LUONNONMATERIAALIT/POLYMEE- RIT PUOLIVALMISTEET Pentti JÄRVELÄ TkT, professori Materiaalioppi Muoviryhmä 1
MIKSI LUONNON MATERIAALEJA Halutaan säästää fossiilisia materiaaleja (?) Biomateriaalien elinkaariarvio (positiivinen) Biomateriaalien satavuus (?) Biomateriaalien ominaisuudet (keveys, lujuus) Kierrätettävyys Tuoteimago Yritysimago Hinta (?) 2
MIKSI PUOLIVALMISTEITA Tavoite valmistaa tuote yhdessä prosessissa Ei ole aina mahdollinen komposiittien tapauksessa Puolivalmisteella voidaan auttaa halutun rakenteen toteuttamisessa 3
MUOVIEN RAAKA-AINEET Kestomuovit Kertamuovit Lujitemuovit -kompoundit -prepregit -postpregit 4
KESTOMUOVI MUOVI = POLYMEERI + LISÄAINEET LISÄAINEITA VOI OLLA *apuaineet, jotka lähinnä ylläpitävät polymeerien ominaisuuksia *toiminnalliset lisäaineet, joka parantavat muovien käyttöominaisuuksia *täyteaineet (ei toiminnalliset lisäaineet), jotka yleensä vähentävät polymeerin (kallis komponentti) käyttöä 5
KERTAMUOVIT Koostuvat yleisesti monomeereistä, kovettimista ja kiihdyttimistä, jotka (monomeerit) sekoittamisen jälkeen polymeroituvat kolmiulotteiseksi verkkorakenteeksi. Kertamuoveissa voi olla erilaisia seosaineita (väriaineet, palonestoaineet, jne) Hyvin usein kertamuoveja käytetään komposiiteissa, jolloin niihin sekoitetaan jotain funktionaalista lisäainetta (partikkelimaiset ja kuitumaiset seosaineet) Oman ryhmänsä muodostavat myös nanoseostaiset Rummut, kertamuovit rainaus ja 6
LUJITEMUOVIT Lujitemuovilla tarkoitetaan muovia, jonka lujuutta on modifioitu jollakin funktionaalisella seosaineella Yleisimmin lujitemuovilla ymmärretään kuitulujitettuja muoveja (muovina voi olla kertamuovi, kestomuovi ja myös elastomeeri) 7
LUONNON MATERIAALIT Luonnon materiaalit ovat yleensä A Epäorgaaniset materiaalit -mineraalit B Orgaaniset materiaalit -kasvipohjaiset -eläinpohjaiset C Fossiiliset -ei lasketa nykyisin luonnon materiaaleiksi D Hiili -hyvin monimuotoinen materiaali ja käyttö hyvin laajaa muovikomposiiteissa. 8
LUONNON MATERIAALIT - OMINAISPIIRTEITÄ Luonnon materiaalit voivat olla -kiinteitä hajoamattomia materiaaleja (kuten jauhetut mineraalit, ( esim. CaCO3) -eri tavoin hajoavia (jauhettavia) mineraaleja *asbesti hajoaa hienoiksi kuiduiksi, jotka terveydelle vaarallisia *wollastoniitti hajoaa neulasmaiseksi ja omaa kuitumaisia ominaisuuksia *kiille ja talkki hajoavat levymäisiksi *grafiitti hajoaa hyvin lujiksi levymäisiksi kappaleiksi -luonnon kuidut kostuvat erilaisista kuiduista *makroskooppiset kuidut *mikroskooppiset kuidut *nanokuidut (esim. nanosellukuitu) -luonnonkuiduista voidaan valmistaa erilaisia lujitteita komposiittikäyttöä ajatellen *langat (jarkuva katkokuiduista koostuva kuiturakenne) *matot, joissa kuituja, joiden pituus voi vaihdella ja orientaatio yleensä satunnainen *kankaat, joissa haluttu kuituorientaatio *3D lujitteet, joissa haluttu kolmiulotteinen lujiterakenne käyttökohteen mukaisesti 9
LUONNON MATERIAALIT - OMINAISPIIRTEITÄ ORGAANISET LUONNON MATERIAALIT *luonnon olosuhteissa biologisesti hajoavia (mätäneminen, kompostoituminen, hajoaminen vaatii yleensä korkeaa kosteuspitoisuutta, puulla lahoaminen voi alkaa lämpötilan noustessa 0oC:een yläpuolelle ja kosteusrajan ylittäessä 20 p-% puun kuivapainosta. Prosessien eteneminen riippuu hyvin paljon materiaalista ja ympäristön olosuhteista). *bakteerien lisäksi myös muut eläimet voivat syödä muoveissa olevia orgaanisia materiaaleja (termiitit, jyrsijät jne) *palaminen on hyvin tyypillinen orgaanisten luonnon materiaalien ominaisuus. *anisotrooppisuus on hyvin yleinen ominaisuus (esim. puun ominaisuudet riippuvat olennaisesti syiden suunnasta) *kasvien ominaisuudet riippuvat myös voimakkaasti kasvupaikasta ja olosuhteista ja sadonkorjuun ajankohdasta ja varastoinnista. 10
LUONNON MATERIAALIT Seosaineen erottelu (kuiduksi, jauheeksi ym.) Seosaineen lajitelu (koko ja muoto) Seosaineen puhdistus Seosaineen pintakäsittelyt (kostutus, adheesio) Seosaineen värjäys Kierrätys yleensä mahdollinen 11
KOMPOUNDI Kompoundilla tarkoitétaan muovia, johon on sekoitettu seosainetta (tai seosaineita). Kestomuoveilla kompoundi voi olla puolivalmiste tai lopullinen tuote. Puolivalmiste (kompoundi) valmistetaan kompoundoimalla (sekoittamalla) keskenään polymeeriä ja lisäaineita. Kestomuovipohjainen kompoundi (puolivalmiste) voidaan tämän jälkeen varastoida ja sen jälkeen prosessoida tuotteeksi lämmön ja paineen avulla. Kertamuovipohjainen kompoundi on yleensä prosessoitava heti lopputuotteeksi (joissakin tapauksissa voidaan varastoida sopivissa olosuhteissa jonkin aikaa ja tämän jälkeen prosessoida tuotteeksi paineen ja lämmön avulla. 12
PREPREG Prepregillä tarkoitetaan yleensä kuitulujitettua puolivalmistetta, jossa kuidut ja matriisipolymeeri ovat sekoitettu keskenään. Prepregiä voidaan sitten lämmön ja paineen avulla käyttää lopullisen tuotteen raaka-aineena. Prepregin keskeisiä etuja ovat *hallittu sideaine/lujite suhde *hallittu orientaatio *hallitut rajapintaominaisuudet *korkea laatu *lopputuotteen korkea laatu 13
KUIDUT MATRIISIMUOVI -matriisimuovin lisäaineistus (kostutus, adheesio) -kuitujen pintakäsittely (adheesio) Kuitujen imprgenointi matriisimuovilla Lopputuloksena impregnoitu prepreg 14
POSTPREG Postpregillä tarkoitetaan rakennetta, jossa komponentit ovat sekoittuneet mekaanisesti toisiinsa. Sekoitus voidaan tehdä aina sopivimmalla mahdollisella tavalla. Mekaanisen sekoituksen aikana materiaaliin voidaan lisätä erilaisia lisäaineita. Postpregin impregnoituminen tapahtuu vasta lopullisessa valmistusprosessissa lämmön avulla 15
KUIDUT MATRIISIMUOVI Matriisimuovi voi olla kuituina tai jauheena -matriisimuovin lisäaineistus (kostutus, adheesio) tehtävä enne kuidutusta tai jauhatusta -kuitujen pintakäsittely (adheesio) Kuitujen ja matriisimuovin sekoittaminen keskenään siten, että matriisimuovia ei plastisoida eli komponentit ovat lopputuotteessa erillisinä komponentteina. Tässä vaiheessa voidasan myös lisätä erilaisia lisäaineita rakenteeseen. Lopputuloksena postpreg. Postpregin iompregnoituminen tapahtuu vasta lopputuotteen valmistuksen yhteydessä tapahtuvan lämmityksen vaikutuksesta. 16
KUITULUJITETTUJEN MUOVIAIHIOIDEN VALMISTUS Paperinrainaustekniikat -märkärainaus -kuivarainaus -vaahtorainaus Kaikissa tekniikoissa on tavoitteena sekoittaa raakaaineet (kuidut, jauheet) keskenään halutun koostumuksen ja rakenteen omaavaksi materiaaliksi. Väliaineen (neste, kaasu, vaahto) avulla voidaan suorittaa samalla raaka-aineiden pintakäsittelyjä ja lisäaineistuksia. 17
MÄRKÄRAINAUS Esimerkkinä normaali paperin valmistus, jossa sellukuiduista ja vedestä tehdään ns. sellusulppu. Sellusulpusta valmistetaan rainaamalla halutun neliöpainon omaava materiaali (raina) Raina kuivataan ja lopputuloksena saadaan paperi Paperi voidaan lisäaineistaa lisäämällä sulppuun erilaisia lisäaineita (mineraaleja ym.) Rainan kuivaus (veden poisto) on hyvin suuri kustannustekijä märkärainausprosessissa 18
KUIVARAINAUS Kuivarainausprosessissa väliaineena käytetään yleensä ilmaa. Lähtömateriaalit (kuidut, jauhemaiset lisäaineet) on dispergoitava toisistaan erilleen ja sekoitettava tasaiseksi leijupediksi ilmaan. Näin saadusta leijupedistä voidaan sitten valmistaa haluttua rainaa (jolla haluttu rakenne ja koostumus) Näin saatua rainaa voidaan jatkojalostaa lämmön ja paineen avulla. Ongelmana on halutun koostumuksen ja rakenteen omaavan leijupedin valmistus. Ongelmana myös komponenttien koosta ja erityisesti tiheydestä johtuva separoituminen 19
VAAHTORAINAUS Periaatteessa samanlainen kuin märkä ja/tai kuivarainaus Vaahdon etuna se, että vaahtoon dispergoituneet materiaalit eivät erotu (nesteessä ja kaasussa aineet separoituvat helposti) prosessin aikana (dispergoinnin jälkeen) Tavoitteena valmistaa halutun koostumuksen ja rakenteen omaava vaahto. Vaahdosta saadaan raaka-aineraina poistamalla vaahto Vaahdon määrä hyvin pieni märkärainauksessa käytettyyn nesteeseen nähden (1-2 ) 20
otsikko teksti 21
otsikko teksti 22
otsikko teksti 23