MATERIAALIEN MAAILMAN JATKUVA EVOLUUTIO
Kaikissa mekaanisissa ja yhdyskuntarakentamishankkeissa materiaalien valinnassa on aina täytynyt tehdä vaihtokauppoja. Kun muuttujia kymmenistä fysikaalisista ominaisuuksista kustannuksiin ja kestävyyteen on paljon, mihinkään työhön ei oikeastaan koskaan löydy täydellistä materiaalia. Silti insinöörit ja tutkijat jatkavat etsimistä.
Täydellisen materiaalin löytäminen tiettyyn teollisuuden tai rakentamisen käyttökohteeseen voi olla monimutkainen prosessi. Päätöksentekoprosessin punainen lanka on yleensä tavoitteiden ja rajoitusten tasapainottaminen, käytettiinpä sitten materiaalien ominaisuuskaavioita, monikriteerianalyysejä tai jopa tekoälyä.
Viime vuosikymmeninä insinöörien saatavilla olevien materiaalien valikoima on laajentunut valtavasti. Se ei ole muuttanut vaihtokauppojen perustarvetta, mutta se on ehkä hienovaraisemmin muuttanut tasapainoa ja tuonut tavoitteet rajoituksia tärkeämmiksi tekijöiksi.
Toisin sanoen valintaperusteena on todennäköisemmin se, mitä materiaalia halutaan käyttää, kuin se, mistä ollaan valmiita tinkimään.
Seuraavassa tarkastelemme sitä, miten materiaalisuunnittelun innovaatiot tuovat yhä lisää vaihtoehtoja ja mahdollisuuksia insinöörien käyttöön.
Kuituvahvistettuja komposiitteja
Komposiitit ovat yleensä lähtökohta ajateltaessa uusia materiaaleja lähes millä tahansa alalla aina ilmailusta liikenteeseen, energiaan, yhdyskuntarakentamiseen, koneenrakennukseen ja moniin muihin. Se on enemmänkin luokka kuin materiaali, koska komposiitti voi olla mikä tahansa kahden tai useamman materiaalien yhdistelmä, jolla on erilaiset ominaisuudet kuin erillisillä osillaan. Yleisesti ottaen useimmilla aloilla komposiitilla kuitenkin tarkoitetaan polymeerien ja niitä vahvistavien materiaalien yhdistelmää.
Käsitteenä tämäntyyppinen komposiitti ei ole uusi asia. Kuituvahvistetut komposiitit, joissa lasikuiduilla vahv istettiin tyydyttymättömiä polymeerejä, keksittiin 1930-luvulla. Seuraavilla vuosikymmenillä keksittiin hiilikuidut ja epoksihartsit, joita alettiin käyttää armeijan ja meriteollisuuden käyttökohteissa. Mutta vasta 1970-luvulla niiden vaikutus alkoi toden teolla.
Öljyn hinnan noustessa hiilikuituvahvistettujen polymeerien (CFRP) korkeasta lujuus-painosuhteesta tuli erittäin kiinnostava ilmailuteollisuudelle. Lentokoneista oli pakko tehdä kevyempiä, mikä ajoi hiilikuituvahvistettujen polymeerien kehitystä ja kaupallistamista.
Paljon edullisia ominaisuuksia
Korkea lujuus-painosuhde on edelleen kiistatta näiden komposiittien suurin etu, mutta niillä voi olla muitakin erittäin arvokkaita ominaisuuksia. Ne ovat eri polymeereillä erilaisia, mutta pääsääntöisesti hiilikuituvahvistetuilla polymeereillä on suuri lämmön ja sähkön johtavuus, korroosionkesto, vetolujuus ja jäykkyys. Erilaisten vahvistusmateriaalien käyttäminen muuttaa näitä ominaisuuksia jyrkästi. Esimerkiksi käytettäessä hiilen sijasta vahvaa synteettistä aramidikuitua tuloksena on joustavampi, lujempi ja vähemmän johtava komposiitti.
Tämä ominaisuuksien monipuolisuus selventää komposiittien jatkuvaa suosiota niin monilla aloilla ja monissa käyttökohteissa. Viimeaikaisten innovaatioiden ansiosta hiilikuituvahvistettuja komposiitteja käytetään vinoköysisilloissa ja vaimentavien ominaisuuksiensa ansiosta teollisten koneiden nopeasti liikkuvissa osissa.
Ensisijainen este komposiittien vielä laajemmalle käytölle ovat olleet valmistuskustannukset. Lisäksi useiden materiaalien käyttäminen ja vahvistuskuitujen järjestäminen erilaisiin matrikseihin lisää rakenteen kompleksisuutta ja saattaa vaikeuttaa mekaanisen käyttäytymisen ja kulumisen arviointia. Turvallisten ja vankkojen liitosten laatiminen on myös ollut monien alojen haaste, joka on johtanut edistyneen pulttitekniikan kehittämiseen, esimerkiksi Nord-Lockin X-sarjan aluslevyihin. Niissä jousimekanismi kompensoi löystymisen, joka saattaa seurata kahden polymeerin pulttaamisesta yhteen.
Lupaavat biopohjaiset polymeerit ja komposiitit
Useimmat teollisuuden käyttökohteiden polymeerit ovat yhtä peräisin fossiilisista polttoaineista, mikä kyseenalaistaa ne kestävän kehityksen kannalta. Viime vuosina kiinnostus uusiutuvia luonnonvaroja raaka-aineena käyttäviin biopohjaisiin polymeereihin on kasvanut nopeasti.
Ruotsin riippumattoman valtio-omisteisen teknisen tutkimuslaitoksen RISEn osastojohtaja Peter Mannberg tekee tutkimusta polymeerien ja komposiittien ympäristövaikutuksista.
”Tavoitteemme on löytää kestäviä vaihtoehtoja kevyille käyttökohteille”, hänsanoo.” Enitenkäytetyt komposiittimateriaalit, sekä hiilikuidut että muovit, ovat peräisin fossiilisesta öljystä. Haluamme korvata ne uusiutuvilla luonnonvaroilla. Tällöin käyttäisimme olemassa olevia raaka-aineita, saatavilla olevia rakennuspalikoita, muodostamaan uusia materiaaleja, jotka korvaavat ympäristölle vahingolliset materiaalit.”
Mannbergin tiimi on tarkastellut metsä- ja maatalousteollisuuden jäämiä raaka-aineina, mutta etenkin yksi niistä on erityisesti herättänyt hänen mielenkiintonsa. ”Ruokohelpi kasvaa soilla”, hän sanoo, ”joten sitä voi kasvattaa käyttämättä maata, jota muuten käytettäisiin ruoan tuotantoon. Tämä on tärkeää. Tätä heinäkasvia voi käyttää komposiittien valmistamiseen monin tavoin.”
Yksinkertaisin tapa on käyttää varret ja puumainen materiaali vahvistuskuituna. Näin saaduilla komposiiteilla on kuitenkin suhteellisen suppeat käyttömahdollisuudet, ja ne ovat riittävän vankkoja käyttöön vain sisätiloissa. Haastavampi tapa on valmistaa heinäkasvista hiilikuituja.
”RISEssä on vuosien ajan tutkittu ligniinin valmistamista kuiduksi, joka sitten hiilletään”, Mannberg selittää. ”Näin voi tehdä myös selluloosasta ja hemiselluloosasta, jotka ovat kaksi biomassa perusosaa. Heinäkasvin ligniiniä käytetään kuitujen valmistukseen, ja sitten kuidut hiilletään melko monimutkaisella prosessilla.”
”Näin saadaan hiilikuituja, jotka ovat tämän hetken vahvimpia kuituja ja sopivat käyttöön korkean tason käyttökohteiden komposiitteina.”
Fossiilipohjaisten materiaalien korvaaminen
Tämä tietenkin käsittää yhden hiilikuitukomposiittien osan. Mannberg on kuitenkin toiveikas sen suhteen, että ruokohelpiä voitaisiin käyttää myös polymeerien valmistukseen.
”Markkinoilla on jo matalalaatuisia biomateriaaleista tehtyjä muoveja, muun muassa muovipusseina”, Mannberg sanoo. ”Etsimme tapoja valmistaa biopohjaisia muoveja, joita voitaisiin käyttää auto- ja ilmailuteollisuuden käyttökohteissa kor vaamassa niiden har tseja ja kertamuoveja. Tällöin täytyy hajottaa ligniini molekyylitasolla ja rakentaa siitä materiaali, joka on samanlainen kuin nyt öljystä saatavat materiaalit.”
Jotkut yritykset kokeilevat ligniinin käyttöä hiilikuitujen valmistukseen, mutta suuri osa Mannbergin kuvaamasta työstä on vielä tutkimusvaiheessa.
”Kaikkea tätä voi tehdä laboratoriotasolla”, hän selittää. ”Tällä hetkellä on kalliimpaa erottaa molekyylit ja valmistaa niistä muoveja ja kuituja kuin tehdä niitä öljystä. Joten tarvittaisiin yhdistelmä lainsäädäntöä ja kuluttajien painetta, jotta nämä tuotteet saataisiin kaupalliseen käyttöön.”
Räätälöityjä ratkaisuja
Soveltavaan tutkimukseen keskittyvänä tutkimuslaitoksen RISE on myös mukana hankkeissa, joilla helpotetaan työskentelyä nanokomposiiteilla. Niistä on vuosien ajan odotettu koneenrakennusmateriaalien tulevaisuutta.
Nanokomposiiteilla tarkoitetaan laajaa joukkoa erilaisia materiaaleja. Niihin voi kuulua mikä tahansa komposiittimateriaali, jossa nanohiukkaset parantavat komposiitin muodostavaa osaa. Nanohiukkaset ovat hiukkaset, joilla vähintään yksi mitta on alle 100 nanometriä (nm). Tämänkokoisten hiukkasten sisällyttäminen materiaaliin saattaa muuttaa jyrkästi sen fysikaalisia ominaisuuksia.
Guan Gong työskentelee RISEssä vanhempana tutkijana nanomateriaalien parissa. Hän pyrkii muokkaamaan komposiittimateriaalien tiettyjä ominaisuuksia sopimaan tiettyihin teollisuuden vaatimuksiin.
”Meitä kiinnostaa nanomateriaalien käyttö parantamaan tai muokkaamaan erilaisia ominaisuuksia sen mukaan, mitä loppukäyttäjät haluavat”, hän selittää.
”Asiakkaat voivat esimerkiksi tulla sanomaan, että he haluavat parantaa sähkön ja lämmön johtavuutta tai vain paljon parempaa lämmön johtavuutta. Tai he saattavat kertoa haluavansa komposiitin, jonka osalla on erittäin hyvät esteominaisuudet happea tai monia muita aineita vastaan. Näiden vaatimusten perusteella seulomme nanomateriaaleja ja etsimme ne, joilla on kyseiset erinomaiset ominaisuudet, ja sitten laadimme ja varmistamme ratkaisun. Menetelmäämme kuuluu ensin kysyä, mitä komposiitilta vaaditaan. Mikä on kaikkein tärkein asiakkaan etsimä ominaisuus?”
Vaativa ja haastava prosessi
Asia on tietenkin paljon monimutkaisempi kuin muutaman taulukon tarkistaminen. Kun fysikaalisia tekijöitä on laaja joukko ja asiaan vaikuttavat muun muassa kustannukset, energiatehokkuus ja valmistamisen helppous, oikean nanomateriaalien, komposiittien ja prosessien yhdistelmän löytäminen on aina monimutkainen tehtävä. Gong selittää, ettei se ole ainoa este nanomuokattujen komposiittien tulemiselle yleiseen käyttöön:
”Suurin tekninen este on jakautuminen. Nanomateriaalien erinomaisten ominaisuuksien muuntaminen komposiittimateriaaleiksi edellyttää hiukkasten onnistunutta jakautumista komposiittiin”, Gong sanoo. ”Voidaan käyttää erilaisia tekniikoita, mutta on silti erittäin vaikeaa saavuttaa haluttu jakautumistila, etenkin kuituvahvistuksen ollessa mukana. Nanomuokattujen komposiittien teollinen toteuttaminen ei ole vielä vankkaa.
”Useimmat nanomateriaalit, esimerkiksi hiilinanoputket ja grafeeni, ovat kalliita. Tätä voi kiertää käyttämällä erittäin pieniä määriä nanomateriaaleja, mutta hyvän jakautumisen saavuttaminen edellyttää juuri riittävää suuremman määrän käyttämistä.”
Nanomateriaalien valmistaminen ja käsitteleminen vaatii myös tiukkojen turvallisuussääntöjen noudattamista. Muuten ne saattavat olla ihmisten terveydelle ja ympäristölle.
Gongin osasto kuitenkin tehnyt nanomateriaaleissa menestyksellä yhteistyötä monien yksityisen sektorin kumppanien kanssa, muun muassa ilmailu-, meri-, auto-, metsä- ja energiateollisuuden yritysten kanssa.