Luonnonkuitupohjaiset lujitteet kelaamalla valmistetuissa komposiiteissa

Luonnonkuitupohjaiset lujitteet komposiiteissa ovat herättäneet viime aikoina kiinnostusta niiden alkuperän ja hyvien ominaisuuksien takia. Lujitteet ovat edullisia raakamateriaaleina, uusiutuvia, helposti kierrätettävissä ja niitä on runsaasti saatavilla. Lisäksi niillä on alhainen tiheys, korkea jäykkyys ja hyvät lujuusominaisuudet. Yksittäisen pellavakuidun kimmomoduli voi olla jopa 60 80 GPa, kun E-lasikuidun kimmomoduli on noin 70 GPa. Luonnonkuiduilla on kuitenkin myös huonoja puolia. Kuidut eivät ole tasalaatuisia ja niillä on heikko adheesio kestomuoveihin. Ne ovat myös luonteeltaan hydrofiilisia ja hajoavat yli 200 °C:ssa. Luonnonkuituja on jo laajalti käytetty autoteollisuudessa autojen sisäosien komponenteissa. Näissä sovelluksissa kuitujen hyviä mekaanisia ominaisuuksia ei kuitenkaan hyödynnetä tehokkaasti. Sovelluksissa käytetään usein satunnaisesti järjestäytyneitä lyhyitä kuituja ja matriisi on usein kestomuovi. Tässä työssä tutkitaan luonnonkuituja teknisesti vaativammissa käyttökohteissa, joissa kuidun täytyy kantaa kuormaa. Näin luonnonkuituja voitaisiin käyttää korvaamaan lasikuitua joissakin sovelluksissa. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin luonnonkuitukomposiittiputkia kelaamalla. Kelaus on prosessointimenetelmä, jonka avulla voidaan valmistaa sylinterimäisiä ja pyörähdyssymmetrisiä näennäisesti yhdensuuntaisia laminoituja komposiitteja, joilla on korkea kuitupitoisuus. Kuituina käytettiin kahta eri luonnonkuitupohjaista lujitetta (pellava ja viskoosi) sekä lasikuitua vertailumateriaalina. Matriisimateriaaleina käytettiin sekä biopohjaista että tavanomaista epoksia. Luonnonkuitukomposiittien radiaalista vetolujuutta, aksiaalista vetolujuutta ja kimmomodulia, iskulujuutta sekä veden absorptiota vertailtiin lasikuitukomposiittien vastaaviin arvoihin. Myös optista mikroskopiaa ja SEM:ä käytettiin karakterisoinnissa. Pellavakuitua kelattiin onnistuneesti komposiittiputkeksi. Viskoosikuidun kelaus oli haastavampaa. Kuidusta saatiin kelattua komposiittiputki, mutta se ei ollut tarpeeksi luja koekappaleiden työstöä varten. Ilmeisesti kuidun ja matriisin välinen adheesio on syynä heikkoihin ominaisuuksiin. Pellavakomposiittien ominaisuudet olivat selvästi alhaisemmat kuin lasikuitukomposiittien. Lasikuitukomposiittien lujuuden suhde pellavakomposiittien lujuuteen oli kuitenkin samankaltainen kuin mitä kirjallisuudessa on esitetty. Luonnonkuitujen veden absorptio saattaa aiheuttaa ongelmia. 35 päivää veteen upotuksen jälkeen pellavakomposiitti oli absorboinut jopa 30 p-% vettä, kun vastaavasti lasikuitukomposiitti ei ollut absorboinut juuri yhtään. Kuidun ja matriisin välinen heikko adheesio on suurin syy alhaisille mekaanisille ominaisuuksille. Komposiitit olivat myös huokoisia ja kuivia, mikä lisää veden absorptiota. Luonnonkuitukomposiittien mekaanisia ominaisuuksia voidaan mahdollisesti parantaa kuitujen ja matriisin oikealla valinnalla, modifioimalla kuituja tai optimoimalla kuitujen kostumista. /Kir1