FI122418B - Luonnonkuitupohjainen komposiittimateriaali - Google Patents

Description

Luonnonkuitupohjainen komposiittimateriaali Keksinnön kohde 5 Keksinnön kohteena on luonnonkuitupohjainen komposiittimateriaali, joka käsittää biohajoavaa polymeeriä olevan polymeerimatriisin ja luji-teainetta.

Keksinnön taustaa 10

Komposiittimateriaalit ovat polymeerin ja kuitumaisen lujiteaineen muodostama kokonaisuus, jossa polymeeri toimii sitovana osapuolena eli matriisina. Lujitteiden tehtävänä on kantaa komposiittiin kohdistuvat mekaaniset rasitukset ja toimia rakennetta jäykistävänä ja lujittavana 15 komponenttina. Biohajoavissa komposiittimateriaaleissa käytetään luji-teaineena ja täyteaineena luonnonkuituja, jotka ovat pääasiassa esimerkiksi eri puulajeista saatuja puukuituja, sahajauhoa, pellavaa, hamppua, puuvillaa tai sisalkuitua. Matriisina käytetään biohajoavia polymeerejä, esimerkiksi polylaktidia sekä tärkkelys- ja selluloosapoh-20 jäisiä biopolymeerejä.

Esimerkiksi julkaisussa Mohanty, A. K., Misra, M. ja Hinrichsen, G., ’’Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: An overview”, Macromol. Mater. Eng., Vol. 276/277 (2000), s. 1-24, on esitetty bio-25 komposiittimateriaaleja, joiden polymeerimatriisina käytetään biohajoa-g vaa polymeeriä ja lujiteaineena luonnonkuituja kuten pellavaa ja hamp- ™ pua.

CD

o c3 Edellä mainittujen luonnonkuitupohjaisten komposiittimateriaalien on- ϊ 30 gelmana on, että käytetyt luonnonkuidut imevät vettä itseensä, jonka seurauksena komposiittimateriaalin biologinen hajoaminen käynnistyy.

§ Tästä johtuen biopolymeeripohjaisten komposiittimateriaalien biologi in £ nen kestävyys on heikko. Biologisella kestävyydellä tarkoitetaan sitä, ° että komposiittimateriaalista valmistetun tuotteen tulisi kestää hyvin sen 35 normaalissa käyttöympäristössä, mutta altistettaessa materiaali sopivil- 2 le olosuhteille, esimerkki kompostointiolosuhteissa materiaali kuitenkin hajoaa (maatuu).

Lisäksi luonnonkuitukomposiittien kehittämisessä on haasteena hyvän 5 adheesion eli tartunnan tuottaminen kahden kemiallisesti erilaisen materiaalin välille. Kuitujen heikon polymeerimatriisiin sitoutumisen seurauksena luonnonkuitupohjaisten komposiittimateriaalien mekaaninen lujuus on heikko. Adheesiota voidaan edistää erilaisilla kytkentäaineilla, jotka parantavat muovin ja kuidun välistä yhteensopivuutta.

10

Ongelmana edellä kuvatuissa luonnonkuitukomposiiteissa on myös se, että edellä kuvatut luonnonkuidut eivät välttämättä sellaisenaan sovellu perinteisiin muovien prosessointiolosuhteisiin.

15 Keksinnön lyhyt yhteenveto

Nyt on yllättäen havaittu, että biopolymeeripohjaisten komposiittimateriaalien biologista kestävyyttä materiaalin käyttökohteessa -ja olosuhteissa saadaan parannettua, kun komposiittimateriaalin lujiteaineena 20 käytetään turvetta. Lisäksi on havaittu, että turpeen käyttö biopolymee-ripohjaisen komposiittimateriaalin lujiteaineena parantaa matriisipoly-meerin mekaanista kestävyyttä sekä mahdollistaa materiaalin työstämisen perinteisillä muovintyöstömenetelmillä kuten kompaundoimalla, ekstruusiolla ja ruiskupuristuksella.

25 ^ Näin ollen keksinnön mukaiselle luonnonkuitupohjaiselle komposiitti- ™ materiaalille, jonka matriisina käytetään biohajoavaa polymeeriä on 9 pääasiassa tunnusomaista se, että komposiittimateriaalin lujiteaine on ° turvetta.

I 30

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että käyttämällä komposiittimate-§ riaalin lujite- ja täyteaineena kuivattua turvetta saadaan komposiittima- m £ teriaalin veden kestävyyttä parannettua. Tämä johtuu siitä, että lujite- ja ° täyteaineena käytettävä kuivattu turve ei ime itseensä vettä eli toisin 35 sanoen turvekuitu on hydrofobista, jonka seurauksena veden imeytyminen komposiittimateriaalin on vähäistä. Tästä johtuen keksinnön mu- 3 kaisen komposiittimateriaalin biologinen kestävyys on myös hyvä komposiittimateriaalin normaalissa käyttöympäristössä. Termillä ’’biologinen kestävyys” tarkoitetaan nimenomaan sitä, että keksinnön mukaisesta komposiittimateriaalista valmistettu tuote kestää hyvin sen normaalissa 5 käyttöympäristössä, mutta altistettaessa se sopiville olosuhteille esimerkki kompostoinnissa, materiaali hajoaa (maatuu). Komposiitin sitovana osapuolena eli matriisina käytetään biohajoavaa polymeeriä, joka myös hajoaa altistettaessa sopiville olosuhteille. Komposiittimateriaalin molemmat komponentit ovat biohajoavia ja näin ollen näistä kom-10 ponenteista saadaan valmistettua täysin biohajoava komposiittimateriaali, kun materiaali altistetaan sopiville olosuhteille.

Käyttämällä komposiittimateriaalin lujiteaineena turvetta saadaan myös materiaalin mekaanista kestävyyttä parannettua, koska turpeen sisäl-15 tämät happo- ja hartsikomponentit toimivat itsessään kuidun ja polymeerin kytkentäaineena komposiittimateriaalissa. Näin ollen keksinnön mukaisen komposiittimateriaalin mekaanista lujuutta on saatu parannettua jopa ilman lisäaineita.

20 Komposiittimateriaalin lujiteaineena voidaan käyttää turvetta, joka käsittää kaikkia turpeen eri jakeita eli ns. sekaturvetta. Turve on kuitenkin lajiteltavissa useaan eri jakeeseen ja tämä mahdollistaa komposiittimateriaalin ominaisuuksien modifioimisen tuotesovellukseen sopivaksi. Turpeen määrää komposiittimateriaalissa voidaan vaihdella laajasti 25 noin 5 prosentista aina noin 90 painoprosenttiin asti riippuen tuoteso-^ velluksen vaatimuksista, edullisesti turpeen määrä materiaalissa on

O

™ noin 10-80 painoprosenttia ja edullisimmin 20-60 painoprosenttia.

05

O

° Keksinnön mukainen luonnonkuitukomposiittimateriaali voi käsittää kui- 30 tupitoisen turvemateriaalin ja biohajoavan polymeerin lisäksi myös joi-tain lisäaineita kuten esimerkiksi väri- ja palonestoaineita, UV-suoja-§ aineita, kytkentäaineita ja prosessointiapuaineita.

LT) h- o ° Keksinnön mukainen komposiittimateriaali on sulatyöstettävissä perin- 35 teisin muovintyöstökonein ja -menetelmin kuten kompaundoimalla, ruiskupuristamalla, ruiskuvalamalla tai ekstrudoimalla.

4

Keksinnön mukainen komposiittimateriaali mahdollistaa turpeen uudenlaisen käytön. Lisäksi turpeen etuina voidaan mainita edullisuus, helppo saatavuus sekä turpeen esikäsittelyn helppous. Turpeen proses-5 soinnissa voidaan käyttää jo olemassa olevia menetelmiä, esimerkiksi turpeen lajittelua eri jakeisiin.

Keksinnön mukaista komposiittimateriaalia voidaan käyttää rakennusmateriaalina esimerkiksi akustiikkalevyinä ja muina rakennuslevyinä. 10 Lisäksi komposiittimateriaalia voidaan käyttää monenlaisissa kuluttaja-tuotteissa kuten esimerkiksi kertakäyttöastioissa. Pakkausteollisuudessa keksinnön mukaista materiaalia voidaan hyödyntää esimerkiksi erilaisissa pakkauslaatikoissa ja koteloissa. Materiaali sopii biohajoavuu-tensa vuoksi myös käytettäväksi esimerkiksi maatalous- ja puutarha-15 tuotteissa kuten taimisuojat ja taimipurkit sekä hautaustuotteet.

Kuvioiden lyhyt selostus

Seuraavissa piirustuksissa esitetään keksinnön mukaisen komposiitti-20 materiaalin testaustuloksia verrattuna referenssimateriaaleihin.

Kuva 1 esittää vetolujuuden ja vetomodulin turve- ja ruokohelpilujitteisille tärkkelyspolymeerikomposiiteille, ja Kuva 2 esittää vesiabsorptiomäärityksen tulokset turve- ja 25 ruokohelpilujitteisille komposiiteille.

δ ^ Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus <y> o i c3 Komposiittimateriaalin lujiteaineena käytettävä turve voi käsittää kaikin 30 kia turpeen eri jakeita eli turve voi olla heterogeenistä, ns. sekaturvetta.

Vaihtoehtoisesti komposiittimateriaalissa voidaan käyttää myös jotakin § tiettyä turpeesta eroteltua jaetta, esimerkiksi seulottua ja puhdistettua LT) £ turvekuitua tai muuta turpeesta erotettua jaetta. Käytettävän turpeen ° koostumuksella ja maatumisasteella voidaan vaikuttaa komposiittima- 35 teriaalin ominaisuuksiin ja materiaalin ominaisuuksia voidaan muutella komposiittimateriaalin käyttökohteesta riippuen.

5 Käytettäessä komposiittimateriaalin lujiteaineena ns. sekaturvetta, turve on edullisesti jyrsinturvetta, joka on seulomatonta ja puhdistamaton-ta irtoturvetta ja käsittää näin ollen kaikkia turpeen jakeita. Jyrsinturve 5 tuotetaan jyrsimällä turvetta suon pinnasta ja kuivaamalla se tuotanto-kentällä. Se on raekooltaan vaihtelevaa sisältäen pääosin pölymäistä turvetta ja sen lisäksi erikokoisia turverakeita. Turpeen ohella jyrsinturve voi sisältää vaihtelevan määrän maatumattomia tai huonosti maatuneita karkeita kasvinosia, jotka on kuitenkin helposti erotettavissa var-10 sinaisesta turvejakeesta.

Turpeen määrä voi vaihdella komposiitissa noin 5 prosentista aina noin 90 painoprosenttiin asti, riippuen tuotesovelluksen vaatimuksista. Edullisesti komposiittimateriaalissa on turvetta noin 10-80 painoprosenttia ja 15 edullisimmin 20-60 painoprosenttia.

Turpeen käyttö komposiittimateriaalin lujiteaineena parantaa komposiittimateriaalin mekaanista lujuutta. Mekaaniseen kestävyyteen vaikuttaa se, että turve sisältää happo- ja hartsikomponentteja, jotka toimivat 20 kuidun ja polymeerin kytkentäaineena komposiittimateriaalissa ja näin ollen parantavat kuitujen sitoutumista polymeerimatriisiin.

Lisäksi komposiitissa käytettävä kuivattu turve ei ime vettä itseensä eli turve on hydrofobista. Tämän seurauksena turvekuitulujitteisen kompo- 25 siittimateriaalin biologinen kestävyys ja mittapysyvyys on hyvä kompo- g siittimateriaalin käyttöympäristössä. Turvekomposiitin pH on happaman ™ puolella, mikä osaltaan voi parantaa myös komposiittimateriaalin biolo- 9 gista kestävyyttä, o

(M

g 30 Komposiittimateriaalissa käytettävä sideaine eli polymeerimatriisi on jotakin termoplastista biohajoavaa polymeeriä kuten polylaktidia, tärk- § kelys- tai selluloosajohdannaisia tai biohajoavaa polyesteriä. Esimerk in £ kinä biohajoavista polymeereistä voidaan mainita polyhydroksialkano- ° aatit, polykaprolaktonit, tärkkelysasetaatti, selluloosa-asetaatti ja poly- 35 butyleenisukkinaatit. Käytettävä polymeerimatriisi voi olla myös bioha-joavien polymeerien seos.

6

Keksinnön mukainen komposiittimateriaali voi käsittää kuitupitoisen turvemateriaalin ja biohajoavan polymeerin lisäksi myös lisäaineita kuten väri- ja palonestoaineita, UV-suoja-aineita, kytkentäaineita ja pro-5 sessointiapuaineita. Lisäaineiden tarve riippuu komposiittimateriaalin käyttökohteesta. Turpeen sisältämät happo- ja hartsikomponentit toimivat itsessään kuidun ja polymeerin kytkentäaineena komposiittimateriaalissa, joten turpeen sitomiseksi matriisiin lisäaineita ei välttämättä tarvitse lisätä komposiittimateriaaliin.

10

Lujiteaineena käytettävä turve on yleensä kuivattua, mutta sen kosteuspitoisuus voi vaihdella. Kosteuspitoisuus on edullisesti alle 25 %. Turve voidaan tarvittaessa jauhaa ennen materiaalien sekoittamista, mutta se ei ole välttämätöntä vaan turvetta voidaan käyttää joko sellai-15 senaan tai pelletöitynä komposiittimateriaalissa.

Turpeen koostumuksen kuten esimerkiksi jakeiden, maatumisasteen ja kosteuspitoisuuden, sekä polymeerimatriisin ja lisäaineiden valinnalla voidaan vaikuttaa komposiittimateriaalin ominaisuuksiin ja siten myös 20 materiaalista valmistettavan lopputuotteen ominaisuuksiin.

Komposiittimateriaalissa käytettävät termoplastiset biopolymeerit mahdollistavat sen, että komposiittimateriaali on sulatyöstettävissä perinteisillä muovintyöstölaitteilla kuten kompaundointi, ruiskupuristus, ruisku-25 valu ja ekstruusio. Materiaali on siis prosessoitavissa sulana ja se on ^ jähmetettävissä haluttuun kiinteään muotoon.

(M

9 Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavien esimerkkien ° avulla, jotka kuitenkaan eivät ole keksintöä rajoittavia.

Ϊ 30

CL

m o σ> m h-· o o

(M

7

Esimerkki

Esimerkin mukaisissa kokeissa käytettiin keksinnön mukaisen komposiittimateriaalin lujiteaineena lajittelematon jyrsinturvetta ja polymeeri-5 matriisina joko tärkkelysasetaattia tai polylaktidia (PLA).

Referenssimateriaalien lujiteaineena käytettiin ruokohelpiä seulottuna 6 mm jakeisiin sekä pelletöityä pellavaa (6 mm). Referenssimateriaalien polymeerimatriiseina käytettiin tärkkelysasetaattia tai polylaktidia 10 (PLA) sekä polypropeenia (PP BH345, Borealis).

Ennen kompaundointia luonnonkuitumateriaalit kuivattiin vakuumi-uunissa 90°C 6 h ajan. Materiaalien kompaundointi tehtiin kaksiruu-viekstruuderilla Berstorff ZE 25 x 48 D ja testikappaleiden ruiskupuris-15 tuksessa käytettiin Engelin valmistamaa ES 200/50 HL -ruiskuvalukonetta. Komposiittimateriaalien vetolujuudet määritettiin standardin (SFS-ΕΝ ISO 3167:2003) mukaisista sauvoista aineenkoes-tuslaitteella Instron 4505. Vesiabsorption määritys tehtiin standardin (ISO 62) mukaisella menetelmällä 20°C:ssa vedessä ja punnitsemalla 20 painon muutos 24 h ja 96 h adsorboinnin jälkeen.

Taulukossa 1 ja kuvassa 1 on esitetty tulokset komposiittimateriaalin vetolujuudelle tärkkelysasetaatin ollessa komposiittimateriaalin mat-riisimateriaalina. Vertailuna on esitetty pelkän tärkkelysasetaatin sekä 25 ruokohelpilujitteisen komposiittimateriaalin vetolujuudet -ja modulit. ^ Jyrsinturpeen määrä keksinnön mukaisessa komposiittimateriaalissa ™ oli 20 p-% ja 40 p-%.

CO

o cm Taulukko 1. Vetolujuus ja -moduli turvekuitu- ja ruokohelpilujitteisille tärkkelyspoly- g 30 meerikomposiiteille.___

Vetolujuus, Vetomoduli, §__MPa__MPa S Tärkkelysasetaatti (referenssi)__5^2__609 § Turve 20 % + tärkkelysasetaatti__14,9__1560 ^ Turve 40 % + tärkkelysasetaatti__19__2759

Ruokohelpi 20 % + tärkkelysase- taatti__12,9__1963 8

Taulukossa 2 ja kuvassa 2 on esitetty vesiabsorptiomäärityksen tulokset turve- ja ruokohelpilujitteisille komposiiteille. Keksinnön mukaisessa turvelujitteisessa komposiittimateriaalissa ja referenssinä käytetyssä 5 ruokohelpilujitteisessa komposiittimateriaalissa on käytetty polymeeri-matriisina polylaktidia.

Taulukko 2. Vesiabsorptio turve-, pellava- ja ruokohelpilujitteisille komposiiteille.

_Vesiabsorptio, %_ Näyte__24 h__96 h 20% Turve + PLA__0,29__0,83 20% Ruokohelpi+ PLA__0,43__1,11 20% Turve + PP (referenssi)__0,13__0,48 20% Pellava + PP (referenssi)__0J3__1,28 10 Taulukon 1 ja kuvan 1 mukaan jo 20 % turvekuidun lisäys nostaa sekä vetolujuutta että vetomodulia lähes kolminkertaiseksi verrattuna pelkkään tärkkelysasetaattiin ja lujuutta noin 15 % verrattuna ruokohelpi-komposiittiin, mikä viittaa turpeen parempaan sitoutumiseen kyseiseen matriisipolymeeriin.

15

Taulukon 2 ja kuvan 2 mukaan 20 %:n turvekuidun lisäys polylaktidiin pienentää komposiittimateriaalin 96 h vesiabsorptiota noin 15 % verrattuna ruokohelpikomposiittiin. Vertailun vuoksi on otettu mukaan myös perinteisempi polypropeenipohjainen komposiittimateriaali, jossa 20 20 %:n turvekuidun lisäyksellä saavutettiin noin 60 % alhaisempi vesiab- § sorptio kuin pellavakuidulla.

(M

σ> 9 Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa edellä esimerkinomaisesti esitettyi- ° hin suoritusmuotoihin, vaan keksintöä on tarkoitus laajasti soveltaa | 25 seuraavassa määriteltyjen patenttivaatimusten määrittelemän keksin- ^ nöllisen ajatuksen puitteissa.

o σ> tn h-· o o

(M

Claims (6)

1. Luonnonkuitupohjainen sulatyöstettävissä oleva komposiittimateriaa-5 li, joka käsittää biohajoavaa polymeeriä olevan polymeerimatriisin ja lujite- ja täyteainetta, tunnettu siitä, että lujite- ja täyteaine on hydrofobista kuivattua turvetta ja biohajoava polymeeri on termoplastista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komposiittimateriaali, tunnettu sii-10 tä, että turpeen määrä materiaalissa on 5-90 paino-%, edullisesti 10-80 paino-% ja edullisimmin 20-60 paino-%.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että turpeen kosteuspitoisuus on alle 25 %. 15

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että turve on jyrsinturvetta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että komposiittimateriaali käsittää lisäksi ainakin yhtä seuraavista lisäaineista: väriaineita, palonestoaineita, UV-suoja-aineita, kytkentäaineita tai prosessointiapuaineita.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komposiittimateriaali, tunnettu sii-20 tä, että biohajoava polymeeri on polylaktidia, tärkkelys- tai selluloosa- ^ johdannaista, biohajoavaa polyesteriä tai jotakin näiden seosta. (M σ> o i o (M X en CL m o σ> m h-· o o (M