Eri raaka-ainemuotojen hyödyntäminen puumuovikomposiitin valmistuslinjastossa

Diplomityössä tutkittiin erilaisten raaka-ainemuotojen hyödyntämistä puumuovikomposiitin valmistuslinjastossa ja raaka-ainemuotojen vaikutusta valmistuslinjaston kannattavuuteen. Työssä etsittiin kannattavinta yhdistelmää raaka-ainemuotojen ja valmistusvaihtoehtojen välille. Työn johdanto osuudessa käsitellään aiheeseen liittyvää kirjallisuutta ja tutkimuksia. Siinä esitellään valmistusprosessin vaiheet ja raaka-aineet, niihin vaikuttavat tekijät, valmistuksen taloudellisuus ja investointikäsitteet. Käytännön osuus koostuu valmistusprosessin taloudellisesta analyysista ja laboratoriossa suoritetuista koeajoista. Taloudellisessa analyysissa selvitettiin raaka-ainemuotojen kannattavuudet eri valmistusvaihtoehdoille ja koeajoissa tutkittiin raaka-ainemuotojen todellista käyttäytymistä ekstruusiossa kahdella erilaisella profiililla. Taloudellisen analyysin perusteella paras kannattavuus valmistusprosessissa saavutetaan puupelleteillä ja yksivaiheinen valmistus on kannattavampaa kuin kaksivaiheinen valmistus kaikilla raaka-ainemuodoilla. Kaksivaiheinen valmistus voisi kuitenkin teoriassa olla kannattavampaa kuin yksivaiheinen. Koeajoissa suurin maksimituotos saavutettiin puumuovipuristeilla, mutta ajettavuuden kannalta sopivin raaka-ainemuoto linjalle olisi jauhemainen sahanpuru. Puumuovipuristeita käytettäessä oli erittäin vaikeaa löytää ekstruuderille sopivia muuttujien arvoja ja muuttujien säätäminen muuttui vaikeammaksi, kun käytössä oli monimutkaisempi terassilautaprofiili.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntäminen ekstruusion raaka-aineena

Ilmaston lämpeneminen ja luonnonvarojen ehtyminen ovat nostaneet ympäristöasiat erittäin ajankohtaisiksi ja kierrättämisen merkitys korostuu entisestään. Tässä diplomityössä on käsitelty teollisuuden jätteiden ja sivutuotteiden kierrättämistä puumuovikomposiitin raaka-aineeksi. Työssä on tutkittu Kaakkois-Suomessa olevia tärkeimpiä teollisuuden sivuainevirtoja puumuovikomposiitin kannalta sekä valmistettu puumuovikomposiittia hyödyntämällä kahta kaatopaikalle päätyvää jätettä. Kaakkois-Suomen teollisuuden jätteitä selvitettäessä löytyi paljon puumuovikomposiitin valmistamiseen soveltuvia jätteitä. Mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteita käytetään yleisesti puumuovikomposiitin valmistamiseen. Muita potentiaaliseksi havaittuja raakaaineita ovat mm. lentotuhka, lasikuitujäte, pakkauskartonki, muovijätteet ja vuorivillan valmistuksessa syntyvät jätteet. Koemateriaaleiksi valittiin puunpoltosta peräisin oleva lentotuhka ja vuorivillan valmistamisessa syntyvä vuorivillapöly. Materiaaleilla korvattiin puuta puumuovikomposiitissa ja valmistetulle komposiitille suoritettiin kokeita mekaanisten ominaisuuksien selvittämiseksi. Molempien materiaalien kohdalla ominaisuuksien havaittiin parantuneen ilman täyteainetta valmistettuun komposiittiin verrattuna.

ArkWood-case puumuovitalo

Rakennusalalla kehitetään uusia materiaaleja ja rakennuslainsäädäntö muuttuu kiivaaseen tahtiin. Kilpailu alalla kiristyy ja tarvitaan uusia toimintatapoja rakentamisen kaikissa vaiheissa aina suunnittelusta toteutukseen. Puumuovikomposiitti on Suomessa uudehko rakennusmateriaali. Tässä työssä selvitetään tällä hetkellä voimassa olevien rakennusmääräysten ja standardien asettamia vaatimuksia puumuovikomposiittien käytölle rakentamisessa Suomessa sekä kehitetään omaa yritystoimintaa laatimalla oman yrityksen liiketoimintasuunnitelma. Tässä diplomityössä on laadittu puumuovikomposiittitalon rakennuslupapiirustukset ja selvitetty, kuinka Lappeenrannan rakennusvalvonta suhtautuu puumuovikomposiitin käyttöön kyseessä olevassa kohteessa rakennuslupahakemusvaiheessa. Suunnitellusta puumuovitalosta on pyydetty tarjoukset talotoimittajilta ja arvioitu puumuovikomposiitin käytön vaikutusta rakentamisen kokonaiskustannuksiin. Liiketoimintasuunnitelman laadinnassa on hyödynnetty aihealueeseen liittyvää kirjallisuutta ja julkaisuja yhdistäen niihin omia näkemyksiä ja ideoita.

Hybridikomposiittien hyödyntäminen tuulivoimalan rakenteissa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia hybridikomposiittien soveltuvuutta tuulivoimalan osien tai osakokonaisuuksien rakennemateriaaliksi. Lähtökohtana oli selvittää erityisesti luonnonkuitukomposiitin materiaaliteknisten ominaisuuksien, etenkin lujuusominaisuuksi-en soveltuminen tuulivoiman rakenteisiin. Työn johdanto-osuudessa esitellään tuulivoiman rooli tämän päivän energiantuotannossa, yksittäisen tuulivoimalalaitoksen rakenne, rakenteiden suunnittelussa huomioitavat seikat, voimalan eri osien kuten tornin, lapojen ja nasellin yleisimmät valmistusmenetelmät, sekä muovien ja eri lujitteiden ohella puumuovikomposiitin materiaaliominaisuudet, valmistus-menetelmät ja yleisimmät käyttökohteet. Hybridikomposiittien lujuusominaisuuksia tutkittiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston puutekniikan laboratoriossa suoritetuissa mittauksissa. Saatuja tuloksia verrattiin referens-situlosten ohella myös tällä hetkellä tuulivoimalan rakenteissa yleisesti käytettävien lasi- ja hiilikuidun, sekä teräksen ominaisuuksiin. Mittaustulosten perusteella bambu- ja lasikuitu-lujitteiset puumuovikomposiitit soveltuvat parhaiten tuulivoimalarakenteisiin, mutta niiden valmistaminen ekstruusiomenetelmällä on melko haasteellista.

Kaupallisten komposiittituotteiden materiaaliominaisuuksien määritys ja vertailu

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin viiden kaupallisen puu-muovikomposiittituotteen säänkestävyyttä kolmen eri materiaaliominaisuuden avulla. Tuotteet olivat Suomessa markkinoilla olevia terassirakentamisen tuotteita ja niiltä mitattiin Charpy -iskulujuutta, veden absorptiokykyä ja värinmuutosta. Tuloksia verrattiin sekä keskenään, että muualla maailmassa tutkittujen kaupallisten tuotteiden kanssa. Tulosten perusteella havaittiin, että Suomen markkinoilla olevien tuotteiden säänkestävyys on erinomainen.

Produção e caracterização física e mecânica de compósito plástico-madeira

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Corrugated wood composite panels for structural decking

High flexural strength and stiffness can be achieved by forming a thin panel into a wave shape perpendicular to the bending direction. The use of corrugated shapes to gain flexural strength and stiffness is common in metal and reinforced plastic products. However, there is no commercial production of corrugated wood composite panels. This research focuses on the application of corrugated shapes to wood strand composite panels. Beam theory, classical plate theory and finite element models were used to analyze the bending behavior of corrugated panels. The most promising shallow corrugated panel configuration was identified based on structural performance and compatibility with construction practices. The corrugation profile selected has a wavelength equal to 8”, a channel depth equal to ¾”, a sidewall angle equal to 45 degrees and a panel thickness equal to 3/8”. 16”x16” panels were produced using random mats and 3-layer aligned mats with surface flakes parallel to the channels. Strong axis and weak axis bending tests were conducted. The test results indicate that flake orientation has little effect on the strong axis bending stiffness. The 3/8” thick random mat corrugated panels exhibit bending stiffness (400,000 lbs-in2/ft) and bending strength (3,000 in-lbs/ft) higher than 23/32” or 3/4” thick APA Rated Sturd-I-Floor with a 24” o.c. span rating. Shear and bearing test results show that the corrugated panel can withstand more than 50 psf of uniform load at 48” joist spacings. Molding trials on 16”x16” panels provided data for full size panel production. Full size 4’x8’ shallow corrugated panels were produced with only minor changes to the current oriented strandboard manufacturing process. Panel testing was done to simulate floor loading during construction, without a top underlayment layer, and during occupancy, with an underlayment over the panel to form a composite deck. Flexural tests were performed in single-span and two-span bending with line loads applied at mid-span. The average strong axis bending stiffness and bending strength of the full size corrugated panels (without the underlayment) were over 400,000 lbs-in2/ft and 3,000 in-lbs/ft, respectively. The composite deck system, which consisted of an OSB sheathing (15/32” thick) nailed-glued (using 3d ringshank nails and AFG-01 subfloor adhesive) to the corrugated subfloor achieved about 60% of the full composite stiffness resulting in about 3 times the bending stiffness of the corrugated subfloor (1,250,000 lbs-in2/ft). Based on the LRFD design criteria, the corrugated composite floor system can carry 40 psf of unfactored uniform loads, limited by the L/480 deflection limit state, at 48” joist spacings. Four 10-ft long composite T-beam specimens were built and tested for the composite action and the load sharing between a 24” wide corrugated deck system and the supporting I-joist. The average bending stiffness of the composite T-beam was 1.6 times higher than the bending stiffness of the I-joist. A 8-ft x 12-ft mock up floor was built to evaluate construction procedures. The assembly of the composite floor system is relatively simple. The corrugated composite floor system might be able to offset the cheaper labor costs of the single-layer Sturd-IFloor through the material savings. However, no conclusive result can be drawn, in terms of the construction costs, at this point without an in depth cost analysis of the two systems. The shallow corrugated composite floor system might be a potential alternative to the Sturd-I-Floor in the near future because of the excellent flexural stiffness provided.

Impact of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites

The main aim of this thesis is to study the effect of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites (WPC). The studied minerals are Talc, Calcite (CaCO3), two quantities of Wollastonite and Soapstone, and the level of mineral addition is 20 w-%. The study shows that mineral fillers can be used to modify and improve the properties of woodplastic composites. Especially the moisture-related properties of WPCs were found to be improved significantly by mineral addition. As the WPCs of the studied type are commonly used in outdoor applications, this is of importance in terms of usability. In machining, the addition of two minerals retained the surface roughness at same level throughout the test, indicating a favorable effect on machinability. The use of hard minerals shortened the tool life in machining. In general, a modest increase in density was observed. In many of the studied properties, no apparent influence of mineral addition was found, indicating that the properties were not weakened. An overall result was that talc showed the best overall performance, indicating that it can be used as an active filler improving most of the studied properties, especially moisture resistance. Calcite was found to have nearly similar performance. According to the findings, mineral addition to wood-plastic composites appears to be beneficial; especially moisture resistance can be enhanced without diminishing the other properties or usability in general.

Photodegradation and photostabilization of weathered wood flour filled polyethylene composites

Wood plastic composites (WPCs) have gained popularity as building materials because of their usefulness in replacing solid wood in a variety of applications. These composites are promoted as being low-maintenance, high-durability products. However, it has been shown that WPCs exposed to weathering may experience a color change and/or loss in mechanical properties. An important requirement for building materials used in outdoor applications is the retention of their aesthetic qualities and mechanical properties during service life. Therefore, it is critical to understand the photodegradation mechanisms of WPCs exposed to UV radiation and to develop approaches to stabilize these composites (both unstabilized and stabilized) as well as the effect of weathering on the color fade and the retention of mechanical properties were characterized. Since different methods of manufacturing WPCs lead to different surface characteristics, which can influence weathering, the effect of manufacturing method on the photodegradation of WPCs was investigated first. Wood flour (WF) filled high-density polyethylene (HDPE) composite samples were either injection molded, extruded, or extruded and then planed. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was used to monitor the surface chemistry of the manufactured composites. The spectra showed that the surface of planed samples had more wood component than extruded and injection molded samples, respectively. After weathering, the samples were analyzed for color fade, and loss of flexural properties. The final lightness of the composites was not dependent upon the manufacturing method. However the mechanical property loss was dependent upon manufacturing method. The samples with more wood component at the surface (planed samples) experienced a larger percentage of total loss in flexural properties after weathering due to a greater effect of moisture on the samples. The change in surface chemistry of HDPE and WF/HDPE composites after weathering was studied using spectroscopic techniques. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to characterize the occurrence of surface oxidation whereas FTIR spectroscopy was used to monitor the development of degradation products, such as carbonyl groups and vinyl groups, and to determine changes in HDPE crystallinity. Surface oxidation occurred immediately after exposure for both the neat HDPE and WF/HDPE composites. After weathering, the surface of the WF/HDPE composites was oxidized to a greater extent than the neat HDPE after weathering. This suggests that photodegradation is exacerbated by the addition of the carbonyl functional groups of the wood fibers within the HDPE atrix during composite manufacturing. While neat HDPE may undergo cross-linking in the initial stages of accelerated weathering, the WF may physically hinder the ability of the HDPE to cross-link resulting in the potential for HDPE chain scission to dominate in the initial weathering stages of the WF/HDPE composites. To determine which photostabilizers are most effective for WF/HDPE composites, factorial experimental designes were used to determine the effects of adding two hindered amine light stabilizers, an ultraviolet absorber, and a pigment on the color made and mechanical properties of both unweathered and UV weathered samples. Both the pigment and ultraviolet absorber were more effective photostabilizers for WF/HDPE composites than hinder amine light stabilizers. The ineffectiveness of hindered amine light stabilizers in protecting WPCs against UV radiation was attribuated to the acid/base reactions occurring between the WF and hindered amine light stabilizer. The efficiency of an ultraviolet absorber and/or pigment was also examined by incorporating different concentration of an ultraviolet absorber and/or pigment into WF/HDPE composites. Color change and flexural properties were determined after accelerated UV weathering. The lightness of the composite after weathering was influenced by the concentration of both the ultraviolet absorber by masking the bleaching wood component as well as blocking UV light. Flexural MOE loss was influenced by an increase in ultraviolet absorber concentration, but increasing pigment concentration from 1 to 2% had little influence on MOE loss. However, increasing both ultraviolet absorber and pigment concentration resulted in improved strength properties over the unstabilized composites after 3000 h of weather. Finally, the change in surface chemistry due to weathering of WF/HDPE composites that were either unstabilized or stabilized with an ultraviolet absorber and/or pigment was analyzed using FTIR spectroscopy. The samples were tested for loss in modulus of elasticity, carbonyl and vinyl group formation at the surface, and change in HDPE crystallinity. It was concluded that structural changes in the samples; carbonyl group formation, terminal vinyl group formation, and crystallinity changes cannot reliably be used to predict changes in modulus of elasticity using a simple linear relationship. The effect of cross-linking, chain scission, and crystallinity changes due to ultraviolet exposure as well as the interfacial degradation due to moisture exposure are inter-related factors when weathering HDPE and WF/HDPE composites.

Puukuitulujitteiset muovikomposiitit puunjalostusteollisuudessa

Puukuitulujitteisten muovikomposiittien käyttömäärät ovat maailmanlaajuisesti kasvaneet jatkuvasti viimeisen 15 vuoden aikana.Kasvun on ennustettu jatkuvan voimakkaana myös tulevaisuudessa. Diplomityön tavoitteena oli selvittää puukuitulujitteisten muovikomposiittimateriaalien soveltuvuus erääseen, mahdollisesti rakennusteollisuuden käyttöön tulevaan, tuotteeseen. Tutkittaviksi materiaaliyhdistelmiksi valittiin sekä kerta- että kestomuovin ja puu- jauhon seos. Puujauho oli koivupuista sahaus- ja hiontajätettä. Molemmissa tapauksissa puun osuus komposiitissa oli 30 p-%. Koekappaleiden valmistuksessakäytettiin koivupuisia muotteja, joihin materiaali annosteltiin. Kertamuovin japuujauhon seos kovettui huoneenlämmössä. Kestomuovin ja puujauhon seoksen sulatukseen käytettiin lämmitettävillä puristinlevyillä varustettua aihiopuristinta. Koekappaleille määritettiin taivutuslujuudet taivutuskokeen avulla. Koekappaleiden taivutuslujuuksia verrattiin mm. lattialastulevyn ja koivuliimalevyn arvoihin. Liimalevyn taivutuslujuus muihin verrattuna oli huomattavasti suurempi. Komposiittimateriaalista valmistettujen koekappaleiden taivutuslujuus oli lähellä lattia-lastulevyn tasoa, osittain jonkin verran parempikin. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta puukuitulujitteisilla muovikomposiiteilla olevan kehityspotentiaalia myös tutkimuskohteen tyyppisissä ratkaisuissa. Jatkotutkimusta tulisi kohdistaa ennen kaikkea kestomuovipohjaisen komposiittimateriaalinsuuntaan.

Ultraviolet light protection and weathering properties of wood-polypropylene composites

The main aim of this thesis is to study the effect of pigments on the weathering properties of wood-polypropylene composites (WPC). The studied properties are color change, water absorption, thickness swelling and Charpy impact strength. The impact of weathering and UV exposure on WPCs was studied by using pigments and minerals as protective agents. The study shows that the pigments and/or mineral fillers can be used to improve the weathering properties of WPCs. The effect of pigments was found to vary with the type of pigment and the method of weathering. The black pigment, an inorganic carbon black master-batch, was found to be the most effective one in reduction of the discoloration of WPCs. By preventing discoloration, and further reducing the degradation of the surface of the WPC, the pigments were found to reduce the decrease in the impact strength after weathering. As well as UV protection, the moisture resistance is a significant factor affecting the durability of WPCs. The addition of mineral fillers was found to improve the moisture-related properties, such as water absorption and thickness swelling, of WPC significantly. According to the findings, addition of pigments and mineral fillers to wood-polypropylene composites appears to be beneficial: color stability and moisture resistance can be enhanced especially in outdoor weathering. The combined effect of black pigment (carbon black master-batch) and wollastonite as a mineral filler was found to bring about the most effective properties against weathering.

Influência da humidade no comportamento mecânico de compósitos de madeira-plástico

As crescentes questões ambientais têm vindo a impor, entre outras, a necessidade da reciclagem dos desperdícios produzidos por diversos setores (agricultura, indústria e serviços). Nesta ótica têm vindo a surgir um conjunto alargado de produtos compósitos que incluem os compósitos de madeira-plástico (Wood Plastic Composites). Estes compósitos têm vindo a competir com os produtos de madeira em diversos nichos de mercado, sendo o maior deles os revestimentos de piso em ambiente exterior, vulgarmente designados de deckings. Estes compósitos são comercializados salientando as suas vantagens relativamente à madeira maciça, como seja maior durabilidade biológica e menor variabilidade de propriedades mecânicas e físicas. No final do ano 2013 e início de 2014, foram reportadas uma série de anomalias na aplicação de réguas de compósitos madeira-plástico, nomeadamente a diminuição do desempenho físico e mecânico destes materiais, quando sujeitos a períodos prolongados de humidificação. Embora, para a maioria dos casos reportados, estas anomalias se devam a condições deficientes de aplicação, a possibilidade de alteração de características à flexão, quando sujeitos a condições de uma aplicação exterior, ainda não se encontra bem estudada. Na presente dissertação são avaliados e apresentados os efeitos no comportamento à flexão de três tipos diferentes de réguas de compósito madeira-plástico, quando sujeitos a condições de humidade permanente ou cíclica. Para este efeito, foram conduzidos um conjunto de ensaios, nomeadamente, de flexão para determinação da pré-carga, de resistência à humidade e de variação dimensional e de módulo de elasticidade devido à imersão em água e a ambiente húmido. Posteriormente, os resultados obtidos foram sujeitos a uma verificação aos Estados Limite de Serviço. Os resultados revelaram reduzidas variações dimensionais (inchamento) e perdas significativas de módulo de elasticidade, apenas devido à exposição a elevados níveis de humidade, mostrando-se o caso de exposição prolongada a água líquida o mais gravoso. Relativamente aos Estados Limite de Serviço, sobretudo a longo prazo, os resultados mostraram-se bastante gravosos, nomeadamente para o material de menor qualidade.