Trä- och Bionanokompositer Kristiina Oksman Avd. för Tillverkning och design av trä- och bionanokompositer Luleå tekniska universitet, Skellefteå TRÄETS FRAMTID, TRÄFESTIVALEN I SKELLEFTEÅ 20-21 Feb. 2007
Innehållet Träkompositer Exempel på produkter Forskning Bio-nanokompositer Nanomaterialer Exempel på produkter Forskning
Tillverkning och Design av Trä och Bionanokompositer Professor Kristiina Oksman FoAss Dr Aji Mathew PostDoc Dr Özgur Seydibeyogly Doktorander: Göran Grubbström, Reaktivekstrudering av träkompositprofiler, Skellefteå Kraft, Extena, NORDEA Wolfgang Stelte, Fibrillated nanocomposites for ligaments, TEM-PLANT, EU projekt Christian Eyholzer, Cellulose fibrils: Isolation, characterisation and reinforcing potential for biodegradable polymers, EMPA / LTU 4 doktorander i Norge 1 doktorand i Toronto MSc studenter: Carrie Teng, Stabilization of wood biopellets Ayuk Jackson, Cellulose nanocomposites
Vi arbetar med Tillverkning av kompositer Blandning av trä och plast Reaktiv-extrudering Profilextrudering Mekaniska egenskaper Karakterisering av mikro- och nanostrukturer Vidhäftning mellan armering och bindemedel Långtidsegenskaper Produktutveckling
Trätermoplastkompositer (WPC) Blandning trä och termoplast Kompoundering (blandning) Träpulver, spån, fibrer PP, PE, PS, PVC (kan vara återvunnen också) Materialet kan formas som plast, genom profilextrudering, formsprutning, pressning, mm Träinnehållet 50-70%
Träkompositer Användningen och utvecklingen av träkompositer har ökat enormt under de senaste 10 åren i USA och i Asien Tillväxten har varit >25% varje år sedan 1998 och marknaden var uppskattad till ca. 1.3 miljarder US dollar/år i 2005 Intresset ökar även i Europa, tillverkning i Tyskland, Frankrike, Holland, Sverige, Finland, Italien Används huvudsakligen i stället för tryckimpregnerat virke, sk. deckingmaterial och i fönster och dörrprofiler, olika hushållsprodukter, bilinredningar, möbler mm Varför? Ökade miljökrav? Mindre underhåll? Billigare?
Fördelar att använda trä Förbättrar plastens mekaniska egenskaper Lägre pris Miljövänligare Förbättrar plastens värmetålighet Minskar krymp Kortare processtid Ändrar utseende/dekorativa ytor Bionedbrytbarhet
Trex Produkter
Produkter EINwood, Japan IKEA, PS Ellan Woodstock
Produkter Rund fönsterkarm, Kareline Oy Takpannor, Teel Plastics Inc Gitarr, Flaxwood Oy
Forskning: Tvärbinding av trä-termoplastkompositer Reaktivekstrudering Silaner, andra additiver för att skapa tvärbindning Studerar Tväbindningstätheten Mekaniska egenskaper Vidhäftningen Långtidsegenskaper Varför? Förbättrar mekaniska egenskaper, som styrka och seghet Förbättrar bindningen mellan träplast Förbättrar långtidsegenskaper Förbättrar fuktstabiliteten
Tvärbundna trätermoplast-kompositer HDPE & wood flour Silane 30 Engineering Stress (MPa) 25 20 15 10 XLPE 5 XLPE + 20 % WF XLPE + 30 % WF XLPE + 40 % WF 0 0 5 10 15 20 25 Strain (%) M. Bengtsson, N. Stark and K. Oksman, Profile Extrusion and Mechanical Properties of Crosslinked Wood Thermoplastic Composites. Polymer Composites, 27 (2), (2006), 184-194.
Cellulosafibertermoplastkompositer Pelletisering av cellulosafibrer För att öka bulkdensitet Fluffed CF CF-pellets Extruderingsprocess Direktextrudering Gravimetrisk matning 40-60% fiber Jämförelse mellan olika fibrer M. Bengtsson, M. Le Baillif and K. Oksman, Extrusion and Mechanical Properties of Highly Filled Cellulose Fibre-Polypropylene Composites, submitted to Composites Part A.
Nanokompositer Definitionen: Nanokomposit då armeringen är mindre är 100 nm i en dimension Utvecklades av Toyota på 90-talet Lera & nylon Små mängder (5%) förbättrar materialegenskaper Transparenta material
Nanometer skala 1 m 1 cm 1 mm Kristiina ~1,550,000,000 nm Sockerbit ~ 10,000,000 nm Myra ~ 6,000,000 nm Hårstrå ~ 100,000 nm 1 μm Blodceller ~ 6,000 nm Bakterie ~1,000 nm 1 nm Vattenmolekyl < 1 nm
Microkompositer mot nanokompositer Nanokomposit: polymer + solida partiklar <100 nm minst i en dimension <100 nm ~1 μm Microcomposite Nanocomposite
Framtidens nanokompositer Förnybara nanokompositer för bilar Bionedbrybara filmer för förpackningar (barriär lager) Bionedbrytbara förpackningar Medicinska applikationer kompatibla med kroppen
Bio-nanokompositer Förbättra biopolymerens egenskaper: Mekaniska Termiskstabilitet Seghet Barriär Bionedbrytbarhet Bibehållen transparens Förnybara armeringsmaterialer Cellulosa nanokristaller (whiskers) Cellulosa nanofibriller Kollagen fibriller
Uppbyggnaden av trä
Nanoarmeringar Micro Fibrillated Cellulose Bacterial Cellulose Trä Fibriller Kristaller (whiskers) Cellulose Nano Whiskers Bakteriell cellulosa Fibriller Collagen Micro Fibrils Kollagen Fibriller Masuko Sangyo, Japan
Interessanta biopolymerer Mjölksyra polymer (PLA) Polyuretan (PU) Cellulosaestrar (CA, CAB) Stärkelse Polyvinyl alkohol (PVA) Kollagen (C) Gelatin (G)
Cellulosa nanokompositer CAB/TEC CAB/TEC-CNW 200 nm Vi kan inte se kristallerna men brottytorna är väldigt olika och vi ser inga agglomerat av cellulosa i kompositen Transparenta nanokompositer Patent appl. NO20065147 and US 10/560190, K. Oksman, P. Syre and D. Bondeson Submitted for publication in Journal of Biomaterials and Bioenergy
Mekaniska egenskaper 200 nm Dramatisk förbättring av max styrka och styvhet men segheten minskar Patent appl. NO20065147 and US 10/560190, K. Oksman, P. Syre and D. Bondeson Submitted for publication in Journal of Biomaterials and Bioenergy
Termiska egenskaper Förbättrad termisk stabilitet, >30 C högre mjukningstemp Patent appl. NO20065147 and US 10/560190, K. Oksman, P. Syre and D. Bondeson. Submitted for publication in Journal of Biomaterials and Bioenergy
Är det möjligt att rikta cellulosa kristaller mha magnetfält? CNW PVA PVA-CNW TEM Kvien and K. Oksman, Orientation of Cellulose Nanowhiskers in Polyvinyl Alcohol (PVA), Applied Physics A, in press.
Microscopic examination Light microscope FESEM FESEM AFM Polarized light Etched surface Etched surface Indigerar riktning av kristallerna i PVA I. Kvien and K. Oksman, Orientation of Cellulose Nanowhiskers in Polyvinyl Alcohol (PVA), Applied Physics A in press.
Mekaniska egenskaper 6.2 GPa 10,0 PVA-CNW transverse 0,50 4.2 GPa 9,5 PVA-CNW parallel 0,40 log E' [Pa] 9,0 0,30 0,20 8,5 0,10 8,0 0,00 20 40 60 80 100 120 T [ o C] 2 GPa skillnad mellan olika riktningar I. Kvien and K. Oksman, Orientation of Cellulose Nanowhiskers in Polyvinyl Alcohol (PVA), Applied Physics A in press.
Trätermoplastkompositer Blandning trä och termoplast Kompoundering (extrudering) Träpulver, spån, fibrer PP, PE, PS, PVC (kan vara återvunnen också) Materialet kan formas som plast, genom profilextrudering, formsprutning, pressning, mm Träinnehåll ca. 50-70% Råmaterial -Sågspån -Flis.. Pris: 0.25 SEK/kg Träpulver och fibrer storlek, form etc. Pris: 2-4 SEK/kg Kompoundering till granulat Pris: 4-8 SEK/kg Produkter - extrudering - formsprutning Pris:16-? SEK/kg (uppskattning 2001) Direktextrudering Pris: 8-16 SEK/kg