Lujitemuovin kierrätys ja uusiokäyttö KIERRÄ Projektin loppuraportti Krista Siik, Hanna Kuronen, Sanni Hakala, Taru Aalto, Jyrki Vuorinen TTY 1
Sisällysluettelo 1 Johdanto...5 2 Projektin tavoitteet ja tehtävät...7 2.1 TEHTÄVÄ I -Best Available Techniques...7 2.2 TEHTÄVÄ II- Lujitemuovijätteen syntyminen ja saatavuus uusiokäytön kannalta...7 2.3 TEHTÄVÄ III- Lujitemuovijätteen prosessointi sekä karakterisointi...8 2.4 TEHTÄVÄ IV- Uusiokäyttötuotteiden testaaminen laboratoriokokein...9 2.5 TEHTÄVÄ V- Lujitemuovijätteen kierrätysmalli...9 3 Tehtävä I Best Available Techniques...10 3.1 Terminologiaa...10 3.2 Komposiittien valmistusmääriä...11 3.3 Kierrätettävän komposiittijätteen laatu ja tyyppi...13 3.4 Kierrätys monitahoisena tehtävänä...14 3.5 Komposiittijätteen käsittely kierrätteeksi...16 3.6 Kierrätteiden ominaisuuksia ja sovelluksia...20 3.7 Huomioita kierrättämisen kustannusrakenteesta...22 3.8 Recycomp2 Lujitemuovijätteen kierrätys Ranskassa...22 3.8.1 Jätteiden lajittelu...23 3.8.2 Jätteiden keräily...24 3.8.3 Jätteiden murskaus...25 3.8.4 Sementinpoltto...28 3.8.5 Lujitemuovijätteen poltto energian talteen ottamiseksi...30 3.8.6 Lujitemuovijätteen sekoittaminen kestomuoveihin...30 3.8.7 Kierrättäminen rakennusaineena...32 3.8.8 Hiilikuitujätteen kierrätys...33 3.8.9 End of Life-tuotteet...36 3.8.10 ECRC (European Composite Recycling Services Company)...38 3.8.11 Yhteenveto...39 3.9 Vamp 18 Lujitemuovijätteen kierrätys Ruotsissa...41 3.9.1 GMT-jätteen kierrätys...44 3.9.2 SMC-jätteen kierrätys...44 3.9.3 Hiilikuitujätteen kierrätys...45 3.9.4 Ydinainejätteen ja käytöstä poistuneiden sandwich-rakenteiden kierrätys...45 3.9.5 Luonnonkuitulujitetun (pellava) polypropeenin kierrätys...46 3.9.6 Kierrätysmallit käytöstä poistuneille lujitemuovituotteille...46 3.10 Lujitemuovijätteen kierrätys Virossa...52 4 Tehtävä II Lujitemuovijätteen syntyminen ja saatavuus uusiokäytön kannalta...55 4.1 Lujitemuovijätteen määrä...55 4.2 Lujitemuovijätteen syntypaikka ja muoto...56 4.3 Jätteen hyödyntäminen...56 4.4 Jätteen kuljetus- ja loppusijoituskustannukset...56 4.5 Yhteenveto...57 5 Tehtävä III Lujitemuovijätteen prosessointi sekä karakterisointi...58 5.1 Työssä tutkitut näytteet...58 5.2 Murskaus...59 2
5.3 Näytteiden karakterisointi...60 5.3.1 Seulonta...60 5.3.2 Laserdiffraktometria...63 5.3.3 Kuitupitoisuuden mittaaminen termogravimetrian avulla...64 5.3.4 Karakterisointi pyyhkäisyelektronimikroskopialla...66 5.4 Tulokset...70 5.4.1 Partikkelikokojakauman määrittäminen seulonnan avulla...71 5.4.2 Partikkelikokojakauman määrittäminen laserdiffraktometrin avulla...74 5.4.3 Kuitupitoisuuden mittaaminen termogravimetrian avulla...76 5.4.4 Kuitupituus näytteissä...79 5.4.5 Kompaundoinnin vaikutus kuidun pituuteen...85 5.4.6 Kuidun vaurioituneisuus...86 5.4.7 Kuidun ja kestomuovimatriisin välinen adheesio...88 5.5 Tulosten tarkastelu...91 5.5.1 Partikkelikokojakauman määrittäminen seulonnan avulla...91 5.5.2 Partikkelikokojakauman määrittäminen laserdiffraktometrin avulla...92 5.5.3 Näytteiden kuitupitoisuuden mittaaminen termogravimetrian avulla...92 5.5.4 Kuitupituus näytteissä...93 5.5.5 Kompaundoinnin vaikutus kuidun pituuteen...94 5.5.6 Kuidun vaurioituneisuus...94 5.5.7 Kuidun ja kestomuovimatriisin välinen adheesio...95 5.6 Yhteenveto...95 6 Tehtävä IV Uusiokäyttötuotteiden testaaminen laboratoriokokein...97 6.1 Lujitemuovituotteiden viimeistelyssä syntyvän hiontapölyn ja lujitemuovimurskan käyttö lisäaineena kestomuovituotteissa (PP, HDPE, PE/PA-rouhe)...98 6.1.1 Teoria...98 6.1.2 Kokeellinen osuus...107 6.1.3 Tulokset...117 6.1.4 Muut tulokset ja johtopäätökset...183 6.1.5 Tulosten virhelähteet ja toistettavuus...185 6.1.6 Yhteenveto...185 6.2 Lujitemuovijätteen käyttö lujitteena puumuovikomposiiteissa...187 6.2.1 Taustaa...187 6.2.2 Puumuovikomposiittien valmistus...188 6.2.3 Tuotteita puumuovikomposiiteista...189 6.2.4 Puumuovikomposiitteja valmistavia yrityksiä...190 6.2.5 Puumuovikomposiittien tulevaisuuden näkymiä...192 6.2.6 Lujitemuovijätteen käyttö puumuovikomposiiteissa...192 6.2.7 KIERRÄ-projektin luonnonkuitukomposiittikokeet...193 6.3 Lujitemuovijätteen käyttö lujitteena nestemäisessä keraamissa...202 6.3.1 Lujitemuovijätteen sekoittaminen Vuboniteen...204 6.3.2 Tulokset...205 6.3.3 Yhteenveto...206 6.4 Hiilikuidun kierrätys...207 6.5 Lujitemuovijätteen kierrätys sementinpolttoprosessissa...228 6.5.1 Lujitemuovijätteen käyttö sementin valmistusprosessissa maailmalla...231 3
6.5.2 Sementin valmistus Suomessa...234 6.5.3 Lujitemuovijätteen käytön mahdollisuudet sementin valmistusprosessissa Suomessa...236 6.6 Ideointipalaveri...238 6.6.1 Ideointipalaveri...238 6.6.2 Lähestymistavat...240 6.6.3 Ideoiden käsittely...241 6.6.4 Ideat...242 6.6.5 Yhteenveto...250 6.7 Ankkurointilevy lujitemuovijätteestä...251 7 Tehtävä V Lujitemuovijätteen kierrätysmalli...252 7.1 Jätteen keräys ja lajittelu...252 7.2 Jätteen kuljetus...252 7.3 Jätteen murskaaminen...254 7.4 Lujitemuovijätteen hyödyntäminen...255 7.4.1 Sementin valmistus...255 7.4.2 Lujitemuovijätteen käyttäminen täyteaineena tai lujitteena kestomuovimatriisissa...256 7.4.3 Lujitemuovijätteen käyttäminen lujitteena puumuovikomposiiteissa...257 7.4.4 Lujitemuovijätteen käyttäminen lujitteena nestemäisessä keraamissa (Vubonite )...258 7.4.5 Hiilikuidun kierrätys...258 7.5 Lujitemuovijätteen kierrättämisen tulevaisuudennäkymät...259 8 Yhteenveto...260 9 Lähteet...262 4
1 Johdanto Lujitemuovin kierrätys ja uusiokäyttö (KIERRÄ)-projekti toteutettiin yhteistyössä TTY:n Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorion / Epanet:in ja Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI-tutkimuskeskuksen kesken ajalla 1.1.2005 30.4.2007. Projektia rahoittivat Tekes ja kymmenen suomalaista lujitemuovialan yritystä. Projektin taustalla vaikutti tieto siitä, että Suomessa syntyy vuosittain noin 4000 tonnia lujitemuovijätettä, josta noin puolet on prosessihukkaa ja puolet käytöstä poistettavia lujitemuovituotteita. Prosessijätteen kannalta jätteen matala hyötykäyttöaste aiheuttaa kaatopaikkamaksujen ja kuljetuskustannusten muodossa turhia ylimääräisiä kustannuksia. Jäte itsessään koostuu arvokkaista raaka-aineista, jolloin jätteen todelliset kustannukset ovat vieläkin suuremmat. EU:n jätenormit, kuten romuautodirektiivi ELV (2000/53/EC) ja jätteen kaatopaikkasijoittamista koskeva EU-direktiivi (99/31/EC) edellyttävät tulevaisuudessa materiaalien kierrätyksen voimakasta lisäämistä. Jäteveron odotetaan nousevan samalla kun tällä hetkellä käytössä olevista kaatopaikoista suuri osa suljetaan. Taloudellisten ja lainsäädännöllisten tekijöiden paineesta huolimatta yritys voi hyötyä kierrätyksestä ja sen lisäämisestä imagon kohoamisena. On arvioitu, että Euroopassa 98 % lujitemuovijätteestä kulkeutuu kaatopaikalle tai poltetaan, ja vain 2 % kierrätetään materiaalia hyödyntävillä menetelmillä. Tällaisia ovat muun muassa käyttö täyteaineena asfaltin tai betonin seassa tai kierrättäminen uusiksi tuotteiksi mekaanisesti. Jätteen kaatopaikkasijoittaminen on Euroopan alueella lisääntynyt 1980-luvun puolivälistä 1990-luvun puoliväliin, vaikka kaatopaikkasijoittamista tulisi välttää [13]. EU:n vuonna 2003 asettamien tavoitteiden mukaisesti jätteiden käsittelyn hierarkia koostuu viidestä eri vaihtoehdosta, joista ensimmäisenä on jätteen synnyn välttäminen, toisena tuotteiden uudelleenkäyttö, kolmantena kierrätys, neljäntenä polttaminen jätteen energiasisällön talteen ottamiseksi ja vasta viimeisenä jätteen kaatopaikkasijoittaminen [13]. Jotta komposiittien käyttö eri kohteissa lisääntyisi, on niille löydettävä kustannustehokkaista kierrätys- ja uusiokäyttötekniikoita. Monissa kohteissa, kuten esimerkiksi kuljetusvälineissä, komposiittien keveys vaikuttaa 5
suoritusarvoja parantavasti ja polttoaineen kulutusta vähentävästi, jolloin myös ympäristön kuormitus pienenee. Saavutettu hyöty kuitenkin pienenee, jos tuote poistuttuaan käytöstä aiheuttaa jäteongelman. Tässä raportissa esitellään tutkimussuunnitelman mukaisesti jaoteltuna projektin keskeisimmät tulokset. Tutkimussuunnitelmassa esitettiin, että projektin päätavoite saavutetaan viidessä eri vaiheessa, jotka on tehtäväkohtaisesti esitelty edempänä raportissa. 6
2 Projektin tavoitteet ja tehtävät Projektin päätavoitteeksi määriteltiin taloudellisten ja ympäristön kannalta tehokkaiden kierrätystekniikoiden aikaansaaminen sekä lujitemuoviteollisuuden käyttöön tarkoitettujen uusiotuoteideoiden synnyttäminen. Tutkimussuunnitelmassa esitettiin, että päätavoitteeseen päästään viiden osatavoitteen kautta. Osatavoitteet on esitelty seuraavassa. 2.1 TEHTÄVÄ I -Best Available Techniques Tehtävän aikana on tarkoitus selvittää nykyisin tunnetut, käyttökelpoisimmat lujitemuovien kierrätys-, prosessointi- ja hyödyntämismenetelmät maailmalla. Tehtävän vastuuhenkilönä toimi professori Jyrki Vuorinen ja työstä 50 %:n osuus kuului TTY Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriolle. Tehtävän aikana tuli selvittää, miten erityyppisten lujitemuovituotteiden ja tuotannossa syntyvän jätteen käsittely, kierrätys ja hyödyntäminen on ratkaistu muissa korkean teknologian maissa kuten Ruotsissa, Japanissa, Saksassa, Ranskassa, Englannissa ja Yhdysvalloissa. Tavoitteena oli myös vierailla muutamassa edistyksellisimmässä kohteessa esimerkiksi alan messujen ja konferenssien yhteydessä sekä laatia luettelo ja lyhyet kuvaukset (20...40 kpl) eri ratkaisumalleista. Tehtävän tuloksena saadaan kattava selvitys kansainvälisestä osaamisesta sekä parhaista käytännöistä. 2.2 TEHTÄVÄ II- Lujitemuovijätteen syntyminen ja saatavuus uusiokäytön kannalta Tehtävän aikana selvitetään syntyvän lujitemuovijätteen määrää, sijaintia ja kuljetusmahdollisuuksia Suomessa sekä tarkastellaan lujitemuovijätteiden lajittelua, prosessointia, ja soveltuvuutta uusiokäyttökohteisiin. Tavoitteena on myös tehtävän aikana luoda logistinen malli jätevirtojen käsittelyyn niin tehdaskuin kansallisellakin tasolla sekä selvittää jätteiden varastointiin ja kuljetuksiin liittyvät ympäristö- ja talousriskit. Tehtävän vastuuhenkilöinä toimivat professori Jyrki Vuorinen (TTY) sekä Hannu Kuopanportti (YTI-tutkimuskeskus). Työstä 50 %:n osuus kuului TTY Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriolle. 7
Tehtävän tueksi laaditaan eri malleja hyväksikäyttäen lomakepohja tai taulukko, jota voidaan hyödyntää eri yrityksissä tehtävässä prosessijätteen kartoituksessa. Yritysvierailuiden aikana kerätään tiedot prosessijätteestä tuotteittain, osastoittain, työvaiheittain ja laaduittain osallistuvista yrityksistä. Tiedot analysoidaan ja ideoidaan niiden pohjalta eri hyötykäyttömahdollisuuksia. Tehtävän aikana laaditaan ohjeistus lujitemuovijätteen lajittelusta sekä jätemäärän seurannasta, ja rakennetaan sen pohjalta alustava hyötykäyttöraportti. Tehtävän tavoitteena oli myös laatia tarkat lajitteluohjeet ja suunnitella tiedonkeruutapa jätemäärien seurantaa varten. Tästä yritykset voivat hyötyä jäteosion päivityksenä omissa laatu- ja ympäristöjärjestelmissänsä. Tehtävän aikana tehdään toimenpide-ehdotukset lujitemuovien hyödyntämisen tehostamiseksi ja uusien käyttökohteiden testaamiseksi. Tehtävän tuloksena saadaan konkreettinen tieto syntyvän lujitemuovijätteen todellisesta määrästä, sijainnista ja laadusta sekä analyysi jätteiden kustannuksista, ominaisuuksista ja ympäristövaikutuksista. 2.3 TEHTÄVÄ III- Lujitemuovijätteen prosessointi sekä karakterisointi Tehtävän III aikana selvitetään erityyppisten lujitemuovituotteiden ja lujitemuoviteollisuuden tuotantojätteen kierrätyksen ja uudelleenkäytön edellyttämä prosessointi, kuten keräys, alkulajittelu ja esikäsittely syntypaikalla, sekä murskaus, paloitteleminen tai jauhatus, matriisin ja lujitteen erottaminen ja fraktiointi syntypaikalla tai käyttökohteessa. Tehtävän vastuuhenkilöinä toimivat professori Jyrki Vuorinen (TTY) sekä Hannu Kuopanportti (YTI-tutkimuskeskus). Työstä 40 %:n osuus kuului TTY Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriolle. Tehtävän aikana karakterisoidaan yrityksistä kerätty ja prosessoitu lujitemuovijäte ajatellen sen uudelleen käytön mahdollisuuksia. Karakterisoinnissa käytetään muun muassa kemiallista analyysia, mikroskopiaa ja muita materiaaliominaisuuksien määritysmenetelmiä. Tehtävän tuloksena saadaan analyysi jätteiden kustannuksista, ominaisuuksista ja ympäristövaikutuksista uusiokäyttömateriaaleina sekä testituloksia eri menetelmillä prosessoiduista koe-eristä. 8
2.4 TEHTÄVÄ IV- Uusiokäyttötuotteiden testaaminen laboratoriokokein Tehtävän aikana ideoidaan, suunnitellaan ja kehitetään uusia käyttökohteita ja tuoteideoita kierrätysmateriaalille. Ideointi tehdään kirjallisuuden ja teollisuushaastattelujen sekä yhteisten seminaarien perusteella. Ideoiden synnyttyä selvitetään niiden paremmuusjärjestys alustavasti huomioiden edellisissä kohdissa esille tulleet tekijät. Tehtävän vastuuhenkilöinä toimivat professori Jyrki Vuorinen (TTY) sekä Martti Kemppinen (YTI-tutkimuskeskus). Työstä 70 %:n osuus kuului TTY Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriolle. Tehtävän aikana valmistetaan lupaavimmista ideoista prototyypit, karakterisoidaan niiden ominaisuuksia ja verrataan niitä kilpailevien tuotteiden ominaisuuksiin. Tuotteille tehdään taloudelliset laskelmat niiden teknistaloudellisen elinkelpoisuuden selvittämiseksi, ja suunnitellaan jatkotoimenpiteet idean hyödyntämiseksi. Tehtävässä tarkastellaan muun muassa seuraavia lujitemuoviteollisuuden jätetyyppejä: hionta- ja sahausjäte, puhdas lujitejäte, lujitemuovijäte, kovettumaton lujitemuovijäte sekä hartsijäte. Tehtävän tuloksena saadaan konkreettisia tuotteita ja uusiokäyttökohteita lujitemuoviteollisuuden jätemateriaalille. 2.5 TEHTÄVÄ V- Lujitemuovijätteen kierrätysmalli Tehtävän aikana laaditaan aikaisemmin kerätyn tiedon ja suoritetun työn pohjalta ohjeisto, jonka perusteella lujitemuoviteollisuuden yritys voi itsenäisesti selvittää hävikin sekä mahdollisuuksia lujitemuovijätteen kierrättämiseksi eri lujitemuoviteollisuuden alueilla. Tehtävässä Listataan projektin aikana esille tulleet keinot jätemäärän vähentämiseksi alan yrityksissä. Tehtävän vastuuhenkilöinä toimivat professori Jyrki Vuorinen (TTY) sekä Hannu Kuopanportti (YTI-tutkimuskeskus). Työstä 25 %:n osuus kuului TTY Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriolle. Tehtävän tuloksena saadaan Suomen oloihin sovellettu ohjeisto, jonka avulla lujitemuovialan yrityksen voivat laatia kierrätysstrategiansa. Projektin tavoitteena näiden osakokonaisuuksien kautta on myös synnyttää kansainvälistä tasoa olevaa lujitemuovien kierrätyksen ja uusiokäytön osaamista, ja siirtää sitä hankkeeseen osallistuviin yrityksiin ja tutkimuslaitoksiin. Yhtä tärkeää on teknis-taloudellisen pohjan luominen uusille lujitemuovien kierrätystekniikoille. 9
3 Tehtävä I Best Available Techniques Tehtävän I aikana tutustuttiin kirjallisuusselvitysten muodossa lujitemuovien tuotantomääriin maailmalla sekä lujitemuovijätteen käsittelyyn ja olemassa oleviin kierrätysmenetelmiin edellä esitetyn tehtävän tavoitteen mukaisesti. 3.1 Terminologiaa Primäärikierrätys: jätemateriaalin muuntaminen materiaaliksi, jolla on samat ominaisuudet kuin alkuperäisellä materiaalilla. Sekundäärinen kierrätys: Jätemateriaalin muuntaminen materiaaliksi, jolla on heikommat ominaisuudet kuin alkuperäisellä materiaalilla. Tertiäärinen kierrätys: Jätemateriaalin muuntaminen käyttökelpoisiksi kemikaaleiksi ja polttoaineeksi. Kvaternäärinen kierrätys: Jätemateriaalin muuntaminen suoraan energiaksi. Primääristä ja sekundääristä kierrätystä tehdään yleensä jauhamalla jätemateriaali riittävän hienojakoiseksi, jotta sillä voidaan korvata täysin tai osittain valmistettavan komposiitin täyteaineita. Menetelmä on yksinkertainen ja kohtuullisilla kustannuksilla päästään alkuun, mutta yleensä käy niin että paljonkin kierrätteen sisältämästä teknillisestä potentiaalista jää käyttämättä. Syy on usein kierrätteen ja ympäröivän matriisin välinen vajavainen adheesio. Tertiääristä kierrätystä tehdään mekanokemiallisilla menetelmillä, jossa primääri/sekudäärikierräte altistetaan jauhamisen lisäksi jollekin kemialliselle käsittelylle. Kierrätteen polymeerimatriisi hajotetaan kemiallisesti yleensä jollain seuraavista menetelmistä: Hydrolyysi, jossa jauhettu kierräte altistetaan korkeassa lämpötilassa vesihöyryllä. seurauksena on ristisilloittuneiden ketjujen katkeilu ja depolymerisoituminen alhaisemman molekyylipainon yhdisteiksi, joita voi edelleen käyttää uusien polymeerin jatkojalostukseen. Solvolyysi, jossa kierräte käsitellään kuten hydrolyysissä, mutta veden sijasta käytössä on jokin sopiva orgaaninen liuotin. Hydrogenaatio, jossa ristisilloittunut polymeeriverkko katkotaan lisäämällä systeemiin vetyä. 10
Pyrolyysi, jossa kierrätettä hehkutetaan hapettomassa ilmakehässä esim 700-1000 C lämpötilassa. Seurauksena on matriisimateriaalin hajoaminen erilaisiksi hiilivedyiksi, joiden saanti voi olla jopa kolmannes materiaalin painosta. Esimerkkinä polyesteri-smc:n pyrolyysi, jossa tuloksena on esimerkiksi alkuperäisen kierrätteen painosta kaasua 14%, öljyjä 14% ja kiinteitä tuotteita (lasi, hiili, pulveritäytteet) 72%. Kvaternäärisen kierrätyksen perinnäinen tarkoitus on pienentää maantäytteeksi joutuvan jätteen massaa käyttämällä kierrätteestä kaikki palava materiaali energiaksi. Hyötysuhteet ovat yleensä korkeintaan välttäviä, koska yleensä yli kaksi kolmasosaa tyypillisestä komposiittikierrätteestä on palamatonta materiaalia. 3.2 Komposiittien valmistusmääriä Markkinatutkimusyritys David Rigby & Associates (DRA) teki vuonna 1995 maailman kattavan markkinatutkimuksen ja ennusteen teknisille tekstiileille jaksolle 1985-2005. Tutkimuksesta selvisi myös, että teknisistä tekstiileistä polymeerikomposiittilujitteiden osuus oli painosta noin 16.0% ja arvosta noin 10.3%. [1] Vuosi Tuhatta tonnia Miljoona USD USD/kg 1985=100 (paino) 1985=100 (arvo) 1985 887 2909 3,28 100,0 100,0 1990 1288 4633 3,60 145,2 159,3 1995 1492 5130 3,44 168,2 176,3 2000 1968 6940 3,53 221,9 238,6 2005 2581 9156 3,55 291,0 314,7 Taulukko 3-1. Polymeerikomposiittien lujitteina käytettävien teknisten tekstiileiden vuotuisia määriä. [1] Jos ajatellaan, että esimerkiksi kelauksella tai pultruusiolla valmistetussa laminaatissa on lasikuitua painosta noin 70% (tilavuudesta noin 50%), ja toisaalta jos ruiskulaminoidussa komposiitissa vastaavasti esim 20% painosta, niin taulukon arvoon voisi vielä laskea mukaan hartsia 1/3-1/2 lujitteen painosta, jolloin saataisiin arvio vuotuisesta valmistettavasta komposiittimateriaalien määristä. Markkinatutkimuksesta selvisi myös, että komposiittilujitteiden käyttötrendi oli nopeammin kasvava (+ 9,5%/vuosi) kuin teknisien tekstiilien kokonaistrendi (+ 6,3%/vuosi). Yksi syy on autonvalmistajien tarve tuottaa entistä kevyempiä mutta kuitenkin hyvin turvallisia ajoneuvoja. USA:ssa tehdyn tutkimuksen 11
tuloksena oli, että mikäli tämänhetkisen keskimääräisen auton massaa voidaan vähentää 25%, niin säästetään 750 000 barrelia öljyä paivässä, mikä vähentäisi vuotuista polttoaineenkultusta noin 13%, ja vähentäisi vuosittaisia hiilidioksidipäästöjä 100 miljoonalla tonnilla. [2, 3] Lasikuitu on määräävä lujitemateriaali markkinoilla, mutta vaikka DRA:n tutkimuksen mukaan kaikkien komposiittilujitteiden kokonaismäärästä vuonna 1995 hiilikuitujen osuus oli noin 0,6% ja aramidikuitujen 0,3%, sekä hiilikuidut että aramidikuidut paransivat asemiaan lasikuituun nähden suhteellisesti enemmän. Toisaalta, lasikuidun hintaan verrattuna hiilikuitu oli noin 55 kertaa kalliimpaa, ja keskimääräinen aramidikuitu noin 30 kertaa kalliimpaa. Oak Ridge National Laboratory:n (ORNL ) vuonna 2003 tekemät tutkimukset ominaisuuksiltaan riittävän hyvän mutta edullisemman hiilikuitulujitteen kehittämisestä oli lupaava projektikokonaisuus, jossa oli neljä eri julkista osaaluetta: [4] 1. paperinvalmistuksessa syntyvästä kraft-ligiinistä grafitoimalla tehtävä hiilikuitu 2. tavanomaisen polyakryylinitriilin (PAN) käyttö hiilikuidun valmistuksessa, jossa raaka-aineen hinta on karkeasti puolet tavanomaisen prekursori-pan:n hinnasta 3. mikroaaltoindusoidun plasmakentän käyttö erilaisten PAN-, piki-, rayon jne prekursorien grafitoinnissa, jossa esipilot-kokeet osoittivat saatavan kuidun hintaan syntyvän 20% säästön olevan mahdollista 4. kokeet prekursorien hapetusajan lyhentämiseksi sekä pääomasijoitusten pienentäminen tarvittavissa laitteissa. Osoittautui, että perushiilikuidun kilohinnasta olisi optimoinnilla mahdollista pudottaa noin 40-80 senttiä per kilo. Kuva 3-1. Grafitoitu kraft-ligniini/polyolefiinikuitu [4] 12
Komposiittien tulevaisuus näyttää olevan tämän perusteella kohtalaisen valoisa, erityisesti kun entistä pienemmällä energiamäärällä pitää pystyä liikuttamaan sama tai suurempi hyötykuorma kuin aikaisemmin. Rakennus- ja urheiluvälineteollisuus ovat taloudellisesti myös erittäin merkittävässä asemassa koskien komposiittien tulevaisuutta. 3.3 Kierrätettävän komposiittijätteen laatu ja tyyppi Suomessa syntyy noin 4000 tonnia lujitemuovijätettä. [5] Kertamuovikomposiittien raaka-aineista yleisimmät ovat tyydyttymättömät polyesterihartsit ja lasikuidut. Aputäyteaineista tärkeimmät ovat talkki ja mikrolasipallot. [5] SMC -tyyppiset komposiitit ovat maailmalla edelleen yleisimpiä teknisiä kuitulujitettuja kertamuovituotteita. Ne ovat yleensä katkokuitumatoista ja polyesterihartseista tai vinyyliesterihartseista valmistettuja kuorirakenteita kuten paneeleja ja runkoja, jotka prosessoidaan muotoonsa muottiin kuumapuristamalla. Lisäksi niissä on usein mukana kalsiumkarbonaattipulveria ja muita pulverimuotoisia täyteaineita pienentämässä kovettumisessa aiheutuvaa kutistumaa, parantamassa pinnanlaatua ja lisäämässä palosuojausta. SMC-tekniikoilla valmistetaan autoihin verhoilupaneeleja, puskureita, modulaarisia rakenteita kuten asennusvalmiita kylpyhuoneita ja suihkutiloja esim. laivoihin, urheilustadionien istuimia sekä piirikortteja. [6] SMC-tyyppiset komposiitit ovat tyypillisesti kokoluokassa noin muutamasta neliösentistä muutamaan neliömetriin, geometrialtaan litteähköjä pinta-alaansa nähden. Vuonna 1995 autoteollisuus ja sen alihankkijat valmisti 90 000 tonnia SMC-tuotteita. [6] Toinen valtavirtakomposiitti on tyypiltään tyydyttymättömästä polyesterihartsista ja katkokuidusta pääasiassa ruiskulaminoimalla ja telaamalla valmistettu suurehko kuorirakenne, kuten huviveneen runko. Tällaisen tuotteen bulkkitilavuus voi olla useita kymmeniä kuutiometrejä, pienimmän sivun pintaalan ollessa mahdollisesti neliömetrejä. Hyvin suurikokoisia komposiittituotteita valmistetaan myös kelaamalla (öljysäiliöt, kemianteollisuuden putket, yhteet ja laippakomponentit, 13
savukaasupesurit). Näissä on lisäksi yleensä suuri lujitepitoisuus korkeiden rakenteellisten lujuus- ja pitkäaikaisvaatimuksien takia. Polyesterihartseista ja lasikuitulujitteita valmistetaan pultruusiolla ja/tai kelaamalla myös pitkiä ja hoikkia mastoja ja profiileja, joiden profiilin poikkileikkaus ei ole tuotteen pituuteen nähden suuri (esim. lipputanko tms.) Suuria rakenteita korkealla lujitepitoisuudella tehdään myös alipaineavusteisella hartsi-injektiolla (tuulivoimaloiden lujitemuovisiivet, korkean suorituskyvyn monimuotoiset komposiittiosat). 3.4 Kierrätys monitahoisena tehtävänä Kun lähipiirissä tuotettavan teknisen jätteen määrä nousee riittävän suureksi, muodostetaan yleensä jonkinlainen yhteisö, joka ryhtyy huolehtimaan jätteen jatkokäsittelystä. Tällaisia on tehty komposiittien kierrätykseen myös Keski- Euroopassa (ERCOM, Valcor, MCR ) ja USA:ssa (RJ Marshall). Hankaluutena mille tahansa muovijätteelle on se, että varsinaisen muovin tunnistus pelkällä visuaalisella tarkastelulla on vaikeaa. Lisäksi, kertamuovimatriisin poisto lujitteen ympäriltä on vaativa tehtävä, mikäli lujitetta ja matriisia halutaan hyödyntää erillisinä kierrätteinä. Vaikka nämä ongelmat pystyttäisiinkin ratkaisemaan, tarvitaan silti tietty jatkuva minimijätekapasiteetti tai jonkin riittävän varakkaan yhteisön jatkuva tuki, jotta kiinteän kierrätyslaitoksen toiminta olisi kannattavaa. Tämä on ollut ongelmana mainituissa Keski-Eurooppalaisissa laitoksissa. [7] Aihe Eurooppa USA Komposiittien noin 20-30 snt/kilo noin 4-5 snt/kilo hävityskustannukset Komposiittikierrätteen joissain tapauksissa ei yleensä vaarallisuus Käytettävissä olevat ERCOM (lopettanut), Valcor, RJ Marshall (lopettanut) prosessointilaitokset MCR Kierrätteen hinta verrattuna neitseelliseen materiaaliin 2-3 -kertainen hieman korkeampi tai alhaisempi, tapauskohtainen Kuotemuodot kuituja, täyteaineita kuituja täyteaineilla, täyteaineita. Taulukko 3-2. Euroopan ja USA:n välisiä eroja komposiittien kierrätyksessä. [7] Taulukon 2 mukaan sekä komposiittien hävitys että kierrättäminen ovat molemmat kalliimpaa toimintaa Euroopassa verrattuna USA:n oloihin. 14
Simmons listaa lisäksi joitakin mahdollisia hankaluuksia kierrätteen käsittelyssä:[7] 1. Huoneenlämpötilassa kovettuvissa hartseissa on lisätty määrä kiihdytinkatalyyttiä, joka voi mahdollisesti aiheuttaa itsesytytyksen joko murskausvaiheessa tai jälkeenpäin säilössä ollessaan. Simmons sanoo että tämä ei ole erityisen harvinaista, ja että tunnetaan useita tapauksia lujitemuovipajoista, joiden jäteastioissa on syttynyt tulipaloja johtuen reunaleikkuujätteessä olleesta ylimääräisestä kiihdyttimestä. 2. Hartsi/lasikuitukomposiiteissa on riittävästi orgaanista materiaalia jotta muodostuisi räjähtävä seos kierrätteen jauhatusprosessissa. Tämä vaara voidaan välttää esim. suojakaasulla, mutta siitä seuraa ylimääräisiä kustannuksia. 3. Kaikissa huoneenlämpötilassa kovettuvissa (polyesteri)hartseissa on kobolttia ja muita kiihdyttimiä. Mitä hienommaksi kierräte jauhetaan, sitä enemmän kobolttia paljastuu. Ongelma voi tulla siinä, että jos kierräte sekoitetaan reaktiivisen hartsin kanssa, tämä ylimääräinen paljastunut kiihdytinmäärä voi tehdä hartsista epävakaan. K. Bartholomew Minnesota Technical Assistance Project:sta esittää listan hyvin samanlaisia ongelma-alueita. Kuitenkin, raportoidaan että primääri- ja sekundäärikierrätyksessä suositaan kahta partikkelikokojakaumaa: ensimmäinen jakauma on 5-25mm läpimittainen jae, joka saadaan suoraan karkealla murskauksella ja jota voidaan käyttää rakenteellisena lujitteena esim. PU-vaahdon kanssa. Toinen jaekoko on läpimitaltaan luokka 75 μm, jota voidaan käyttää täyteaineina korvaamaan osuus hartsista komposiiteissa tai gelcoateissa [8] Samassa paperissa esitetään laskelmia pienikokoiselle komposittien murskausja jauhantalaitteelle. Laitos käsittelisi noin 1500 kg komposiittijätettä tunnissa. Investoinnit olisivat luokkaa 360,000 USD, ja koostuisivat laitteistosta ja kiinteistökuluista. Laitos pystyisi käymään kuitenkin vain noin joitakin tunteja kuukaudessa, koska jätevirta ei olisi jatkuva vaan keskittyisi tässä tapauksessa pitämään huolta läheisen komposiittiyrityksen komposiittijätteestä. [8] Paperissa esitetty loppulaskelma laitteiston kuoletuksista perustuu tähän oletukseen, samalla kun muistetaan, että laskenta perustuu USA:n kustannusrakenteeseen. 15
Komposiittiteollisuus Japanissa on myös pyrkinyt kehittämään kierrätystä ympäristönsuojelun nimissä. [9] Taulukoissa 3 ja 4 on esitettynä Japanin komposiittiteollisuuden jakautumista eri aloille sekä Japanissa käytössä olevia lm-jätteen kierrätysmenetelmiä. Taulukko 3-3. Japanin komposiittiteollisuuden jakautuminen ei aloille [9] Taulukko 3-4. Japanin vallitseva menetelmätilanne komposiittien kierrätyksessä [9] Japanin tulevaisuuden visiona on kuitenkin kehittää komposiittien kierrätystä tertiäärisen kierrätyksen alueille, jossa materiaalia hyödynnettäisiin jatkojalosteina pidemmälle eri teollisuuden aloilla. [9] 3.5 Komposiittijätteen käsittely kierrätteeksi Tämä kappale keskittyy erityisesti primääri- ja sekundäärikierrätteen valmistukseen. Kirjallisuudessa esitellään lukuisia erilaisia menetelmiä komposiittijätteen murskaamiseen kuten räjäytys, hionta tms. Primäärikierrätyslaitteen valinta voisi tapahtua kahdella periaatteella: 16
1. Komposiittijäte toimitetaan kaikenkokoisena alkaen lujitemuovisista leikkuujätteistä ja päätyen suuriin esim. veneenrunkoihin. Monikokoinen, yhtään pakkaamaton jäte on logistisesti ajatellen huono vaihtoehto, mutta mikäli jätteen tuottajan ei pysty tarjoamaan kustannustehokasta esipaloittelua, niin tähän sitten pitää tyytyä. 2. komposiittijäte toimitetaan suunnilleen sovittuna suurjakeena, esim. sovittu noin metri kanttiinsa, mutta ei sen suurempana. Periaatteet määräävät pitkälti tarvittavan murskaimen kapasiteetin (suuaukko, teho, terät), joka tarvitaan suorittamaan ensimmäinen (ja mahdollisesti ainoa) murskaus esim. 5-25mm läpimittaiseen jakeeseen. Kirjallisuudesta on löytynyt lukuisia murskainvaihtoehtoja erilaisten toimintaperiaatteiden mukaan. Nämä prosessiteollisuuden konevalmistajat monesti toimivat kuten autoliikkeetkin, eli ottavat vanhan koneen vaihdossa. Käytetyt koneet ovat edelleen suorituskykyisiä, ja olennaiset osat ovat usein suoraan korvattavissa varaosilla. Teksasilainen Granutech-Saturn Systems tarjoaa kuvassa 2 esitettyä tehokasta Roto-Grind tyyppistä murskausyksikköä, jota ovat ostaneet muun muassa erilaiset kierrätysmateriaalia käsittelevät yritykset. Laite toimii kokoonsa nähden hyvin erityisesti kestomuovien kierrätyksessä, jonne sitä on myyty noin 80% valmistetusta laitekannasta. Kuva 3-2. Roto-Grind (Granutech-Saturn Systems) Eurohansa, Inc / Zeno GmbH tarjoaa monenlaisia murskaimia ja jauhimia esimurskaukseen ja jauhatukseen. Esimerkkinä kuvassa 3 esitetty horisontaalimurskain puuteollisuuden tarpeisiin. 17
Kuva 3-3. Horisontaalimurskain puuteollisuuteen (Zeno GmbH) Seawolf Industries tarjoaa pienikokoista komposiittimateriaalien murskaamiseen tarkoitettua yksikköä. Laitteesta oli maininta K. Bartholomew:n raportissa /8/, jossa noin 500 kg tunnissa komposiittijätettä käsittelevän laitteen mainittiin maksavan noin 25,000 USD, ja siihen ruiskupistooli ja hopperi päälle noin 4,500 USD. Laitteella sanotaan voivan tehdä kierrätettä, jolla voi korvata jopa 30% neitseellisestä täyteaineesta. Kuva 3-4. Seawolf FRP Grinder (Seawolf Industries) Weima America Inc tarjoaa erilaisia murskaus- ja jauhatuslaitteita. Weima:lla on kolme mallistoa (E-Class, M-Class ja S-Class) joihin kuhunkin kuuluu erikokoisia laitteita. Weima kertoo toimittavansa laitteen millaiselle jaekoolle hyvänä. Esimerkki Weiman tuotteista on esitettynä kuvassa 5. 18
Kuva 3-5. M-Class Jumbo (Weima America Inc) Saksalainen MeWa Recycling Anlage tarjoaa erilaisia murskaimia, silppureita ja jauhimia metallien ja suurikokoisten tuotteiden kuten jääkaappien jne käsittelyyn. Kuvassa 6 on esitettynä eräs MeWa Recycling Anlagen laitteista. Kuva 3-6. MeWa Series UG (MeWa Recycling Anlage) 19
3.6 Kierrätteiden ominaisuuksia ja sovelluksia Komposiittikierräte on yleensä vettä vähän absorboiva, stabiili ja riittävän pienijakoisena ominaisuuksiltaan varsin homogeeninen materiaali. Komposiittikierrätteen tulisi täyttää tiettyjä kriteereitä ennen kuin se on teknisesti ja taloudellisesti mielekäs kierrätettävä: [10] Kierrätteen käytöstä tulisi syntyä etua tuotteelle, ja sen pitäisi parantaa komposiitin mekaanisia tai muita ominaisuuksia Kierrätemateriaalin pitäisi olla synergistinen muun materiaalisysteemin kanssa Kierrätemateriaalin takia komposiittituotetta ei tarvitsisi lujittaa Kierrätteen käyttö materiaalinvalmistuksessa ei saisi olla pelkästään yksi tapa päästä eroon tuotteesta, kuten maantäytön tapauksessa Kierrätyksen pitäisi olla mielekästä suhteessa kierrätteen saatavuuteen Kierrätte ei saisi haitata ko. komposiitin edelleenkierrätystä Kierrätteen läsnäolo ei saisi vaikuttaa komposiittia työstettäessä haitallisesti ympäristöön ja ihmisiin Kierrätettä tulisi hyödyntää maksimipotentiaalinsa mukaan Kierrätemateriaalia sisältävä komposiitti ei saisi olla kertakäyttöinen Kierrätemateriaalia sisältävän komposiitin pitää olla kustannustaloudellinen Kirjallisuusviitteissä mainitaan usein kolme teknillistä sovelluskohdetta kierrätteille: [10] Hienojakoisena jakeena täyteaineen korvaaminen komposiitissa. Plastic lumber eli (kierrätys)kestomuoviekstrudaatti, jossa voi olla täyteaineina lähes mikä tahansa ekstruuderista läpi menevä jae. PU-vaahto, johon yhdistetään karkeampaa lujitemuovikierrätettä, jotta saadaan jäykempää vaahtoa. 20