Puumuovikomposiitit ja niiden ruiskuvalaminen
Flink, Niina (2024)
Flink, Niina
2024
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-03-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202402222458
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202402222458
Tiivistelmä
Ympäristöystävällisempien ja muoveja korvaavien materiaalien kehittämisen yleistyessä puumuovikomposiittien tutkiminen ja käyttäminen on yhä yleisempää. Viime aikoina puumuovikomposiittien tutkimustyö on keskittynyt erityisesti niiden ruiskuvalamiseen. Ruiskuvalamisella on puumuovikomposiittien muodonantomenetelmänä suuri potentiaali, mutta sen yleistymistä ovat hidastaneet useat prosessointiongelmat. Tässä työssä tarkastellaan puumuovikomposiitteja ja niiden ruiskuvalamista. Työn tavoitteena on selvittää kirjallisuuden perusteella, millaisia materiaaleja puumuovikomposiitit ovat, millaisia haasteita puumuovikomposiittien ruiskuvalussa yleisimmin esiintyy, sekä miten prosessoitavan materiaalin ominaisuudet ja prosessin parametrit vaikuttavat ruiskuvalettujen puumuovikomposiittien ominaisuuksiin.
Puumuovikomposiitit ovat komposiitteja, jotka koostuvat muovimatriisista ja lujittavasta puusta. Niiden ominaisuuksissa yhdistyy puun ja muovin parhaat ominaisuudet, ja erityisesti niiden lujuuden ja jäykkyyden suhteet painoon ovat erinomaiset. Ominaisuuksiensa ansiosta puumuovikomposiiteilla korvataan monia perinteisiä materiaaleja, ja niitä käytetään paljon esimerkiksi rakennus- ja autoteollisuudessa.
Ruiskuvalamalla puumuovikomposiitteja voidaan tuottaa monimutkaisia ja mittatarkkoja esineitä tehokkaasti massatuotantona. Kuitenkin prosessin onnistumisen esteenä on usein erilaisia haasteita, jotka aiheuttavat erilaisia tuotevikoja ja heikentävät lopputuotteen ominaisuuksia, yleisimmin komposiitin lujuutta, jäykkyyttä sekä veden absorptionestokykyä. Ongelmat puumuovikomposiittien ruiskuvalamisen liittyvät pääasiassa prosessoitavan materiaalin ominaisuuksien ja prosessiparametrien optimointiin. Niiden säätäminen lopputuotteen kannalta otollisiksi on vaikeaa, sillä tutkimustietoa on niukasti, ja nämä ominaisuudet ja parametrit ovat usein toisistaan riippuvaisia ja vaihtelevat esimerkiksi eri koneen ja materiaalin mukaan.
Työssä tarkastellaan materiaaliominaisuuksista puulujitteiden ja muovimatriisin rajapintojen sitoutumisen, puun lämpötilaherkkyyden ja hydrofiilisyyden, puupitoisuuden, puulujitteiden ja matriisin sekoittumisen tasaisuuden, eli homogeenisuuden sekä puulujitteiden koon, hajoamisen ja järjestäytymisen vaikutuksia ruiskuvalettujen puumuovikomposiittien ominaisuuksiin. Prosessiparametreista tarkastellaan lämpötilan, ruiskutusnopeuden ja -paineen sekä jälkipaineen ja jälkipaineajan vaikutuksia. Lopputuotteen kannalta tärkeimmiksi materiaaliominaisuuksiksi ja prosessiparametreiksi voi nostaa lujitteiden ja matriisin rajapintojen sitoutumisen, puun lämpötilaherkkyyden ja prosessointilämpötilan, puulujitteiden hydrofiilisyyden sekä ruiskuvalettavan materiaalin kosteuspitoisuuden ja homogeenisuuden.
Puumuovikomposiiteissa lujitteen ja matriisin rajapintojen luonnostaan heikkoa sitoutumista parannetaan kytkentäaineilla. Sitoutumisen ollessa hyvä jännitys siirtyy tehokkaasti matriisilta lujitteiden kannettavaksi, jolloin esimerkiksi lujuus ja jäykkyys sekä veden absorptionestokyky paranevat. Ruiskuvaluprosessissa on tärkeää myös, ettei käsittelylämpötilat nouse niin korkeiksi, että puu alkaisivat hajoamaan, mikä heikentää lopputuotteen mekaanisia ominaisuuksia. Lisäksi ruiskuvalettavan puumuovikomposiittimateriaalin kosteuspitoisuus on tärkeä tekijä lopputuotteen laadun kannalta. Lähtötuotteen kosteuden on oltava mahdollisimman alhainen, sillä prosessin aikana höyrystyvä vesi aiheuttaa tuotteeseen huokoisuutta, joka vähentää sen lujuutta. Lopputuotteen kannalta oleellista on myös, että materiaalin sekoittuminen onnistuu, eli että kaikkia lujitteita ympäröi muovi. Homogeeninen sekoittuminen parantaa puumuovikomposiitin ominaisuuksia, kuten lujuutta ja veden absorptionestokykyä.
Puumuovikomposiitit ovat komposiitteja, jotka koostuvat muovimatriisista ja lujittavasta puusta. Niiden ominaisuuksissa yhdistyy puun ja muovin parhaat ominaisuudet, ja erityisesti niiden lujuuden ja jäykkyyden suhteet painoon ovat erinomaiset. Ominaisuuksiensa ansiosta puumuovikomposiiteilla korvataan monia perinteisiä materiaaleja, ja niitä käytetään paljon esimerkiksi rakennus- ja autoteollisuudessa.
Ruiskuvalamalla puumuovikomposiitteja voidaan tuottaa monimutkaisia ja mittatarkkoja esineitä tehokkaasti massatuotantona. Kuitenkin prosessin onnistumisen esteenä on usein erilaisia haasteita, jotka aiheuttavat erilaisia tuotevikoja ja heikentävät lopputuotteen ominaisuuksia, yleisimmin komposiitin lujuutta, jäykkyyttä sekä veden absorptionestokykyä. Ongelmat puumuovikomposiittien ruiskuvalamisen liittyvät pääasiassa prosessoitavan materiaalin ominaisuuksien ja prosessiparametrien optimointiin. Niiden säätäminen lopputuotteen kannalta otollisiksi on vaikeaa, sillä tutkimustietoa on niukasti, ja nämä ominaisuudet ja parametrit ovat usein toisistaan riippuvaisia ja vaihtelevat esimerkiksi eri koneen ja materiaalin mukaan.
Työssä tarkastellaan materiaaliominaisuuksista puulujitteiden ja muovimatriisin rajapintojen sitoutumisen, puun lämpötilaherkkyyden ja hydrofiilisyyden, puupitoisuuden, puulujitteiden ja matriisin sekoittumisen tasaisuuden, eli homogeenisuuden sekä puulujitteiden koon, hajoamisen ja järjestäytymisen vaikutuksia ruiskuvalettujen puumuovikomposiittien ominaisuuksiin. Prosessiparametreista tarkastellaan lämpötilan, ruiskutusnopeuden ja -paineen sekä jälkipaineen ja jälkipaineajan vaikutuksia. Lopputuotteen kannalta tärkeimmiksi materiaaliominaisuuksiksi ja prosessiparametreiksi voi nostaa lujitteiden ja matriisin rajapintojen sitoutumisen, puun lämpötilaherkkyyden ja prosessointilämpötilan, puulujitteiden hydrofiilisyyden sekä ruiskuvalettavan materiaalin kosteuspitoisuuden ja homogeenisuuden.
Puumuovikomposiiteissa lujitteen ja matriisin rajapintojen luonnostaan heikkoa sitoutumista parannetaan kytkentäaineilla. Sitoutumisen ollessa hyvä jännitys siirtyy tehokkaasti matriisilta lujitteiden kannettavaksi, jolloin esimerkiksi lujuus ja jäykkyys sekä veden absorptionestokyky paranevat. Ruiskuvaluprosessissa on tärkeää myös, ettei käsittelylämpötilat nouse niin korkeiksi, että puu alkaisivat hajoamaan, mikä heikentää lopputuotteen mekaanisia ominaisuuksia. Lisäksi ruiskuvalettavan puumuovikomposiittimateriaalin kosteuspitoisuus on tärkeä tekijä lopputuotteen laadun kannalta. Lähtötuotteen kosteuden on oltava mahdollisimman alhainen, sillä prosessin aikana höyrystyvä vesi aiheuttaa tuotteeseen huokoisuutta, joka vähentää sen lujuutta. Lopputuotteen kannalta oleellista on myös, että materiaalin sekoittuminen onnistuu, eli että kaikkia lujitteita ympäröi muovi. Homogeeninen sekoittuminen parantaa puumuovikomposiitin ominaisuuksia, kuten lujuutta ja veden absorptionestokykyä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]