Optimization of producing method for natural fiber composite

Abstract

Diplomityössä perehdyttiin kirjallisuuden avulla luonnonkuitukomposiitin haasteisiin ja mahdollisuuksiin. Luonnonkuitukomposiitit tuovat uusia mahdollisuuksia metsäteollisuudelle, sillä ne laajentavat puun käyttöä tuotealueille, joilla perinteisesti on käytetty raaka-aineena esimerkiksi muita komposiitteja tai muovia. Esimerkiksi lasikuituun verrattuna luonnonkuidun etuna on edullinen hinta, keveys ja kierrätettävyys. Haasteena on kuidun ja muovin yhteensopivuuden parantaminen ja riittävän mekaanisen lujuuden saavuttaminen, tulen- ja säänkestävyys sekä tuotteen tasalaatuisuus.

Työn tavoitteena oli kehittää uusi periaate luonnonkuitukomposiitin valmistusmenetelmälle paperi- teknistä osaamista hyödyntäen sekä tutkia tällaisen prosessin jatkokehitysmahdollisuuksia. Materiaali on perinteisesti valmistettu sekoittamalla kuiva kuitumateriaali muovin kanssa ekstruusioprosessissa. Työssä valmistettiin komposiittimateriaalia valkaistusta havusellusta ja polystyreenistä aluksi rumpuformerilla ja arkkimuotilla eri reseptejä kokeillen ja lopuksi pilottipaperikoneen avulla. Käytettyjen kytkentä- ja lisäaineiden lisäysmäärien vaikutuksista ei saatu esikokeissa luotettavaa tietoa. Tuloksia tarkasteltiin sekä eri prosessivaiheissa tehtyjen käytännön havaintojen että paperi- ja muoviteknisten mittausten pohjalta. Työssä pyrittiin myös löytämään sopivia tapoja jatkokäsitellä märkäprosessilla valmistettua luonnonkuitukomposiittimateriaalia sekä tutkia sen toimivuutta lopputuotteiden valmistuksessa. Valmistettuja materiaaleja käsiteltiin yksi- ja kaksiruuviekstruusiokompoundoinnilla, näitä yhdistämällä sekä suoraan ruiskuvalamalla. Havaittiin, että useimpien ruiskuvalutuotteiden valmistus vaatii materiaalin esikompoundoinnin ennen prosessiin syöttämistä.

Työn keskeisin tulos oli, että osoitettiin luonnonkuitukomposiittimateriaalin valmistuksen onnistuvan märkäprosessilla paperitekniikan laitteistoa käyttäen. Pilottipaperikoneella valmistettua materiaalia testattiin asiakkaan prosessissa ja havaittiin, että materiaali toimi hyvin ja lopputuotteen ominaisuudet olivat paremmat kuin asiakkaan nykyistä luonnonkuitukomposiittimateriaalia käytettäessä. Kehitetyn valmistusmenetelmän etuna on kuidun säilyminen pitkänä ja muovin asettuminen kuituverkostoon materiaalien yhdistämisen aikana, jolloin kiinnitysaineiden toimivuus ja sidosten muodostuminen jatkokäsittelyssä on todennäköisempää. Materiaalia voidaan käyttää kaikissa muoviteollisuuden prosesseissa, esimerkiksi ruiskuvalussa ja ekstruusiossa. Etuna on mahdollisuus arkki- tai ratamuotoisen materiaalin hyödyntämiseen myös ahtopuristustuotteiden raaka-aineena. Menetelmässä on vielä useita haasteita ja jatkokehitystyötä tarvitaan prosessin toimivuuden varmistamiseksi.