Biopolymers and manufacturing of polyurethane composites

Biopolymeerit ovat yksi nopeimmin kasvava materiaaliteknologian osa-alue ja niitä kehitetään jatkuvasti erilaisiin sovelluksiin. Kiinnostus biopolymeerejä kohtaan on seurausta raakaöljyn hinnanvaihtelusta ja jatkuvasta ympäristösäädösten kiristymisestä. Biopolymeerit ovat uusiutuvia raaka-aineita ja eristettävissä useista eri lähteistä, lisäksi niiden avulla voidaan saavuttaa ominaisuuksia, joita perinteisillä materiaaleilla ei ole. On todennäköistä, että biopolymeerit tulevat tulevaisuudessa korvaamaan valtaosan tällä hetkellä valmistettavista polymeerimateriaaleista. Biopolymeerien heikkoudet liittyvät toistaiseksi epätasalaatuisiin ominaisuuksiin ja suhteellisen korkeaan hintaan. Lisäksi valtaosa biopolymeereistä ei sovellu sellaisenaan teollisiin sovelluksiin, minkä vuoksi niiden ominaisuuksia pyritään parantamaan seostamalla materiaaliin erilaisia lujitteita, kuten luonnonkuituja ja fillereitä. Tämän diplomityön tarkoituksena on kartoittaa biokomposiittien valmistusmenetelmät ja niiden ominaisuudet sekä olemassa olevat biopolymeerit, luonnonkuidut ja fillerit. Lisäksi tutkitaan luonnonmateriaaleilla ja biopohjaisilla lujitteilla vahvistettujen polyuretaanikomposiittien mekaanisia ominaisuuksia. Työn kokeellisessa osiossa tolueenidi-isosyanaatti (TDI) ja metyleenidifenyylidi-isosyanaatti (MDI) polyuretaanimatriisisysteemejä lujitettiin hamppukuidulla, mikrokiteisellä selluloosalla ja epäorgaanisilla lujitteilla. Näiden mekaanisia ominaisuuksia verrattiin pelkän polyuretaanimatriisin arvoihin. Mekaanisia ominaisuuksia olivat murtolujuus, 100 % moduuli, 300 % moduuli, kimmomoduuli sekä kovuus. Lisäksi tarkasteltiin lujitteiden ja matriisin yhteensopivuutta pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM, scanning electron microscope) ja hamppukuidun adheesiota matriisiin yritettiin modifioida alkalikäsittelyllä. Tulokset osoittavat, että käytetyillä pitoisuuksilla luonnonmateriaaleilla ja biopohjaisilla lujitteilla oli pääosin murtolujuutta laskeva vaikutus, mutta ne kasvattivat vetolujuusarvoa pienemmillä venymän arvolla. Lujitteiden vaikutukset ilmenivät selvemmin käytettäessä MDI-systeemiä ja suurempaa isosyanaatti-indeksiä. Pienipartikkeliset epäorgaaniset lujitteet nostivat tehokkaimmin kimmomoduulia ja vetolujuutta pienillä venymän arvoilla, mutta heikensivät voimakkaasti murtolujuutta. Matriisin isosyanaatti-indeksin nosto ja hamppukuitujen pituuden kasvattaminen parantavat todennäköisesti hamppukuitunäytteiden tutkittuja arvoja. Myös epäorgaanisten lujitteiden kohdalla tutkittuja arvoja voidaan todennäköisesti parantaa tehostamalla partikkelien dispersiota ja nostamalla isosyanaatti-indeksiä, mutta vaikutuksien vahvistamiseksi tarvitaan lisää tutkimuksia