TkL Katja Nevalainen väittelee materiaaliopin alalta 5.4.2013
Muoveihin sovellettavan nanoteknologian tavoitteena on kehittää materiaaleille uusia hyödyllisiä ominaisuuksia ja sovelluskohteita. Katja Nevalainen etsi väitöskirjassaan parantuneita ominaisuuksia muoveille nanoseosaineiden, sulaseostuksen ja atomikerroskasvatuksen avulla.Muovin ominaisuuksia voi muokata nanoseosaineella
Muovipohjaisia nanokomposiittimateriaaleja hyödynnetään esimerkiksi autojen rakenteissa, pakkausmateriaaleissa ja urheiluvälineissä. Tyypillisesti nanokomposiitilla saavutetaan parantuneet mekaaniset ominaisuudet sekä läpäisevyys- ja palonkesto-ominaisuudet verrattuna perinteiseen mikrokomposiittiin. Tämän lisäksi nanokomposiitin vähäinen seosaineen paino-osuus verrattuna mikrokomposiittiin tekee materiaalista helpommin prosessoitavan ja lopputuotteesta huomattavasti kevyemmän. Esimerkiksi autoissa kevyemmillä rakenneosilla saadaan selvää säästöä polttoainekustannuksissa.
Perinteiset mikrokokoiset seosaineet, kuten talkki ja lasikatkokuitu, sekoitetaan kestomuoviin usein sulaseostuksella. Samaa menetelmää halutaan käyttää myös teollisuusmittakaavan nanokomposiittien valmistukseen. Nevalaisen mukaan jauhemaisen nanoseosaineen sulasekoittumista muovimateriaaliin on kuitenkin vaikea hallita. Nanoseosainepartikkelit kasaantuvat helposti suuremmiksi ryppäiksi, mikä ei ole toivottavaa.
– Liian usein materiaalien ominaisuudet ovat jääneet kauaksi toivotusta, tai materiaalit eivät ole soveltuneet suuriin tuotantoprosesseihin. Prosessointihaasteiden lisäksi nanoseosaineiden terveys- ja ympäristövaikutukset puhuttavat viranomaisia, tutkijoita ja kuluttajia yhä enemmän. On selvää, että lisää tutkimusta ja materiaalikehitystä vielä tarvitaan, mutta ymmärryksen lisääntyessä alan kehitys jatkuu nopeana, Nevalainen toteaa.
Nevalaisen väitöskirjassa esitetyt tutkimustulokset osoittavat, että perinteisellä sulaseostusmenetelmällä valmistettujen komposiittien mekaaniset- ja palonkesto-ominaisuudet voivat parantua pienillä nanoseosainepitoisuuksilla verrattuna seostamattomaan muovimatriisiin. Ominaisuusmuutoksiin vaikuttaa kuitenkin moni asia, esimerkiksi nanoseosaineiden sekoittuminen ja pitoisuus sekä nanoseosaineen ja muovimatriisin vuorovaikutus. Nanoseosaineiden mahdollisuuksien uskotaan olevan vielä suuremmat kuin työssä saadut tulokset antavat ymmärtää, koska valmistetuista komposiiteista löytyneet nanoseosaineryppäät heikentävät ominaisuuksia tavoiteltuun rakenteeseen verrattuna.
Atomikerroskasvatusmenetelmällä räätälöity sulaseostus on yksi ratkaisu homogeenisten ja erillisistä nanopartikkeleista koostuvien nanokomposiittien valmistuksessa. Atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition, ALD) on ohutkalvojen kasvatukseen käytettävä kemiallinen kaasufaasimenetelmä, jolla on vahvat suomalaiset perinteet.
Työntekijöiden altistuminen vähenee
Nevalaisen väitöstyön puitteissa valmistettiin ALD-menetelmällä useita eri nanometriluokan paksuisia metallioksidipinnoitteita muovijauheen pintaan. Pinnoitetun muovijauheen sulaseostuksen aikana metallioksidipinnoite murtui muodostaen uudenlaisen nanokomposiitin. Käytetty menetelmä vähentää työntekijöiden altistumista jauhemaiselle nanoseosaineelle nanokomposiitin sulaseostuksen yhteydessä. Se takaa myös erinomaisen nanoseosaineen sekoittumisen muovimatriisiin. Tällöin nanoseosaineiden mahdollisuudet, liittyen erityisesti niiden erittäin suureen pinta-alaan tilavuutta kohden, pystytään entistä paremmin hyödyntämään. Muodostunut nanoseosaine on myös perinteisten pallomaisten metallioksidipartikkelien sijaan levymäinen tai suikalemainen. Siksi se voi parantaa erityisesti muovin mekaanisia ominaisuuksia.
–ALD-avusteisesti valmistettujen nanoseosaineiden lisäys ei välttämättä takaa parantuneita mekaanisia ominaisuuksia. Kyseinen valmistusmenetelmä on kuitenkin mielenkiintoinen ja jatkossa sen avulla voidaan vielä saavuttaa uusia ja parantuneita materiaaliominaisuuksia muoveille optimoimalla mm. ALD-pinnoitusprosessia ja valmistetun komposiitin seosainepitoisuutta, uskoo Nevalainen.
Väitöstilaisuus perjantaina 5.4.
Tekniikan lisensiaatti Katja Nevalaisen materiaalitekniikan alaan kuuluva väitöskirja Melt-Compounded Composites of Inorganic Nanofiller and Atomic-Layer-Deposition-Coated Polymer Powder (”Sulaseostettujen komposiittien valmistus käyttäen epäorgaanista nanoseosainetta ja atomikerroskasvatuksen avulla pinnoitettua muovijauhetta”) tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) teknisten tieteiden tiedekunnassa perjantaina 5.4.2013 kello 12 alkaen Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjinä toimivat professori Luigi Torre (University of Perugia) ja professori Carl-Eric Wilén (Åbo Akademi). Tilaisuutta valvoo professori Jyrki Vuorinen TTY:n materiaaliopin laitokselta.
Katja Nevalainen (34) on kotoisin Jämsänkoskelta ja hän on työskennellyt tutkijana Tampereen teknillisen yliopiston muovi- ja elastomeeritekniikan laboratoriossa useampia vuosia.
Lisätietoja: Katja Nevalainen, katja.nevalainen@tut.fi