”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.
Polymeerit ja muovit
Välillä kuulee kysyttävän: Mitä eroa on polymeerillä ja muovilla? Vastaus on yksinkertainen: Ei mitään eroa, koska ne ovat sama asia. ”Polymeeri”-sana tulee kreikan kielen sanoista ”poly”, joka tarkoittaa monta sekä ”mer” tai ”meros”, jotka tarkoittavat yksikköä.
Haku Internetistä löytyvästä tietosanakirjasta, Wikipediasta, (www.wikipedia.fi) hakusanalla ”polymeeri” tuottaa seuraavan tuloksen: ”Polymeeri on molekyyli, jossa useat pienet molekyylit eli monomeerit ovat liittyneet toisiinsa kemiallisin sidoksin katalyyttien vaikutuksesta prosessissa, jota kutsutaan polymeraatioksi.
Polymeerit voidaan jakaa synteettisiin ja luonnossa esiintyviin. Luonnon polymeerejä eli biopolymeerejä ovat muun muassa tärkkelys, selluloosa, DNA, proteiinit, kautsu ja guttaperkka. Nykyisin eniten käytetyt muovit, polyeteeni, polypropeeni ja polyvinyylikloridi, ovat petrokemian jalostusketjuihin liittyviä synteettisiä tuotteita. Muoveilla on korkea polymeraatioaste, eli niiden jokainen molekyyli (polymeeriketju) on muodostunut 1000-100 000 pienestä molekyylistä (monomeeristä).
Muoveilla tarkoitetaan päivittäisessä kielenkäytössä materiaaleja, jotka perustuvat polymeereihin, mutta niihin on lisätty useita eri lisäaineita, jotta materiaaliin saadaan toivotut lisäominaisuudet. Esimerkkejä käytetyistä lisäaineista ovat värit, pehmittimet tai jäykkyyttä lisäävät komponentit.
Polymeerimateriaalit jaetaan usein kumimaisiin aineisiin (elastomeerit), kertamuoveihin ja kestomuoveihin.
Nykypäivänä käytettävät muovit ovat synteettisesti valmistettuja materiaaleja, jotka koostuvat monomeerimolekyyleistä, jotka on sidottu toisiinsa muodostaen pitkiä polymeeriketjuja. Kun polymeeriketju koostuu ainoastaan yhdenlaisista monomeereistä, polymeeriä kutsutaan homopolymeeriksi. Mikäli ketjussa esiintyy useamman tyyppisiä monomeerejä, polymeeriä kutsutaan kopolymeeriksi.
Eräs esimerkki muovista, jota esiintyy sekä homo- että kopolymeerinä, on asetaali. Asetaalimuovilla on tunnus POM (polyoksimeteeni) ja se koostuu suurimmaksi osaksi ”formaldehydi”-nimisestä monomeeristä. Formaldehydin rakenneosat (atomit) ovat hiili, vety ja happi.
Suurin osa polymeereistä on orgaanisia, rakentuen hiiliketjun ympärille, mutta myös kemiallisesti epäorgaanisia polymeerejä on olemassa. Tunnetuin on pii-happiketjusta muodostuva silikoni, eli poly(alkyylisiloksaani).
Hiili ja vety ovat kaksi ylivoimaisesti dominoivaa alkuainetta muoveissa. Aikaisemmin mainittujen alkuaineiden hiili (C), vety (H), happi (O) ja pii (Si) lisäksi muoveista löytyy viisi muuta alkuainetta: typpi (N), fluori (F), fosfori (P), rikki (S) ja kloori (Cl).
Erittäin harvoin työstetään aivan puhdasta polymeeriä. Normaalisti muoviin on lisätty eri lisäaineita (eng. = modifier) raaka-aineen ominaisuuksien parantamiseksi. Yleisiä lisäaineita ovat:
- voiteluaineet (helpottaa tuotteen ulostyöntöä muotista)
- lämpöstabilisaattorit (parantavat prosessointi-ikkunaa)
- väriaineet
- lujiteaineet, kuten lasi- ja hiilikuitu (lisäävät jäykkyyttä ja lujuutta)
- sitkistysaineet iskulujuuden parantamiseksi
- UV-stabilisaattorit (suoja auringonvaloa ja sään vaikutuksia vastaan)
- palonestoaineet
- antistaatti-lisäaineet
- vaahdotusaineet (esim. solumuoveissa).
Kertamuovit
Kumin tavoin myös kertamuoveissa esiintyy ristisilloittumia molekyyliketjujen välillä, mitä kutsutaan myös verkottumiseksi. Ristisilloittumat ovat niin voimakkaita, että ne eivät katkea edes lämmitettäessä. Raaka-aine on siten sulamatonta. ”Kerta”-sana kertamuovissa tarkoittaa, että muovi kovettuu ainoastaan kerran ja on sen jälkeen aika muuttumatonta.
Kertamuoveja työstetään joko nestemäisessä tai kiinteässä muodossa ja joissain tapauksissa niitä työstetään korkeapainemenetelmillä. Joitakin tavallisia kertamuoveja ovat:
- fenolimuovit kattiloiden kahvoissa
- melamiini muovilaminaatissa
- epoksi kaksikomponenttiliimassa
- tyydyttymätön polyesteri muoviveneissä
- vinyyliesteri auton koreissa
- polyuretaani kengänpohjissa tai vaahtomuovissa.
Monella kertamuovilla on erittäin hyvät sähköiset ominaisuudet ja ne kestävät korkeita käyttölämpötiloja. Niistä saadaan erittäin lujia lasi-, hiili- tai Kevlar®-kuiduilla lujittamalla. Huonoja puolia ovat hidas valmistusprosessi ja raaka-aineen kierrätys hyötykäyttöön tai energiaksi.
Kestomuovit
Kestomuoveilla on se etu, että ne sulavat aina uudelleen, kun niitä kuumennetaan tarpeeksi. Niitä on helppoa työstää usealla eri menetelmällä, kuten:
- ruiskuvalu, muovituotteiden yleisin työstömenetelmä
- muottipuhallus, pullot ja ontot kappaleet
- ekstruusio, putket, levyt ja profiilit
- kalvopuhallus, esimerkiksi muovipussit
- rotaatiovalu, suuret ontot kappaleet esimerkiksi nestesäiliöt
- lämpömuovaus, levy tai kalvo muovataan suksiboksiksi tai pakkaukseksi.
Kestomuovi voidaan sulattaa ja työstää monta kertaa uudelleen. Raaka-aineessa tapahtuu kuitenkin työstön aikana hajoamista. Myös normaalissa käytössä hapettuminen, auringonvalo (UV-säteily) ja kemialliset aineet saattavat heikentää kierrätettäväksi tarkoitetun muovin ominaisuuksia. Käytännössä uusien tuotteiden tuotannossa kierrätetään ainoastaan tuotannossa syntyvää jätettä. Yleinen tapa on muovijätteen kierrätys energiaksi, koska muovilla on erittäin korkea energiasisältö. On myös olemassa vaihtoehtoisia kierrätystapoja, kuten kemiallinen hyötykäyttö, mikä ei kuitenkaan ole lyönyt itseään läpi suuressa mittakaavassa pääosin siitä syystä, että uuden, neitseellisen raaka-aineen valmistus on edelleen edullisempaa.
Amorfinen vai osakiteinen kestomuovi
Kuvassa 3 näkyy, miten kestomuovit jaetaan kahteen pääryhmään, eli amorfisiin ja osakiteisiin kestomuoveihin. Jako perustuu muovin kemialliseen rakenteeseen. Eräs tuttu amorfinen aine ympärillämme on lasi, kun taas metalleilla on kiteinen rakenne. Amorfinen muovi pehmenee samalla tavalla kuin lasi, kun sitä lämmitetään. Sen seurauksena sitä voidaan lämpömuovata.
Amorfisilla materiaaleilla ei ole sulamispistettä, vaan sen sijasta käytetään materiaalin lasisiirtymälämpötilaa (Tg), jonka yläpuolella molekyyliketjut pääsevät liikkumaan suhteessa toisiinsa. Osakiteinen muovi ei taas pehmene samalla tavalla, vaan siirtyy sulasta tilasta nestemäiseksi sulamispisteessään.
Osakiteiset muovit kestävät yleisesti kuormituksia korkeammissa lämpötiloissa paremmin kuin amorfiset. Lisäksi niillä on parempi väsymislujuus ja kemikaalien kesto. Ne eivät myöskään ole herkkiä n.k. jännityssäröilylle. Osakiteiset muovit muistuttavat metalleja enemmän ja niillä on paremmat jousiominaisuudet kuin amorfisilla muoveilla. Amorfiset muovit voivat puolestaan olla täysin läpinäkyviä ja niitä voidaan lämpömuovata. Niillä on yleensä pienempi muotti- ja jälkikutistuma ja vähäisempi kieroutumistaipumus.
On tärkeää, että suunnittelijat ja muovituotteiden työstäjät ovat tietoisia siitä, minkä tyyppistä raaka-ainetta käytetään. Amorfiset ja osakiteiset raaka-aineet käyttäytyvät eri tavalla lämmitettäessä ja työstettäessa ja tarvitsevat siten erilaiset prosessiparametrit.