LUONNON MATERIAALIT MUOVEISSA

Transkriptio

1 LUONNON MATERIAALIT MUOVEISSA Pentti Järvelä TkT, professori TTY, Materiaalioppi Muovi-ja elastomeeritekniikka 1

2 LUONNON MATERIAALIT MUOVEISSA Tässä esityksessä keskitytään luonnon materiaalien käyttöön muoveissa täyte- ja seosaineina. -täyteaineilla tarkoitetaan materiaaleja, joita käytetään lähinnä täyteaineina korvaamaan kallista polymeerimateriaalia -seosaineilla tarkoitetaan materiaaleja, joiden avulla pyritään modifioimaan muovien ominaisuuksia loppukäyttöä ajatellen 2

3 Käytettyjen luonnon materiaalien jako Epäorgaaniset materiaalit (mineraalit) ja orgaaniset materiaalit (kasvi- ja eläinpohjaiset materiaalit). Kokoon ja muotoon perustuva jako -makroskoopiset, mikroskooppiset ja nanomateriaalit -kuitumaiset (1-dimensionaaliset), levymäiset (2- dimensionaaliset) ja pallomaiset (3-dimensionaaliset) 3

4 SAATAVUUS Mineraalit -mineraalit voivat jauhaantua pallomaisiksi, levymäisiksi ja kuitumaisiksi -kuitumaisia asbesti (käyttö kielletty), wollastoniitti, serpentiniitti Orgaaniset materiaalit -kasvikuidut -eläinkuidut 4

5 SAATAVUUS Kasvikuidut -viljelymaan tarve -luonnon kuormitus (puuvillan kastelu) -laatu ja kasvuolosuhteet -saannon riippuvuus sääolosuhteista -saannon määrä (vaikea muuttaa nopeasti) 5

6 6

7 7

8 OMINAISUUDET Riippuvat hyvin paljon käytetystä materiaalista Ominaisuuksien hajonta Pitkäaikaisominaisuudet 8

9 Pellavakuidun rakenne kaaviollisesti 9

10 10

11 LUONNON MATERIAALIEN KÄSITTELY Käsittelyt voidaan jakaa useaan eri vaiheeseen MINERAALIT -louhiminen kaivoksesta (wollastoniitti, vuolukivi) -mineraalien erottaminen (erottaminen muista kivilajeista) -mineraalien jauhatus (jauhatus haluttuun muotoon, wolastoniitti kuitumaiseksi, vuolukivi jauheeksi (talkki)) 11

12 LUONNON MATERIAALIEN KÄSITTELY Orgaaniset materiaalit (kasvipohjaiset) -kasvien kasvattaminen -kasvien (sadon) korjaaminen -kasvien jauhaminen kuiduiksi (sellukuitu puusta, pellavakuitu pellavasta jne) 12

13 LUONNON MATERIAALIEN KÄSITTELY Orgaaniset materiaalit (eläinpohjaiset) -eläinten kasvattaminen -kuitujen (esim. villan) kerääminen -kuitujen puhdistaminen -kuitujen käsittelyt 13

14 LUONNON MATERIAALIEN ESIKÄSITTELYT Luonnon materiaalit eivät sellaisenaan ole sopivia muovien seosaineiksi. Materiaaleille tulee tehdä valmistuksen jälkeen vielä monia esikäsittelyä. Näiden käsittelyjen tavoitteena on parantaa luonnon materiaalien käytettävyyttä muovien seosaineena. 14

15 LAJITTELU Koon ja muodon mukaan Tavoitteena yleensä pieni koon tai muodin hajonta Poikkeuksellisen suuret partikkelit ongelmallisia (rakenteen epäjatkuvuuskohtia) Pienistä fraktioista ei yleensä haittaa (voivat kuitenkin muodostaa vaikeasti hajoavia agglomeraatteja) Hyvin korkeaan täyttöasteeseen päästän vain sopivilla partikkelijakaumilla (keraamien ruiskuvalu) 15

16 PUHDISTUS Mineraaliseosaineita ei juurikaan voi puhdistaa Puhdistamisen sijasta käytetään pinnoitusta, jolla estetään vieraiden yhdisteiden vaikutus (talkin pinnoitus ja adheesion edistäminen, serpentiniitti hajottaa muoveja tehokkaasti) Orgaaniset seosaineet voidaan ja myös usein joudutaan puhdistamaan (orgaaniset sideaineet, kuten esimerkiksi ligniini). Kosteus on yleensä aina ongelmaseosaineiden kanssa (veden poistaminen voi olla hyvinkin hankalaa, erityisesti viimeiset vesimolekylikerrokset pinnoilla) 16

17 LUONNON KUITUJEN KÄSITTELY Pölyäminen Homehtuminen Kosteus Varastointi 17

18 LUONNON KUIDUT MUOVEISSA Huono yhteensopivuus hartsien kanssa Hydrofiilisyys 18

19 VÄRJÄYS Joitakin seosaineita voidaan värjätä Yleensä tuotteen värjääminen onnistuu helpoimmin matriisin värjäyksellä, tuotteen pinnoituksella tai yhdistämällä molemmat) 19

20 PINTAOMINAISUUDET Kostutus on hyvin tärkeä osa muovikomposiittien valmistusta. Tavoitteena on maksimoida kuidun ja matriisin välinen sisäinen pinta-ala komposiitissa. Adheesio matriisin ja seosaineiden välillä on hyvin keskeinen osa komposiittien toimivuutta. Lyhytaikainen lujuus (heti valmistuksen jälkeen) ja pitkäaikaislujuus eri ympäristöissä (kosteus ja lämpötila). 20

21 KOSTEUS Sisältävät yleensä kosteutta Kosteus ongelma prosessoinnissa Valmiit tuotteet voivat imeä kosteutta Pitkäaikaisominaisuudet Koskee yleensä orgaanisia luonnon kuituja 21

22 LÄMPÖ(TILA) Orgaaniset luonnon kuidut Lämmönkesto (perinteinen puukuitu n oC) Prosessointi ja käyttöongelma Kuitujen lämmönkestoa voidaan parantaa kuitujen puhtaudella 22

23 BIOHAJOAVUUS Orgaaniset luonnon kuidut yleensä biohajoavia Orgaaninen materiaali sopii erilaisten bakteerien ravinnoksi Biohajoavuuden vaikutuksia; ominaisuuksien heikkeneminen, haju, visuaalisuus jne Komposiitteihin lisättävä bakteerimyrkkyjä 23

24 ADHEESION EDISTÄMINEN Adheesiomekanismit Adheesion edistäminen Kuituaihioiden kostutus hartseilla 24

25 Kuidun kemiallisten käsittelyjen vaikutus pellava/epoksi komposiitin ominaisuuksiin 25

26 SEOSAINE(KUITU)AIHIOIDEN VALMISTUS Koskee lähinnä orgaanisia materiaaleja *langat (1-dimensionaaliset rakenteet) *matot ja kankaat (2-dimensionaaliset rakenteet) *erikoislujitteet (3-dimensionaaliset rakenteet) 26

27 SEOSAINE(KUITU)AIHIOIDEN VALMISTUS Langan valmistus (orgaaninen luonnon kuitu) -lanka koostuu useista kuiduista, kyseessä kuitukimppu -lankojen tulee mennä päällekkäin (langan lujuus) -langan kierre (pitää langan kuidut koossa) -langan kierre vaikuttaa kuitujen orientaatioon komposiitissa -langan rakenne vaikuttaa matriisin (kertamuovihartsi helpompi kuin sula kestomuovi) imeytymiseen rakenteeseen 27

28 PROSESSOINTI Lopputuotteeseen tulee saada seosaine (aine, muoto, koko, määrä ja orientaatio) 28

29 29

30 WPC materiaaleja korvaamassa muita materiaaleja 30

31 LOPPUTUOTE Tasalaatuisuus Halutut ominaisuudet Pinnanlaatu LAATUONGELMAT 31

32 KÄYTTÖSOVELLUKSIA Seuraavassa joukko erilaisia tuotesovelluksia, jotka perustuvat luonnon materiaalien käyttöön muoveissa 32

33 33

34 34

35 35

36 Porkkanakuituseostettu ongenvapa 36

37 Pellavakuituinen kajakki ja pellava/epoksi-katamaraanin runko 37

38 KIITOKSET MIELENKIINNOSTA KYSYMYKSIÄ 38

39 HYVÄÄ KESÄÄ 2012 KAIKILLE 39