”Hyvä Tietää Muovista” on MuoviPlast-lehdessä jo vuodesta 2012 lähtien ilmestynyt artikkeleiden sarja, joissa esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista.

Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.

  • Kompostoituvia roskapusseja Mater-Bi materiaalista italialaiselta Novamontilta. Kestää kosteutta paremmin kuin paperipussi. Lähde: IMCD Sweden AB
  • Risiinikasvia kasvatettiin aikaisemmin lääkkeeksi, mutta nykyään myös uusiutuvaksi luonnon raaka-aineeksi tiettyjä polyamidilajikkeita varten.
  • Maissi on yleinen uusiutuva luonnonvara biomuovien valmistuksessa, sekä maatalousmuoveissa että biopolyestereissä.
  • Kuvassa maatalouskalvoa, jota käytetään maataloudessa maan peittämiseen ja rikkakasvien eliminointiin. Se on valmistettu Mater-Bi -raaka-aineesta, jota valmistetaan maissi- peruna- tai muista paljon tärkkelystä sisältävistä kasveista. Sen lisäksi että kalvo on valmistettu biopohjaisista tuotteista on se myös kompostoituva. Käytön jälkeen se kynnetään peltoon ja tietyn ajan kuluessa se häviää kokonaan. Kuva: Novamont
  • PPSU:lla on kaikista muoveista erittäin hyvä luontainen palosuojaus ja sitä käytetään siksi mm. lentokoneiden sisustuspaneeleihin.
  • PSU on saatavilla elintarvikehyväksyttynä ja sitä käytetään mm. lypsykoneiden osissa. Tässä yksi tärkeä etu on raaka-aineen läpinäkyvyys ja että se voidaan höyrysteriloida.

Aikaisemmissa jaksoissa on käsitelty valtamuovit, tekniset muovit ja osakiteiset erikoismuovit. Tässä artikkelissa jatketaan amorfisilla erikoismuoveilla ja samalla päättyy artikkelisarjan raaka-aineosuus biomuoveilla.

Erikoismuovit

Erikoismuovien esittely päättyy kestomuoveihin kuuluvilla sulfonimuoveilla. Ne ovat amorfisia, läpinäkyviä ja meripihkan värisiä muoveja. Ne ovat tunnettuja hyvästä sitkeydestä, mittatarkkuudesta ja selviytyvät huomattavasti korkeammista lämpötiloista kuin esim. polykarbonaatti.

  1. Polysulfoni (PSU)
  2. Polyfenyleenisulfoni (PPSU)

Polysulfoni – PSU

Polysulfoni (englanniksi: ”polysulphone”) on käyttömäärältään suurin amorfisista sulfonimuoveista. Raaka-aine tuli Yhdysvalloissa markkinoille Union Carbiden lanseeramana vuonna 1965 tuotenimellä Bakelite. Myöhemmin tuote sai nimen Udel. Union Carbide myi polysulfonin valmistuksen Amoco Performance Productsille. Tänään raaka-ainetta valmistaa ja markkinoi Solvay Advanced Polymers. Toinen tunnettu tuotemerkki on Mindel, jota myöskin valmistaa Solvay.

Polysulfonilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet laajalla käyttölämpötila-alueella. Polysulfoniin voidaan sekoittaa muita muoveja, kuten esimerkiksi ABS:a. Tämä modifiointi vähentää jännityssäröilyn riskiä ja alentaa samalla raaka-aineen hintaa. Sekoituksella on tosin huonommat mekaaniset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa verrattuna puhtaaseen polysulfoniin.

PSU:n ominaisuuksia

  • + Laaja käyttölämpötila-alue (-100 °C… +160 °C jatkuva)
  • + Jäykkyys säilyy käytännössä muuttumattomana koko käyttölämpötila-alueella
  • + Erinomaiset hydrolyysiominaisuudet (kuuma vesi)
  • + Elintarvike- ja lääkeainekontaktiin hyväksytty
  • + Voidaan steriloida höyryllä, eteenioksidilla ja gammasäteillä
  • + Saatavana V0-paloluokituksella
  • – Herkkä jännityssäröilylle tietyillä liuottimilla
  • – Huono UV-kesto (voidaan parantaa lisäaineilla)
  • – Epätavallisen korkea työstölämpötila (jopa 390 °C ruiskuvalussa)

Käyttöalueet

PSU voidaan työstää kaikilla tavallisimmilla kestomuovien työstömenetelmillä. Puolivalmisteina löytyy tankoa, putkea, profiileja, levyjä ja kalvoa.

Raaka-ainetta käytetään, kun tarvitaan läpinäkyviä tuotteita, jotka kestävät korkeita lämpötiloja ja kuumaa vettä, tai näillä ominaisuuksilla kun lisäksi tarvitaan elintarvike- tai lääkeainehyväksyntä. Esimerkkinä lääketieteen tuotteet, joissa PSU korvaa lasin, kuumien juomien valmistuksessa käytettävät komponentit (esim. kahvinkeitin), mikroaaltouunien osat ja astiat, hiustenkuivaajat ja autoteollisuuden komponentit.

Kemia

Polysulfonilla on monomeerissa neljä aromaattista ryhmää. Juuri tämän rakenteen ansiosta sillä on hyvät lämmönkesto-ominaisuudet.

kemia01

Polyfenyleenisulfoni – PPSU

Polyfenyleenisulfoni (englanniksi ”polyphenylsulphone”) muistuttaa ominaisuuksiltaan polysulfonia mutta sillä on huomattavasti parempi iskulujuus (10-kertainen) ja pienempi jännityssäröilyn riski. Markkinoiden johtava valmistaja on Solvay Advanced Polymers ”Radel” tuotemerkillään.

PPSU:n ominaisuuksia

  • + Korkea maksimikäyttölämpötila (+190 °C)
  • + Poikkeuksellisen hyvä iskulujuus (myös korkeissa lämpötiloissa ja lämpövanhenemisen jälkeen)
  • + Erittäin hyvä paloluokitus (läpäisee lentokoneiden sisustukselle asetetut FFA-vaatimukset
  • + Hyvä jännityssäröilyn kesto
  • – UV-stabilointi lisättävä ulkokäytössä

Käyttöalueet

PPSU voidaan PSU:n tavoin työstää kaikilla tavallisimmilla kestomuovien työstömenetelmillä. Polyfenyleenisulfonia käytetään paljon terveydenhoito- ja lääketieteellisissä tuotteissa. Jotkin PPSU lajikkeet voidaan höyrysteriloida yli 1500 kertaa ja ne ovat siksi taloudellinen vaihtoehto kertakäyttötuotteille. Raaka-ainetta käytetään myös sähkö- ja elektroniikkakomponenteissa tai putkiyhteissä, joissa korkea lämmönkesto yhdistettynä hyvään kemikaalien kestoon tai hyvään palonsuojaukseen vaaditaan. Lento- ja avaruusteollisuuden tuotteita valmistetaan myös paljon PPSU:sta.

Kemia

Polyfenyleenisulfonin monomeeri muistuttaa polysulfonin monomeeriä. Ainoa ero on että – C(CH3)2 – ryhmä puuttuu.

kemia02

Biomuovit

Kysyttäessa muovialan ihmisiltä mitä biomuovi on, ei vastaus aina välttämättä ole yksiselitteinen, vaan vastauksia saa kaksi:

  1. Se on muovi, jota valmistetaan kasvipohjaisista luonnon uusiutuvista luonnonvaroista.
  2. Se on muovi, joka hajoaa mikro-organismien tai entsyymien avulla ja on kompostoitavissa.

Vuonna 2009 Elmia Polymer -messuilla Jönköpingissä käytiin paneelikeskustelu, johon osallistui edustajia muovialan ruotsalaisesta ammattilehdestä ja ammattiliitosta, muovituotteiden valmistajia sekä biomuovien maahantuojia. Keskustelussa sovittiin, että jatkossa biomuovin määritelmä olisi materiaali, joka kokonaan tai osittain koostuu uusiutuvista luonnon raaka-aineista. Kukaan ei kuitenkaan pystynyt määrittelemään kuinka paljon uusiutuvan luonnon raaka-aineen osuuden tulisi olla, jotta materiaalia voisi kutsua biomuoviksi.

Internetistä etsittäessä löytyy joidenkin raaka-ainetoimittajien määritelmä, jonka mukaan raaka-ainetta kutsutaan biomuoviksi mikäli uusiutuvien luonnon raaka-aineiden osuus on vähintään 20%. Tässä artikkelissa noudatetaan edellä mainittua määritelmää vaikka Internetissä hakusanalla ”bioplastic” usein törmää myös toiseen biomuovien määritelmään (biologisesti hajoava).

Maailmassa vuosittain tuotettavasta 250 miljoonasta tonnista muovia on biomuovien osuus vielä häviävän pieni. Vuonna 2011 koko vuosituotannon arvioitiin yltävän noin 1,5 miljoonaan tonniin. Suurimmat muoviraaka-ainetuottajat kehittävät jatkuvasti uusia biomuoveja. Tavoitteena on korvata 5-10% perinteisiä muoveja biomuoveilla. Näissä luvuissa ei ole mukana sokeriruo’osta valmistettujen bioetanolipohjaisen PE:n ja PVC:n valmistus (artikkelin käännöshetkellä 2013 esim. Braskemin tehdas Brasiliassa on käynnistynyt).

”Maatalousmuovit”

Jotkut Internet-lähteet jakavat biomuovit n.k. maatalousmuoveihin ja biopolyestereihin. Maatalousmuoveissa löytyy raaka-aineita, jotka pohjautuvat polysakkarideihin, t.s. selluloosa tai tärkkelys, tai proteiineihin. Tietyt, mutta ei kaikki, raaka-aineet, jotka valmistetaan näistä uusiutuvista luonnon raaka-aineista ovat myös biohajoavia. Bioetanolipohjaiset PE ja PVC eivät esimerkiksi ole biohajoavia muoveja.

Selluloosaa on jo kauan käytetty muovien valmistukseen esim. selluloosa-asetaatti CA, CAB ja CAP. Nämä lasinkirkkaat ja erittäin sitkeät muovit eivät kuitenkaan ole uusiutuvia. Selluloosaa saadaan puusta, joten Pohjoismaissa on hyvät edellytykset osallistua tämän alueen kehitystyöhön. Mikäli puujauhoa, pellavaa, puuvillaa tai hamppua sekoitetaan perinteiseen öljypohjaiseen muoviin luokitellaan nämäkin biomuoveihin, koska osa materiaalista on peräisin uusiutuvista luonnonvaroista. Ruotsissa on useampia pieniä yrityksiä, jotka kehittävät tämäntyyppisiä tuotteita samanaikaisesti kun suuret metsäyhtiöt panostavat kokonaan sellupohjaisten muovien tutkimukseen.

Tärkkelystä saadaan maissista, perunasta, viljasta, sokeriruo’osta ja muista kasveista, joita käytetään rehuna tai joista valmistetaan biopolttoaineita. Näiden käyttö on tietyssä määrin ristiriidassa maailmassa tarvittavien elintarvikkeiden kanssa, joten monissa tutkimusprojekteissa keskitytäänkin erityisesti oljen tai kasvin varsiston hyödyntamiseen ravinteikkaiden osien sijasta.

Bio-polyesterit

Tähän ryhmään kuuluvat muoviraaka-aineet on valmistettu joko tärkkelyspohjaisista monomeereistä (maissista tai sokeriruo’osta) tai petrolipohjaisista monomeereistä, jotka ovat kompostoituvia. Jotkut raaka-aineet ovat sekä valmistettu uusiutuvista luonnon raaka-aineista että ovat myös kompostoituvia. Yksi tällainen raaka-aine on PLA. PLA on lyhenne englanninkielen sanasta ”polylactid acid” tai ”polylactide”. Lactid acid on suomeksi maitohappo ja se on tunnettu jo yli 100 vuotta, mutta tullut muovin kannalta erittäin kiinnostavaksi vasta kun siitä on opittu valmistamaan biopolyestereitä.

Tekniset biomuovit

DuPont julkaisi vuonna 2008 raaka-aineperheen nimeltä Hytrel RS, polyesteripohjaisen teknisen elastomeerin, jossa tunnus RS tarkoittaa ”renewable sources” (uusiutuvista lähteistä). Materiaaliperheen tuotteet sisältävät 20-37% maissipohjaista raaka-ainetta.

Myös polyamidia (nailon) voidaan valmistaa uusituvista luonnon raaka-aineista. Tässä tapauksessa käytetään risiiniöljyä, jota puristetaan risiinikasvista. Tämä erittäin myrkyllinen kasvi on alkujaan Etiopiasta, mutta nykyään sitä viljellään Intiassa, Yhdysvalloissa ja Euroopassa.

Johtava polyamidien valmistaja DuPont, on lanseerannut sekä PA610- että PA1010 -biopohjaiset polyamidit. Uusiutuvan luonnon raaka-aineen osuus on jopa noin 40% ja se on peräisin risiiniöljystä.

Polyuretaani kestomuovia voidaan myös valmistaa uusiutuvista luonnon raaka-aineista. Espanjalainen Merquinsa on lanseerannut n.k. ”vihreän polyuretaanin” tuotenimellä Pearlthane Eco. Yrityksen mukaan biopohjaisilla polyuretaaneilla on parempi hydrolyysin kesto verrattuna perinteisiin polyuretaaneihin. Mekaaniset ominaisuudet ovat samalla tasolla ja tietyissä lajikkeissa uusiutuvan raaka-aineen osuus on jopa 90%. Tästä materiaalista valmistettavia tuotteita ovat kengät, autoteollisuuden tuotteet ja kuluttajatuotteet.

Kompostoituvat muovit

Monet tavallisimmat muovit kuten PE, PP ja PS eivät ole kompostoituvia vaan hajoavat luonnossa pieniksi mikropartikkeleiksi, joita valitettavasti esiintyy suuria määriä mm. maailman merissä. Jotta muovi voidaan luokitella kompostoituvaksi täytyy sen täyttää tietyt kansainvälisesti sovitut vaatimukset (esim. eurooppalainen EN13432 standardi).

Standardissa on määritelty miten nopeasti ja missä määrin hajoamisen on tapahduttava mikro-organismien vaikutuksesta kompostoitaessa raaka-aine kontrolloiduissa olosuhteissa.

Kemia

PLA:n monomeeri on rakenteeltaan seuraavanlainen.

kemia03