PUU-MUOVIKOMPOSIITIT

Transkriptio

1 PUU-MUOVIKOMPOSIITIT

2 SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto Puu-muovikomposiitit Valmistusmenetelmät Ekstruusio Ruiskuvalu Käyttökohteet Materiaaliominaisuudet Rakentamisen tuotesovellukset Yhteenveto Lähteet... 11

3 1 Johdanto Puu on uusiutuvana luonnonvarana yksi Suomen tärkeimmistä raaka-aineista. On ennustettu että tulevaisuudessakin metsäteollisuustuotteiden käyttö jatkaa kasvuaan. Viime vuosikymmenien aikana metsäteollisuudessa on panostettu voimakkaasti puun jatkojalostukseen. Suomalaisen metsäteollisuuden osaamisen ja kansainvälisen kilpailukyvyn vahvistamiseksi tarvitaan tulevaisuudessa uusia, yhä jalostetumpia tuotteita. Älykkäitä puu- tai puupohjaisia tuotteita tullaan tulevaisuudessa tarvitsemaan mm. pakkaamiseen, rakentamiseen ja viestintään. (Dufva & Airola 2007) Komposiitit ovat nopeasti kasvava teollisuuden ala, joka herättää huomattavaa kiinnostusta sekä puu- että muoviteollisuudessa ympäri maailmaa. Komposiitit ovat tuoteryhmä, joilla on monia eri sovelluskohteita tällä hetkellä jo mm. rakennus-, huonekalu- ja autoteollisuudessa. Puu-muovikomposiitti on materiaali, jossa on mahdollista yhdistää puun ja muovin luontaisia hyviä raaka-aineominaisuuksia halutulla tavalla. Materiaalin ympäristöystävällisyyttä korostaa myös se, että valmistuksen raakaaineina voidaan hyödyntää kierrätysmateriaaleja sekä puun että muovin osalta. Puumuovikomposiitit sekä muut luonnonkuitukomposiitit ovat kasvattaneet suosiotaan voimakkaasti 2000-luvulla. Kasvu on ollut voimakkainta Pohjois-Amerikassa, jossa ala on kypsynyt nopeasti. Viime vuosina luonnonkomposiittirakenteet ovat kasvaneet voimakkaasti myös Euroopassa, suurimpana käyttökohteena autoteollisuuden sisäpaneelit. Suomessa puumuovikomposiittien tarjonta on vielä vähäistä, mutta tarve ekologiselle ja kestävälle materiaalille on selvä. Puukuitulujitteiset komposiitteja voidaan käyttää hyvin moniin sisä- ja ulkosovelluksiin, bulkkituotteista hyvin vaativiin käyttökohteisiin asti. Materiaalin suurin käyttökohde on terassilauta, erityisesti Pohjois-Amerikassa. Puumuovikomposiitit ovat ekologisia ja kierrätettäviä, terassilautana ne korvaavatkin lähinnä ympäristölle myrkyllistä kyllästettyä puuta. Puukuitukomposiittien tarkoituksena on vahvistaa muovimatriisia halvalla 1

4 kuitumateriaalilla, jolloin pystytään hyödyntämään molempien materiaalien parhaat ominaisuudet yhteen ylivertaiseen tuotteeseen. Uudet tehokkaat puukomposiittien jalostusmenetelmät hakevat vaihtoehtoja nykyisille, muoviteollisuudessa kehitetyille valmistusmenetelmille kuten esim. suulakepuristintekniikalle. Samalla kehitetään myös komposiittien jatkotyöstömenetelmiä. Komposiittirakenteiden kehittämisessä pyritään yhdistämään sekä muovin että puun parhaat ominaisuudet ja saamaan säästöä raakaainekustannuksissa. Komposiittien etuna on mm. mahdollisuus käyttää sekä muovi- että puutuoteteollisuudessa syntyvää jätettä raaka-aineena: kierrätettyä paperia, muovilaminaatteja, puhtaita kierrätettyjä muoveja sekä sahoilta, vaneritehtailta ja puutuotetehtailta saatavaa puuraaka-ainetta. 2 Puu-muovikomposiitit Puu-muovikomposiitti on materiaaliseos, joka sisältää puuta ja kesto- tai kertamuoveja. Komposiitti -termi sisältää varsin laajalla sektorilla eri komposiittimateriaaleja; muoveja aina polypropeenista PVC:een sekä puuta tai puumaista ainesta aina puujauhosta pellavaan. Kestomuovihartsit, kuten polypropeeni, polyeteeni, polystyreeni ja polyvinyylikloridi (PVC), pehmenevät lämmön vaikutuksesta ja kovenevat jäähdytettäessä. Tämä ominaisuus mahdollistaa muiden materiaalien, kuten puun, sekoittamisen niihin. Puu-muovikomposiiteissa puuaineksen osuus on tavallisesti noin %. Puuaineksena käytetään useimmiten sahanpurua tai puuteollisuuden jatkojalostuksen sivutuotteista valmistettua puujauhoa. Materiaalina voidaan käyttää myös jätepuuta, metsähaketta tai pellettejä. Käytettävät muovit voivat myös olla kierrätysmuoveja. Vain vaativissa sovelluskohteissa käytetään uusia, ei-kierrätettyjä muovimateriaaleja komposiittien valmistukseen. Näin ollen komposiitit ovat erittäin ympäristöystävällisiä tuotteita, sillä niiden valmistus pohjautuu pitkälti kierrätyskelpoisten materiaalien käyttöön. 2

5 Puu ja muovi ovat päämateriaaleja, mutta niiden lisäksi komposiiteissa käytetään myös pieniä määriä muita aineita, joilla vaikutetaan tuotteen valmistusprosessiin ja tuotteen ominaisuuksiin. Lisäaineista esimerkiksi erilaiset voiteluaineet parantavat syntyvää pinnanlaatua ja kiinnitysaineet vahvistavat puun ja muovin välisiä sidoksia lujittaen komposiitin rakennetta. Muita komposiiteissa käytettäviä lisäaineita ovat mm. erilaiset väriaineet ja vaahdotusaineet. Kuva 1. Puu-muovikomposiitin raaka-aineita. (Mitsubishi Rayon America Inc.) Kuva 2. Puu-muovikomposiittituotteita. (Strandex Corporation) 3

6 3 Valmistusmenetelmät Puu-muovikomposiittien yleisimmät valmistusmenetelmät ovat ekstruusio ja ruiskuvalu, joka tarvitsee kompaundointivaiheen. Kompaundoinnilla tarkoitetaan polymeerien ja lisäaineiden sekoittamista toisiinsa sulassa tilassa, jonka tavoitteena on saada aikaiseksi mahdollisimman homogeeninen seos. Kompaundoinnin jälkeen seos on tyypillisesti granulaatti- tai pellettimuodossa, jolloin se on helppokäyttöinen jatkoprosessoinnissa. 3.1 Ekstruusio Ekstruusio eli suulakepuristus on menetelmä, jolla raaka-aine plastisoidaan ja muotoillaan jatkuvana prosessina suulakkeen läpi halutun muotoiseksi tuotteeksi. Ekstruusiomenetelmällä valmistetaan yleensä poikkileikkaukseltaan vakiona pysyviä kappaleita kuten lista- tai putkimaisia tuotteita. Ekstruusiota käytettäessä ei välttämättä tarvita kompaundointivaihetta vaan ekstruuderi homogenisoi raaka-aineseoksen prosessin aikana. Kuva 3. Ekstruusiomenetelmä. ( Ekstruuderin tehtävänä on valmistaa raaka-aineseoksesta kitkan, paineen ja lämmön avulla helposti muokattavaa ja homogeenista. Osatehtäviensä mukaan ruuvi jaetaan 4

7 syöttö-, paineistus- ja homogenointivyöhykkeisiin. Lopuksi ruuvi työntää raakaaineseoksen suuttimen läpi, jonka jälkeen syntynyt profiili kalibroidaan ja jäähdytetään. Ekstruuderit voivat olla rakenteeltaan joko yksi- tai kaksiruuvisia. Kaksiruuvisilla laitteilla pystytään tuottamaan korkeampi paine ilman apulaitteistoja, joita tavallisesti käytetään yksiruuvisissa ekstruudereissa riittävän paineen aikaansaamiseksi. (Maine 2007) 3.2 Ruiskuvalu Ruiskuvalua käytetään komposiittien valmistusmenetelmänä valmistettaessa suuria sarjoja muodoltaan monimutkaisia tuotteita. Ruiskuvalussa sula raaka-aineseos ruiskutetaan muottiin, jolloin tuote saa muotonsa. Kun valu on jäähtynyt, muotti avautuu ja tuote työntyy ulos. Kuva 4. Ruiskuvalumenetelmä ( Ruiskuvalettavan materiaalin on oltava muovattavissa paineen avulla ja sillä on oltava riittävät virtausominaisuudet. Menetelmällä voidaan valmistaa siistejä ja mittatarkkoja tuotteita. Ruiskuvaluun suunniteltavan tuotteen osien ja liitosten määrä pyritään 5

8 minimoimaan. Rakenteiden ja toimintojen integrointi mahdollisimman vähiin osiin on tyypillistä ruiskuvalukappaleelle. Useimmiten ruiskuvalamalla tehdään valmis tuote tai osa, joka ei juuri kaipaa jälkityöstöä. Ruiskuvalusta on tulevaisuudessa tulossa huomattavasti käytetympi komposiittien valmistusmenetelmä. Ruiskuvalussa puuaineksen osuus seoksessa voi olla korkeintaan 40 %, kun taas ekstruusiossa se voi olla korkeimmillaan jopa %. (Maine 2007) 4 Käyttökohteet Pohjois-Amerikka on ollut komposiittituotannon ja käytön aktiivisinta aluetta jo useamman vuosikymmenen ajan. Viime vuosikymmenien aikana puu-muovikomposiittien käytön painopiste on siirtynyt lentokoneteollisuudesta rakennusteollisuuteen. Selviten muutos on näkynyt komposiittien käytön voimakkaana kasvuna asuinrakentamisen ja kevyiden puurakenteiden sovelluskohteissa, joissa komposiitit ovat korvanneet perinteisiä puurakenteita. (Smith & Wolcott 2006) 4.1 Materiaaliominaisuudet Puu-muovikomposiitti on ekologinen ja innovatiivinen materiaali, jossa yhdistyvät puun ja muovin parhaat ominaisuudet kuten keveys, lujuus ja kosteuden- ja lahonkestävyys sekä hyvä kemikaalien kesto. Materiaali on hyvin kierrätettävää. Se voidaan hävittää polttamalla ja hyödyntää sitä kautta myös lämmöntuotantoon. Uusia, laajempia käyttömahdollisuuksia tarjoaa mahdollisuus liittää komposiitteihin älykkäitä ominaisuuksia kuten sähkönjohtavuutta tai valvonta- ja seurantamenetelmiä. Puu-muovikomposiittien yleiset ominaisuudet, kuten veto- ja taivutuslujuus, iskunkestävyys, työstettävyys, säänkestävyys sekä mittapysyvyys, riippuvat siinä käytetyistä raaka-aineista, valmistusprosessista ja -parametreista. Yleisesti on todettavissa, että korkeampi puupitoisuus parantaa veto- ja taivutuslujuutta, mutta 6

9 heikentää iskulujuutta. Samalla korkeampi puupitoisuus altistaa myös enemmän kosteusabsorptiolle sekä sieni- ja tuholaisvaurioille. Puumuovi-komposiitin lopullisten ominaisuuksien kannalta myös käytettävällä puulajilla on merkitystä, sillä eri puulajien kuidut eroavat myös fyysisten ominaisuuksien puolesta. Esimerkiksi lehtipuiden tiheys voi olla jopa kaksi kertaa suurempi kuin havupuiden, joten lehtipuun kuiduista valmistettu puumuovi-komposiitti on raskaampi kuin havupuun kuiduista valmistettu. Jotkin puulajit ovat myös kestävämpiä, esim. kosteuden suhteen ja se vaikuttaa myös lopputuotteeseen. (WRAP 2003) Komposiittituotteiden tulevaisuuden kehityshaasteiksi voidaan esittää mm. tiheyden lisääminen, pinnan jälkikäsittelymahdollisuudet (esim. maalattavuus tai laminoitavuus), markkinointi- ja jakelukanavien kehittäminen, materiaalin laajempi hyväksyminen yhtenä potentiaalisena vaihtoehtona rakentajien, kuluttajien ja arkkitehtien keskuudessa sekä sopeutuminen muuttuviin suunnittelunormeihin. (Yadama 2006) 4.2 Rakentamisen tuotesovellukset Komposiittimateriaalien käyttö rakentamiseen ja asumiseen liittyvässä teollisuudessa on globaalisti vahvassa kasvussa. Suurinta volyymia tällä hetkellä maailman markkinoilla edustavat ns. decking materiaalit, joissa yhdistetään matriisina kestomuoveja ja luonnonkuituna puuta. Puu-muovikomposiittien liiketoiminta-alueen volyymi kasvaa vuosittain noin %. (OSKE 2007) Rakennussektorilla puu-muovikomposiittituotteiden markkinavaltteja perinteisiin puutuotteisiin verrattuna ovat mm. valmistus kierrätysmateriaaleista, vähäinen kunnossapitotarve, mittapysyvyys, alhainen kosteusabsorptio, lahonkestävyys, tasalaatuisuus ja kehittyneet tuotevalikoimat. Toisaalta haittoina ovat toistaiseksi olleet korkeammat hankintakustannukset, alhaisemmat lujuusominaisuudet ja lämpölaajenemisongelmat. (Yadama 2006) 7

10 Tyypillisimpiä rakentamisen sovelluskohteita komposiiteille ovat erilaiset terassi- ja piharakenteet (kuvat 5 ja 6), ovet ja ikkunat, kattorakenteet sekä ulkoverhoukset, joissa komposiittituotteilla on pyritty korvaamaan perinteisiä puutuotteita. Komposiittituotteiden markkinoiden suuruus on maailmanlaajuisesti tarkasteltuna noin tonnia, josta päämarkkina-alueiden osuudet jakautuvat seuraavasti: Pohjois- Amerikka noin 70 %, Eurooppa noin 20 % ja Aasia noin 10 %. Huolimatta maailmantaloudellisesta taantumasta ovat komposiittimarkkinat jatkaneet tasaista kasvuaan. Kuva 5. Terassirakenne (Trex Company Inc.) Kuva 6. Laiturirakenne (UPM) 8

11 Kuva 7. Komposiittien sovelluskohteet. (Smith&Wolcott) Terassirakentamisen tuotteet eli lähinnä terassilaudat muodostavat erittäin merkittävän tuoteryhmän koko maailman komposiittimarkkinoista. Niiden osuus Pohjois-Amerikan markkinoista on noin 30 % ja Euroopassa peräti 75 %. Viime aikoina myös muut ekstruusiotekniikalla valmistetut komposiittituotteet ovi- ja ikkunaprofiilit, aitarakenteet, ulkoverhouspaneelit ja kattorakenteet ovat alkaneet kasvattaa omaa markkinaosuuttaan. Voimakkainta kasvu on ollut ovi- ja ikkunatuotteiden osalta. (Bravo 2007, Caulfield et al. 2005, Markarian 2008) Uusin komposiittiteknologian sovellus, vuolukivikomposiitti, voi omalta osaltaan tarjota uusia käyttö- ja sovelluskohteita rakentamisen tuotteisiin. Vuolukivikomposiitteja, joissa puun asemesta on raaka-aineena käytetty vuolukivijauhetta, voidaan materiaaliteknisten ominaisuuksiensa vuoksi käyttää esimerkiksi korkeaa paloluokitusta vaativissa paikoissa kuten laivojen, hotellien ja sairaaloiden seinissä ja lattioissa. Lisäksi materiaalin suuri ominaispaino tarjoaa mahdollisuuksia käyttää sitä myös akustisiin sovelluksiin kuten äänieristyksiin. (Muovix 2009) 9

12 5 Yhteenveto Komposiitit ovat uusi, moderni tuoteryhmä, jolla on monia eri sovelluskohteita mm. rakennus-, huonekalu- ja autoteollisuudessa. Komposiitit ovat nopeasti kasvava teollisuuden ala, ja se on herättänyt voimakasta kiinnostusta sekä puu- että muoviteollisuudessa eri puolilla maailmaa. Puu-muovikomposiitit sisältävät puuta tai puumaista ainesta sekä kesto- tai kertamuoveja. Puuaineksen osuus on tavallisesti noin %. Puun ja muovin lisäksi komposiiteissa käytetään myös pieniä määriä muita aineita, joilla vaikutetaan tuotteen valmistusprosessiin tai tuotteen ominaisuuksiin. Yhdistelemällä puun ja muovin luontaisia ominaisuuksia, kuten esimerkiksi puun lujuusominaisuudet ja muovin mittapysyvyys- ja kosteusabsorptio-ominaisuudet, voidaan komposiittimateriaalia käyttää laajalti erilaisissa olosuhteissa jonkin toisen materiaalin korvikkeena. Komposiittien potentiaalisimpia käyttökohteita ovat erilaiset rakennus- ja sisustustarvikkeet sekä huonekalut, joissa sitä voidaan käyttää esimerkiksi puun sijasta esimerkiksi lattioissa tai seinissä. Komposiittien pääasiallisena valmistustekniikkana käytetään ekstruusiota eli suulakepuristusta joko yksi- tai kaksiruuvisia ekstruudereita käyttäen. Toinen merkittävä valmistustekniikka on ruiskupuristus, josta uskotaan tulevaisuudessa nousevan huomattavasti nykyistä käytetympi valmistustekniikka komposiittituotannossa. Komposiittituotteiden tulevaisuuden kehityshaasteita ja -tarpeita ovat mm. tiheyden lisääminen, pinnan jälkikäsittelymahdollisuuksien luominen, markkinointi- ja jakelukanavien kehittäminen, materiaalin laajempi hyväksyminen yhtenä potentiaalisena vaihtoehtona rakentajien, kuluttajien ja arkkitehtien keskuudessa sekä sopeutuminen muuttuviin suunnittelunormeihin. Myös kuidun saatavuus nousee olennaiseksi kysymykseksi tulevaisuudessa, koska komposiittituotannon kasvun ennustetaan jatkuvan voimakkaana. Haasteita siis riittää komposiittisektorilla, mutta samalla myös se tarjoaa lukemattomia mahdollisuuksia eri toimijoille. 10

13 Lähteet Bravo, J Engineered Process Additives for the Global Wood-Plastic Composites Market. [wwwdokumentti]. Saatavissa: %20Engineered%20Process%20Additives.pdf Caulfield, D., Clemons, C., Jacobson, R., Rowell, R Wood Thermoplastic Composites. Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. [www-dokumentti]. Saatavissa: Maine, F Woodfibre/Plastic Composites Markets and Technology an Update. [www-dokumentti]. Saatavissa: Markarian, J Outdoor living space drives growth in wood-plastic composites. Plastics Additives & Compounding. Volume 10. Issue 4. July-August s Muovix Oy [www-dokumentti]. Saatavissa: OSKE Osaamiskeskusohjelma. Asumisen klusteriohjelma [www-dokumentti]. Saatavissa: pdf/13712/ohjelma-asiakirja%20asuminen.pdf Smith, P., Wolcott, M Opportunities for Wood/Natural Fiber-Plastic Composites in Residential and Industrial Applications. Forest Products Journal Vol. 56, No. 3. [www-dokumentti]. Saatavissa: Waste and Resources Action Programme WRAP Wood plastic composites study Technologies and UK market opportunities. [www-dokumentti]. Saatavissa: es f9.pdf Wolcott, M. P., Englund, K A technology review of wood-plastic composite. Washington State University. 33rd International Particleboard / Composite Materials Symposium. [www-dokumentti]. Saatavissa: Yadama, V Residential Opprtunities for Wood-Plastic Composites. [www-dokumentti]. Saatavissa: 11