Muovi, tekstiili ja komposiitit miten liittyvät toisiinsa?

Transkriptio

1 Muovi, tekstiili ja komposiitit miten liittyvät toisiinsa? Mikael Skrifvars, Högskolan i Borås/Boråsin korkeakoulu Kumi-instituutin syysseminaari, TTY, Tampere

2 Tämän päivän ympäristöhaasteet: Riippuvuus raaka-öljystä Ilmaston lämpeneminen Rajallisten raaka-aineiden loppuminen Nopeasti lisääntyvä materiaalien ja energian käyttö Ilman epäpuhtauksien lisääntyminen Paikalliset ympäristöpäästöt Ihmisten altistuminen ympäristömyrkkyihin Ympäristön roskaantuminen

3 BIO uusi ratkaisu kaikkiin ympäristöön liittyviin ongelmiin Biomateriaalit Biomuovit Biokomposiitit Biopolymeerit Biokuidut Biojalostamot Biokemikaalit ym.. Uusituvasta raaka-ainesta tehty materiaali tai tuote, jonka valmistuksesta ja käytöstä ei koidu ympäristölle vahinkoa

4 Biotuotteiden hiilijalanjälki

5 Materiaalien ympäristövaikutus Eri tekijöitä: Materiaalin raaka-ainelähde Olemassa olevat materiaalivarat Koostumus Tarvittava valmistustekniikka Ominaisuudet Kesto eri olosuhteissa Elinikä Käsittely käytön jälkeen Materiaalivalinnalla on aina ympäristövaikutus, mutta sen merkitys riippuu käyttösovelluksesta

6 Komposiitit ja ympäristö Raakaöljypohjaiset hartsit ja kuidut Lasikuidun valmistus vaatii energiaa Komposiittien valmistustekniikkaa vaatii yleensä vähän energiaa Koostumus hyvin heterogeeninen Ominaisuudet erittäin hyvät Kevyt ja lujat rakenteet mahdollisia valmistaa Hyvä kesto eri ympäristöolosuhteissa Hyvin pitkä elinikä, ilman ominaisuuksien merkittävää heikkenemistä Kierrätys ongelmallista, ei vielä ratkaistu

7 Autojen hiilidioksidipäästöt Henkilöautot vastaavat 12 % EU:n CO 2 päästöistä Päästötavoitteet: 2015: 130 g/km, 5.6 l/100 km 2020: 95 g/km, 4.1 l/100 km 2050: 20 g/km 0.8 l/100 km 10 % painon vähentäminen - > 6 % polttoaineen säästö Materiaalin valinnalla on vaikutusta polttoaineen kulutukseen Komposiitit ovat tästä johtuen hyvin kiinnostavia autonosien valmistuksessa

8 Komposiitit autoissa Henry Ford n biokomposiittiauto Esitetty Peltirakenteet muovikomposiitti Kasvisöljypohjainen hartsi sekä luonnonkuitu 35 % painonsäästö verrattuna teräkseen Useita autoja valmistettiin: 1. Maanviljelystuotteiden käyttö teknisissä sovelluksissa 2. Turvallisempi auto johtuen sitkeämmästä komposiittimateriaalista 3. Metallien heikko saatavuus toisen maailmansodan aikana

9 Komposiitit autoissa BMW i3 Sähköauto, 170 hk, 200 km ajomatka Paino kg (350 kg vähemmän vrt tavanomaiseen sähköautoon) Ensimmäinen hiilikuitu-komposiitti sisältävä auto sarjatuotannossa Haasteet: Hiilikuidun hinta ja saatavuus Hidas valmistusprosessi Uuden valmistustekniikan käyttöönotto

10 Komposiitit autoissa Biofore konseptiauto UPM ja Metropolia AMK Projektityö; , h, 50 opiskelijaa Esitetty Geneva International Motors Show 2014 Muoviosat valmistettu UPM:n biokomposiitista ja lämpömuovautuvasta puusta Lattia, kojelauta, keskikonsoli, ovipanelit, puskurit ym. Tekniset tiedot: 55 kw diesel, paino 1110 kg, 590 km ajomatka, nopeus 140 km/h, polttoaineenkulutus 3,4 l/100 km, 89 g/km CO 2 päästöjä

11 Luonnonkuitujen käyttö tämän päivän henkilöautoissa Ei-näkyvät sisätilan osat: ovi-panelit, hattuhylly, äänieristeet, istuimet, kojelaudat Rakenteellisia osia: Lattiat, polttoaine- ja nestetankkien korkit, ilmakanavat, suuntapeilit ELV direktiivi 2000/53/AC: 85 % auton painosta pitää kierrättää

12

13 Peugeot 207 taustapeili JEC Composites2013

14 Citroen C4 Picasso JEC Composites 2013

15 Komposiittien lujitekuidut - vaihtoehdot Inorganic fibres Glass fibres Basalt fibres Man-made fibres Regenerated cellulose Rayon, Viscose, Lyocell,.. Organic fibres UHMW PE (Dyneema) Fibres Polymer fibres Carbon fibres Kevlar Wood fibres Bast fibres Flax, Hemp, Kenaf,.. Natural fibres Plant fibres Fruit fibres Cotton, Coir, Banana,.. Animal fibres Leaf fibres Sisal

16 Pellava Olkikuitu, mm pitkä Käyttö tekstiilikuituna jo 8000 ekr (Egypti) Suhteellisen laaja viljely: Belgia, Baltia, Venäjä, Kiina, ukraina, Ukraina, China Käyttö vaatteissa, kodin tekstiileissä, designtuotteissa Heterogeeninen rakenne, hydrofiilinen pinta

17 Kuvat: Maalahden pellavakehräämö, v Scutching Scutched fibre bundles Short fibre tow Air-laid insulation Hackling Pellavakuidun prosessointi langaksi Spun yarns Long fibre line yarn Carding Spinning

18 Luonnonkuidut komposiittien lujitteina JEC Composites näyttely

19 Kuidun ja muovin/hartsin välinen adheesio oleellinen komposiitin loppukäytön kannalta Fiber pull-out Adheesion säätötekijät: 1. Valmistusprosessin optimointi 2. Hartsikemian valinta 3. Kuitujen pintakäsittely

20 Rakenteelliset komposiitit vaativat varsin monimutkaisia tekstiilirakenteita

21 Puu anisotrooppinen biokomposii1 50 µm 50 µm Delaminaatio pituussuntaan Ei delaminoi poikittaisuuntaan Matriisi: Ligniini ja uuteaineita Lujite: Sellu-polymeri

22 Puu teollisuuden raaka- aineena: Rakennusmateriaali Sellu Paperi Kartonki Tekstiilikuitu Mäntyöljy Biohartsit Biodiesel Ligniini Hemiselluloosa Biomuovit Biokemikaalit Biohartsit Kemikaalit Biohartsit Hiilikuitu

23 Simpukan kuori Epäorgaaninenorgaaninen komposiitti 98 % CaCO 3, 2 % proteiini Hierarkkinen mutkikas rakenne Muodostuu biomineralisaation avulla Proteiinimatriisi antaa sitkeyden

24 Hunajakenno kerroslevyrakenteissa biomimeettinen ratkaisutapa tekniseen ongelmaan Jäykkät pinnat Huokoinen välikerros

25 Hämähäkin seitti proteiinipohjainen kuitu Liimava proteeini: Kiinniottava kuituproteiini: 400 % venyvä Nephila clavipes Verkkoa pitävä kuituproteiini: 40 % venyvä

26 Hämähäkin kuidun kehräys Veto painovoiman tai jalkojen avulla 50 % w/v Eri proteiinikuidut kehrätään eri kehräysrauhaisissa

27 Biomuovit: Biopolyeteeni bioetanolista Braskem, Brasilia: tonnia HDPE ja LLDPE vuosituotanto Ruokosokeri bioetanolin raaka- aineena 1 ha ruokosokeriviljely - > 3 tonnia polyeteeniä Ominaisuudet ja työstö kuten raaka- öljypohjainen polyeteeni

28 Muovi, tekstiili ja komposiitti miten liittyvät toisiinsa? Ovat teknisesti tärkeitä materiaaleja joita ilman ei pärjätä nyky-yhteiskunnassa Oikein käytettyinä, niiden ympäristöedut ovat huomattavia Niiden kehityspotentiaali on edelleen hyvin suuri Uudet valmistustekniikat mahdollistavat uusien tuotteiden ja sovellusten kehittämistä Uudet biopohjaiset materiaalivaihtoehdot ovat tulossa kaikkien osalta Kierrätys ja uusiokäyttö pitää kehittää ja toteuttaa kaikkien osalta

29 Kiitos!