POLYMEERIEN JA HIILIKUITUJEN KEMIAA RATSASTUSHARRASTUKSESSA
Sari Kinnunen
Pro gradu -tutkielma Kemian laitos Materiaalikemia
690/2021
POLYMEERIEN JA HIILIKUITUJEN KEMIAA RATSASTUSHARRASTUKSESSA
Kinnunen, Sari Anne Katariina
Ohjaajat: Leila Alvila, Kari Sormunen, Mika Suvanto
Itä-Suomen yliopisto, Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta
Kemian laitos, Matemaattisten aineiden aineenopettajan ja luokanopettajan koulutus Kesäkuu 2021
TIIVISTELMÄ
Tutkielmassa on tutkittu polymeerien ja hiilikuitujen kemiaa, sekä toteutettu niiden pohjalta hevosaiheinen opetusmateriaali, jonka ensisijainen tavoite on motivoida opiskelijaa kemian opiskeluun hänen oman mielenkiinnonkohteensa avulla. Hevosharrastuksen kemiaa - opetusmateriaalikokonaisuuteen kuuluu laajasti erilaisia hevosiin liittyviä aiheita ja niihin soveltuvia oppiainesisältöjä. Tässä tutkielmassa on esitelty opetusmateriaalikokonaisuuden kaksi materiaalikemian aihetta, jotka ovat Ratsastuspohjiin ratkaisuja polymeereista ja Suojaa hiilikuidusta sekä perehdytty syvemmin näiden aiheiden taustalla vaikuttavaan kemiaan.
Ensimmäinen osa Ratsastuspohjiin ratkaisuja polymeereista käsittelee polymeerejä Geopat- kuitujen avulla. Ne helpottavat pintamateriaalina hevosen liikkumista ja vähentävät hevosen niveliin kohdistuvaa rasitusta. Geopat-kuitujen raaka-aineita ovat polypropeeni ja polyesteri polymeerit. Polymeerit ovat suuria orgaanisia makromolekyylejä, jotka muodostuvat polymeroitumisreaktiossa pienemmistä orgaanisista yhdisteistä, monomeereista. Propeeni polymeroituu additioreaktiolla polypropeeniksi ja polyesteri rakentuu puolestaan polykondensaatioreaktiolla. Kuitu on polymeeristä valmistettu nauhamainen partikkeli, jossa polymeeriketjut ovat asettuneet pääosin kuidun pituuden suuntaisesti. Kehrätyistä kuiduista tai kuitukimpuista saadaan lankaa, jota kutomalla valmistuu lopulta kangas.
Toisessa osassa esitellään Suojaa hiilikuidusta -opetusmateriaali, jossa käydään läpi lyhyesti hiili alkuaineena ja hiilen allotrooppiset muodot: grafiitti, timantti, fullereeni ja hiilikuitu.
Hiilellä on alkuaineena erityinen kyky muodostaa sidoksia ympäröiviin atomeihin. Se voi esiintyä luonnossa monessa eri allotrooppisessa muodossa, joita ovat grafiitti, timantti ja fullereeni.S Grafiitti rakentuu säännöllisestä kerrostuneista grafeenilevyistä, jotka muodostuvat heksagonaalisesti sitoutuneista hiiliatomista. Hiilikuitu omaa grafiitin kaltaisen rakenteen, mutta sisältää grafiitin kiteisen rakenteen lisäksi amorfisia osia, joissa grafeenilevyt ovat kerrostuneet epäsäännöllisesti. Hiilikuitu on erityisen hyvä materiaali hevosten jännesuojien valmistukseen. Sen iskunkestävyys, lujuus ja keveys antavat tehokasta suojaa hevosen etujalan herkille rakenteille.
Tutkielmaa voidaan hyödyntää lukion ja peruskoulun 7.–9. -luokkalaisten opetuksessa tämänhetkisessä muodossaan tai sovelletusti. Aiheiden liittäminen muihin oppiaineisiin, kuten fysiikkaan ja biologiaan on luontevaa. Samankaltaisia opetusmateriaaleja pystyttäisiin toteuttamaan eri mielenkiinnon kohteiden näkökulmasta sekä soveltamaan eri oppiaineisiin ja kohderyhmiin. Tätä tutkielmaa on mahdollista jatkaa tekemällä opetusmateriaalipaketti kokonaisuudessaan valmiiksi ja tutkimalla sen vaikutuksia erilaisiin opiskelijoihin ja heidän motivaatioonsa esimerkiksi kyselytutkimuksella.
Avainsanat: Hiilen kemiaa, Hiilikuidut, Hevosharrastus, Kemian opetus,
Polymeerikuidut
CHEMISTRY OF POLYMERS AND CARBON FIBERS IN HORSEBACK RIDING
Kinnunen, Sari Anne Katariina
Supervisors: Leila Alvila, Kari Sormunen, Mika Suvanto University of Eastern Finland, Faculty of Science and Forestry Department of Chemistry, Chemistry Teacher Education Program June 2021
ABSTRACT
The thesis has studied the chemistry of polymers and carbon fibres and a horse-themed teaching material has been made on the basis of them. The primary objective of the material is to motivate the student to study chemistry through his own interest. The Chemistry of Horse Hobby Teaching Materials includes a wide variety of topics related to horses and appropriate subject content associated to them. This thesis is delineated to two topics of material chemistry from the educational material set, which are Solutions to Equestrian Bases from Polymers and Protection from Carbon Fibre. The underlying chemistry of these polymersand carbon fibre has been reviewed.
The first part of this theses handles the topic of Solutions to Equestrian Bases from Polymers.
There the chemistry of polymers is treated with the help of Geopat fibres.Geopat fibres are made of polypropylene and polyester fibres and fabrics. Polymers are large organic compounds, which are constructed from smaller organic compounds; monomers. Polypropylene is formed by an addition reaction and polyesters are formed by condensation reaction. Fibre is a banded particle with polymer chains orientated along the length of the fibre. The yarn is formed by fibres and the fabric consist regular order of woven yarn.
The second part of the thesis handles the topic of Protection from Carbon Fibre. There has been a brief run through of carbon as an element and the allotropic forms of carbon: graphite, diamond, fullerene and carbon fibre. As an element, carbon has special ability to form bonds with surrounding atoms. It can occur in nature in numerous different allotropic forms, which include graphite, diamond, and fullerene. Graphite is constructed from regular stratified graphene sheets formed by hexagonally bound carbon atoms. Carbon fibre own a graphite-like structure, but it contains graphite crystalline structure in addition to amorphous parts where graphene plates are irregularly deposited. Carbon fibre is an excellent material for the manufacture of tendon protectors for horses. Its shock resistance, strength and lightness provide effective protection for the delicate structures of the horse's front foot.
The thesis can be utilized in their current form or applied in the teaching of the high school and the middle school grades from 7th to 9th. Linking subjects from the material to other school subjects such as physics and biology is inherent. Similar teaching materials would be able to be
implemented from the perspective of different interests and applied to different subjects and focus groups. It is possible to continue this thesis by completing the whole package of educational materials and examining its effects on different pupils and their motivation, for example through survey research.
Keywords: Carbon Chemistry, Carbon Fibers, Horse Hobbies, Chemistry
Teaching, Polymer Fibers
SISÄLLYS
LYHENTEET ... 6
1. JOHDANTO ... 7
2. RATSASTUSPOHJIIN RATKAISUJA POLYMEEREISTA ... 8
2.1. OPETUSMATERIAALI ... 8
2.2. POLYMEERIKEMIAA ... 9
2.2.1. POLYPROPEENI ... 10
2.2.2. POLYESTERI ... 12
2.2.3. POLYMEERIEN JATKOKÄSITTELY... 13
3. SUOJAA HIILIKUIDUISTA ... 15
3.1. OPETUSMATERIAALI ... 16
3.2. HIILIKUIDUN KEMIAA ... 16
3.2.1. HIILI JA HIILEN ALLOTROPIA ... 16
3.2.2. HIILIKUITU ... 19
4. JOHTOPÄÄTÖKSET ... 24
VIITTEET ... 25
LIITTEET ... 27
LYHENTEET
CFRP Hiilikuitulujitteinen polymeerikomposiittimateriaali CPP Blokkikopolymeeri
DGT Dietyyliglukolitereftalaatti DMT Dimetyylitereftalaatti
HPP Homopolymeeri
ICT Ramdomblokkikopolymeeri PAN Polyakryylinitriini
PET Polyetyleenitereftalaatti
PP Polypropeeni
PTA Tereftalaattihappo RCP Randomkopolymeeri
1. JOHDANTO
Idea tutkielman aiheeksi syntyi, kun yritin selittää yläkouluikäiselle tuttavalleni, kuinka kemiaa on kaikkialla ympärillämme. Hänellä oli vaikeuksia ymmärtää kemiaa ja sen merkitystä oppiaineena. Mietin yhteisen harrastuksemme kautta, kuinka voisin liittää kemian sisältöjä hänen merkitysmaailmaansa ja motivoida häntä sen avulla kemian opinnoissa. Syntyi ajatus opetusmateriaalista, joka olisi tehty opiskelijan oman mielenkiinnonkohteen näkökulmasta.
Hevosharrastuksen kemiaa -opetusmateriaalikokonaisuuteen kuuluu laajasti erilaisia hevosiin liittyviä aiheita ja niihin soveltuvia oppiainesisältöjä. Liitteen A. taulukossa on lueteltu esimerkkejä opetusmateriaalin aiheista ja niihin sopivista kemian sisällöistä lukiossa sekä vuosiluokilla 7.-9. Opetusmateriaalikokonaisuudessa on runsaasti erilaisia aiheita eri kemian aloilta. Aiheiden monipuolisuudella on haluttu auttaa opiskelijaa ymmärtämään, kuinka kemiaa on kirjaimellisesti kaikkialla. Oppiaineen laajuuden ja monipuolisuuden ymmärtäminen omassa ympäristössä kasvattaa kokemusta siitä, kuinka merkityksellinen kemia oppiaineena on. Kokonaisuuden aihepiirit on jaettu liitteessä orgaaniseen kemiaan, epäorgaaniseen kemiaan sekä materiaalikemiaan.
Tämä tutkielma on rajattu opetusmateriaalikokonaisuuden kahteen materiaalikemian aiheeseen.
Tutkielmassa perehdytään polymeerien ja hiilikuitujen kemiaan sekä esitellään niiden pohjalta rakennetut opetusmateriaalit. Opetusmateriaalit näihin kahteen aiheeseen löytyvät tutkielman Liitteenä B. Ensimmäinen tutkielman osa Ratsastuspohjiin ratkaisuja polymeereista käsittelee polymeerejä. Toinen osa Suojaa hiilikuidusta käsittelee hiilen allotrooppisia muotoja ja hiilikuitua.
Opiskelijoiden opiskelumotivaatioon vaikuttaa olennaisesti se, miten hyödylliseksi, kiinnostavaksi ja tärkeäksi opiskelija kokee oppiaineen. Motivaatiota on tutkittu paljon ja sen perusteista on laadittu useita erilaisia teorioita. Odotusarvoteoriassa motivaatio perustuu opiskelijan tunteeseen siitä, kuinka hyvin hän kykenee suoriutumaan oppiaineessa ja toisaalta siitä, kuinka arvokkaana hän oppiainetta pitää. Opetusmateriaalin tavoite on kasvattaa opiskelijan oppiainetta kohtaan kokemaa arvostusta nostamalla opiskelijan odotusarvoteorian mukaista kiinnostus-, tärkeys- ja hyötyarvoa opetusmateriaalin avulla. Kiinnostusarvolla viitataan siihen, kuinka paljon yksilöä kiinnostaa opetusmateriaali ja kuinka paljon hän pitää siitä. Tärkeysarvo kertoo, kuinka tärkeänä opiskelija kokee opetusmateriaaliin sitoutumisen ja sen sisäistämisen oman identiteettinsä kannalta. Hyötyarvo kertoo, kuinka hyödylliseksi opetusmateriaali koetaan tulevaisuuden kannalta, eli miten opetusmateriaalin sisäistäminen vaikuttaa opiskelijan muiden suunnitelmien toteutumiseen ja päämäärien saavuttamiseen.1 Hevosharrastuksen kemiaa -opetusmateriaalikokonaisuuden tavoitteena on motivoida opiskelijaa kemian opiskeluun hänen oman mielenkiinnonkohteensa avulla. Tällöin kemiaan liitetään aihe, joka itsessään jo kasvattaa opiskelijan kiinnostusarvoa materiaalia kohtaan. Myös tärkeysarvo oppiainetta kohtaan kasvaa, kun siihen liitetään opiskelijan harrastus, sillä aihe koskettaa opiskelijaa silloin oman identiteetin tasolla. Tarkoitus on auttaa opiskelijaa ymmärtämään kemian merkityksellisyys yksilöille ja yhteiskunnalle. Opiskelijalle hahmottuu opetuskokonaisuuden myötä paremmin kemian kyky ratkaista ongelmia sekä oppiaineen
jatkokoulutus- ja työelämämahdollisuudet. Näiden elementtien myötä opiskelijan hyötyarvo oppiainetta kohtaan kasvaa. Nämä opetuskokonaisuuden tavoitteet kulkevat käsi kädessä myös lukion opetussuunnitelman ja peruskoulun opetussuunnitelman vuosiluokkien 7.–9. kemian oppiainekohtaisien tavoitteiden kanssa. Myös nämä tavoitteet pyrkivät vaikuttamaan myönteisesti opiskelijoiden kokemiin merkityksiin, asenteisiin ja arvoihin kemian oppiainetta kohtaan.2,3
Tutkielman rakenne koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa esitellään lyhyesti Ratsastuspohjiin ratkaisuja polymeereista -opetusmateriaali, jonka jälkeen perehdytään syvemmin kemiaan polymeerien taustalla. Seuraavassa luvussa esitellään ensin lyhyesti Suojaa hiilikuidusta -opetusmateriaali, minkä jälkeen perehdytään puolestaan hiilikuidun taustalla vaikuttavaan kemiaan. Lopuksi pohditaan tutkielman käytettävyyttä sekä muutos-, soveltamis- ja jatkotutkimusmahdollisuuksia aiheen piirissä.
2. RATSASTUSPOHJIIN RATKAISUJA POLYMEEREISTA
Hevosen jalkoihin kohdistuu paljon rasitusta liikkeen aikana. Tämän vuoksi on äärimmäisen tärkeää kiinnittää huomiota siihen, millaisella pohjalla hevosta säännöllisesti liikutetaan.
Ratsastuspohjalla tarkoitetaan tässä yhteydessä hevosen liikutukseen tarkoitettua sisä- tai ulkokenttää. Ratsastuspohjan tulee olla riittävän kantava, liukumaton, joustava ja pitävä.
Lisäksi pohjan tulisi imeä ja päästää läpi sopivassa suhteessa vettä, eikä se saisi tiivistyä liikaa kasaan. Nämä ominaisuudet helpottavat hevosen liikkumista, pienentävät loukkaantumisriskiä sekä pidentävät hevosten käyttö- ja kilpailuikää pienentämällä jalkoihin kohdistuvaa rasitusta.4 Erilaisia pohjamateriaaleja ja ratkaisuja löytyy monia. Toimivimpien ratkaisujen saavuttamiseksi tulee huomioida ratsastuskenttien käyttötarkoitus ja sijainti. Osa ratsastuspohjien halutuista ominaisuuksista saavutetaan hyvällä kentän suunnittelulla ja rakennekerrostamisella. Osa halutuista ominaisuuksista saavutetaan puolestaan oikealla pintakerroksen materiaalilla. Mahdollisia pintamateriaaleja ovat esimerkiksi Geopat-kuidut.
Geopat-kuidut rakentuvat muun muassa polypropeeni ja polyesteri polymeereista, jotka on muokattu edelleen kuiduiksi ja kankaiksi.5
2.1. OPETUSMATERIAALI
Opetusmateriaalissa käsitellään Geopat-kuitujen avulla polypropeeni ja polyesteri polymeerit, niiden polymeroitumisreaktiot sekä jatkokäsittely kuiduiksi, langoiksi ja kankaiksi.
Materiaalissa selitetään käsitteet monomeeri, polymeeri, polymeroituminen, polyadditio- ja polykondensaatioreaktio. Lisäksi esitellään Geopat-kuidut, niiden ominaisuudet ja vaikutukset ratsastuspohjiin pintamateriaalina.
Opetusmateriaalin osa sopii hyvin käsiteltäväksi lukion moduulissa KE4 Kemiallinen reaktio, sillä moduulin keskeisiin sisältöihin kuuluvat polymeroituminen, polymeerit, niiden ominaisuudet ja elinkaari, sekä additio- ja kondensaatioreaktiot. Opetusmateriaali tukee
erityisesti moduulin tavoitetta antaa opiskelijalle kokonaiskuva kemian moninaisuudesta ja merkityksestä yhteiskunnassa. Opetusmateriaali tukee myös hyvin oppiaineen laaja-alaista tavoitetta auttaa opiskelijaa ymmärtämään, kuinka kemia tarjoaa ratkaisuja ympäristön ja ihmisten hyvinvoinnin turvaamiseen yhteiskunnassa.2
2.2. POLYMEERIKEMIAA
Polymeerit ovat suuria orgaanisia makromolekyylejä. Ne muodostuvat useista pienemmistä orgaanisista molekyyleistä, joita kutsutaan monomeereiksi. Kuvassa 1. esimerkiksi propeenimonomeerista muodostuu polypropeeni. Monomeerit muodostavat yhteen liittyessään pitkän yhtenäisen ketjun.6
Kuva 1. Propeenin polymeroituminen polyadditioreaktiolla.
Polymeerin muodostumisreaktiota kutsutaan polymeroitumiseksi.6 Polymeroitumisreaktiot voidaan jakaa polymeeriketjun muodostumismekanismin mukaan ketjupolymeraatio- eli polyadditioreaktioihin ja askelpolymeraatio- eli polykondensaatioreaktioihin.7 Kuvan 1.
propeenimolekyylin polymeroituminen on esimerkki polyadditioreaktiosta. Tyydyttymättömät yhdisteet polymeroituvat usein polyadditiolla, jolloin yhdisteen kaksois- tai kolmoissidokset aukeavat ja molekyylit yhdistyvät toisiinsa pitkiksi ketjuiksi. Tällöin polymeeri muodostuu vain yhdenlaisista toistuvista rakenneyksiköistä.6 Polykondensaatioreaktiossa polymeeri muodostuu kahdesta tai useammasta orgaanisesta yhdisteestä. Reaktiossa yhdisteiden funktionaaliset ryhmät reagoivat keskenään, jolloin syntyvästä polymeeristä irtoaa jokin pieni molekyyli, kuten vesi.8 Polyesterin polymeroituminen tapahtuu kondensaatioreaktiolla Kuvan 2. mukaisesti.7
Kuva 2. Polyesterin kondensaatioreaktio.
Yksi polymeroitumisen reaktiomekanismi on kopolymeroituminen.8 Näin syntynyttä polymeeriä kutsutaan kopolymeeriksi, koska se on muodostunut kahdesta tai useammasta toistensa kanssa reagoineesta monomeerista.6 Kopolymeerin toistuvat rakenneyksiköt muodostuvat siis useammasta kuin yhdestä toisiinsa liittyneestä molekyylistä.
Kopolymeroitumisreaktio voi tapahtua sekä polyadditio- että polykondensaatiomekanismilla.8 Muita erilaisia polymeroitumisreaktioita on paljon ja niitä ovat esimerkiksi radikaali-, ioni-, katalyytti-, ja renkaan aukaisu polymeroitumisreaktiot.7
Polymeerityypit voidaan jakaa luokkiin esimerkiksi ominaisuuksien, rakenteen tai käyttötarkoituksen mukaan.8 Erilaisia tapoja luokitella polymeerejä on esitetty Taulukossa 1.
Taulukko 1. Erilaisia polymeerien luokittelutapoja.8
Luokittelun peruste Polymeerien tyypit
Alkuperä Luonnolliset, semisynteettiset ja synteettiset polymeerit
Muodostumismetodi Additio- ja kondensaatiopolymeerit Kemiallinen koostumus Homo- ja kopolymeerit
Polymeeriketjun luonne Lineaariset, haaroittuneet ja verkkorakenteiset polymeerit
Taktisuus Isotaktiset, syndiotaktiset ja ataktiset polymeerit Termiset ominaisuudet Kerta- ja kestomuovit
Fysikaalin luonne ja käyttökohde Muovit, kuidut, kumit ja pinnoitteet
Fysikaalinen olomuoto Amorfiset, kiteiset, semikiteiset ja nestekiteiset (LCP) polymeerit
Sovellukset ja kaupallinen
näkökulma Raaka-ainepohjaiset (commodity), tekniset ja funktionaaliset polymeerit.
Polymeeriketjut voivat järjestäytyä esimerkiksi lineaarisesti, haaroittuneesti tai verkkorakenteisesti. Lineaarisesti järjestäytyneessä polymeerissä toistuvat rakenneyksiköt ovat liittyneet toisiinsa yksittäisiksi ketjuiksi. Kuitujen polymeeriketjut ovat esimerkiksi lineaarisia polymeeriketjuja.6 Muovit ovat kuitujen tapaan rakentuneet polymeereistä, mutta niiden polymeeriketjut eivät ole järjestäytyneet yhtä säännöllisesti ja yhdensuuntaisesti.8 Lineaariset ja haaroittuneet muovit ovat kestomuoveja, joita voidaan uudelleen sulattaa ja kovettaa lämpötilaa muuttamalla. Sulattaminen on mahdollista, koska polymeeriketjujen välillä ei ole kovalenttisia sidoksia, vaan ketjujen väliset heikot vuorovaikutukset voidaan purkaa lämpötilan avulla. Polymeeriketjun rakenne voi olla myös silloittunut verkkomaiseksi rakenteeksi, jolloin ketjut ovat liittyneet yhteen useilla kovalenttisilla sidoksilla. Tällaisia muoveja kutsutaan kertamuoveiksi, sillä niitä ei voida uudelleen muovata lämpötilan avulla.9
2.2.1. POLYPROPEENI
Polypropeeni (PP) koostuu nimensä mukaisesti propeenimonomeereista, joita polymeroidaan suuriksi polymeerimolekyyleiksi tai -ketjuiksi.10 (Kuva 1.) Polypropeeni luokitellaan valtamuoveihin, sillä se on yksi eniten käytetyistä muovilaaduista maailmassa. Sitä käytetään muun muassa laajasti kuitumuovina ja pakkausmateriaalien raaka-aineena.11
Propeenimolekyyli on epäsymmetrinen, sillä sen ensimmäiseen hiileen on liittynyt metyyliryhmä. Epäsymmetrisyyden vuoksi polymeeriketjut voivat järjestäytyä erilaisiin rakenne- ja stereoisomeerisiin muotoihin. Propeenin metyyliryhmään kiinnittyvää hiiltä
voidaan kutsua molekyylin ”pääksi” ja toisen hiiliatomin päätä ”hännäksi”. (Kuva 3.) Useimmat katalyytit kiinnittävät polymerisaatiossa propeenimolekyylit päästä häntään, mutta joskus myös virheellisesti päästä päähän tai hännästä häntään. Tämä on kuitenkin melko harvinaista.10
Kuva 3. Propeenimolekyylin rakenne.
Stereoisomeria on polypropeeniketjussa mahdollista, koska metyyliryhmä voi sijoittua ketjun molemmille puolille Kuvan 4. osoittamalla tavalla. Metyyliryhmien sijoittuessa samalle puolelle ketjua kutsutaan polypropeenia isotaktiseksi. (a) Metyyliryhmien ollessa vuoron perään ketjun eri puolilla kutsutaan polymeeriä syndiotaktiseksi. (b) Metyyliryhmän sijoittuessa sattumanvaraisesti ketjun molemmin puolin kutsutaan polymeeria ataktiseksi. (c) Kaupallinen polypropeeni on yleensä korkeataktista, mikä tarkoittaa sitä, että polypropeeni koostuu suurimmaksi osaksi isotaktisesti rakentuneesta ketjusta. Korkean taktisuuden omaavan polypropeenin fysikaaliset ja termiset ominaisuudet ovat kiinteässä muodossa hyvät ja se on eniten käytetty PP:n stereoisomeerityyppi. Ataktista PP:tä käytetään sen pehmeyden ja tahmaisuuden vuoksi lähinnä tiivistys- ja saumausaineissa. Syndiotaktista polypropyleeniä valmistetaan huomattavasti vähemmän sen huonompien ominaisuuksien vuoksi.10
Kuva 4. Polypropeenin (a) isotaktinen, (b) syndiotaktinen ja (c) ataktinen stereoisomeeri.
Polypropeenin valmistusmenetelmät kehittyvät rinta rinnan sekä katalyyttien kehityksen että muovituotteiden ja niiden markkinoiden kehityksen kanssa.10 Yksi tapa valmistaa PP:tä, on polymeroida propeenia Ziegler-Natta-katalyytin läsnä ollessa inertissä hiilivedyssä.9 Ziegler- Natta-katalyytin koostumus esitetty Kuvassa 5. Propeeni polymeroituu suhteellisen matalassa lämpötilassa, aktiivisen katalyytin avulla, kun reaktioaika on noin kahdeksan tuntia. Katalyyttiä ja valmistusmenetelmää muuttamalla voidaan valmistaa hyvin erilaisia polypropeenilaatuja.
Polypropeenin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa muun muassa sen isotaktisuuden määrää säätämällä tai lisäämällä joidenkin toisten monomeerien eli komonomeerien määrää polymeeriketjussa.9 Erilaisten rakenteiden vuoksi polypropeenien ominaisuudet poikkeavat suuresti toisistaan, joten myös niiden käyttökohde- ja sovellusmahdollisuudet ovat hyvin monimuotoisia.10
Kuva 5. Ziegler-Natta-katalyytin koostumus. (Mukailtu lähteestä 8.)
Polypropeenia valmistetaan kolmea eri päätyyppiä. Päätyypit ovat homopolymeeri, blokkikopolymeeri ja satunnais- eli randomkopolymeeri. Homopolymeeri (HPP) on eniten käytetty ja muodostuu yhteen liittyneistä propeenimolekyyleistä. Blokkikopolymeeri (CPP) sisältää propeenin lisäksi säännöllisiä eteenijaksoja.11 Randomkopolymeeri (RCP) on propeenista ja eteenistä muodostunut kopolymeeri, joka sisältää noin 1-8 % eteeniä.
Markkinoilta löytyy myös randomblokkikopolymeeri (ICT), joka on HPP:n ja RCP:n sekoitus.10,11
2.2.2. POLYESTERI
Polyesteri on yleisnimitys polymeereille, joiden polymeeriketju sisältää esterin funktionaalisen ryhmän. Polyesteri syntyy diolin ja diprotonihapon, kuten dikarboksyylihapon, välisessä kondensaatioreaktiossa.12 (Kuva 2.)
Polyesterit voidaan jakaa kesto- ja kertakäyttöisiin polymeereihin. Kestomuoveista käytetyin on polyetyleenitereftalaatti eli PET-muovi. Sen suosio perustuu polymeerin ominaisuuksiin, joihin kuuluu kemiallinen inerttiys, hyvä muokattavuus ja sitkeys, korkea sulamispiste, alhaiset kustannukset sekä kierrätettävyys. Kertakäyttöisiä polyesterimuoveja käytetään esimerkiksi elektroniikassa, rakentamisessa ja putkissa. Niiden etuina ovat kemiallinen kestävyys, suhteellisen alhainen hinta, nopea kovettuminen ja sähköiset ominaisuudet.13
PET on yleisin polyesteri ja erittäin monikäyttöinen muovi. Se kehitettiin alun perin tekstiilikuiduksi ja se onkin tämän hetken käytetyin synteettinen tekstiilikuitu. Lähes lasinkirkkaassa amorfisessa muodossaan PET-muovilla ei ole ominaishajua, eikä se myöskään ole myrkyllinen. Näiden ominaisuuksien vuoksi se soveltuu erinomaisesti myös elintarvikepakkausten materiaaliksi. Nykypäivänä sen yksi tunnetuimmista käyttökohteista
ovatkin siitä valmistettavat kierrätettävät PET-virvoitusjuomapullot. Kiteinen PET-muovi on vähemmän käytetty ja ominaisuuksiltaan hyvin erilainen verrattuna amorfiseen muotoon. Sitä käytetään muun muassa ruiskuvalutuotteiden raaka-aineena.11
Kaupallista PET-polyesteriä valmistetaan kahdella eri metodilla. Dimetyylitereftalaatti (DMT) -metodissa DMT reagoi katalyytin avulla etyleeniglykolin kanssa 150-200℃ lämpötilassa.
Katalyyttinä toimii tyypillisesti metallioksidi. Reaktiossa syntyy dietyyliglykolitereftalaatti (DGT)-monomeeri, joka polymeroituu katalyytin, yleensä metalliasetaatin, katalysoimassa reaktiossa PET-polymeeriksi reaktiolämpötilan ja paineen ollessa 265-268℃/1 mmHg. (Kuva 6.) Toinen tapa valmistaa PET-muovia on tereftalaattihappo (PTA) -metodilla. Siinä PTA reagoi 250-290℃ lämpötilassa etyleeniglykolin kanssa, metyylioksidikatalyytin läsnä ollessa.
Tuotteeksi saadaan DGT-monomeeri, joka polymeroituu PET-polymeeriksi.14 (Kuva 7.)
Kuva 6. DMT -polymerointimetodi.
Kuva 7. PTA -polymerointimetodi.
2.2.3. POLYMEERIEN JATKOKÄSITTELY
Kuitu on polymeeristä valmistettu nauhamainen partikkeli, jonka poikkileikkauksen mitta on huomattavasti pienempi verrattuna kuidun pituuteen. Siinä polymeeriketjut ovat asettuneet pääosin kuidun pituuden suuntaisesti, mikä parantaa kuidun vetolujuutta. Kuidut voidaan jakaa keinotekoisiin- ja luonnonkuituihin. Keinotekoiset kuidut voidaan jakaa edelleen orgaanisiin ja epäorgaanisiin kuituihin. Orgaanisiin kuituihin kuuluvat synteettiset kuidut ja regeneroidut kuidut. Polyesteri ja polypropeeni kuuluvat orgaanisiin synteettisiin kuituihin.6 (Kuva 8.)
Kuva 8. Kuitujen luokittelu.
Polyesteri- ja polypropeenikuitua voidaan valmistaa esimerkiksi kehruumenetelmällä. (Kuva 9.) Polymeerisilppu (1) kaadetaan ekstruuderiin, jossa se (2) sulaa lämmön vaikutuksesta, kunnes muovisula saavuttaa tarvittavan viskositeetin. (3) Sula polymeeri puristetaan läpi levystä, jossa on paljon pieniä reikiä. (4) Sula polymeeri puristuu rei’istä ohuina säikeinä ja jähmettyy kuiduksi lähes välittömästi päästyään tekemisiin ilman kanssa.6 (5) Kuidun lujuutta voidaan säätää vielä jälkikäteen venyttämällä kuitua pituussuunnassa.14
Kuva 9. Kehruumenetelmässä (1) polymeerisilppu kaadetaan ekstruuderiin. (2) Polymeeri sulatetaan lämmön avulla. (3) Sula polymeeri puristetaan läpi levystä, jossa on paljon pieniä reikiä. (4) Polymeerisula jähmettyy ilmassa kuiduksi. (5) Kuitua venytetään.
Kangaskuitu, kuten polypropeeni- ja polyesterikuidut, koostuvat polymeeriketjun kiteisistä ja amorfisista osioista. Kuidun kiteisyys riippuu jähmettymisajan pituudesta. (Kuva 10.) Polypropeeni- ja polyesterikuidut voivat olla muodoltaan pitkiä yksittäiskuituja (filaments) tai lyhyitä kuituja (stable fibres). Kuidut voivat koostua joko useasta eri polymeerista tai sisältää vain yhtä ainutta polymeeriä.14
Kuva 10. Kankaan kuitu muodostuu amorfisesta ja kiteisestä osasta.
Kuiduista voidaan valmistaa lankaa. Lanka muodostuu kehrätyistä kuiduista tai kuitukimpuista.9 Lanka voi sisältää Kuvan 11. mukaisesti (a) yhtä pitkää kuitua, (b) yhdestä tai useammasta polymeerista valmistettua pitkää kuitua tai (c) lyhyitä kuituja, jotka on kehrätty langan muotoon.14
Kuva 11. (a) Kuitu, (b) kuitukimppu ja (c) langaksi kehrättyä lyhyttä kuitua.11
Kangas valmistetaan langasta ja kuiduista, jotka on kudottu tiettyyn toistuvaan järjestykseen.9 Kankaan ominaisuuksiin vaikuttavat kuidun sisältämät polymeerit, langan laatu ja kankaan kudontamenetelmä. Polypropeenikankaan erityisominaisuuksia ovat esimerkiksi halpuus, lujuus ja hyvä kemiallinen kestävyys. Polyesterikankaille ominaista ovat puolestaan venymättömyys, kutistumattomuus ja helppohoitoisuus.14
3. SUOJAA HIILIKUIDUISTA
Hevosten jalkojen jänteiden ja nivelten suojaus on erityisen tärkeää, sillä toisin kuin ihmisillä, hevosilla ei ole polvien alapuolella niitä suojaavia lihaksia. Jänteitä, niveliä ja luita suojaa vain ohut kerros ihoa ja karvapeitettä. Hevosten jalkojen suojaamiseksi valmistetaan ja kehitetään jatkuvasti uusia innovaatioita hyödyntäen jänne- ja hivutussuojia. Jännesuojat suojaavat hevosen etujalkojen tärkeitä jänteitä, niveliä ja luita; hivutussuojat suojaavat samoja takajalkojen rakenteita.15
Viime vuosikymmeninä hiilikuitu on vallannut urheiluvälinemarkkinoita sen iskunkestävyyden, lujuuden ja keveytensä ansiosta.16 Sittemmin hiilikuitu on löytänyt tiensä myös hevosvälinemarkkinoille. Lukuisat hevostavaramerkit valmistavatkin nykyisin hiilikuidulla lujitettuja jännesuojia.
Kuidun amorfinen osa Kuidun kiteinen osa
3.1. OPETUSMATERIAALI
Opetusmateriaalissa käydään läpi käsitteet hiili, hiilen allotrooppiset muodot, grafiitti, timantti, fullereeni ja hiilikuitu. Grafiitin rakenne toimii johdantona hiilikuidun käsittelyyn, sillä hiilikuitu kuuluu samankaltaisen kemiallisen rakenteensa vuoksi grafiittiperheeseen.16 Tämän jälkeen hiilikuidun rakenne, ominaisuudet ja käyttökohteet esitellään lyhyesti.
Opetusmateriaali sopii erityisesti käsiteltäväksi lukion moduulissa KE2 Molekyylit ja mallit, jossa keskeisiin sisältöihin kuuluvat hiilen yhdisteiden rakenteiden mallintaminen ja ominaisuuksien selittäminen rakenteen pohjalta. Moduulissa keskeisiin sisältöihin kuuluu myös hybridisaatio, mikä auttaa allotrooppisten rakenteiden syvempää ymmärtämistä. Kemiallisena innovaationa hiilikuitu antaa esimerkin opiskelijalle siitä, mikä merkitys kemialla on nyky- yhteiskunnassa, teknologiassa ja työelämässä. Tämä edistää osaltaan opiskelijan yhteiskunnallista osaamista, joka on yksi kemian laaja-alaisista tavoitteista lukion opetussuunnitelmassa.2
3.2. HIILIKUIDUN KEMIAA
Ymmärtääksemme hiilikuidun rakenteen ja luonteen, on ensin ymmärrettävä hiilen kemiaa ja sen ominaisuuksia. Hiilen erikoisuudesta alkuaineena kertoo esimerkiksi sen kyky esiintyä luonnossa monessa erilaisessa muodossa. Perehtymällä hiileen ja hiilen allotrooppisiin muotoihin, voimme ymmärtää myös hiilikuidun rakenteen ja ominaisuudet paremmin.
3.2.1. HIILI JA HIILEN ALLOTROPIA
Hiili on yksi yleisimmistä alkuaineista maailmassa.17 Sillä on alkuaineena erityinen tapa muodostaa sidoksia muihin atomeihin siten, että syntyy stabiileja rakenteita, kuten esimerkiksi suoria tai haaroittuneita ketjuja, kehiä tai verkkoja. Hiili kuuluu jaksollisessa järjestelmässä ryhmään 14. Sillä on siis neljä valenssielektronia ja se pystyy näin ollen sitoutumaan neljällä kovalenttisella sidoksella ympäröiviin atomeihin.18 Hiili voi rakentaa kolme erilaista hybridiorbitaalia, jotka ovat sp, sp2 ja sp3 -orbitaalit.19 Tämä mahdollistaa kovalenttisten yksöis- , kaksois-, ja kolmoissidoksien syntymisen.18 Hiili voi tämän ansiosta muodostaa lukemattomia erilaisia yhdisteitä. Se luo vedyn kanssa esimerkiksi pohjan kaikille orgaanisille yhdisteille, jotka ovat yksi perusta elämälle maapallolla.19 Hiili on ollut ihmiskunnalle keskeinen alkuaine myös siksi, että se on toiminut pääenergianlähteenä viimeiset vuosisadat. Lisäksi sen rooli teknologian kehityksessä ja tieteissä kaikilla aloilla on ollut merkittävä ja vakaa.17
Hiili voi esiintyä luonnossa monessa eri allotrooppisessa muodossa, joita ovat grafiitti, timantti ja fullereeni.16 Kaikki allotrooppiset muodot ovat muodostuneet samasta alkuaineesta eli hiilestä, mutta niiden kiderakenne poikkeaa toisistaan.19 Tämä mahdollistaa sen, että grafiitilla, timantilla ja fullereenilla on toisistaan hyvin paljon poikkeavia ominaisuuksia. Timantti on esimerkiksi yksi kovimmista tunnetuista aineista, kun taas grafiitti on puolestaan hyvin pehmeää.18
Grafiitissa hiiliatomit ovat sp2-hybridisoituneet niin, että jokaiseen hiiliatomiin kytkeytyy kolme muuta hiiltä. (Kuva 10.) Nämä kovalenttisilla sidoksilla toisiinsa kytkeytyneet hiilet ovat asettuneet heksagonaalisiksi ryhmittymiksi ja muodostavat yhdessä tasomaisen rakenteen, grafeenilevyn. (a) Neljäs hiilen valenssielektroni on dekalisoitunut donitsimaisiksi ℼ- orbitaaleiksi tasojen molemmin puolin, jolloin rakenne stabiloituu.18 (b) Grafiitin heksagonaaliset tasot eli grafeenilevyt ovat järjestäytyneet rinnakkain toisiinsa nähden yleensä siten, että joka toinen taso on taso A ja joka toinen taso tason A kanssa limittäin oleva taso B.
(Kuva 12.) Grafeenilevyt ovat kytkeytyneet toisiinsa heikoilla van der Waalsin voimilla, joten ne voivat liukua toistensa lomista helposti. Tästä ominaisuudesta johtuen grafiittia käytetään esimerkiksi lyijykynien grafiittiytimissä.16
Kuva 12. (a) Grafiitin rakenne,21 (b) stabiloiva donitsin muotoinen ℼ-orbitaali 18 ja (c) tasojen säännöllinen limittäytyminen.18
Timantissa hiiliatomit ovat sp3- hybridisoituneet ja sitoutuneet vahvoin sigmasidoksin täysin kovalenttisesti neljään muuhun hiiliatomiin, muodostaen tetraedrisen rakenteen.19 (Kuva 13.) Kovalenttisten sidosten ansiosta timantti on erittäin kovaa ja kestävää. Timantin rakenteessa ei ole vapaita elektroneja, joten se on sähköneriste. Kovalenttisten sidosten vuoksi kuitenkin atomien värähtely ja fotonit pääsevät etenemään hyvin timantin rakenteessa, mikä aiheuttaa hyvän lämmönjohtavuuskyvyn. Sähkövirran eristämis- ja lämmönjohtamiskyky yhdessä tekevät timantista erityisen houkuttelevan esimerkiksi mikroelektronisiin jäähdytinsovelluksiin.16
Kuva 13. Timantin kiderakenne.16
Fullereenissa hiiliatomit ovat järjestäytyneet pallomaiseen muotoon. Fullereeni C60 muodostuu 60 hiiliatomista, jotka ovat järjestäytyneet 20 heksagoniksi ja 12 pentagoniksi siten, että heksagonit muodostavat pallon ”kulmat” ja pentagonit pallon sivut.16 Lisättäessä hiiliä C60
fullereeniin siten, että pentagonit eroavat toisistaan saadaan suuria fullereeneja, kuten C240 tai C540. Lisättäessä hiilten määrää puolestaan siten, että kaksi kuuden pentagonin ryhmää eroavat toisistaan syntyy nanoputki.19 (Kuva 14.) Fullereeneja käytetään esimerkiksi katalyytteinä ja liukasteina.16
Kuva 12. Fullereenin C60, C70, C240, C540 ja nanoputken rakenne.19
Hiilen perusallotrooppien lisäksi on olemassa muitakin hiiliyhdisteitä, jotka voidaan jakaa grafiitti-, timantti-, ja fullereeniperheisiin. Timanttiperheeseen kuuluvat timantin lisäksi timanttimainen hiili ja grafaani. Fullereeniperheeseen kuuluvat yhdisteet, joissa fullereenirakenteen pinnalle on kovalenttisesti sidottu jokin lisärakenne, kuten jokin
funktionaalinen ryhmä. Grafiittiperheeseen kuuluvat aineet, joissa hiili muodostaa samankaltaisia kerrostuneita rakenteita kuin grafiitissa. Grafiittiperheeseen kuuluvat esimerkiksi grafeeni, aktiivihiili, nanoputket ja seuraavassa kappaleessa käsiteltävä hiilikuitu.16
3.2.2. HIILIKUITU
Hiilikuitu on pitkää, ohutta nauhaa, jonka massa koostuu yli 90 % hiilestä.16 Sitä käytetään erityisesti auto-, lentokone- ja urheilusovelluksissa, koska se on erittäin vahvaa, mutta kevyttä materiaalia.17 Hiilikuitu koostuu turbostaattisesta hiilestä (Kuva 15.) ja kiteisistä grafiittiosista (Kuva 12.), jotka ovat liittyneet toisiinsa siten, että ne ovat pääsääntöisesti kuidun pituuden suuntaisessa linjassa.20,16 (Kuva 10.) Grafiittiosissa (b) grafeenikerrokset ovat järjestäytyneet säännöllisesti lomittain, kun taas turbostaattisissa osissa (c) grafeenilevyt ovat pinoutuneet päällekkäin sattumanvaraisissa asennoissa.21 Grafeenilevy on äärimmäisen vahvaa, noin 100 kertaa vahvempaa kuin teräs, johtuen sen hiilten heksagonaalisesta sitoutumisesta toisiinsa.17 Kiteisesti ja turbostaattisesti järjestäytyneiden grafeenilevyjen osuudet vaihtelevat hiilikuidun valmistustavasta ja raaka-aineesta riippuen. Hiilikuitu voi siis olla amorfista, osakiteistä tai kiteistä. Hiilikuidun mekaaniset ominaisuudet kuten vetolujuus (tensile strenght) ja kimmokerroin (tensile modulus) riippuvat siitä, kuinka kuidut ovat orientoituneet, kiteytyneet ja kuinka täydellinen kemiallinen rakenne niillä on.16
Kuva 15. (a) Hiilikuidun grafeenilevy, (b) grafiittinen järjestäytyminen21 ja (c) turbostaattinen järjestäytyminen.21
Erilaiset hiilikuidut voidaan jakaa esimerkiksi mekaanisten ominaisuuksien, kuten lujuuden, mukaan tai valmistusmateriaalin eli raaka-aineen mukaan. Erilaisia tapoja jakaa hiilikuitutyypit ryhmittäin on esitetty seuraavan sivun Taulukossa 2.22
Taulukko 2. Hiilikuitutyyppien jaotteluperusteita.16, 22 Luokittelun peruste Hiilikuitutyypit
Mekaaniset ominaisuudet Erittäin jäykkä hiilikuitu (Ultra-high-modulus) Jäykkä hiilikuitu (High-modulus)
Keskijäykkä hiilikuitu (Intermediate-modulus)
Matalan jäykkyyden ja korkean vetolujuuden omaava hiilikuitu (Low modulus and hihgly tensile)
Erittäin korkean vetolujuuden omaava hiilikuitu (Super high tensile)
Hiilikuidun raaka-aine Esimerkiksi:
PAN-polymeeripohjainen hiilikuitu Pikipohjainen hiilikuitu
Selluloosapohjainen hiilikuitu
Polyvinyylikloridipohjainen hiilikuitu Valmistuslämpötila Korkean lämpötilan hiilikuitu (>2000℃)
Keskilämpötilan hiilikuitu (>1500℃) Alhaisen lämpötilan hiilikuitu (≤1000℃)
Hiilikuitua valmistetaan sopivista esiastekuiduista pyrolyysin avulla. Pyrolyysissä orgaanista ainetta kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa, jolloin saadaan aikaan haluttu kemiallinen reaktio. Polymeerit, jotka tuottavat hiilijäännöksen ja eivätkä sula pyrolyysissä epäaktiivisessa ympäristössä, voivat soveltua hiilikuidun raaka-aineeksi.22 Tällaisia yhdisteitä ovat esimerkiksi polyakryylinitriini (PAN), selluloosa, tai polyvinyylikloridi.18 Suurin osa markkinoiden hiilikuidusta valmistetaan eri menetelmiä käyttäen PAN:sta. PAN on raakaöljystä synteettisesti valmistettu materiaali.16 (Kuva 16.)
Kuva 16. Polyakryylinitriinin rakenne.
Hiilikuidun valmistusprosessi PAN-polymeerista voidaan jakaa karkeasti seitsemään vaiheeseen, joita ovat esiastekuidun polymeraatio, kuitujen kehruu, lämpöstabilisaatio, hiilletys, grafitointi, pintakäsittely ja pinnoitus.22 (Kuva 17.) Polymeraatio ja kuitujen kehruu voidaan toteuttaa monella eri tavalla.20 Nämä työvaiheet ovat erittäin tärkeitä kuitujen sisäisen polymeerirakenteen kannalta, sillä polymeerin laatu vaikuttaa lopullisen hiilikuidun ominaisuuksiin.22
Kuva 17. Hiilikuidun valmistusprosessin vaiheet PAN-polymeerista, polymeroinnin ja PAN-kuidun kehräämisen jälkeen, voidaan jakaa (1) lämpöstabilisaatioon, (2) hiilletykseen, (3) grafitointiin, (4) pintakäsittelyyn ja (5) pinnoitukseen. (Mukailtu lähteestä 22.)
Kuitujen kehruun jälkeen PAN-kuitu lämpöstabiloidaan, jolloin sen lineaarinen polymeerirakenne muunnetaan stabiilimmaksi tikapuurakenteeksi. Stabilointireaktiot (Kuva 18.) ovat monivaiheisia ja eksotermisiä, joten lämpötilan nousua on niiden aikana hillittävä kuitujen palamisen estämiseksi.22 Pääreaktioita ovat renkaan muodostuminen, vedynpoisto ja hapettuminen.20 Reaktioiden aikana kuidun väri muuttuu keltaisesta ruskeaksi ja lopulta mustaksi.16 Stabilisaatioreaktiot tapahtuvat 180-300℃ lämpötilassa, laitteiston ulkoista painetta korkeammassa paineessa.20 Kuidun rakenne stabilisoituu ilmasta saatavan hapen avulla näissä olosuhteissa 30-120 minuutin kuluessa.22
Kuva 18. PAN-polymeerin reaktiot lämpöstabiloinnin aikana. (Mukailtu lähteestä 16.) Hiilikuitu
Hiilletyksessä eli karbonoinnissa (Kuva 19.) hiilikuidusta irrotetaan ylimääräiset atomit kuten happi, typpi ja vety.22 Kuitu ohjataan suljettuun kaasuseokseen korkeaan lämpötilaan muutaman minuutin ajaksi. Hiilletys tapahtuu hapettomissa olosuhteissa, jolloin kuidut eivät pala korkeasta lämpötilasta (1000-2000℃) huolimatta.22,16 Reaktio toteutetaan kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu kuidun vedynpoisto.21 Siinä kuitua lämmitetään hiljalleen 400-600℃:seen, jolloin suurin osa eksotermisista kemiallisista reaktioista tapahtuu ja sivutuotteina syntyy räjähdysherkkiä aineita. Seuraavassa vaiheessa reaktioastia voidaan lämmittää nopeammin 600-1500℃:seen, koska suurin osa reaktioista on jo tapahtunut ja sivutuotteita syntyy vähemmän.20 Jälkimmäisessä vaiheessa rakenteesta poistuu typpi.21 Ylimääräiset atomit irtoavat näiden kahden vaiheen aikana pieninä yhdisteinä, kuten vesihöyrynä, hiilimonoksidina, vety- ja typpikaasuna.22 Näiden lämpökäsittelyjen aikana lähes kaikki muut alkuaineet hiiltä lukuunottamatta ovat poistuneet hiilikuidusta.21
Kuva 19. PAN-kuidun hiilletys.
Grafitoinnissa kuitu ohjataan inerttiin ympäristöön 2000-3000℃ lämpötilaan.Grafitoinnissa hiilikuidun rakenne osittain kiteytyy lisäten kuidun muokkaus-, sähkönjohto- ja lämmönjohto- ominaisuuksia kuidun pituusakselin suunnassa.16 Tämän jälkeen hiilikuitua on syytä pintakäsitellä, jotta se saadaan vuorovaikuttamaan paremmin muiden komposiiteissa käytettävien materiaalien kanssa. Pintakäsittely voi olla esimerkiksi kevyttä hapettamista. Kuitu voidaan tämän jälkeen vielä päällystää esimerkiksi epoksilla tai muilla polymeereillä, mikä parantaa yhteensopivuutta hiilikuitukomposiitin matriisiaineen kanssa.22 Komposiitit ovat materiaaleja, jotka koostuvat yhdestä tai useammasta yhdessä toimivasta, mutta toisiinsa liukenemattomasta aineesta.Matriisi on hiilikuitukomponentin sitova aine, eli yleensä jokin muovipolymeeri.9 Hiilikuiduilla lujitetuissa polymeerikomposiittimateriaaleissa (CFRP) eniten käytetyt matriisipolymeerit ovat vinyyli ja nylon. Hiilikuidun rinnalla voidaan käyttää myös muita lujitemateriaaleja kuten lasikuitua.22
Hiilikuitua voidaan hyödyntää jatkuvana, pilkottuna tai jauhettuna. (Kuva 20.) Jatkuvat hiilikuidut voidaan nivoa yhteen esimerkiksi (a) nauhaksi tai matoksi. Ne voidaan kiertää myös (b) langaksi.16 Hiilikuitulankaa voidaan käyttää sellaisenaan tai sitä voidaan liittää esimerkiksi kankaaseen.22 Hiilikuidun lujuusominaisuudet ilmenevät erityisesti kuidun pituuden suunnassa.
Erilaisilla kudontatavoilla nämä ominaisuudet saadaan hyödynnettyä useammassa suunnassa.
Kuvassa 20. on esimerkkinä (e) kaksisuuntaisesti kudottu kangas. Nauhat, langat, kankaat sekä pilkotut ja jauhetut kuidut voidaan muovata edelleen erilaisiksi komposiittimateriaaleiksi.22
Kuva 20. (a) Hiilikuitunauha (kuva: © SGL Carbon), (b) kierretty hiilikuitulanka,16 (c) pilkottu hiilikuitu (kuva: © SGL Carbon), (d) jauhettu hiilikuitu (kuva: © SGL Carbon) ja (e) hiilikuitunauhasta kaksisuuntaisesti kudottu kangas.
Hiilikuitu on eniten käytetty lujitemateriaali kevyissä rakennekomposiiteissa, kuten hiilikuiduilla lujitetuissa polymeerikomposiiteissa (CFRP). Hiilikuitu on suosittu lujitemateriaali johtuen sen alhaisesta tiheydestä ja siitä johtuvasta keveydestä. Hiilikuidun suosio johtuu myös sen jatkuvasta ja hyvin vahvasta rakenteesta sekä hyvästä muokattavuudesta.16, 22 Hiilikuidulla on lisäksi hyvä lämmön- ja kulutuksenkesto sekä sitkeys.22 Näiden ominaisuuksien vuoksi hiilikuitua ja siitä valmistettuja komposiitteja käytetään esimerkiksi lentokoneissa, autoissa ja urheiluvälineissä.16 (Kuva 21.)
Kuva 21. Hiilikuidusta valmistettuja tuotteita.16, 23
4. JOHTOPÄÄTÖKSET
Tutkielmaa ja opetusmateriaalia on mahdollista hyödyntää lukion ja peruskoulun 7.–9.- luokkalaisten opetuksessa tämänhetkisessä muodossaan tai sovelletusti. Opetusmateriaaliin voidaan liittää aiheeseen liittyviä tehtäviä, videoita, tutkimuksia ja artikkeleita sekä kokeellisuutta. Näin opetusmateriaalilla on mahdollista kehittää tehostetummin esimerkiksi opiskelijoiden monilukutaitoa. Tehtävien lisäämisellä pystytään lisäämään joidenkin opiskelijoiden motivaatiota ja opettajalle tarjoutuu tällöin myös mahdollisuus tarkempaan palautteenantoon ja arviointiin. Aiheeseen liittyvien tutkimuksien ja artikkeleiden avulla voidaan tarjota mahdollisuus innokkaille opiskelijoille tiedonjanon tyydyttämiseen sekä korostaa lisää kemian kauaskantoisuutta ja merkityksellisyyttä.
Aiheita voidaan liittää muihin oppiaineisiin. Ratsastuspohjiin ratkaisuja polymeereista -osiossa esimerkiksi ratsastuspohjan hevosen jalkaan kohdistavaa rasitusta voidaan käsitellä fysiikan voimakuvioiden avulla. Hevosharrastuksen kemiaa -opetuskokonaisuudessa on myös helppo korostaa aihepiirin biologista näkökulmaa esimerkiksi hevosen käyttäytymisen ja elintoimintojen kautta. Aihepiiriä voidaan tarkastella myös historiallisesta näkökulmasta tai siinä voidaan korostaa jotain laaja-alaista tavoitetta, kuten kestävän ajattelun näkökulmaa.
Samanlaista lähestymistä opetukseen voitaisiin laajentaa muihin harrastuksiin sekä soveltaa eri oppiaineisiin ja kohderyhmiin. Toivon, että työni inspiroi muita opettajia ja opetusmateriaalin tekijöitä käyttämään työssään myös omia vahvuuksiaan ja kiinnostuksen kohteitaan hyödyksi.
Tutkielmaa voitaisiin jatkaa tekemällä opetusmateriaali kokonaisuudessaan kaikkien liitteen A.
aiheiden osalta valmiiksi ja tutkimalla sen vaikutuksia opiskelijoiden motivaatioon yleisesti ja kohdennetusti esimerkiksi kyselytutkimuksella. Kohdennetulla ja yleisellä tutkimuksella viittaan opetusmateriaalin vaikutuksen tutkimista sekä harrastuksen harrastajien kesken, että niiden kohdalla, joille harrastus tai mielenkiinnon kohde on vieraampi. Opetusmateriaalin vaikutusta eri ikäryhmiin olisi myös syytä selvittää. Opetusmateriaalin testaamisen ja tutkimustulosten pohjalta materiaalia olisi mahdollista kehittää edelleen tarkoitusperiään paremmin palvelevaksi.
VIITTEET
(1) Salmela-Aro, K., Aunola, K., Salo, A., Kajamies, A. & Vauras, M. (2018). Motivaatio ja oppiminen. PS- kustannus. (s.101-109)
(2) Opetushallitus, Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019, Helsinki. Saatavissa:
https://www.oph.fi/sites/default/files/documents/lukion_opetussuunnitelman_perusteet_2019.pdf [Luettu 26.5.2021]
(3) Opetushallitus, Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet 2014, Helsinki. Saatavissa:
https://www.oph.fi/sites/default/files/documents/perusopetuksen_opetussuunnitelman_perusteet_2014.pdf[L uettu 26.5.2021]
(4) Jarva J. Ratsastuskenttien pohjamateriaalit, opinnäytetyö, Hämeen ammattikorkeakoulu, (2011) Mustiala.
(5) https://www.geopat.be/en/geopat [Luettu 24.5.2021]
(6) Kakani, S. (2004). Material science. ProQuest Ebook Central https://ebookcentral-proquest- com.ezproxy.uef.fi:2443 (s. 555-578)
(7) Muralisrinivasan Subramanian. (2015) Basics of polymers: fabrication and processing technology. New York: Momentum Press. (s. 5-15, 27, 31)
(8) Sekhar Bag, D. (2013) Principles of polymers: an advanced book. New York: Nova Publishers, (s. 5-16, 31- 33, 63, 127, 232-233)
(9) Airasmaa I.; Kokko J;. Komppa V.; Saarela O. Muovikomposiitit, Muoviyhdistys ry, Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä 1991; (s. 18-19, 25, 38,529)
(10) Harutun, G. Karian, (2009) Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites, Revised and Expanded, Taylor & Francis e-Library. (s. 10-18)
(11) Järvinen P. Muovit ja muovituotteiden valmistus, Bookwell Oy, Porvoo 2017; (s. 34-37)
(12) Nakano, Y., & Yamashita, H. (2008). Polyester properties, preparation and applications. Nova Science Publishers. Saatavana: https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.uef.fi:2443/lib/uef-
ebooks/reader.action?docID=3018368&query= [Luettu 28.4.2021]
(13) Nurhan Onar Camlibel (2018). Polyester - Production, Characterization and Innovative Applications.
Pamukkale University, Turke, IntechOpen. Saatavana: https://www.intechopen.com/books/polyester- production-characterization-and-innovative-applicationsn [Luettu 28.4.2021]
(14) Sinclair, R. (2014) Textiles and Fashion: Materials, Design and Technology. Woodhead Publishing. (s.3-9, 98-105,116-123, 343) Saatavilla:
http://search.ebscohost.com.ezproxy.uef.fi:2048/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=893166&site=ehos t-live [Luettu 3.5.2021]
(15) Mäki-Kihniä, N. (2016). Hevonen: Ratsastus ja hoito. Readme.fi. (s. 152-155)
(16) Chung, D. (2019). Carbon materials: science and applications. World Scientific Publishing Co. (s. 1-19, 21- 25, 245-281)
(17) P. S. Karthik, A. L. Himaja and Surya Prakash Singh, (2014) Carbon-allotropes: synthesis methods, applications and future perspectives, Carbon Letters Vol. 15, No. 4, (s. 219-237) Saatavana:
https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201433150758009.pdf [Luettu 14.5.2021]
(18) Morgan, P. (2005) Carbon Fibers and Their Composites, Taylor & Francis Croup, (s.1, 15-30, 46-55) (19) Inagaki, M. (2000). New carbons: control of structure and functions (1. painos). Elsevier Science, (s. 82-89)
(20) Donnet, J., Wang, T., Rebouillat, S., C.M. Peng, J, (1998) Carbon Fibers, third edition, revised and expanded, Taylor & Francis Croup (s. 2-6, 17-31)
(21) Xiaosong, H. (2009) Fabrication and Properties of Carbon Fibers, Materials 2(4), 2009, Saatavana:
https://www.mdpi.com/1996-1944/2/4/2369/htm [Luettu 14.5.2021]
(22) Bajpai, P. (2013). Update on carbon fibre. ISmithers Rapra Publishing, (s. 1-5, 9-12, 43-44, 101-105, 109) (23) https://www.veredus.com/it-it/en_GB/cat/-/prod/grand-slam-carbon-gel-front-black-129207/ [Avattu
10.6.21]
LIITTEET
A. HEVOSHARRASTUKSEN KEMIAA -OPETUSMATERIAALIKOKONAISUUS JA SIIHEN SOVELTUVAT OPPIAINEEN SISÄLLÖT
B. HEVOSHARRASTUKSEN KEMIAA -OPETUSMATERIAALI
LIITE A.
Hevosharrastuksen kemiaa -opetusmateriaalikokonaisuus ja siihen soveltuvat oppiaineen sisällöt.
Opetusmateriaalin aihe Lukio-opetukseen
soveltuvat kemian sisällöt2
Peruskoulun 7-9 lk.
opetukseen soveltuvat kemian sisällöt3
Polymeereistä ratkaisuja ratsastuspohjiin - Ratsastuspohjien pintamateriaalina käytetyt Geopat -kuidut.
(KE4) Polymeerit, polymeroituminen, additio, kondensaatio.
S3 Tuotteiden elinkaari, S4 Kemian sovellukset
Suojaa hiilikuidusta - Hiilikuitu on yksi viime vuosikymmenten kemian alan innovaatioista, joka on muiden urheiluvälineiden lisäksi löytänyt tiensä myös hevosten jännesuojiin.
(KE2) Hiili, allotropia, hybridisaatio, grafiitti, timantti, fullereeni, hiilikuitu.
S6 Hiili ja hiilen merkitys elämälle
Karva kiiltäväksi kemialla - Hevonen on puunattava kilpailuihin ja näyttelyihin edustuskuntoon, sillä hevosen ulkonäkö on osa arvostelukriteerejä. Miten shampoot, hoitoaineet, karvankiilto- ja
selvityssuihkeet toimivat?
(KE2) Pesuaineet, hydrofobisuus, hydrofiilisuus, (KE6) Kemianteollisuus, tuotekehitys ja kuluttajatietoisuus.
S2 Kemia yhteiskunnassa
Maistuva ruoste - Hevoset pitävät ruosteen mausta.
Tästä johtuen kuolaimiin voidaan lisätä ruostumista edistävä Sweet Iron -pinnoite, joka edesauttaa hevosen syljen eritystä ja kuolainten hyväksymistä.
(KE5) Ruostuminen, hapettuminen,
pelkistyminen, korroosio, sähkökemia.
S6 Kemiallinen reaktio, reaktionopeus.
(Hidas reaktio) Kiderakenteinen nuolukivi - Hevosille tarjotaan
usein erilaisia nuolukiviä tarpeen mukaan. Näistä tärkein on suolakivi.
(KE2) Kiderakenne, suola, liukoisuus
S5 Aineiden ominaisuudet ja rakenne Melassi on amorfinen aine - Melassi on mm.
sokereita ja suoloja sisältävä aine, jota käytetään hevosten ruokinnassa.
(KE2) Amorfisuus S1, S2 Olomuotojen muutoksien
tutkiminen omassa elämässä ja elinympäristössä.
Kaasureaktio turvaa sekunneissa -
Paukkuturvaliivien käyttö yleistyy erityisesti kenttäratsastuksessa jatkuvasti.
(KE4) Kemiallinen reaktio, reaktionopeus, ideaalikaasun tilanyhtälö.
S6 Kemiallinen reaktio ja reaktionopeus.
(Nopea reaktio) Vedenpitävyyttä loimiin kyllästämällä - Sadeloimet
pitävät hevoset lämpimänä huonollakin säällä.
(KE4) Vesi, pesuaineet, hydrofobisuus kankaissa, vahat, kalvot.
S2 Kodin kemikaalit
Hiilihydraatteja heinästä - Hevosen tärkeimpänä ravinnonlähteenä toimii korsirehusta eli heinästä pääasiallisesti saatavat hiilihydraatit.
(KE4) Hiilihydraatit,
rasvat, proteiinit. S5 Ravintoaineet, orgaaniset yhdisteet.
Kemia kaksiteholinimentin takana - Hevosten jalkojen palautumista voidaan edesauttaa kaksiteholinimentin avulla. Kaksiteholinimentti ensin kylmää ja sitten lämmittää jalkaa.
(KE3) Stereoisomeria, lääkekasvit,
funktionaaliset ryhmät
S5 Hiilen yhdisteet, funktionaalinen ryhmä
Vitamiinit - Kuten ihmiset, myös hevoset tarvitsevat
vitamiineja elimistön toiminnan turvaamiseksi. (KE3) Rasvaliukoisuus, vesiliukoisuus,
funktionaaliset ryhmät
S5 Vesi- ja rasvaliukoisuus, ravintoaineet, orgaaniset yhdisteet.
Materiaalikemia Orgaaninen kemia Epäorgaaninen kemia
Liite B.
Tekijä: Sari Kinnunen
