Mineraalitäyteaineet komposiiteissa Nordkalk Oy Ab Anssi Koikkalainen
Nordkalk Oy Ab Pohjois-Euroopan johtava korkealaatuisten kalkkikivituotteiden valmistaja Euroopan ainoa wollastoniitin tuottaja Henkilöstö: ~1180 Liikevaihto 369,2 M (2011) Omistaja: Rettig Group 21 raaka-ainelähdettä 18 avolouhosta 3 maanalaista kaivosta Tuotanto n.14,5 M tonnia kalkkikiveä vuosittain Muoviteollisuuden fillerituotanto Lappeenranta Wollastoniitti ja kuivakalsiitti Nordkalk 2012
Muoviteollisuuden mineraalit Muoviteollisuus käyttää mineraaleja Alentamaan raaka-ainekustannuksia Parantamaan muovien mekaanisia ominaisuuksia Parantamaan lämmön- ja tulenkesto-ominaisuuksia Pienentämään kutistumaa ja lämpölaajenemista Parantamaan työstettävyyttä Lisäämään kovuutta ja kulutuskestävyyttä Alentamaan vedenabsorptiota Parantamaan maalattavuutta / pinnoitettavuutta Antamaan väriä 28/05/2012 3
Mineraalien toiminnallisuuteen vaikuttavia ominaisuuksia muoveissa Nordkalk 2012 Partikkelikokojakauma Partikkelimuoto Partikkelin dimensionaalinen muotosuhde Ominaispinta-ala Pintaominaisuudet (yhteensopivuus polymeerin kanssa) Öljyluku Kovuus Tiheys Väri Taitekerroin Epäpuhtaudet 28/05/2012 4
Yleisimmät muoveissa käytettävät mineraalitäyteaineet Kalsiumkarbonaatti Luonnon kalsiumkarbonaatit: Kalsiitti, liitu, dolomiitti Saostettu kalsiumkarbonaatti: PCC CaO + CO 2 Talkki Wollastoniitti Kiille Kaoliini (kalsinoitu) 28/05/2012 5
Mineraalitäyteaineiden ominaisuuksia Mineraali Tyyppi Kuva Partikkelimuoto Kovuus (Moh s) Pintaominaisuus Kalsiitti Kalsiumkarbonaatti Jyvämäinen, epäsäännöllinen PCC Kalsiumkarbonaatti Useita eri partikkelimuotoja saatavilla 3 Hydrofiilinen 3 Hydrofiilinen Talkki Magnesiumsilikaatti Hiutalemainen 1 Hydrofobinen Wollastoniitti Kalsiumsilikaatti Neulasmainen 4,5-5 Hydrofiilinen Kaoliini Alumiinisilikaatti Hiutalemainen 2,5 Hydrofiilinen Kiille Alumiinipotassiumsilikaatti Hiutalemainen 2-3 Hydrofiilinen Kvartsi Piidioksidi Jyvämäinen, epäsäännöllinen 7 Hydrofiliinen 28/05/2012 6
Komposiittikokeet mineraalitäyteaineilla, koesarja I (LTY, Ruokolahti) Tulokset esitetty artikkeleissa: Mineral fillers for wood plastic composites ja Impact of mineral fillers to the moisture resistance of WPC, Huuhilo, Martikka, Butylina, Kärki, LTY 28/05/2012 7
Materiaalit ja laitteisto Ekstruuderi Weber twin screw extruder CE 7.2. Materiaalit Polypropeeni: Ineos Eltex P HY001P Sideaine: Arkema OREVAC CA 100 (Maleiini-anhydridigraftattu-polypropeeni) Puukuitu: Conifer sawdust, fiber size 1,6 mm Voiteluaine: Struktol TPW 113 Mineraalit: Kalsiumkarbonaatti (Nordkalk FC 2,5) Wollastoniitti I (Nordkalk FW 400, alhainen muotosuhde, 3-5:1) Wollastoniitti II (Nordkalk Norwoll 7, korkea muotosuhde, 10:1) Vuolukivi ( Soapstone ) Talkki (Mondo Minerals Finntalc M30) Mineraalit syötettiin pääsyöttöön yhdessä muoviraaka-aineiden ja puukuidun kanssa Nordkalk 2012 28/05/2012 8
Mineraalitäyteaineiden ominaisuudet Mineral Bulk density g/cm 3 Density g/cm 3 Moh s hardness Particle size d50% m Particle size d90% m CaCO FC 2,5 3 0.52 2.70 3 1.4 7.0 FW400 0.75 2.94 4.5 10.6 40.0 HARWoll7 Norwoll 7 0.29 2.94 4.5 9.8 36.6 Soap stone 2.98 2.5 19.8 91.4 Talc 0.75 2.75 1 14.5 37.4 FC 2,5 FW 400 Norwoll 7 Vuolukivi Talkki 28/05/2012 9
Komposiittireseptuurit Verrokki, komposiittilankku: 22 % PP 3 % MAPP 75 % Puukuitu Mineraalitäytteiset: 30 % PP 3 % MAPP 3 % voiteluaine 44 % Puukuitu 20 % Mineraalitäyteaine 28/05/2012 10
Wo II, Norwoll 7 Nordkalk 2012 Turpoama ekstruusiossa 28/05/2012 11
Vetolujuus ja kovuus Norwoll 7 28/05/2012 12
Taivutuslujuus Norwoll 7 28/05/2012 13
28/05/2012 14
Veden absorptio Norwoll 7 28/05/2012 15
Paksuusturpoama vedessä Nordkalk 2012 Norwoll 7 28/05/2012 16
Taivutuslujuuden heikentyminen syklisen rasituksen jälkeen Nordkalk 2012 28/05/2012 17
Yhteenveto Nordkalk 2012 Mineraalitäytetyt komposiitit Merkittävästi pienempi turpoama ekstruusiossa Korkeampi vetolujuus ja kovuus Merkittävästi alempi vedenabsorptio ja turpoama vedessä Pitivät huomattavasti paremmin taivutuslujuuden syklisessä rasituksessa Eroja mineraalien välillä Talkki Antoi parhaat ominaisuudet veden absorption, turpoaman ja syklisen rasituksen osalta Kalsiumkarbonaatti Antoi parhaan vetolujuuden Wollastoniitti Nosti komposiitin kovuutta eniten FW 400 antoi korkeimman taivutuslujuuden Tulikiven sahausjäte Antoi pienimmän paksuusturpoaman vedessä Huomioitavaa Korkean muotosuhteen omaavan Norwoll 7 wollastoniitin kiderakenne rikkoutui ekstruusiossa korkeiden leikkausvoimien seurauksena Tämän tyyppiset tuotteet syötetään normaalisti ekstruuderiin sivusyötöllä sulavaiheeseen kuidun katkeamisen välttämiseksi 28/05/2012 18
Koesarja II, pintakäsitellyt mineraalit 28/05/2012 19
II Koesarja I koesarjan parhaat ominaisuudet saavutettiin talkilla Eritoten vedenabsorptiossa ja syklisessä rasituksessa Talkki on hydrofobinen ja siten hyvin yhteensopiva polypropeenin kanssa, wollastoniitti ja kalsiumkarbonaatti ovat hydrofiilisiä Koesarjan II, tavoitteet Parantaa wollastoniitin ja kalsiitin ominaisuuksia komposiitissa mineraalin pintakäsittelyllä Muokkaamalla mineraalin pinta hydrofobiseksi / yhteensopivaksi Polypropeenin kanssa Stearaattipinnoitettu kalsiumkarbonaatti (FC 2,5 + stearaatti) Silaanikäsitelty wollastoniitti (Norwoll 7 ST5) Lisäksi testattiin Nordkalkin prosessissa syntyvää, ei kaupallista, hienojakoista kalsiumkarbonaattia ( Rikastehiekka ) 28/05/2012 20
Koesarja II, vedenabsorptio Norwoll 7 ST5 Norwoll 7 FC 2,5 28/05/2012 21
Koesarja II, paksuusturpoama Norwoll 7 ST5 Norwoll 7 FC 2,5 28/05/2012 22
28/05/2012 23
28/05/2012 24
Yhteenveto, koesarja II Mineraalien pintakäsittelyt alensivat merkittävästi komposiitin vedenabsorptiota ja kosteuden aiheuttamaa paksuusturpoamaa Pintakäsitellyt tuotteet pienensivät myös taivutuslujuuden alenemaa syklisen rasituksen jälkeen Nordkalkin prosessin kuivatulla rikastehiekalla saavutettiin erittäin hyviä tuloksia 28/05/2012 25
Jatkotutkimusaiheita Mineraalien vaikutus komposiittien kulutuskestävyyteen Mineraalien mahdollisuudet co-ekstruusiossa Mineraalien vaikutus komposiittien palonkestoominaisuuksiin Mineraali- ja muun prosessiteollisuuden jätevirtojen tutkiminen komposiittien raaka-aineeksi Nordkalk pyrkii tuotteistamaan kokeessa käytetyn rikastehiekan Vaatii investointeja suodatukseen ja kuivaukseen, lähtömateriaali on vain n. 2 3 % kiintoainepitoisuudessa 28/05/2012 26
Kiitos! 28/05/2012 27