docHarlin: Lisäarvoa biomateriaaleista
download 
Report Transcription
Harlin: Lisäarvoa biomateriaaleista
Lisäarvoa biomateriaaleistaesimerkkinä biomuovit Lieksan Puuakatemian seminaari 21.5.2014 Professor Ali Harlin, D.Sc. VTT Technical Research Centre of Finland Bioeconomy – lisäarvon laajentaminen Arvo Biopolymeerit, komposiitit… Pinnoittet liimat… Lääkkeet Lääke ja kosmetiikka Kosmetiikka Biomateriaalit Biomaterialit Biokemikaalit Hake, pelletit, kaasutus… Volymi Biopolttonesteet Biopolttoaineet liikenteeseen Bioenergia, lämpö ja Bioenergialämpö ja sähkö Sähkö teollisuudelle ja talouksille teollisuudelle ja kotitalouksille Sellu, paperi Puutuotteet, ja kartonki viestint ään, pakkaamiseen ja sellu, pehmopapereihin sek ä puutuotteet mm. rakentamiseen paperi and kartonki Korjuu ja logistiikka 27/05/2014 Uuden osaamisen kerryttäminen Investoinnit uuteen Uudet materiaalit, teknologiaan ja tuotteet ja palvelut liiketoimintoihin Globaali verkostoituminen T&K ja innovaatiot Bioenergia tuotteet Nykyisten tuotteiden kilpailukyky Modified from the source: Metsäteollisuus ry 2 2 Eco-efficient materials Ajurit Goals Keveys Vähentää Kierrättää Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Uudistua 27/05/2014 Raaka-aine tehokkuus 3 Click to VTT’s status edit Master as performer title style of R&D work Click to edit Master text styles Second level Basic research Third level UNIVERSITIES Fourth level Fifth level Applied research Development 27/05/2014 VTT INDUSTRY 4 Ekotehokkaat Materiaalit Click to edit Master title style Ajurit Click to edit Master text styles Second level Third level Vähentää Fourth level Tavoitteet Keveys Korkea suorituskyky Fifth level Kierrättää Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Uudistaa 27/05/2014 Raaka-aine tehokkuus 5 Termoplastiset komposiitit Tutkimus Click to edit Master - lingiini kuitukomposiitin kehitys-title style esimerkki Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Plasticization and melt compounding (Brabender Plasti-Corder 50 cm3 batch) 27/05/2014 Injection moulding (Thermo-Haake Mini-Jet) Tensile testing (Instron 4505) 6 Click to edit Master title style Biocomposites VTT on kehittänyt muovipuu teknologiaa komposiiteille, jotka sisältävät jopa Click to edit Master text styles 80 paino-% puukomponenttia. Second level Muovien työstöteknologiat avaavat uusia mahdollisuuksia biokomposiiteille Third level Suulakepuristuksen metritavarasta Fourth level Ruiskuvalettuun kappaletavaraan Fifth level Laajennetaan raaka-ainepohjaa •Uudet tuotteet •Uusi muotoilu •Materiaalikustannusten aleneminen •CO2-neutraali •Öljyn hinnan aleneva vaikutus 27/05/2014 7 Biokomposiittien prosessikehitys Click to edit Master title style Nykyiset prosessit muovien valmistuksesta Click to edit Master text vaatii styles Prosessikehitys biokomposiiteille Second level Biomateriaalien erikoispiirteiden huomioiminen Third level Uudet suunnitteluperusteet Fourth level Uudet tuotteet Fifth level Mallinnus Uudet prosessointiteknologiat Laitteiden modifiointi Syöttölaitteet Sekoittimet Työkalut 27/05/2014 Extrusion line for WPC profiles in K2004 Exhibition 8 Biokomposiittien kehitys Click to edit Master title style Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa Puu-muovi, WPC Click to edit muovi Master text+ lisäaine styles Synteettinen + puu Muovi + Puu Second level Luonnonkuitu komposiitti, Third level NFC Synteettinen hartsi level + luonnonkuitu + lisäaine. Fourth Muovi Fifth level Biokomposiitti Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine. Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC Hartsi + puu/luonnonkuitu + lisäaine. Bio-based Composites Green Composites Natural Composites… 27/05/2014 + Luonnonkuitu + Luonnonkuitu Biopolymeeri + Biopolymeeri Standardontitarpeita • terminologia • tuotteet • testaus • LCA Nano 9 Ekotehokkaat Click to edit Master materiaaliratkaisut title style huonekalurakentamiselle Click to edit Master text styles Ekotehokkuus ja kannattavuus Second level – pidennä käyttöikää - kierrätä – valitse laatu Vähennä Third level ratkaisut yhdistettynä käyetttävyyteen Ekologiset Tuotantotehokkuus alentaa valmistuskustannusta Fourth level Fifth level Biokomposiittien suorituskyky Biomuovien ja komopsiittien hyödyntäminen Muovintyöstötekniikat kappaletavaralle 35% vähemmän painoa ja 45% vähemmän CO2 CASE: Puustelli Ecokitchen Eettisesti ja kestävästi tuotettu ISO 14025 sertifikaatin mukainen keittiö, jossa hyödynnetty keveiden materiaalien ja valmistusmenetelmä etuja Helppohoitoiset ja kestävät pinnat Ohut ja läpinäkyvä AddSol® sol-gel pinnoite Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa Metallit, puu, muovi ja tekstiilit 27/05/2014 10 puustelli ekokeittiö 2012 Click to edit Master title style Irtokalustejärjestelmän osat: -runko -edusta -taso -laatikko Click to edit Master text styles Pienkertopuurunko Second level Ruiskupuristettu puukomposiittirunko Third level Ekotehokkuuden kriteerejä: Fourth level -kevyt -vähän osia Fifth level -hyvät, kauniisti kuluvat materiaalit -pitkä ikä -kehdosta kehtoon kierrätysmateriaalit LCA -> tuotesuunnittelu -> työmenetelmäkehitys => tuotteistus Pursotettu biokomposiittirunko. Ruiskupuristettu puukomposittilaatikkorunko Matalapainepuristettu laatikko biohajoavaa komposiittia 11 Copy right Juhani Salonius Puustelli Click to Miinus edit Master keittiö title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 12 Pakkausteollisuus Globaalin pakkausteollisuuden liikevaihto 2013 lähestyy 600 Mrd EUR, joka koostui pääasiassa konvertoiduista materiaaleista. Primääripakkausmarkkina on fragmentoitunut eri materiaalien, konvertointitekniikoiden ja pakkaustekniikoiden kesken. Kuljetuspakkaus aaltopahvin dominoima. Teollisuuspakkaus pääasiassa aaltopahvia, muovikalvoja sekä eri tyyppisiä minikontteja. Aaltopahvi 105 miljoonaa tonnia, muovi 80 miljoonaa tonnia, kartonki 46 miljoonaa tonnia, biomuovi 1miljoona tonnia. 27/05/2014 13 100% bio-pakkaukset Kierrätettävät kuitumateriaalit ja biopolymeerit Yhteensopivuus pakkaus arvoketjuun Tehokkaat valmistusratkaisut pakkaus sovelluksissa Joustavat työtavat 27/05/2014 14 Mater-bi (Novamont) – Environmental statements Biohajoavuus ja kompostoitavuus Sertifioitu biohajoavuus kompostointi olosuhteissa biodegradation under composting conditions Hajoavuus meressä “Preliminary results show that Mater-Bi films are subject both to degradation and to biodegradation in three typical marine environments: on the free sea water (pelagic domain), on the beach (tidal zone) and on the bottom of the sea (benthic domain).” Biopohjaiset raaka-aineet “The different types of Mater-Bi® are made using natural and synthetic raw materials“ Kaikki käytetyt polymeerit biohajoavat (tärkki + Ecoflex) Ei GMO tärkkelystä “A small fraction of starch is used to produce bioplastics”. 27/05/2014 Source: www.novamont.com 2012 15 Bio-ethanol in polymer manufacturing Etanolia tuotetaan käyttämällä glukoosia biomassasta (myös hydrplyysisokeri) Etanolista saatavat monomeerit Eteeni Etyleeni glykoli (eteenin hapetus) Propeeni (eteenin metateesi) VCM ,1,4-butanidioli (asetaldehydin kautta) sekä useimmat petrokemian tuotteet. CO2 päästön alenema perustuu uusiutuviin raaka-aineisiin ja niiden ekologisuuteen. Raaka-aineen saatavuus ja hinta sekä saanto sokerista (käyttäminen tuottaa CO2) aiheuttavat keskustelua 27/05/2014 16 Sustainable development is coming Braskem sokeripohjainen HDPE vuodesta 2009. Johnson&Johnson, Danone, Tetrapak. Coca-Cola julkaisi 2009 PlantBottle jossa 30% bioosuus ja tavoitteena 100 % PET muoville. Natureworks PLA ollut markkinoilla jo vuosia, uusia sovelluksia tulee jatkuvasti (Danone). 27/05/2014 17 Hybrid kartongit – parannettu jäykkyys MD/CD – ajattelusta monisuuntaiseen lujuuteen 27/05/2014 18 New fibre materials Uusi tapa lähestyä pakkausta: Läpinäkyvyys Muokattavuus Painettavuus 27/05/2014 19 Example: Kuituinen läpipainopakkaus Konsepti: Kuitupohjaiset läpipainopakkaukset lisäarvoisessa sovelluksessa Yksinkertaistetaan pakkausratkaisua ja vähennetään materiaalien määrää Hyödynnetään uutta muokattavan kartongin ja bio barrier -teknologioita Korvataan muovi ja alumiinipohjaisia pakkauksia 27/05/2014 20 Muokattava kuituraina Uutta Kuitupohjainen Kestävän kehityksen mukainen Helppo hävittää Kommunikaatio Materiaalit VTT 27/05/2014 21 Muokattu hemiselluloosa Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta: Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin Läpinäkyvät ja taipuisat filmit Muokattava filmi Hydrogeelit (hygenienia) Aktiiviset filmit Hemicellulose barrier dispersion (KCL/VTT) 27/05/2014 Flexible hemicellulose film (FC/VTT) Hemicellulose hydrogel (Aca/VTT) Mouldable hemicellulose film (VTT) Heat-activated cellulose film (FC/VTT) 22 Muokattava raina Tray packaging demo, Drupa 2012 4 keksintöä: Vaahtorainaus Dispersiot Lämpömuokattavuus Läpinäkyvyys Seuraavaksi Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty pakkaus 27/05/2014 23 What is nanocellulose? Valmistus Esau, Anatomy of seed plants, 1977, Wiley, NY Aivan uusia ominaisuuksia ja suorituskykyä tuotteille 27/05/2014 Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934 Aalto: Seppälä VTT Tuotteet 1,7% kiintoaine Young´s modulus ≈ 140 GPa (T. Nishino et al. J.Polym.Sci.,Part B,1995) Tensile strength ≈ 3 GPa (D.Page, F. El-Hosseiny, J.Pulp Paper Sci. 1983) Coefficient of thermal expansion ≈ 0,1 ppm/ºK (H.Yano, Seminar lecture, Otaniemi 2009) 24 Use of nanocellulose based on patents Käyttökohteet (MFC) Komposiittimateriaalit (46, 38%) Kuitukankaat, absorbentit (22, 18%) Paperi ja kartonki (20, 16%) Ruokatuotteet (15, 13%) Paperin ja kartongin pinnoitus(10, 8%) Kosmetiikka (4, 3%) Suodattimet (5, 4%) NFC applications 13 % 3% 38 % 18 % 16 % Vuoden 2009 hakemukset Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja hygienia (2), Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2), Paperin ja kartongin päällystys (2) 4% 8% Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and Technology. 27/05/2014 25 Nanocellulose as paper coating Ohut yhtenäiskerros Vaahtopäällystys helpottaa applikointia Pintaominaisuuksia voidaan muuttaa tehokkaasti Vähentää ilmanläpäisyä Ei tarvita sideaineita Peruspaperi NFC-pinnoitettu paperi 27/05/2014 SEM x50 SE images from uncalendered paper surfaces. 26 Light materials - Selluloosa vaahto Nanoselluloosa vaahto Kovia vaahtoja biomateriaaleista Öljyn korvaaminen Keveys. Eristyskyky Sovelluksissa pakkaamisesta rakentamiseen Nanokuituinen selluloosa Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934 27/05/2014 27 Nanoselluloosa filmit HDPE filmin kaltainen – puupohjainen Ei sähköisty Biohajoava Painatettava Myös älykäs painaminen 27/05/2014 28 Bio-barrierit ruokapakkauksissa Kuivaruuan pussit kartonkipakkauksissa Korkean barrierin muovien ja alumiinin korvaus mausteissa ja pitkän hyllyiän tuotteissa Fluorokemikaalien korvaus pikaruokapakkauksissa ja rasvaisissa ruuissa Rasva barrier leipäpakkauksissa Happibarrier jäähdytetyissä ja jäädytetyissä ruuissa 27/05/2014 29 Liukosellun tarve Assuming that constraints to cotton supply will continue Source: Pöyry 2012 Uudet konseptit • • • • • Vaahtorainaus 3D prinntaus Paperinarun veto Prosessikonseptit Koneet ja laitteet Pulp fibre yarn Ref. Juha Salmela VTT Foam Forming SUORA Environment New 3D structures printed using nScrypt SUORA VAAHTORAINAUS KILPAILUKYKYISIÄ PEHMOPEREITA JA KUITUKANKAITA Uuttamalla fluffia Kierrätetty liukosellu ADVANCED RAW MATERIAL COMBINATIONS Resurssitehokkuus Lisäarvo ja ominaisuudet Surface active agents Nanomaterials Pulp Man-made fibers Vaahto rainaus Ultra lightweight materials Synthetic fibers © Ali Harlin, VTT 2013 Visiomme Kuitumateriaalit ovat uusiutuvia • Kierrätys mahdollistaa tehokkaita ratkaisuja • Ympäristö riski pienenee • Synergia muovien kanssa Biomuovien yhdistäminen luo synergiaa • Muovit ovat suorituskykyisiä • Olemassa oleva tuotanto ja logistiikka • Toimivat tuotteet • Tulevaisuuden jätteen käsittely: kierrätys ja energia käyttö Hyödyntäjät • Tuotemerkit saavat asiakkailleen kestävän kehityksen tuotteita • Kemian teollisuus ja materiaali toimittajat saavat uusia lisäarvoisia tuotteita 27/05/2014 34 TECHNOLOGY FOR BUSINESS
