Komposiittitutkimuksella tuotteisiin Dr. Egidija Rainosalo, Teknologiakeskus KETEK Oy Metsäbiotalouden RoadShow 2013 24.09.2013 Kokkola Eco-design Elinkaari ajattelu tuotesuunnittelussa ”On arvioitu, että yli 80% kaikista tuotteisiin liittyvistä ympäristövaikutuksista määräytyy sen suunnitteluvaiheessa. Ympäristönäkökohtien huomioon ottaminen tuotekehitysprosessissa mahdollisimman varhaisessa vaiheessa on siten tehokkain tapa tehdä muutoksia ja parannuksia tuotteisiin " Brussels, 7 january 2004 DG ENTR/G3 M 341 – EN. Mandate to CEN/CENELEC/ETSI for programming of standardization work in the field of eco-design of energy using products Ekotehokkaat Materiaalit Ajurit Vähentää Tavoitteet Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Kierrättää Niukkaresurssisuus Raaka-aine tehokkuus Uudistaa Keveys copyright Ali Harlin Etumatkaa yrityksellesi • • • • • Tuote-, teknologia- ja prosessikehitys Analyysi-, mittaus- ja testauspalvelut Innovaatioiden hankkeistus Rahoitusvaihtoehtojen selvitys Tiedonhaku ja patenttikartoitukset 4 Biokomposiittien kehitys  Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa Puu-muovi, WPC  Synteettinen muovi + puu + lisäaine Muovi Luonnonkuitu komposiitti, NFC  Synteettinen hartsi + luonnonkuitu + lisäaine. Biokomposiitti  Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine. Green Composites Natural Composites… Luonnonkuitu + Luonnonkuitu + Biopolymeeri Standardointitarpeita • terminologia • tuotteet • testaus • LCA Puu + Biopolymeeri Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC  Hartsi + puu/luonnonkuitu + lisäaine. Bio-based Composites Muovi + Nano copyright Ali Harlin Lujitteet metsäteollisuudesta • Kuidut - Puukuiduilla ja selluloosalla laaja muunneltavuus raakaaineena - Ominaisuudet riippuvat kuitulähteestä (kuitupituus, koko ja kuituuntuminen) ja tuotantotavasta (hemiselluloosan ja ligniinin pitoisuus) - Fysikaalisesti, kemiallisesti ja entsymaattisesti muokattavissa - Tavoitteena parantaa yhteensopivuutta matriisin kanssa -> materiaalin suorituskyky - Selluloosan uudet mahdollisuudet -> nanokomposiittien mahdollisuudet • Sahanpuru (tai puujauho) - Laajasti hyödynnetty WPC raaka-aine, joka on mekaanisen puunjalostuksen sivutuote - Halpa täyteaine, joka kompensoi muovin hintaa - Sisältää kaikki puun aineosat, myös uuteaineet (VOC) copyright Ali Harlin WPC Market volume world > 1,5 Mio. t (2010) • • North-America: > 1 Mio. t China: > 200.000 t ( 2015: 5 Mio. t) • Europe ca. 170.000 t (Germany: 70.000 t), 360 000 t by 2020 - Construction & Furniture: ca. 120.000 t - Automotive: ca. 50.000 t • Double-digit growth per year • North-America / Europe: Using by-products from the wood industry • Asia: Using all kind of cellulosic by-products from forest and agriculture Biocomposites • VTT on kehittänyt muovipuu teknologiaa komposiiteille, jotka sisältävät jopa 80 paino-% puukomponenttia. • Muovien työstöteknologiat avaavat uusia mahdollisuuksia biokomposiiteille – Suulakepuristuksen metritavarasta – Ruiskuvalettuun kappaletavaraan – Laajennetaan raaka-ainepohjaa •Uudet tuotteet •Uusi muotoilu •Materiaalikustannusten aleneminen •CO2-neutraali •Öljyn hinnan aleneva vaikutus copyright Ali Harlin Biokomposiittien prosessikehitys • • Nykyiset prosessit muovien valmistuksesta Prosessikehitys biokomposiiteille vaatii – Biomateriaalien erikoispiirteiden huomioiminen – Uudet suunnitteluperusteet – Uudet tuotteet – Mallinnus – Uudet prosessointiteknologiat – Laitteiden modifiointi • Syöttölaitteet • Sekoittimet • Työkalut Extrusion line for WPC profiles in K2004 Exhibition copyright Ali Harlin Ekotehokkaat materiaaliratkaisut huonekalurakentamiselle Ekotehokkuus ja kannattavuus • Vähennä – pidennä käyttöikää - kierrätä – valitse laatu • Ekologiset ratkaisut yhdistettynä käytättävyyteen • Tuotantotehokkuus alentaa valmistuskustannusta CASE: Puustelli Ecokitchen Eettisesti ja kestävästi tuotettu ISO 14025 sertifikaatin mukainen keittiö, jossa hyödynnetty keveiden materiaalien ja valmistusmenetelmä etuja Biokomposiittien suorituskyky • Biomuovien ja komposiittien hyödyntäminen • Muovintyöstötekniikat kappaletavaralle • 35% vähemmän painoa ja 45% vähemmän CO2 Helppohoitoiset ja kestävät pinnat • Ohut ja läpinäkyvä AddSol® sol-gel pinnoite • Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa • Metallit, puu, muovi ja tekstiilit copyright Ali Harlin puustelli ekokeittiö 2012 Irtokalustejärjestelmän osat: -runko -edusta -taso -laatikko Pienkertopuurunko Ruiskupuristettu puukomposiittirunko Ekotehokkuuden kriteerejä: -kevyt -vähän osia -hyvät, kauniisti kuluvat materiaalit -pitkä ikä -kehdosta kehtoon kierrätysmateriaalit LCA -> tuotesuunnittelu -> työmenetelmäkehitys => tuotteistus Pursotettu biokomposiittirunko. Ruiskupuristettu puukomposittilaatikkorunko Matalapainepuristettu laatikko biohajoavaa komposiittia Copyright Juhani Salonius Muita tuotteitta Flaxwood Plasthill Oy All-Plast Oy UPM Onbone Novoplastik – flax/PLA (corn suggar) Selluloosamuuntokuituja (Regenerated cellulose fibres) Liotus menetelmät: •CS2 •NMMO (amino oxide) •Enzyymit •Ionic liquids Selluloosamuuntokuituja komposiiteissa Flax fibers Flax fiber  1.4-1.5 Reg. cellulose 1.5 Glass fiber 2.56 600-800 700-800 2000 480 500 780 Young’s modulus (GPa) Specific Strain at stiffness break (%) 40 13 28 50-70 20 72 Man made cellulose fibers Density Tensile strength Specific (g/cm3) (MPa) strength 1.5-2.0 10-13 2-4 Results of composites tests 350 Stress (MPa) 300 250 200 150 100 Flax UD Cordenka UD 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Strain (%) Stress-strain curves of flax and Cordenka fiber composites with Tribest resin Impact resistance tests •Komposiitit tulevaisuuden materiaalit niiden monimuotoisuuden ja funktionalisuuden takia; synergiaa yhdistelemällä eri materiaaleja •Tuotekehityksessä laaja monitieteinen lähestymistapaa on tie menestykseen •Teknologiaratkaisuilla ja materiaalivalinnoilla pääsemme päästövähennyksiin Lisä edelläkävijöittä!!!!! Acknowledgement •Project participants: Technology Centre KETEK Ltd (Finland), Swerea SICOMP AB (Sweden), Tampere University of Technology (Finland), Luleå University of Technology (Sweden) •Bio-Composites. Technologies and Applications. Presentation of Michael Carus, NovaInstitut GmBH, Kemi 26.01.2011 (http://www.ketek.fi/anacompo/materials_kemi_january_2011/) •Google search