohajoavat (tärkki + Ecoflex) Ei GMO tärkkelystä A small fraction of starch is used to produce bioplastics. Source: /05/

16 Bio-ethanol in polymer manufacturing Etanolia tuotetaan käyttämällä glukoosia biomassasta (myös hydrplyysisokeri) Etanolista saatavat monomeerit Eteeni Etyleeni glykoli (eteenin hapetus) Propeeni (eteenin metateesi) VCM,1,4-butanidioli (asetaldehydin kautta) sekä useimmat petrokemian tuotteet. CO 2 päästön alenema perustuu uusiutuviin raaka-aineisiin ja niiden ekologisuuteen. Raaka-aineen saatavuus ja hinta sekä saanto sokerista (käyttäminen tuottaa CO 2 ) aiheuttavat keskustelua 27/05/

17 Sustainable development is coming Braskem sokeripohjainen HDPE vuodesta Johnson&Johnson, Danone, Tetrapak. Coca-Cola julkaisi 2009 PlantBottle jossa 30% bioosuus ja tavoitteena 100 % PET muoville. Natureworks PLA ollut markkinoilla jo vuosia, uusia sovelluksia tulee jatkuvasti (Danone). 27/05/

18 Hybrid kartongit parannettu jäykkyys MD/CD ajattelusta monisuuntaiseen lujuuteen 27/05/

19 New fibre materials Uusi tapa lähestyä pakkausta: Läpinäkyvyys Muokattavuus Painettavuus 27/05/

20 Example: Kuituinen läpipainopakkaus Konsepti: Kuitupohjaiset läpipainopakkaukset lisäarvoisessa sovelluksessa Yksinkertaistetaan pakkausratkaisua ja vähennetään materiaalien määrää Hyödynnetään uutta muokattavan kartongin ja bio barrier -teknologioita Korvataan muovi ja alumiinipohjaisia pakkauksia 27/05/

21 Muokattava kuituraina Uutta Kuitupohjainen Kestävän kehityksen mukainen Helppo hävittää Kommunikaatio Materiaalit VTT 27/05/

22 Muokattu hemiselluloosa Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta: Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin Läpinäkyvät ja taipuisat filmit Muokattava filmi Hydrogeelit (hygenienia) Aktiiviset filmit Mouldable hemicellulose film (VTT) Hemicellulose barrier dispersion (KCL/VTT) Flexible hemicellulose film (FC/VTT) Hemicellulose hydrogel (Aca/VTT) Heat-activated cellulose film (FC/VTT) 27/05/

23 Muokattava raina Tray packaging demo, Drupa keksintöä: Vaahtorainaus Dispersiot Lämpömuokattavuus Läpinäkyvyys Seuraavaksi Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty pakkaus 27/05/

24 What is nanocellulose? Valmistus Tuotteet Esau, Anatomy of seed plants, 1977, Wiley, NY Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934 1,7% kiintoaine Aivan uusia ominaisuuksia ja suorituskykyä tuotteille Aalto: Seppälä VTT Young s modulus 140 GPa (T. Nishino et al. J.Polym.Sci.,Part B,1995) Tensile strength 3 GPa (D.Page, F. El-Hosseiny, J.Pulp Paper Sci. 1983) Coefficient of thermal expansion 0,1 ppm/ºk (H.Yano, Seminar lecture, Otaniemi 2009) 27/05/

25 Use of nanocellulose based on patents Käyttökohteet (MFC) Komposiittimateriaalit (46, 38%) Kuitukankaat, absorbentit (22, 18%) Paperi ja kartonki (20, 16%) Ruokatuotteet (15, 13%) Paperin ja kartongin pinnoitus(10, 8%) Kosmetiikka (4, 3%) Suodattimet (5, 4%) Vuoden 2009 hakemukset Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja hygienia (2), Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2), Paperin ja kartongin päällystys (2) NFC applications 13 % 3% 38 % 18 % 16 % 4 % 8 % Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and Technology. 27/05/

26 Nanocellulose as paper coating Ohut yhtenäiskerros Vaahtopäällystys helpottaa applikointia Pintaominaisuuksia voidaan muuttaa tehokkaasti Vähentää ilmanläpäisyä Ei tarvita sideaineita Peruspaperi NFC-pinnoitettu paperi SEM x50 SE images from uncalendered paper surfaces. 27/05/

27 Light materials - Selluloosa vaahto Nanoselluloosa vaahto Kovia vaahtoja biomateriaaleista Öljyn korvaaminen Keveys. Eristyskyky Sovelluksissa pakkaamisesta rakentamiseen Nanokuituinen selluloosa Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007) /05/

28 Nanoselluloosa filmit HDPE filmin kaltainen puupohjainen Ei sähköisty Biohajoava Painatettava Myös älykäs painaminen 27/05/

29 Bio-barrierit ruokapakkauksissa Kuivaruuan pussit kartonkipakkauksissa Korkean barrierin muovien ja alumiinin korvaus mausteissa ja pitkän hyllyiän tuotteissa Fluorokemikaalien korvaus pikaruokapakkauksissa ja rasvaisissa ruuissa Rasva barrier leipäpakkauksissa Happibarrier jäähdytetyissä ja jäädytetyissä ruuissa 27/05/

30 Liukosellun tarve Assuming that constraints to cotton supply will continue Source: Pöyry 2012

31 Uudet konseptit Vaahtorainaus 3D prinntaus Paperinarun veto Prosessikonseptit Koneet ja laitteet PulpfibreyarnRef. Juha Salmela VTT Foam Forming SUORA Environment New 3D structures printed using nscrypt

32 SUORA VAAHTORAINAUS

33 KILPAILUKYKYISIÄ PEHMOPEREITA JA KUITUKANKAITA Uuttamalla fluffia Kierrätetty liukosellu ADVANCED RAW MATERIAL COMBINATIONS Resurssitehokkuus Lisäarvo ja ominaisuudet Surface active agents Pulp Vaahto rainaus Man-made fibers Nanomaterials Ultra lightweight materials Synthetic fibers Ali Harlin, VTT 2013

34 Visiomme Kuitumateriaalit ovat uusiutuvia Kierrätys mahdollistaa tehokkaita ratkaisuja Ympäristö riski pienenee Synergia muovien kanssa Biomuovien yhdistäminen luo synergiaa Muovit ovat suorituskykyisiä Olemassa oleva tuotanto ja logistiikka Toimivat tuotteet Tulevaisuuden jätteen käsittely: kierrätys ja energia käyttö Hyödyntäjät Tuotemerkit saavat asiakkailleen kestävän kehityksen tuotteita Kemian teollisuus ja materiaali toimittajat saavat uusia lisäarvoisia tuotteita 27/05/

35 TECHNOLOGY FOR BUSINESS