2.2.1   Muovit

Muovit ovat suurimolekyylisiä, synteesireaktiossa syntyviä aineita eli polymeerejä, joihin tavallisesti on sekoitettu pieniä määriä lisäaineita: apuaineilla pyritään helpottamaan muovituotteen valmistusta, seos- ja täyteaineilla modifioimaan lopputuotteen ominaisuuksia. Käytön kannalta muovien tärkeimpänä perusominaisuutena on muovattavuus jossain käsittelyvaiheessa.

Muovattavuusominaisuuksien perusteella muovit jaetaan kahteen laajaan pääryhmään. Suuremman näistä muodostavat kestomuovit. Niiden molekyylit ovat pitkiä polymeeriketjuja, joiden välillä ei ole kemiallisia sidoksia (kuva 2.2). Molekyylejä yhdessä pitävät voimat heikkenevät, kun muovia lämmitetään ja vahvistuvat muovia jäähdytettäessä. Näin kestomuoveja voidaan toistuvasti muovata lämmön ja paineen avulla. Kestomuoveja ovat esimerkiksi polyeteenit, polypropeenit ja polyamidit.

Kuva 2.2 Kesto- ja kertamuovien rakenne.

Pienempää muovien pääryhmää kutsutaan kertamuoveiksi. Kertamuovin perusraaka-aineena on hartsi, josta kertamuovi syntyy kemiallisessa kovettumisreaktiossa. Reaktiossa hartsin polymeeriketjut ristisilloittuvat eli kytkeytyvät toisiinsa kemiallisin sidoksin kuvan 2.2 kaltaiseksi verkkomaiseksi rakenteeksi. Verkottunutta rakennetta ei enää voi uudelleen muovata. Tunnetuimpia kertamuoveja ovat tyydyttymättömät polyesterit, epoksit ja fenolit.

Muovikomposiittirakenteissa matriisiaine on useimmiten kertamuovi. Perushartsi voi sisältää pienehköjä määriä seos-, täyte- ja apuaineita. Seos- ja täyteaineilla parannetaan mm. iskunkestävyyttä ja paloturvallisuutta. Apuaineita käytetään esimerkiksi hartsin viskositeetin säätelyyn.

Osa hartseista saadaan kovettumaan lämmön tai muun ulkoisen energian avulla. Moneen hartsiin on kuitenkin lisättävä verkottumisen aikaansaava tai sen alulle paneva aineosa, jota kutsutaan kovetteeksi. Toiset kertamuovit kovettuvat tämän jälkeen ilman ulkoista energiaa, toiset tällöinkin vain ulkoisen energian avulla. Kovettumisreaktio on eksoterminen eli lämpöä tuottava. Reaktiossa hartsin tilavuus pienenee jonkin verran. Tätä ilmiötä kutsutaan kovettumiskutistumaksi.

Kertamuovin kovettumisreaktio etenee aluksi hitaasti, mikä mahdollistaa tuotteen valmistamisen kovetteen sisältävästä hartsista. Aikaa, joka tuotteen valmistamiseen on käytettävissä, kutsutaan geeliajaksi. Se määritetään mittaamalla, milloin hartsin viskositeetti on kasvanut tiettyyn arvoon kovetteen sekoittamisen jälkeen. Geeliajan umpeuduttua kovettumisreaktio etenee nopeasti ja samalla laminaatin lämpötila nousee. Korkeinta kovettumisreaktiossa esiintyvää lämpötilaa kutsutaan eksotermin huippulämpötilaksi. Kovettumisreaktion aikaisia lämpötiloja havainnollistaa kuva 2.3.

Kuva 2.3 Kertamuovilaminaatin lämpötila kovettumisreaktion aikana.

2.2.2   Lujitteet

Rakenteellisesti parhaat muovikomposiitit aikaansaadaan lujittamalla matriisimuovi ohuilla kuiduilla, joita yleisesti kutsutaan lujitteiksi tai lujitekuiduiksi. Tunnetuimpia lujitekuituja ovat lasikuidut, hiilikuidut ja aromaattiset polyamidikuidut eli aramidikuidut, joita kaikkia valmistetaan useita eri tyyppejä.

Yksittäiset kuidut ovat millin tuhannesosien paksuisia ja ne kootaan jatkojalostuksessa kierteettömiksi kuitukimpuiksi tai kierretyiksi langoiksi. Jatkojalostettua kierteetöntä lasikuitukimppua nimitetään yleisesti rovingiksi, hiilikuitukimppua vastaavasti touviksi.

2.2.3   Lujitteiden käyttömuodot

Kuitukimppuja ja lankoja käytetään joskus sellaisenaan muovikomposiittituotteen valmistukseen. Moniin valmistusmenetelmiin soveltuvat kuitenkin paremmin kuitukimpuista ja langoista tuotetut jatkojalosteet, joita valmistetaan myös kahta tai useampaa kuitulaatua sisältävinä hybridituotteina.

Eniten muovikomposiittituotteiden valmistuksessa käytetään ns. tasolujitteita, joista yleisimpiä ovat lujitematot ja lujitekankaat. Lujitematto valmistetaan jatkuvista tai katkotuista lujitekuiduista sideaineen avulla niin, että kuidut ovat maton tasossa satunnaisesti suuntautuneet. Tuotteille käytetään yleisesti nimikkeitä jatkuvakuituinen matto ja katkokuitumatto. Kevyttä lujitemattoa kutsutaan toisinaan myös huovaksi. Lujitekankaista yksinkertaisin on yhdensuuntaiskangas, jossa keskenään samansuuntaiset kuitukimput on yhdistetty toisiinsa sidelangoilla. Toinen yleisesti käytetty kangastyyppi on kudos, jossa toisiaan vastaan kohtisuorat lujitekimput tai -langat risteilevät toistensa yli ja ali. Saatavilla on myös kerroskankaita, joissa useita kuitukerroksia on yhdistetty toisiinsa tikkaamalla tai neulomalla. Kun kuitujen suunta vaihtelee kerroksittain, kerroskangasta kutsutaan moniaksiaalikankaaksi tai moniaksiaalilujitteeksi.

Punokset ovat lujitekimpuista tai -langoista punomalla valmistettuja nauhoja ja letkuja. Punomalla valmistetaan myös malleja apuna käyttäen lopputuotteen muodon mukaisia lujiteaihioita.

Niin kutsutuissa 3D-lujitetuotteissa merkittävä osa lujitekuiduista risteilee tuotteen paksuussuunnassa. Tuotteita valmistetaan kutomalla, punomalla ja neulomalla.

2.2.4   Täyteaineet

Matriisimuoviin merkittävässä määrin sekoitettavia kiinteitä partikkeleita kutsutaan täyteaineiksi. Täyteaineena käytetään mm. hienojakoisia mineraaleja, jauhemaista lasia tai metallia sekä eri materiaaleista valmistettuja onttoja tai umpinaisia palloja.

Täyteaineen käyttötarkoitus vaihtelee. Toisinaan halutaan alentaa raaka-ainekustannuksia tai nopeuttaa valmistusta, toisinaan taas keventää lopputuotetta tai parantaa sen lämmön- tai sähkönjohtavuutta. Mekaanisia ominaisuuksia täyteaineilla pystytään parantamaan vain vähän, kun vertailukohtana käytetään lujitekuiduilla saavutettavissa olevia ominaisuuksia.

2.2.5   Puolivalmisteet

Muovikomposiitin kaikki aineosat voidaan yhdistää jo ennen lopputuotteen valmistusta. Tällaisia tuotteita kutsutaan yleisesti puolivalmisteiksi. Niiden käytöllä pyritään useimmiten nopeuttamaan lopputuotteen valmistusta ja/tai parantamaan lopputuotteen ominaisuuksia. Puolivalmisteet voidaan jakaa kolmeen ryhmään: puristemassoihin, esikyllästettyihin lujitteisiin eli prepregeihin ja yhdistelmätuotteisiin, joissa lujitteet ja matriisimuovi ovat vielä erillään toisistaan.

Puristemassoja valmistetaan sekoittamalla ja puristamalla raaka-aineet yhdeksi kokonaisuudeksi. Massa voi käytännössä olla myös levymäinen tuote, millä pyritään helpottamaan raaka-aineen annostelua ja/tai levymäisen tuotteen valmistusta. Puristemassoille ja -levyille on tyypillistä raaka-aineen virtaaminen muotissa tuotetta valmistettaessa. Kertamuovipohjaisissa puristemassoissa hartsina on tavallisesti polyesteri ja lujitteena lasikuitu. Tavallisesti massa sisältää lisäksi täyteaineita sekä useita seos- ja apuaineita. Kestomuovipohjaisia massoja ovat erilaiset lyhyitä katkokuituja ja täyteaineita sisältävät kompaundit, joita käytetään yleensä rakeina. Rakeita kutsutaan usein myös pelleteiksi tai granulaatiksi. Tasolujitetta sisältävissä kestomuovipohjaisissa puristelevyissä muoviaineena on tyypillisesti polypropeeni ja lujitteena lasikuitu.

Esikyllästetyt lujitteet eli prepregit (pre-impregnated) valmistetaan impregnoimalla kuitukimppuja tai kuitukimpuista ja langoista muodostettuja jatkojalosteita matriisimuovilla. Prepregille ominaisia piirteitä ovat korkea lujitepitoisuus ja lujitteiden virtaamattomuus tuotetta valmistettaessa. Selvästi yleisimpiä ovat kertamuovipohjaiset prepregit, joissa hartsi on polymeroitu puolikovaan tilaan. Tätä kovettumisreaktion välivaihetta kutsutaan B-tilaksi. Koska kertamuovipohjaiset puolivalmisteet sisältävät kaikki kovettumiseen tarvittavat aineosat, niiden varastointiajat ovat rajoitetut. Kestomuovipohjaisia prepregejä valmistetaan vasta vähäisessä määrin lähinnä lentokoneteollisuuden tarpeisiin.

Yhdistelmätuotteita on monia erilaisia. Osa näistä on suojattu patentein. Esimerkkejä yhdistelmätuotteista ovat erillisistä lujite- ja hartsikerroksista valmistetut tuotteet, joissa hartsi on B-tilassa samaan tapaan kuin prepregeissä. Matriisimuovi voi olla yhdistelmätuotteessa myös kuituna tai pulverina. Kaikissa tapauksissa yhteistä on se, että lujitteet kyllästetään yhdistelmätuotteen muoviaineella vasta lopputuotteen valmistusprosessissa.