Komposiitti käsitteenä tarkoittaa kahden tai useamman materiaalin yhdistelmää, jotka ei-vät ole sulautuneet tai liuenneet toisiinsa. Komposiittien valmistamisen lähtökohtana on aikaansaada materiaali, jossa komponenttien positiiviset ominaisuudet korostuvat ja ne-gatiiviset pienenevät [86]. Komposiittimateriaalissa matriisin tehtävänä on sitoa lujitema-teriaalit yhteen, jotka tuottavat komposiiteille lujuusominaisuuksia [108]. Mo et al. luo-kittelee komposiitin olevan kahden tai useamman raaka-aineen yhdistelmä, jota sitoo matriisi tai mastiksi. Kiinnittymismekanismina voi olla yksinkertainen fysikaalinen kie-dos tai kompleksinen systeemi, kuten polymeerimatriisi [109].
Komposiitti voidaan luokitella biokomposiitiksi, kun toinen tai molemmat komposiitin komponenteista on biopohjaisia. Kun molemmat komponentit ovat peräisin luonnosta, puhutaan ns. vihreistä komposiiteista (green composites). Mikäli komponentit ovat myös biohajoavia, voidaan saavuttaa komposiitin kokonaisvaltainen biohajoavaisuus [1]. Bio-komposiiteilla on mahdollista saavuttaa ominaisuuksia, joita ei ilmene yleisimmillä ma-teriaaleilla. Ominaisuuksia on mahdollista räätälöidä käyttökohteen tai prosessoinnin mu-kaan. Henri Ford teki ensimmäiset biokomposiitit tunnetuksi jo vuonna 1941. Ensimmäi-set biokomposiitit olivat pellava-, hamppu- ja sisalkuitu komposiitteja [3].
Luonnonkuiduilla vahvistettujen komposiittien tutkituimmat ominaisuudet ovat vetolu-juus, taipuisuus ja iskunkesto. Sekä matriisi että vahvikkeet vaikuttavat merkittävästi näi-hin ominaisuuksiin. Vetolujuus on vahvasti riippuvainen matriisin ominaisuuksista, kun taas vahvikkeet vaikuttavat etenkin kimmomoduuliin. Luonnonkuiduilla vahvistettuja komposiitteja verrataan usein lasikuitukomposiitteihin, mutta ne ovat kuitenkin vetolu-juudeltaan ja iskunkestoltaan lasikuitukomposiitteja heikompia. Tämä on seurausta hei-kommasta adheesiosta kuitujen ja matriisien välillä. Lisäksi luonnonkuidut sisältävät usein pieniä vikoja, jotka vaikuttavat mekaanisiin ominaisuuksiin [110]. Luonnonkuitu-jen vetolujuudet ovat matalampia kuin lasikuituiduilla, mutta niiden kimmomoduuli on verrattavissa yleisimpään lasikuituun, E-lasiin. Kun kuitujen vetolujuudet suhteutetaan niiden painoon, luonnonkuidut ovat verrattavissa lasikuituihin. Luonnonkuitujen suhteel-linen kimmomoduuli on kuiduista riippuen jopa korkeampi kuin E-lasin [88].
6.1 Biokomposiittirakenteet
Komposiittimateriaalissa käytettävä vahvike tuo materiaaliin lujuutta ja jäykkyyttä.
Useimmissa tapauksissa vahvikemateriaali on kovempaa, vahvempaa ja jäykempää kuin
käytetty matriisi ja ne ovat pääosin partikkeli- tai kuitumuodossa. Partikkeleilla vahvis-tetut komposiitit voivat olla dimensioiltaan monimuotoisempia kuin kuituvahvisvahvis-tetut.
Usein partikkeleilla vahvistetut komposiitit ovat heikompia, mutta ne ovat halvempia kuin jatkuvakuituiset komposiitit. Lisäksi niiden sisältämät lujitemäärät ovat pienempiä.
Tämä johtuu pääasiassa suuren täyteaineosuuden aiheuttamista prosessointivaikeuksista ja materiaalin murtumaherkkyyden kasvusta [111].
Kuituvahvisteiset biokomposiittirakenteet ovat jaettavissa kahteen ryhmään: katkokuitui-set ja jatkuvakuituikatkokuitui-set. Katkokuitukomposiitteja prosessoidaan mm. ekstruusiolla sekoit-tamalla kuidut polymeerimatriisiin. Ne sopivat ruiskuvalamiseen ja niiden valmistusajat ovat lyhyempiä kuin muottipuristetuilla komposiiteilla. Yleisimmin tällä tavoin valmis-tettu materiaali koostuu lyhyistä puukuiduista ja termoplastisesta polymeerimatriisista.
Katkokuitujen lyhyestä pituudesta ja niiden satunnaisesta orientaatiosta johtuen niiden mekaaniset ominaisuudet ovat usein heikommat verrattaessa jatkuvakuituisiin komposiit-teihin. Lyhyt kuidun pituus kuitenkin mahdollistaa kuitujen käytön ruiskuvalumenetel-missä [112]. Kuvassa 25 on esitetty katkokuitukomposiitin perusrakenne.
Kuva 25. Katkokuitukomposiitin perusrakenne.
Jatkuvakuituisissa komposiiteissa käytetään perinteisesti pitkiä ja lankamaisia kuituja.
Kuidut ovat pitkiä ja vahvistavat merkittävästi rakennetta ottamalla rasituksen vastaan.
Niillä voidaan valmistaa UD (unidirectional) -komposiitteja, neulottuja kankaita (cloth) ja kiertämällä valmistettuja (roving) komposiitteja [111]. Kuvassa 26 on esitetty erilaisia kuiturakenteita.
Kuva 26. Erilaisia kuiturakenteita (muokattu) [111].
Komposiitit voidaan jakaa myös rakenteeltaan isotrooppisiin tai anisotrooppisiin materi-aaleihin. Isotroppiset materiaalit omaavat ominaisuutensa jokaisessa suunnassa, kun taas anistrooppisten materiaalien ominaisuudet ovat riippuvaisia mittaussuunnasta. Materiaa-lin isotrooppisuutta voidaan määrittää rasittamalla sitä eri kulmista ja mittaamalla esim.
kimmomoduulia, vetolujuutta tai lämpölaajenemiskerrointa. Komposiitit ovat yleisesti anisotrooppisia materiaaleja, kun taas polymeerit ja metallit ovat lähtökohtaisesti iso-trooppisia [111].
6.2 Kuitujen pituus, määrä ja orientaation vaikutus
Kuitujen pituus on yleensä halkaisijaan verrattuna suuri. Pituuden ja halkaisijan suhdetta kuvataan määreellä l/d (length to diameter). Siitä käytetään myös nimitystä aspect-ratio ja vaihtelee paljon kuitukohtaisesti. Pitkillä kuiduilla on suuri l/d-arvo, kun taas katko-kuitujen l/d-arvon on pieni [111]. Lyhyissä kuiduissa rasitus välittyy katko-kuitujen ja matriisiin rajapintaan leikkausvoimina. Kuitujen päissä vetorasitus on nolla ja kasvaa kuitujen pi-tuuden kasvaessa. Näin ollen kuitujen pipi-tuuden tulee ylittää kriittinen pituus (LC), jotta rasitusta siirtyy kuituun. Kriittisessä pituudessa kuitu on teoreettisesti kantanut puolet ra-situksesta verrattuna jatkuvaan kuituun samassa venymässä. Hyödyllistä vahvistusta ha-ettaessa kuidunpituuden tulisi näin ollen olla merkittävästi suurempi kuin LC. Luonnon-kuiduille määritetään LC kaavalla 3. Kaavassa LC on kriittinen pituus, d on kuidun halkai-sija, δf on kuidun vetolujuus ja τf rajapinnan vahvuus. Sen arvot ovat usein termoplasteilla suuremmat kuin termoseteillä. LC-arvot vaihtelevat pääosin välillä 0,49 - 5 mm riippuen käytetyistä kuiduista, matriisista, lujitemäärästä ja kytkentäaineista. Liian pitkät kuidut voivat aiheuttaa ongelmia kuitujen sekoittamisessa, mikä johtaa heikkoon vahvistukseen [88].
𝐿𝐶
𝑑
=
𝛿𝑓𝜏𝑓
(3)
Pitkistä kuiduista voidaan valmistaa levyjä tai mattoja, jolloin kuidut voidaan orientoida haluttuun suuntaan ja vahvistaa tiettyä suuntaa. Katkokuitujen orientointi on yleensä vai-keaa ja niiden vaikutussuuntaa on vaikeampi kontrolloida. Teoreettisesti niillä voidaan päästä lähelle jatkuvakuituisten lujuusarvoja, mutta tämä edellyttäisi kuitujen onnistu-nutta orientointia [111]. Kuvassa 27 on esitetty erilaisten biokomposiittien ominaisalueet kuitutilavuuden ja mekaanisten ominaisuuksien suhteena.
Kuva 27. Kuitujen tilavuusmäärän ja ominaisuuksien suhde (muokattu) [111].
Komposiitin lopulliset ominaisuudet riippuvat kuitujen tyypistä ja niiden määrästä. Suu-rin mahdollinen lujuus ja moduuli on mahdollista saavuttaa jatkuvakuituisilla komposii-teilla. Maksimikuitumäärä on useimmiten n. 70 V-%. Rajan yläpuolella matriisiin osuus on liian vähäinen sitomaan kuituja ja välittämään niihin rasitusta [111].
Luonnonkuituja sisältäville komposiiteille on määritetty kriittinen tilavuus (VCrit), joka on kuitujen pienin tilavuusosuus, jota pienemmät osuudet johtavat matriisin arvoja hei-kompiin arvoihin. Tämän rajan alapuolella matriisi kantaa vetorasituksen kuitujen pettä-essä. Tällöin kuidut käyttäytyvät ilmataskujen tavoin matriisissa [88]. Shah et al. tutkivat pellava- ja juuttikuiduilla vahvistettujen tyydyttymättömien polyesterikomposiittien kriit-tistä tilavuusarvoa. Orientoiduille juuttikuiduille VCrit oli 8,1 V-% ja pellavakuiduille 9,1 V-% [113].
Kuitujen pituuden vaikutusta on tutkittu mm. luonnonkuiduilla ja epoksimatriisilla. San-kar et al. tutkivat kuidun pituuden vaikutusta komposiitin ominaisuuksiin. Tutkimuksessa käytettin Sansevieria trifarsciata (suom. iso anopinkieli) kasvin lehdistä valmistettujen kuituja ja matriisina oli polyesteri. Kuitujen määrä komposiiteissa oli 20 m-% ja niiden pituudet vaihtelivat välillä 2 - 10 mm. Kuidut myös käsiteltiin alkalikäsittelyllä ja kuivat-tiin ennen käyttöä. Raaka-aineet sekoitetkuivat-tiin keskenään ja kaadetkuivat-tiin muotkuivat-tiin. Vetolujuus kasvoi odotetusti kuitujen pituuden kasvun myötä, mutta murtovenymään vaikutus ei ol-lut merkittävä [114].
Himanshu et al. tutkivat juuttikuidun pituuden vaikutusta epoksimatriisissa. Kuidut olivat katkokuituja ja niiden orientaatio oli sattumanvarainen. Kuitujen pituudet vaihtelivat vä-lillä 5 - 20 mm ja niiden määrä komposiittinäytteissä oli 10 m-%. Kuidut alkalikäsiteltiin ja kuivattiin ennen käyttöä. Tutkimuksessa komposiittien vetolujuus heikentyi kuidun pi-tuuden laskiessa. Sen sijaan niiden taipuisuusarvot ja iskunkesto paranivat [115].
Kuitujen orientaatiolla on merkittävä vaikutus komposiittien mekaanisiin ominaisuuk-siin. Parhaat vetolujuudet, taivutuslujuudet ja iskunkesto-ominaisuudet saavutetaan yh-densuuntaisilla lujitteilla. Korkein lujuus saavutetaan ~ 73 m-% osuudella yhdensuuntai-sia kuituja. Katkokuiduilla korkein lujuus saavutetaan pienemmällä osuudella, koska nii-den pakkautuvuus on heikompi verrattuna jatkuviin yhnii-densuuntaisiin kuituihin [88].
6.3 Yleisimmät biokomposiittimatriisit
Perinteisissä komposiiteissa on käytetty termoset-matriiseja, joihin on upotettu tai kas-teltu kuituja ennen matriisin polymerointia. Termoset-matriisien raaka-aineet ovat pää-osin moolimassaltaan ja viskositeetiltaan pieniä. Tämä edesauttaa hyvän adheesion syn-tyä ja kuidun kastumista. Yleisesti ottaen niillä on hyvä terminen stabiliteetti ja kemialli-nen kesto, sekä pienempi virumistaipumus ja jännitysrelaksaatio termoplastisiin poly-meereihin verrattuna. Termoset-matriisien ongelmia ovat rajattu varastosäilyvyys, pitkät muottiajat ja matala iskunkesto [7].
Yleisimmät biokomposiiteissa käytetyt termoset-matriisit ovat polyesteri, epoksi ja vi-nyyliesteri. Näistä selvästi käytetyin on polyesteri, jota käytetään lasikuiduilla vahvistet-tuna etenkin laivateollisuudessa. Polyestereitä on lukuisia ja niitä valmistaan erilaisista hapoista, glykoleista ja monomeereista. Kemialliselta rakenteeltaan polyesterit voidaan jakaa kahteen ryhmään: ortoftaalisiin- ja isoftaalisiin polyestereihin. Näistä ortoftaaliset polyesterit tuottavat jäykkiä ja heikosti lämpöä kestäviä komposiitteja. Ne ovat halpoja tehden niistä yleisesti käytettyjä. Isoftaaliset polyesterit omaavat ortoftaalisia polyeste-reitä paremman hydrolyysinkeston, mikä tekee niistä erityisesti laivateollisuuteen sopivia [116]. Kuvassa 28 on esitetty polyestereiden yleinen kemiallinen rakenne.
Kuva 28. Polyestereiden yleinen rakenne.
Vinyyliesterit ovat suhteelliset uusi matriisiryhmä komposiiteissa. Niillä on erinomainen kemikaalien kesto ja hyvät mekaaniset ominaisuudet. Niitä voidaan valmistaa polyeste-reiden tapaan. Niiden kovettamisessa voidaan käyttää suhteellisen turvallisilla katalyy-teillä. Lisäksi niillä on hyvät kastamisominaisuudet, ne säilyttävät korkean elastisuuden kohtuullisissa ja korkeissa lämpötiloissa, sekä niillä on hyvä ikääntymisenkesto lämpi-missä olosuhteissa. Vinyyliestereiden kemiallinen rakenne on samankaltainen polyeste-reiden kanssa, mutta niiden reaktiiviset alueet sijaitsevat molekyyliketjujen päissä. Tämä edesauttaa molekyyliketjun kykyä absorboida iskua, mikä tekee vinyyliestereistä polyes-tereitä sitkeämpiä [116]. Kuvassa 29 on esitetty vinyyliesterin rakenne.
Kuva 29. Vinyyliesterin rakenne.
Epokseja käytetään vaativissa käyttökohteissa hyvien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Ne ovat säänkestoltaan ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan muita tavanomaisia matriisityyppejä parempia, minkä vuoksi niitä käytetään mm. lentokoneteollisuudessa.
Laminointihartsina sillä on hyvä adheesion muodostus ja vedensietokyky, minkä vuoksi sitä käytetään myös laiva- ja veneteollisuudessa korkean suorituskyvyn sovelluksissa.
Epokseista voidaan rakentaa mm. tukirunkoja tai arkkeja, sekä korvata veden hydro-lysoima polyesterimatriisi [116]. Kuvassa 30 on esitetty esimerkki epoksihartsin raken-teesta.
Kuva 30. Epoksihartsin mahdollinen rakenne.
Muita käytettyjä termoset-matriiseja ovat erilaiset fenolit, syanaattiesterit, bismalimidit ja polyuretaanit. Fenoleita käytetään korkeaa tulenkestoa vaativissa sovelluksissa ja ne säilyttävät ominaisuutensa korkeissakin lämpötiloissa. Niiden valmistuksessa käytetään korrosoivia happoja, mikä hankaloittaa niiden valmistusta. Lisäksi ne ovat hauraita, mikä heikentää niiden soveltuvuutta mekaanisiin sovelluksiin [116].
Polyuretaaneja on käytetty korkean suorituskyvyn sovelluksissa ja mm. kookoskuidun ja polyuretaanista valmistettua komposiittia on käytetty mm. puun korvikkeena [116]. Ba-kare et al. tutkivat sisalkuiduilla vahvistettujen biopolyuretaanien mekaanisia ja termisiä ominaisuuksia. Tutkimuksessa käytetyn biopolyuretaanin raaka-aineina olivat kumipuun siemenöljy ja TDI suhteessa 1:1,5 mol. Katalyyttinä käytettiin dibutyylitinalauraattia.
Testeissä käytetyt kuituosuudet olivat 10 - 30 % ja komposiittinäytteet valmistettiin muot-tipuristamalla. Sisalkuituja levitettiin muotin pohjalle tasaiseksi matoksi, jonka jälkeen esipolymeeri kaadettiin muottiin ja ilma poistettiin muotista. Tämän jälkeen kappale ase-tettiin ilmatiiviiseen ja kuivattuun tilaan ja purisase-tettiin 3 MPa:n paineella 24 h 80 °C läm-pötilassa. Kappale uunitettiin 80 °C lämpötilassa uudestaan 24 h. Mekaanisista ominai-suuksista sekä vetolujuus että kimmomoduuli kasvoivat kuitumäärän lisääntyessä. Kim-momoduuli sai parhaan arvonsa n. 25 m-% osuudella [117].
Termoplastiset matriisit ovat lineaarisia yksilöllisiä polymeeriketjuja, joiden välillä ei ole kemiallisia sidoksia. Niitä pitävät yhdessä heikot sekundääriset voimat, kuten van der Waals:n voimat ja vetysidokset. Nämä heikot sidokset voidaan kuitenkin rikkoa väliai-kaisesti tuomalla systeemiin lämpöä ja nostamalla vallitsevaa painetta. Tällöin materiaali muuttuu juoksevaksi ja sitä voidaan prosessoida halutulla tavalla. Materiaalin jäähtyessä molekyylit muodostavat heikot sidokset uudestaan, jolloin materiaali omaksuu uuden muodon. Termoplastisten matriisien etuja ovat yleisesti ottaen helppo käsiteltävyys, kor-kea iskun- ja särönkesto, korkor-kea murtovenymä, erinomainen varastosäilyvyys, lyhyt muottiaika, jälkiprosessointi- ja korjausmahdollisuus (hitsaus, liuosliitos yms.) Niiden kehitys komposiittien matriisina on kuitenkin ollut hidasta niiden suuren viskositeetin vuoksi, mikä vaikeuttaa kuitujen kastumista ja hyvän adheesion syntymistä. Lisäksi niillä on suurempi virumistaipuvuus ja heikompi lämpöstabiliteetti [7]. PLA on tutkituin mat-riisina käytetty termoplastinen biopolymeeri. Se on antanut luonnonkuiduilla vahvistet-tuna parempia vetolujuus ja kimmomoduuliarvoja kuin PP [88].
6.4 Biokomposiittien ominaisuudet
Erilaisten polymeerien ja vahvikkeiden lukumäärän johdosta komposiitit ovat valtavan suuri materiaaliryhmä. Vaihtelemalla erilaisia komponentteja saadaan komposiitteihin ai-kaiseksi hyvin erilaisia ominaisuuksia. Yleisimpiä hyötyjä ja haittoja on listattu seuraa-vaan listaan [1].
Hyödyt:
Komposiiteilla on hyvä yhdistelmä mekaanisia ja rakenteellisia ominaisuuksia ja niille voidaan räätälöidä haluttuja ominaisuuksia.
Komposiitit ovat kevyitä materiaaleja ja niillä on korkea suhteellinen lujuus ja kimmomoduuli verrattuna perinteisiin materiaaleihin.
Komposiittien avulla voidaan keventää lopullisen tuotteen massaa.
Niillä on hyvä korroosion ja kemikaalien kesto.
Niiden valmistusprosessit, korjaus ja prosessointi ovat helpompia kuin metallien ja vahvistettujen sementtien.
Osien asennus ja purku ovat helppoja ja nopeaa.
Raaka-aineiden tehokas hyödyntäminen on mahdollista.
Lujitteiden orientoiminen haluttuun suuntiin on useimmissa tapauksissa mahdol-lista.
Vuotokohtien aiheuttamat ongelmat ja sään vaikutukset ovat merkityksettömiä materiaalille.
Komposiittien estetiikkaan voidaan vaikuttaa.
Haitat:
Komposiiteilla on matala leimahduspiste johtuen polymeerimatriisista.
Biokomposiitit ovat alttiita biologisille vaikutuksille.
Polymeerikomposiitit eivät sovellu korkeisiin lämpötiloihin.
Komposiittien hinta on korkea verrattuna joihinkin materiaaleihin.
Komposiittien väri haalistuu jatkuvassa auringonvalossa.
Biokomposiittien kulutuskestosta ei ole paljoa kirjallista tietoa. Shuhimi et al. tutkivat luonnonkuitu/epoksikomposiittimateriaalin kulumiskäyttäytymistä eri lujitemäärillä.
Tutkimuksissa käytettiin öljypalmu- ja kenaf-kuituja. Lujitemäärät vaihtelivat 30 - 70
m-% välillä. Öljypalmukuitukomposiiteilla oli arvoltaan pienempi kuluma kuin kenaf-kom-posiiteilla. Lämpötilan noustessa komposiittien kulumisnopeus kasvoi ja kitkakerroin laski. Lujitemäärän kasvu kasvatti öljypalmukuitukomposiittien kuluma-arvoa mutta laski kenaf-komposiitin kuluma-arvoa. Kulutustestinä käytettiin pin-on-disc-menetelmää [118].
Yallew et al. tutkivat hamppukuitu/PP komposiittien kulumista ja liukukerrointa. Lujite-määrät olivat 30, 40 ja 50 m-%. Kulutustutkimukset tehtiin pin-on-disc-laitteistolla käyt-täen eri nopeuksia ja punnuksia. Testitulosten mukaan hamppukuidun lisäys parantaa ku-lutuskestoa pelkkään matriisiin verrattuna. Erityisesti suhteellinen kulumisnopeus laski pelkkään matriisiin verrattuna [119].
6.5 IPN- ja SIPN-biokomposiitit
IPN- (interpenetrating polymer network) ja SIPN- (semi-interpenetrating polymer net-work) komposiitit ovat jääneet vähälle huomiolle biokomposiittien alati kasvavalla tutki-musalalla. IPN:t ovat faasierottuneita materiaaleja, joissa faasit ovat pakotetussa yhteen-sopivuudessa tasapainotilassa. Suurin osa IPN:sta koostuvat faasierottuneista alueista ja polymeeriketjujen sekoittumista tapahtuu vain faasien rajapinnoilla. Faasialueet ovat kooltaan kymmenistä nanometreistä muutamiin mikrometreihin [120]. Kuvassa 31 on esi-tetty erilaisia polymeerirakenteita.
Kuva 31. Erilaisia materiaalikombinaatioita: A) polymeeriseos, B) IPN-rakenne, C) SIPN-rakenne ja D) ristisilloittunut polymeeri (muokattu) [120].
IPN sisältää vähintään kaksi erillistä polymeeriverkostoa, jotka voidaan valmistaa saman-aikaisesti tai erikseen. Kirjallisuudessa näihin viitataan termeillä simultaneous- ja sequen-tial IPNs. Samanaikaisesti valmistetussa IPN-komposiitissa sekoitetaan kummankin po-lymeerin esipolymeerit/monomeerit ja ristisilloitusaineet. Näiden väliset reaktiot johde-taan loppuun samanaikaisesti pyrkien välttämään verkostojen välisten reaktioiden tapah-tumista. Todellisuudessa samanaikaisesti valmistetut verkostot eivät kuitenkaan valmistu täysin samanaikaisesti, vaan toinen verkosto rakentuu ennen toista ja toimii ns. isäntäpo-lymeerinä. Yleisimmät verkostojen luontitavat IPN-komposiiteissa ovat polyadditio- ja radikaalipolymerointi. Joissakin harvoissa tapauksissa käytetään myös anionipolyme-rointia. Jaksotetussa valmistustavassa valmistetaan ensin ensimmäinen verkosto, jonka jälkeen seuraa toisen verkoston polymerointi [121].
SIPN:ssä toinen polymeereistä on lineaarinen polymeeri. Myös niitä voidaan valmistaa samanaikaisesti tai jaksotetusti riippuen siitä, miten lineaarinen polymeeri tuodaan mate-riaaliin. Se voi toimia ns. isäntäpolymeerinä jaksotetussa polymeroinnissa tai ns. vieras-polymeerinä. Jälkimmäisen isäntäpolymeeri on turvotettu lineaarisen polymeerin mo-nomeereilla, jotka muodostavat lineaarisen polymeerin. Samanaikaisessa valmistuksessa kaikki sekoitetaan ja seos ristisilloitetaan, mikä muodostaa SIPN-verkoston [121].
IPN-komposiitteja voidaan luokitella faasierottumisen syntymekanismin kautta, joita ovat nukleaatiolla tai spinodaalinen hajoaminen. Näillä on merkitystä syntyvän materiaa-lin fysikaalisiin ja morfologisiin ominaisuuksiin. Yleisesti samanaikaisesti valmistetut verkostojen faasierottuminen syntyy spinodaalisella hajoamisella, kun taas jaksotetusti valmistetut syntyvät nukleaation kautta [121].
Morfologisuutta tarkasteltaessa IPN-komposiitit voidaan jakaa ideaalisiin, osittain risteä-västi verkostoituneisiin ja faasierottuneisiin. Ideaalinen IPN-komposiitti on systeemi, jolla polymeeriketjuista koostuvat verkostot risteävät molekyylisellä tasolla ja verkostot ovat tasaisesti sekoittuneet. Käytännössä tällaista lopputulosta ei kuitenkaan ole mahdol-lista saada aikaan johtuen raaka-aineiden termodynaamisesta yhteensopimattomuudesta.
Osittain risteävät IPN-komposiitit ovat seurausta epätäydellisestä komponenttien sekoi-tuksesta. Suurin osa tutkimuksista käsittelee osittain risteäviä IPN-komposiitteja [121].
Kahden polymeerin yhdistämiseen IPN-muotoon tai sekoituksesi on perusteltua haetta-essa materiaalille parempia ominaisuuksia, kustannusten laskua tai prosessoinnin paran-tamista. Polymeeriketjujen ristisilloittamisella voidaan parantaa materiaalin ketjujen in-tegroitumista ja vähennettyä ketjujenvälistä liikkumista, mikä johtaa kimmomoduulin kasvuun. Tällä on kuitenkin heikentävä vaikutus murto-ominaisuuksiin. Yksi tapa estää tämän tapahtuminen on modifioida polymeeriketjujen verkostosta IPN-rakenteinen [120].
IPN-rakenteita käytetään yleisimmin iskunkestävissä muoveissa ja vahvistetuissa ku-meissa. Iskunkestävissä muoveissa toisen polymeerin tehtävä on käyttäytyä käyttöläm-pötilassa muovimaisesti ja toisen elastisesti. Muita sovelluskohteita ovat erilaiset mekaa-nisten ja akustisten värähtelyjen vaimennussovellukset, kengän pohjat, huokoiset materi-aalit, puskurit, adhesiivit, eristeet, tiivisteet ja eräät lääketeollisuuden sovellukset [120].
6.6 Biokomposiittien elinkaaren määritys
Biokomposiittien vaikutusta ympäristöön voidaan kartoittaa LCA:lla (Life-Cycle-Asses-ment). Sen avulla määritetään tuotteen vaikutukset vaihe vaiheelta sen elinkaaren ajalta.
Näin saadaan arvioitua biokomposiittien todelliset ympäristövaikutukset. Standardi DIN ISO14040:2009-11 sisältää tarkan määritelmän LCA-tekniikasta [122]. Kuvassa 32 on kuvattu LCA:n kaaviokuva ja kulku [5].
Kuva 32. LCA-kaavio ja arviointitulosten soveltamissuuntia [5].
LCA koostuu neljästä vaiheesta, jotka on lueteltu alla 1. Tavoitteiden ja soveltuvuusalan määritys
2. Prosessin vaiheistaminen osiin ja yksikkötarkastelu 3. Vaikutusten arviointi ja ympäristövaikutus
4. Tulosten analysointi [5].
LCA-tarkastelussa on tärkeää rajata haluttu tarkastelukulma, jotta tuloksena saadaan ha-lutun laajuinen näkökulma tuotteen tai materiaalin vaikutuksista. Tarkastelukulmaksi voi-daan ottaa esim. globaalit, alueelliset tai paikalliset vaikutukset. Taulukossa 10 on lueteltu erilaisia vaikutuksia eri tarkastelukulmiin [5].
Taulukko 10. Vaikutuslaajuuksia ja esimerkkejä vaikutuksesta [5].
Globaali Alueelinen Paikallinen
Energiaresurssien käyttö Otsonin muodostuminen Suora vaikutus kasvillisuuteen tai eliöstöön
Vaikutukset otsonikerrokseen Happamuuden muutokset Partikkelipäästöt Vaikutukset kasvihuoneilmiöön Jätteiden määrä Melu
Ongelmajättäiden määrä Rehevöityminen
Ekotoksisuus
Vaikutukset ihmiseen
6.7 Kierrätys
Perinteisten muovien kierrätys on vakiintunut käytäntö teollisuudessa ja niiden kierrätys on pääosin saatu kustannustehokkaaksi. Biopohjaisten polymeerien tulo markkinoille ai-heuttaa huolta mm. perinteisten kierrätyspolymeerien kontaminoitumisesta ja tämän vai-kutuksesta kierrätyspolymeerien ominaisuuksiin. Biopolymeerijätteiden erottelu tuottaa lisää kustannuksia. Tämän vuoksi uusille biopohjaisille materiaaleille tarvitaan tulevai-suudessa uusi kustannustehokas, hyötysuhteeltaan korkea ja ekonominen kierrätysrat-kaisu, joka ei vaaranna perinteisten kierrätysmenetelmien toimintaa [122].
Tehokkaan kierrätysratkaisun mahdollistuminen edellyttää raaka-ainetuottajien, valmis-tajien ja energia- ja ympäristöjärjestöjen yhteistyötä. Tämä koskee sekä bio- että raakaöl-jypohjaisia materiaaleja. Muita vaikuttavia tekijöitä ovat tuotteen kompleksisuus, suun-nittelu, koostumus ja purkumahdollisuudet [1].
Biokomposiittien kohdalla tuotteet voidaan jakaa 3 pääryhmään, jotka ovat hajoamatto-mat termoplastiset biokomposiitit, termoset-biokomposiitit ja hajoavat biokomposiitit.
Biohajoavat polyolefiinit, polyamidit ja aromaattiset polyesterit on tarkoitus sisällyttää raakaöljypohjaisten termoplastisten polymeerien kierrätysvirtaan. Tämä on merkittävä etu näiden polymeerien käytön kannalta. Perinteisiä kierrätysvaihtoehtoja ovat mekaani-nen ja kemiallimekaani-nen kierrätys. Näistä mekaanimekaani-nen kierrätys on teoreettisesti mahdollimekaani-nen kaikille termoplasteille. Kemiallinen kierrätys on mahdollinen kondensaatiopolymee-reille, kuten polyamideille tai polyestereille [1].
Termoset-biokomposiittien kohdalla kierrätys on hankalampaa materiaalin sisältämien kemiallisten ristisiltojen vuoksi. Sekä raakaöljypohjaiset että biopohjaiset termoset-kom-posiitit sisältävät ristisiltoja. Yksittäiset termoset-polymeerit, kuten polyuretaanit, voi-daan muuntaa takaisin monomeereiksi, mutta suurimmalle osalle termoset-polymeereistä tämä ei ole mahdollista. Lisäksi mahdolliset lujikkeet, kuten lasi- tai hiilikuidut, vaikeut-tavat jätteenkäsittelyä. Kierrätysnäkökulmasta termoset-komposiittien kohdalla ei synny eroa raaka-ainelähteiden myötä, vaan biopohjaiset termoset-komposiitit aiheuttavat sa-mat kierrätysongelsa-mat verrattuna raakaöljypohjaisiin [1].
Nykyisin perinteisen komposiittien polttokierrätyksen rinnalle on kehitetty uusia vaihto-ehtoja. Esimerkiksi komposiittien mekaanisessa jauhamisessa syntyvä jauhe voi toimia fillerinä uusissa komposiiteissa tai sementeissä. Myös erilaisia tekniikoita, kuten pyro-lyysiä ja leijukerrosprosesseja (fluidized bed -process) tutkitaan jatkuvasti. Luonnonkui-tujen käyttäminen komposiiteissa tuottaa näitä kierrätysmenetelmiä huomioiden ongel-mia luonnonkuitujen matalan lämmönsiedon ja biohajoavuuden myötä [1].
Biohajoavat ja kompostoitavat biopolymeerit ja biokomposiitit voidaan kierrättää monin eri tavoin. Termoplastiset biopolymeerit, kuten PLA, voidaan kierrättää mekaanisesti ja
kemiallisesti. Myös näistä valmistettujen biokomposiittien mekaaniset kierrätysmahdol-lisuudet vaikuttavat eri tutkimusten mukaan lupaavalta. Kolmas kierrätysvaihtoehto näille on kompostointi. Esimerkiksi PLA voidaan kompostoida laitosolosuhteissa, jossa vallitsevat olosuhteet aiheuttavat polymeerin pilkkoutumista ja näin edelleen mahdollis-taa luonnollisten hajottajaorganismien toiminnan. Puhdasta biopolymeeriä voidaan hyö-dyntää vain harvoissa käyttötarkoituksissa, jonka vuoksi niihin lisätään lisäaineita.
Biopolymeerien biohajoavuus riippuu polymeerin koostumuksesta ja mahdolliset lisäai-neet voivat vaikuttaa paljon materiaalin hajoamiseen. Biopohjaisten ja biohajoavien po-lymeerien ja biokomposiittien kierrätykseen tulee kuitenkin suhtautua toistaiseksi va-rauksella, koska niiden kierrätystä ei ole vielä testattu suuressa mittakaavassa tämänhet-kisellä kierrätysinfrastruktuurilla [1].
6.8 Muiden materiaalien korvaaminen biokomposiiteilla
Luonnonkuiduilla pyritään korvaamaan erityisesti lasikuitua perinteisissä komposiiteissa.
Puufillereille löytyy jatkuvasti uusia käyttökohteita rakennussovelluksissa. Täysin bioha-joavilla komposiiteilla pyritään korvaamaan erityisesti pakkaussovelluksia. Täysin bio-pohjaisille, joskin ei biohajoaville, biokomposiiteille löytyy jatkuvasti kysyntää erilaisiin sovelluksiin. Biopohjaisten polymeerien hinta on ollut osaksi esteenä niiden käytön yleis-tymiselle. Niitä on pyritty vahvistamaan erilaisilla luonnonkuiduilla, joiden avulla niiden hintaa saadaan laskettua ominaisuuksia heikentämättä [1].
Luonnonkuitukomposiiteilla pyritään pääasiassa korvaamaan tuote tekemällä siitä kevy-empi. Tutkimusten mukaan niitä voidaan käyttää sovelluksissa, joissa edellytetään koh-talaista lujuutta, jäykkyyttä ja keveyttä. Niillä on paljon sovelluksia autoteollisuudessa, jossa on pitkään ollut trendinä mm. korvata erilaisia lasikuitukomposiitteja luonnonkui-tukomposiiteilla. Tällä lasketaan auton kokonaismassaa, jota pienentämällä polttoaineen kulutus laskee. Luonnonkuitukomposiiteilla voidaankin laskea auton lopullista ympäris-tövaikutusta tehokkaasti [123].
Nykyisin kestävyys, turvallisuus ja kustannukset ovat merkittävimpiä tekijöitä materiaa-lia valitessa. Koska biomateriaalit ovat autossa verrattain uusia, autoteollisuudessa kehi-tetään varovasti uusia sovelluskohteita niille. Tämän taustalla ovat vielä uuden
Nykyisin kestävyys, turvallisuus ja kustannukset ovat merkittävimpiä tekijöitä materiaa-lia valitessa. Koska biomateriaalit ovat autossa verrattain uusia, autoteollisuudessa kehi-tetään varovasti uusia sovelluskohteita niille. Tämän taustalla ovat vielä uuden