Vaahtomaisilla materiaaleilla voi olla kevyt, mutta hyvät mekaaniset ominaisuudet omaava rakenne. Polymeerivaahtoja käyttämällä saadaan vähennettyä muovin kulutusta, sillä polymeerivaahdoilla on pienempi tiheys ja siten alempi materiaalimenekki.
Muodostuneista vaahdoista mitattiin tiheys, paksuus ja ketjunjatkajien vaikutus vaahtojen termisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksiin.
Vaihtoehto fossiilisista raaka-aineista valmistettaville muoveille
Muovien käyttö maailmanlaajuisesti kasvaa vuosi vuodelta. Suurin osa muoveista valmistetaan fossiilisista raaka-aineista, kuten öljystä. Öljyn ja muiden fossiilisten raaka-aineiden saatavuus lähitulevaisuudessa on epävarmaa, ja vaihtoehtoisia ratkaisuja on jo vuosikymmeniä tutkittu.
Yksi vaihtoehto ovat biopolymeerit, jotka ovat biohajoavia ja/tai niiden raaka-aineena on ainakin osittain käytetty uusiutuvia luonnonvaroja, kuten maissia tai sokeriruokoa.
Polymeerivaahtojen ominaisuudet
Polymeerivaahdot ovat materiaaleja, jotka pitävät sisällään kaasua solumaisissa rakenteissa. Polymeerivaahdoilla voidaan saada aikaan hyvinkin keveitä rakenteita, joilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet. Tätä voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi pakkauksissa ja eristeissä. Esimerkiksi Styrox on juuri näissä tarkoituksissa käytetty ja tunnettu polymeerivaahtomerkki.
Biopolymeerien heikkous prosessoinnissa
Muovien prosessointi vaatii korotettuja lämpötiloja, sillä muovimateriaalin täytyy virrata prosessien aikana. Jotkin biopolymeereistä alkavat hajota tällaisissa olosuhteissa, pilkkoen polymeeriketjuja pienempiin osiin. Tämä johtaa siihen, että prosessoidun muovin mekaaniset ominaisuudet heikentyvät.
Vaahtojen tapauksessa muovi ei tällöin pysty pitämään kaasua sisällään, eikä täten pysty paisumaan ja tuottamaan kevyttä vaahtomaista rakennetta. Ratkaisuna voidaan esimerkiksi käyttää lisäaineita kasvattamaan muovin mekaanisia ominaisuuksia prosessoinnin aikana. Ketjunjatkajat ovat lisäaineita, joita voidaan käyttää juuri tähän tarkoitukseen.
Ketjunjatkajat helpottamassa vaahtoprosessointia
Ketjunjatkajien käyttö perustuu niiden kykyyn sitoa sekä ehjien että hajonneiden polymeeriketjujen päitä toisiinsa kiinni pidentäen ja ”jatkaen” ketjuja. Lisäksi monet ketjunjatkajat ovat rakenteeltaan sellaisia yhdisteitä, jotka voivat sitoa itseensä useita polymeeriketjuja. Ristisilloittajalisäaineita voidaan käyttää myös samaa tarkoitusta varten sitomaan ketjuja toisiinsa kiinni.
Ketjujen pidentyessä ja haaroittuessa muovin veto-ominaisuudet paranevat, sillä polymeeriketjujen on hankalampi liikkua toistensa ohi prosessoinnin aikana. Tämä johtaa siihen, että esimerkiksi vaahdotuksessa käytettävä kaasu pysyy muovin sisällä helpommin, mikä edelleen tarkoittaa mahdollisuutta suurempiin paisunta-asteisiin.
Diplomityön tehtävät
Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ketjunjatkajien vaikutusta biopolymeerien vaahtoavuuteen. Polymeereiksi valittiin kaksi biopolymeeriä: poly(butyleenisukkinaatti-ko-butyleeniadipaatti) PBSA ja poly(3-hydroksibutyraatti-ko-3-hydroksivaleraatti) PHBV.
Kahta eri ketjunjatkajaa ja yhtä ristisilloittajaa erilaisilla pitoisuuksilla käytettiin lisäämään polymeerien vaahtoavuutta. Vaahdotus suoritettiin yksiruuviekstruuderilla, ja vaahdotusaineena käytettiin ylikriittistä hiilidioksidia.
Ketjunjatkajien vaikutus vaahtoavuuteen
Vaahtojen tiheys mitattiin ja niitä tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrialla (DSC).
Kuvassa 1 näkyy SEM-kuvia vaahtojen poikkileikepinnoista ilman ketjunjatkajaa ja niiden kanssa. Kuvista huomataan heti, että vaahdot ovat paisuneet paljon paremmin ketjunjatkajan lisäämisen jälkeen.
Vaahtojen tiheydet tippuivat maksimissaan noin 50%:lla ketjunjatkajan lisäämisen jälkeen. Termiset ominaisuudet, kuten sulamispiste, lasisiirtymälämpötila ja kiteisyys, eivät juurikaan muuttuneet ketjunjatkajia lisättäessä.
On kuitenkin otettava huomioon, etteivät kaikki vaahdot paisuneet yhtä hyvin kuin kuvan 1 vaahdot. Monilla ekstruusioparametreillä on suuri merkitys vaahdon ominaisuuksien kannalta ketjunjatkajien lisäksi. Ketjunjatkamisesta oli suuri hyöty tutkittujen biopolymeerien vaahdotuksessa.
Lisätiedot:
Leevi Kurki, leevi.kurki@vtt.fi