Muovi, tekstiili ja komposiitit miten liittyvät toisiinsa? Mikael Skrifvars, Högskolan i Borås/Boråsin korkeakoulu Kumi-instituutin syysseminaari, 7.11.2014 TTY, Tampere
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
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
Biotuotteiden hiilijalanjälki
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
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
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
Komposiitit autoissa Henry Ford n biokomposiittiauto Esitetty 13.8.1941 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
Komposiitit autoissa BMW i3 Sähköauto, 170 hk, 200 km ajomatka Paino 1 200 kg (350 kg vähemmän vrt tavanomaiseen sähköautoon) Ensimmäinen hiilikuitu-komposiitti sisältävä auto sarjatuotannossa Haasteet: Hiilikuidun hinta ja saatavuus Hidas valmistusprosessi Uuden valmistustekniikan käyttöönotto
Komposiitit autoissa Biofore konseptiauto UPM ja Metropolia AMK Projektityö; 2010-2014, 30 000 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
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
Peugeot 207 taustapeili JEC Composites2013
Citroen C4 Picasso JEC Composites 2013
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
Pellava Olkikuitu, 25-150 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
Kuvat: Maalahden pellavakehräämö, v. 2001 Scutching Scutched fibre bundles Short fibre tow Air-laid insulation Hackling Pellavakuidun prosessointi langaksi Spun yarns Long fibre line yarn Carding Spinning
Luonnonkuidut komposiittien lujitteina JEC Composites näyttely
Kuidun ja muovin/hartsin välinen adheesio oleellinen komposiitin loppukäytön kannalta Fiber pull-out Adheesion säätötekijät: 1. Valmistusprosessin optimointi 2. Hartsikemian valinta 3. Kuitujen pintakäsittely
Rakenteelliset komposiitit vaativat varsin monimutkaisia tekstiilirakenteita
Puu anisotrooppinen biokomposii1 50 µm 50 µm Delaminaatio pituussuntaan Ei delaminoi poikittaisuuntaan Matriisi: Ligniini ja uuteaineita Lujite: Sellu-polymeri
Puu teollisuuden raaka- aineena: Rakennusmateriaali Sellu Paperi Kartonki Tekstiilikuitu Mäntyöljy Biohartsit Biodiesel Ligniini Hemiselluloosa Biomuovit Biokemikaalit Biohartsit Kemikaalit Biohartsit Hiilikuitu
Simpukan kuori Epäorgaaninenorgaaninen komposiitti 98 % CaCO 3, 2 % proteiini Hierarkkinen mutkikas rakenne Muodostuu biomineralisaation avulla Proteiinimatriisi antaa sitkeyden
Hunajakenno kerroslevyrakenteissa biomimeettinen ratkaisutapa tekniseen ongelmaan Jäykkät pinnat Huokoinen välikerros
Hämähäkin seitti proteiinipohjainen kuitu Liimava proteeini: Kiinniottava kuituproteiini: 400 % venyvä Nephila clavipes Verkkoa pitävä kuituproteiini: 40 % venyvä
Hämähäkin kuidun kehräys Veto painovoiman tai jalkojen avulla 50 % w/v Eri proteiinikuidut kehrätään eri kehräysrauhaisissa
Biomuovit: Biopolyeteeni bioetanolista Braskem, Brasilia: 200 000 tonnia HDPE ja LLDPE vuosituotanto Ruokosokeri bioetanolin raaka- aineena 1 ha ruokosokeriviljely - > 3 tonnia polyeteeniä Ominaisuudet ja työstö kuten raaka- öljypohjainen polyeteeni
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
Kiitos!