Lujite/muovi-puolivalmisteet sisältävät kaikki lopputuotteen valmistukseen tarvittavat raaka-aineet. Tällaisia puolivalmisteita ovat SMC, BMC, kerta- ja kestomuoviprepregit, kerta- ja kestomuovipohjaiset yhdistelmätuotteet sekä kuitulujitetut kestomuovigranulaatit.

4.2.1   SMC

SMC (Sheet Moulding Compound) on levymäinen, lujitettu ja useimmiten täyteaineella täytetty kertamuovimassa, josta valmistetaan tuotteita kuumapuristamalla. SMC:n edut tulevat varsinaisesti esiin suurtuotannossa tehtäessä pinta-alaltaan suhteellisen isoja levymäisiä kappaleita. SMC voidaan kuumapuristaa monen kokoiseksi ja muotoiseksi mittatarkaksi kappaleeksi. SMC-tuote on kilpailukykyinen vastaavan metalliesineen kanssa, koska tarvittavat puristimet ja muotit ovat halvempia. Lisäksi yksi SMC-kappale korvaa usein monta erillistä metalliosaa.

SMC-tuotteen valmistus jakaantuu neljään vaiheeseen: pastan valmistaminen, levymäisen massan valmistaminen, kypsytys ja kuumapuristus. Lujitteena SMC:ssä on tavallisesti lasikuitu. SMC:stä valmistetun tuotteen ominaisuudet riippuvat lasipitoisuudesta likimain kuvan 4.12 mukaisesti. Raaka-aineiden ohella ominaisuuksiin vaikuttaa voimakkaasti lujitekuitujen suuntaus.

Kuva 4.12 SMC:n veto-, taivutus- ja iskulujuuden riippuvuus lasipitoisuudesta.

SMC-pasta

SMC-pastat jaetaan yleis-SMC:hen (general purpose), pienikutistumaiseen SMC:hen (low shrink) ja matalaprofiiliseen SMC:hen (low profile) sen mukaan kuinka paljon SMC-pasta sisältää kutistumaa pienentävää lisäainetta. Yleis-SMC ei sisällä sitä lainkaan, pienikutistumainen alle 30 p% ja matalaprofiilinen n. 40 p% hartsin määrästä laskettuna. Nykyisin valmistetaan myös rakenne-SMC:tä, jolloin pyritään suureen lujuuteen korkean lasipitoisuuden avulla (55…65 p% koko pastan massasta). Tästä käytetään myös nimitystä HMC-pasta (High Strength Moulding Compound). XMC-pasta (Directionally Reinforced Moulding Compound) sisältää lujitteena 65…75 p% suunnattua, jatkuvaa lasikuitua. Muita muunnelmia ovat mm. UMC-pasta (Unidirectional Moulding Compound), jossa käytetään lujitteena sekä jatkuvia lasikuituja että lasikuituhaketta ja LPMC-massa (Low Pressure Moulding Compound), joka voidaan muovata 1,4…2,1 MPa:n paineessa standardi SMC-massan edellyttäessä 5,5…6,9 MPa:n painetta. Tyypillisiä SMC-pastojen koostumuksia on esitetty taulukossa 4.3.

Taulukko 4.3 SMC-pastan koostumuksia.

Suurin osa SMC-hartseista pohjautuu joko orto- tai isoftaalipolyestereihin sekä vinyyliestereihin. Epokseja käytetään matriisimuovina valmistettaessa kappaleita, joilta edellytetään parempia lujuusominaisuuksia sekä pitempää geeliaikaa. Fenoleja käytetään, kun valmistettavalta tuotteelta edellytetään huonoa syttyvyyttä, pientä savunmuodostumista palaessa ja suurta lämpöstabiiliutta. Käytetty matriisimuovi saattaa jo sisältää irrotusaineen ja kutistumaa pienentävän lisäaineen. Taulukossa 4.3 esitetyissä koostumuksissa ne on oletettu lisättäviksi erikseen hartsiin.

Kovetteen määrä SMC:ssä on 0,3…1,5 p%. Kovetteena käytetään orgaanisia peroksideja, jotka hajoavat massan puristuslämpötilassa 130…165 °C. Hartsi/kovete-yhdistelmä määrittelee massan optimipuristuslämpötilan. Yleisimmin käytetty kovete on tert-butyyliperoksibentsoaatti (tBPB). Nopeammin kovettuva massa saadaan käyttämällä yhtä suurta määrää tBPB:tä ja tert-butyyliperoktoaattia yhdessä. Niiden optimipuristuslämpötila on tyypillisesti 155 °C.

Täyteaineet parantavat pinnan laatua ja muovautuvuutta sekä halventavat pastaa. Kalsiumkarbonaatti on yleisin täyteaine. Sitä voidaan käyttää suuria määriä pastan viskositeetin pysyessä sopivana (25…50 Pas). Se vähentää myös muottikutistumaa. Alumiinihydroksidi antaa hyvät sähköiset ominaisuudet ja parantaa tulenkestävyyttä. Pieni kaoliinilisäys (10…20 p%) pienentää pastan viskositeettia ja parantaa sen muovautuvuutta. Täyteaineen hiukkaskoon on oltava alle 5 μm. Jos SMC:n lasipitoisuus on 30 p%, täyteaineen ja hartsin suhde on 1,5:1. Lasipitoisuuden ollessa 50 p% suhde on 0,5:1. Pitoisuudella 65 p% täyteainetta ei enää käytetä.

SMC-pastan tärkein lisäaine on paksunnusaine, joka kypsytysvaiheessa nostaa SMC-massan viskositeetin muovausalueelle (0,25…1,30·10⁵ Pas). Paksunnusaineita ovat magnesium- ja kalsiumoksidit sekä -hydroksidit, joista yleisin on magnesiumoksidi. Paksunnusaineen määrä on 1…3 p%. Se lisätään aina viimeisenä, sillä kemiallinen paksunemisreaktio alkaa välittömästi lisäämisen jälkeen.

Irrotusaineena käytetään steariinihappoa puristuslämpötilan ollessa alle 130 °C, sinkkistearaattia alle 150 °C:ssa ja kalsiumstearaattia alle 165 °C:ssa. Irrotusaineen määrä on mahdollisimman pieni, 1,5…2,5 p%. Liian suuri määrä irrotusainetta huonontaa SMC:n mekaanisia ominaisuuksia.

Pigmentti lisätään joko pigmenttijauheena tai väripastana. Väripasta on helpompi sekoittaa kuin pigmenttijauhe. Pigmentin määrä on 1…5 p%. Pigmenttejä käytettäessä on otettava huomioon niiden taipumus muuttaa hartsin reaktiivisuutta ja vähentää SMC:n lujuutta. Pienikutistumaista ja matalaprofiilista SMC:tä on erittäin vaikea pigmentoida.

Kutistumaa vähentävät lisäaineet ovat kestomuoveja. Kutistuma riippuu lisäaineen määrästä. Sen ollessa n. 40 p% hartsin määrästä kutistumaa ei enää merkittävästi esiinny. Tärkeimmät lisäaineet ovat akryylimuoveja, polyvinyyliasetaatteja, styreenikopolymeerejä, polyvinyyliklorideja ja sen kopolymeerejä, selluloosaestereitä, polykaprolaktaameja sekä kestomuovipolyestereitä.

Polyeteenijauhe (8…30 μm) parantaa pinnan laatua ja muovautuvuutta eikä huononna pigmentoituvuutta. Jauheen määrä on yleensä 2…5 p%.

Tulenestoaineena käytetään yleisimmin antimonitrioksidia, orgaanisia fosfaatteja, kloroparafiineja tai sinkkiboraattia. Paras lopputulos saavutetaan kahdella tulenestoaineella (1:1) ja korvaamalla osa hartsista halogenoidulla polyesterillä. Tulenestoaineiden kokonaismäärä on korkeintaan 3…5 p%. Täyteaineena yleinen alumiinihydroksidi toimii myös tehokkaana tulenestoaineena. Pigmentoidun SMC:n auringonvalonkestävyyttä parannetaan UV-suoja-aineilla, joita ovat esim. bentsotriatsoli ja bentsofenoli. Niiden määrät ovat 0,1…0,25 p%.

SMC-pasta valmistetaan tavallisimmin panoksittain suurinopeuksisessa sekoitussäiliössä. Sieltä valmis pasta siirretään SMC-koneelle pumppaamalla. Panoksittain valmistaminen vaatii työvoimaa ja on altis virheille. Pastan laatu riippuu lisäksi ajasta. Materiaalihyötysuhde on vain noin 85 %. Näistä syistä suurtuotannossa suositaankin nykyisin automaattisia ja jatkuvatoimisia pastan sekoittajia, jolloin työvoiman tarve on vähäinen, materiaalihyötysuhde parempi ja pastan laatu tasainen.

SMC-kone

SMC-kone koostuu kahdesta pastan levitysasemasta, hakkurista, puristusosasta ja rullausasemista (kuva 4.13). Koneen alkupäässä pasta levitetään veitsilevityksellä polyeteenikalvolle (50 μm), jonka päälle hakataan haluttu määrä rovingia. Vaihtoehtoisesti lujitteena voidaan myös käyttää jatkuvia lasikuituja tai lasikuitumattoa, mutta kustannussyistä rovingin käyttö on yleisempää. Lujitteen levittämisen jälkeen radan päälle ajetaan polyeteenikalvo, jonka päällä on myös pastakerros. Tämän jälkeen SMC-rata tulee puristusosalle, joka poistaa ilman kuitujen välistä puristamalla radan yhtenäiseksi ja tasaiseksi. Yksi teloista on usein piikkitela, joka tekee ylempään kalvoon ilmanpoistoa helpottavia reikiä. SMC-koneella voidaan myös valmistaa jatkuvakuituista SMC:tä, suunnattua SMC:tä tai jotain edellä mainittujen tuotteiden yhdistelmää.

Kuva 4.13 SMC-koneen periaate.

SMC-koneen hakkuri on 50…80 cm:n korkeudella radasta. Hakkuri ja sen terät ovat koko koneen levyisiä. Hakkurin vastatela on pehmeää kumia tai polyuretaania. Tavallisimmin kuitupituus on 25 mm, joka antaa hyvän tasapainon koneen toiminnan ja muovauksen kannalta. Usein rovingit tuodaan hakkurille putkien sisällä, jolloin lankaa ei tarvitse pujottaa, vaan se voidaan puhaltaa hakkurille paineilman avulla. Suurempaa roving-lankojen tiheyttä hakkurilla kuin 40 lankaa/m ei suositella. Mahdollinen hakkeeseen syntyvä staattinen sähkö on poistettavissa sähköisillä tai radioaktiivisilla staattisen sähkön poistajilla. Ilman suhteellisen kosteuden nostaminen 60…70 %:iin poistaa myös tehokkaasti staattisen sähkön. Teoreettinen tuotantokapasiteetti 1,2 m leveälle koneelle on noin 10 000 tonnia vuodessa. Valmis SMC-rulla (130…180 kg) suljetaan kaasutiiviisti ja siirretään kypsytyshuoneeseen. Siellä SMC saa kypsyä 30 °C:ssa noin 3 päivää, jolloin paksunnusaineen aiheuttama kemiallinen reaktio päättyy. Tämän jälkeen SMC:n viskositeetti on noussut muovausalueelle ja SMC on valmis muovattavaksi.

SMC:n valmistuksessa kuten muussakin suurtuotannossa laadunvalvonta on tärkeä osa koko tuotantoa. Taulukkoon 4.4 on koottu tärkeimmät raaka-aineet ja niistä valvottavat ominaisuudet.

Taulukko 4.4 SMC:n raaka-aineiden laadunvalvonta.

4.2.2      BMC

BMC (Bulk Moulding Compound) on taikinamainen, lujitettu ja täyteaineella täytetty kertamuovimassa, joka kovetetaan muovauksen aikana korotetussa lämpötilassa. Massan taikinamaisuudesta johtuu sen englantilainen nimi DMC (Dough Moulding Compound), joka tarkoittaa periaatteessa samaa kuin amerikkalainen nimi BMC. BMC:n kehityksen alkuvaiheissa massa valmistettiin tavallisesta ortoftaalihartsista. Tällöin menetelmä oli hidas, muottikutistuma suuri ja puristetun kappaleen pinta huonolaatuinen. Nykyisiä lähinnä isoftaalipohjaisia hartseja ja kutistumaa pienentäviä lisäaineita käyttämällä saavutetaan erittäin hyvä pinnan laatu ja suuri valmistusnopeus.

BMC-kertamuovimassoja ovat myös ZMC- ja TMC-massat, joista edellinen on kehitetty injektoitavaksi tietyn tyyppisellä koneella, jota käyttäen leikkausvoimat prosessoinnin aikana pysyvät mahdollisimman alhaisina. TMC-massa (Thick Moulding Compound) soveltuu sekä BMC- että SMC-valmistusmenetelmissä käytettäväksi. Nimensä mukaisesti se on paksu levy. Tyypillinen paksuus on noin 50 mm. Lujitteena käytettyjen lasikuituhakkeen pituus voi vaihdella alueella 6…50 mm. TMC-massalle on tyypillistä lujitteiden ja täyteaineiden täydellinen kostuminen, mikä pienentää siitä valmistettavan kappaleen huokoisuutta ja parantaa sen mekaanisia ominaisuuksia. CIC-massa (Continuous Impregnated Compound) on TMC-massan kaltainen. Kuitujen impregnointi tapahtuu jatkuvana prosessina kahden telan välissä, joille matriisimuovi syötetään ja annostellaan kaavareilla. Euroopassa valmistettavista kuitulujitetuista muovikomposiittituotteista lähes 7 % valmistetaan BMC-massasta.

BMC:n raaka-aineet ovat matriisimuovi, lujitekuituhake, täyteaine, pigmentti, kovete ja kutistumaa vähentävä lisäaine sekä mahdollisesti palonestoaine. Tyypillisesti BMC sisältää paino-osina likimain yhtä suuret määrät matriisimuovia ja lujitetta sekä koko massan määrästä noin puolet täyteainetta. Usein pyritään käyttämään niin suurta täyteainemäärää kuin mahdollista BMC-massan hinnan alentamiseksi. Lujitteena käytetään yleisesti lasikuituja ja erikoissovellutuksissa hiili- sekä aramidikuituja etenkin epoksihartsien kanssa. Erilaisista BMC-massoista valmistettujen tuotteiden ominaisuuksia on esitetty luvussa 6.

BMC:n valmistus

Tavallisimmin BMC-hartsit pohjautuvat isoftaalihartseihin. Jonkin verran BMC-massoja valmistetaan myös ortoftaali-, epoksi-, bisfenoli-A-, diallyyliftalaatti- ja fenolihartseista tiettyjä erikoiskäyttöjä varten. Yleisimmät kovetteet ovat bentsoyyliperoksidi, diasetyyliperoksidi ja tert-butyyliperoktoaatti, joita käyttämällä muovaus tapahtuu lämpötilassa 110…160 °C. Täyteaineena käytetään kalsiumkarbonaattia, talkkia, kaoliinia tai alumiinihydroksidia. Kalsiumkarbonaatti antaa hyvän pinnan laadun ja on pigmentoitavissa, mutta ei kestä happoja. Alumiinihydroksidilla saavutetaan hyvät sähköiset ominaisuudet ja samalla se parantaa BMC:n palonkestävyyttä. Täyteaineen hiukkaskoon on oltava alle 5 μm. Usein käytetään kahta hieman erikokoista täyteainetta paremman pakkaustiheyden ja parempien muovausominaisuuksien saavuttamiseksi. Täyteaineena voidaan käyttää myös onttoja epäorgaanisia mikropalloja, jolloin massan tiheys vastaavasti pienenee. Muutama tyypillinen BMC-massan resepti on esitetty taulukossa 4.5.

Taulukko 4.5 BMC-massan koostumuksia.

Lujitteena käytettävän lasikuituhankkeen kuitupituus on yleisimmin 6 mm, mutta jonkin verran käytetään myös 3 ja 12 mm:n pituisia hakkeita. Lyhyillä kuiduilla ei saada niin hyvää iskulujuutta ja pitkät kuidut suuntautuvat liian voimakkaasti muovauksessa. Toisaalta lyhyet kuidut mahdollistavat hyvinkin monimutkaisten kappaleiden valmistuksen ja pitkät kuidut antavat hyvät lujuusominaisuudet. Tyypillisesti BMC-hakkeen pinnoite eli sizing on hitaasti tai vain osin styreeniin liukeneva ja sideainekalvo on erittäin kova. Kova kuitu vähentää kuitujen pilkkoutumista ja massan viskositeetin nousua kuitulisäyksen jälkeen. Irrotusaineena BMC:ssä käytetään tyypillisesti sinkki- tai alumiinistearaattia.

Kutistumaa säätelevät lisäaineet ovat tyypillisesti kestomuovipohjaisia. Yleisimmin käytössä olevat lisäaineet ovat polyvinyyliasetaatteja ja sen kopolymeerejä, akryylimuoveja, polykaprolaktaameja tai selluloosaestereitä. Mikäli BMC:n kutistuma on yli 0,2 %, sitä kutsutaan yleis-BMC:ksi (general purpose). Jos kutistuma on 0,05…0,2 %, BMC:tä kutsutaan pienikutistumaiseksi (low shrink) ja jos se on alle 0,05 %, sitä kutsutaan matalaprofiiliseksi BMC:ksi (low profile). Saatavilla olevissa BMC-massoissa muottikutistuma vaihtelee välillä 0…0,3 %. Tavallisesti BMC-massa läpivärjätään pigmentin avulla. Matalaprofiilista BMC:tä on kuitenkin vaikea värjätä. Mikäli massasta halutaan palamatonta, siihen lisätään yleensä antimonitrioksidia ja sen lisäksi käytetään usein pientä määrää halogenoitua hartsia.

BMC-massa suositellaan valmistettavaksi kahdessa sekoittajassa ja kolmessa eri vaiheessa. Ensin sekoitetaan hartsi, kutistumaa vähentävää lisäaine, kovete, irrotusaine, pigmentti ja tulenestoaine käyttämällä suurinopeuksista sekoitinta. Sekoitettaessa on varottava, ettei massa kuumene yli 40 °C:een. Tämän jälkeen massa siirretään toiseen sekoittimeen, joka on varsinainen BMC-sekoitin ja tyypiltään joko Sigma- tai Z-sekoitin.  Tässä vaiheessa massan joukkoon annostellaan täyteaineet ja sekoitetaan 15…30 min niin, että massasta muodostuu homogeeninen seos. Vasta tämän jälkeen lisätään lasikuituhake mahdollisimman nopeasti ja sekoitetaan, kunnes kuidut ovat kastuneet ja jakautuneet tasaisesti koko massan sekaan. Aikaa tähän kuluu valmistettavan massan määrästä riippuen 2…5 min. Näin BMC-massa on valmista käytettäväksi. Nykyisin on mahdollista myös sekoittaa kuivat ja märät komponentit omissa sekoittajissaan ja yhdistää ne vasta tämän jälkeen suurinopeuksisessa sekoittimessa. Massojen valmistusmenetelmät on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 4.14.

Kuva 4.14 Kaaviokuvat BMC-, TMC- ja CIC-massojen valmistusmenetelmistä.

Oleellinen ja tärkeä vaihe BMC:n valmistuksessa on käytettävien raaka-aineiden laadunvalvonta. Ennen lasikuituhakkeen lisäystä on aina paras suorittaa valmistetun massan koepuristus. Tässä vaiheessa mahdollinen virhe on vielä korjattavissa, mutta ei enää lasikuituhakkeen lisäyksen jälkeen, sillä BMC-massan liika sekoittaminen pilkkoo kuituja ja täten huonontaa merkittävästi lujuutta. Välittömästi BMC-massan valmistumisen jälkeen tehdään koekappaleet, joilla määritetään massan tärkeimmät ominaisuudet: kovettuminen, kutistuma, väri, pinnanlaatu ja lujuudet. Tämän jälkeen BMC-massa suljetaan kaasutiiviiseen pakkaukseen, joka on yleensä alumiinifoliota. Säilytettynä alle 20 °C:ssa massa on käyttökelpoista n. 3 kk.

4.2.3   Kertamuoviprepregit

Prepreg tarkoittaa puolivalmistetta, jossa lujite tai lujitteet ovat valmiiksi esikyllästetyt muovilla. Kovetus suoritetaan paineen alaisena. Nimitys prepreg on suora lainaus englannin kielestä (prepreg = pre-impregnated), mutta se on sellaisenaan vakiintunut myös suomenkieliseen ammattisanastoon.

Suurin osa prepregeistä valmistetaan lujitteista ja kertamuoveista. Näille on ominaista matriisimuovin kaksivaiheinen kovettuminen. Puolivalmisteessa kertamuovi on osittain kovettuneena jähmeässä, ns. B-tilassa (B-stage). Prepreg säilytetään tavallisesti -18 °C:n lämpötilassa. Ennen käyttöä prepregin annetaan lämmetä huoneenlämpöön, minkä jälkeen rullasta leikataan halutun muotoiset palat, jotka ladotaan muottiin (ks. luku 5). Tuote kovetetaan lämmöllä. Lämpöä nostetaan vaiheittain, jolloin matriisimuovi ensin muuttuu matalaviskoosiseksi nesteeksi ja lämpötilan edelleen noustessa alkaa kovettua.

Lujitteena prepregissä voidaan käyttää mitä tahansa lujitekuitua ja -tuotetta. Yleisimpiä ovat lasi- ja hiilikuidut sekä näiden yhdistelmät. Myös aramidi- ja boorikuituprepregejä on markkinoilla. Lujitteena voi olla yksittäinen kuitukimppu (esim. lasikuituroving tai hiilikuitutouvi) tai näistä muodostettu yhdensuuntainen nauha tai teippi, joissa kuitukimput ovat sitoutuneet vierekkäin toisiinsa pelkästään prepregissä käytetyn matriisimuovin välityksellä. Tyypillisiä ovat myös erilaiset kangas- ja kudosprepregit mukaan lukien erilaiset moniaksiaalituotteet. Myös katkokuitumatoista, neulatuista kankaista ja huovista voidaan valmistaa prepregejä.

Kertamuoviprepregien kovetuslämpötilat ovat yleensä 80…100 °C:sta ylöspäin. Valmistuksessa on myös 60…65 °C:ssa kovettuvia prepregejä, mutta näitä käytettäessä on oltava erityisen huolellinen kovetuslämpötilan nostossa. Matriisimuovin on oltava nesteenä samanaikaisesti koko valmistettavassa kappaleessa. Korkeimmat kovetuslämpötilat ovat lähellä 200 °C. Kovetusajat vaihtelevat muutamasta minuutista useisiin tunteihin matriisimuovisysteemistä riippuen. Yleisimmin käytettyjä prepreg-kertamuoveja ovat epoksit, fenolit, bismaleimidit, syanaattiesterit ja polyesterit. Parhaat lujuusominaisuudet saavutetaan epoksihartseilla, joita käytetään eniten matriisihartsina, sekä syanaattiestereillä ja BMI-muoveilla. Fenoleilla (ja BMI-muoveilla) on mahdollista saavuttaa epokseja parempi lämmönkesto. Fenolien etuna on huono palavuus, vähäinen savunmuodostus ja savun toksisuus. Polyestereitä käytetään lähinnä niiden halpuuden ja/tai hyvän kemiallisen kestävyyden takia.

Valmistus

Kertamuoviprepregien perusvalmistusprosessit ovat ns. hot-melt impregnointi ja liuoteimpregnointi. Menetelmät on kaaviollisesti esitetty kuvassa 4.15. Menetelmistä hot-melt impregnointi on nopeampi ja taloudellisempi. Liuoteimpregnointi on väistymässä osittain myös kiristyneistä ympäristö- ja työsuojeluvaatimuksista johtuen.

Hot-melt impregnoinnissa irrotuskalvolle annostellaan esilämmitetty matriisimuovi ja lujitteet, joiden päälle tulee yläpuolinen irrotuskalvo. Lujitteet impregnoidaan eli kyllästetään lämmitettyjen telojen avulla. Kyllästetty lujite viedään tämän jälkeen uuniin, jossa hartsi kovettuu B-tilaan. Uunin jälkeen prepreg jäähdytetään ja yläpuolinen irrotuskalvo joko poistetaan tai jätetään paikoilleen, kun prepreg ajetaan rullalle. Irrotuskalvo voi siten olla joko toisella tai molemmilla puolilla käyttäjän tarpeiden mukaan. Valmis prepreg pakataan ja siirretään varastoon -18 °C:n lämpötilaan.

Valmistusprosessi on automatisoitu ja jatkuvatoiminen. Matriisin esilämmityksen tarkoituksena on alentaa sen viskositeettia. Alapuolisen irrotuskalvon tehtävänä on kuljettaa lujite/matriisimuovi uunin läpi, estää prepreg-kerroksien tarttuminen toisiinsa sekä helpottaa prepregin käsittelyä ja suojata sitä vahingoittumiselta.

Liuoteimpregnoinnissa lujitteet kulkevat matriisimuovi- ja liuotekylvyn kautta pystysuorassa olevaan uuniin, jossa liuote poistuu ja prepregin kovetus B-tilaan tapahtuu. Matriisimuovin määrän säätö tapahtuu puristusteloilla heti impregnointikylvyn jälkeen. Uunin jälkeen prepreg jäähdytetään ja sen molemmille puolille ajetaan irrotuskalvot, jonka jälkeen valmis prepreg kelataan rullalle ja siirretään -18 °C:n varastotilaan. Myös tämä valmistusprosessi on automatisoitu ja jatkuvatoiminen. Tärkeää on, että liuotin poistuu täydellisesti uunituksen aikana, jotta prepregiin ei jää valmistettavaan kappaleeseen huokosia aiheuttavia liuotejäämiä.

Kuva 4.15 Kaaviokuvat prepregin valmistusmenetelmistä.

Tyypillisimpiä kertamuoviprepregejä ovat yhdensuuntaisprepregit ja tasavaltaiset kudosprepregit, joita valmistetaan eri leveyksissä ja neliöpainoissa kaikista tavanomaisista lujitekuiduista. Muita ovat mm. yksittäisistä kuitukimpuista valmistetut prepregit ja moniaksiaalikangasprepregit. Geometrialtaan monimutkaisten kappaleiden valmistukseen on saatavilla lyhyistä lujitekuiduista valmistettuja prepregejä. Matriisimuovin määrä ja viskositeetti prepregissä sekä prepregin tarttuvuus/liimautuvuus (tackiness) voivat vaihdella paljon prepregin käyttäjän tarpeista, valmistettavasta kappaleesta ja valmistustavasta riippuen. Tavallisesti matriisimuovin määrä vaihtelee välillä 37…43 p%. Viskositeetilla kontrolloidaan matriisimuovin virtaavuutta (flow). Prepregin muotoiltavuuteen (drape) vaikuttaa merkittävimmin lujitteen muoto.

Valmistuksessa on myös ns. nettohartsiprepregejä, joissa matriisimuovi­pitoisuus on n. 50 p%. Näitä käytetään, kun kappaleeseen valmistusvaiheessa liimataan jokin muu osa tai rakenne. Oman lukunsa muodostavat lisäksi erilaiset liimaukseen käytetyt kalvot (film adhesives), joissa lujitetta ei ole lainkaan tai lujite on harvana verkkona pitämässä ohutta liimakalvoa koossa. Lisäksi hot-melt impregnoinnissa on mahdollista käyttää esilämmitetyn matriisimuovin sijasta liimakalvon tapaista matriisimuovikalvoa (matrix film), joka valmistetaan erikseen. Varsinaisessa hot-melt impregnoinnissa lujitteet kuljetetaan uuniin matriisimuovikalvojen välissä. Uunissa kalvot nesteytyvät ja kulkiessaan telojen lävitse kostuttavat lujitteet. Periaatteessa menetelmä on siten kuvan 4.15 hot-melt impregnointiprosessin kaltainen.  

Käyttö

Prepreg-hartsin osittain kovettunut B-tila on epästabiili. Ajan kuluessa hartsi kovettuu ja muuttuu lopulta käyttökelvottomaksi. Kovettuminen on sitä nopeampaa, mitä korkeammassa lämpötilassa prepreg säilytetään. Käyttöajan pidentämiseksi prepregit tavallisesti varastoidaan kylmätiloihin, joissa kovettuminen on hidasta. Tavallisin varastointilämpötila on -18 °C, jossa useimmat prepregit säilyvät kuukausia, nykyisin eräät laadut jopa vuosia. Huoneenlämpötilassa prepregit säilyvät käyttökelpoisina muutamasta päivästä muutamaan viikkoon käytetystä matriisimuovisysteemistä riippuen.

Kylmässä varastoituina prepregit ovat jäykkiä ja hankalasti käsiteltäviä. Tästä syystä ne on ennen käyttöä siirrettävä huoneenlämpötilaan, jossa ne pehmenevät taipuisiksi ja helposti käsiteltäviksi. Prepregejä voidaan leikata automaattikoneilla tai myös yksinkertaisemmin saksilla tai veitsellä mallineita apuna käyttäen. Leikkaus on helppoa, koska kuidut eivät leikattaessa pääse liikkumaan toisiinsa nähden.

Tuotteen valmistus kertamuoviprepregistä edellyttää paineen ja korotetun lämpötilan käyttöä kovetuksen yhteydessä. Alipainekovetus yksipuolisesssa muotissa on mahdollista. Erityisesti paksumpien kappaleiden valmistus edellyttää kuitenkin painesäkki- ja autoklaavimuovausta riittävän ulkopuolisen paineen aikaan saamiseksi. Näiden ohella suulakeveto, kelaus sekä muottipuristus suljetussa muotissa ovat tavanomaisia prepreg-tuotteiden valmistusmenetelmiä.

Kertamuoviprepregistä valmistetulle laminaatille on ominaista suuri lujitepitoisuus (tyypillisesti n. 60 t%) sekä tasainen laatu, mistä syystä laminaatilla on erinomaiset lujuusominaisuudet. Lujuusominaisuuksien suuntautuneisuutta voidaan myös säädellä halutulla tavalla prepreg-kerrosten kuitusuuntia järjestämällä. Muilta osin ominaisuudet riippuvat käytetystä lujitteesta ja matriisimuovisysteemistä.

Prepreg-puolivalmisteet soveltuvat sekä pien- että suursarjatuotantoon valmistettaessa tuotteita, joilta edellytetään keveyttä, erinomaisia lujuusominaisuuksia ja tasaista laatua. Usein vaatimuksena on myös hyvä jatkuvan lämpötilan kesto. Tyypillisiä sovellutuskohteita ovat ilma-alusten ja satelliittien lujitemuoviset osat, one-off veneet, tuulivoimaloiden siivet, kevyet ja lujat kerroslevyrakenteet, lämmönkestävät työkalut ja urheilu- sekä vapaa-ajanvälineet.

4.2.4   Kestomuoviprepregit

Prepregejä valmistetaan myös kyllästämällä lujitetuotteita kestomuovilla. Matriisimuoveina käytetään mm. polypropeenia, polyamideja, polykarbonaattia, polyeetteri-imidiä, polybuteenitereftalaattia, polyeetterisulfonia, polyfenyleenisulfidia, polyfenyleenioksidia, polyeteenitereftalaattia, polyeetterieetteriketonia ja eräitä edellä mainittujen homopolymeerien sekoitteita. Lujitteina voidaan käyttää kaikkia lujitekuituja ja niiden yhdistelmiä. Yleisin lujite myös kestomuoviprepregeissä on lasikuitu. Muista lujitteista voidaan mainita lähinnä hiilikuidut ja uusimpina luonnonkuidut. Suurimmat käyttökohteet ovat kuljetusvälineteollisuudessa, lähinnä autoteollisuudessa, ilmailu- ja puolustusvälineteollisuudessa sekä urheilu- ja vapaa-ajanvälineissä.

Kestomuoviprepregeillä on mahdollista saavuttaa parempi lämmönkestävyys ja lyhyempi kappaleen valmistusaika kuin kertamuoviprepregeillä. Muita etuja kertamuoviprepregeihin verrattuna ovat varastoitavuus huoneenlämpötilassa, lähes rajaton varastointiaika, valmistusvirheiden korjausmahdollisuus uudelleen muovaamalla sekä yksinkertaisempi laadunvalvonta. Myös kappaleiden iskusitkeys ja vaurionkesto ovat yleensä paremmat, eivätkä ne delaminoidu yhtä helposti kuin vastaavat kertamuoviprepregeistä valmistetut tuotteet.

Kestomuoviprepregien ongelmat liittyvät prepregiin valmistukseen ja käyttöön. Käytännössä on varsin vaikeaa valmistaa korkealaatuisia kestomuoviprepregejä, joissa lujitekuitujen kastuminen olisi täydellistä, tartunta matriisimuoviin hyvä ja kuitujen jakautuminen tasainen. Prepreg on myös jäykkä ja siltä puuttuu tahmeus. Päällekkäiset prepreg-kerrokset eivät näin tartu toisiinsa eivätkä myöskään muottiin, mikä hankaloittaa käsittelyä ja muotin täyttöä. Kappaleen valmistuksessa on käytettävä korkeita valmistuslämpötiloja ja keskisuuria tai suuria muovauspaineita. Muottikustannukset voivat olla hyvin korkeat. Valmistettava kappale jää helposti huokoiseksi ja laatuvaihtelut voivat olla suuret. Kestomuoviprepregit soveltuvat ominaisuuksiensa puolesta parhaiten sarjatuotantoon.

Taulukon 4.6 mukaiset, matriisimuovina käytettävälle kestomuoville asetetut vaatimukset ovat lentokoneteollisuuden asettamat, mutta yleisesti hyväksytyt myös kuljetusvälineteollisuudessa.

Taulukko 4.6 Prepregin matriisimuovina käytettävälle kestomuoville asetetut yleiset vaatimukset.

Valmistus

Kestomuoviprepregejä valmistetaan neljällä perusmenetelmällä: (1) kalvomenetelmällä, (2) liuotemenetelmällä, (3) esipolymeeri-impregnoinnilla ja (4) pulveri-impregnoinnilla.

Kalvomenetelmässä lujitteet impregnoidaan kahden kestomuovikalvon välissä. Lämpöä ja painetta käyttäen muovi nesteytyy ja kostuttaa lujitekuidut. Tällä menetelmällä valmistetaan mm. autoteollisuuden laajalti käyttämä GMT (Glass Mat Thermoplastic), jossa yleisimmin matriisimuovina käytetään polypropeenia. Tyypillinen GMT prepreg valmistetaan jatkuvatoimisella prosessilla suulakepursottamalla rakosuuttimella sulaa matriisimuovia kahden jatkuvakuituisen lasikuitukerroksen väliin. Yhdistelmän molemmille puolille ajetaan samaa matriisimuovia olevat kestomuovikalvot. Koko nippu jatkaa kaksoisvyöpuristimeen, jossa lämpötila polypropeenia käytettäessä on 200…210 °C. Noin 8 metriä pitkän kuumennusosan jälkeen prepreg jäähdytetään ja leikataan asiakkaan haluamiin mittoihin.

Liuotemenetelmässä lujitekuidut impregnoidaan liuotteen ja matriisimuovin seoksella. Käsittelyn jälkeen liuote poistetaan haihduttamalla. Kestomuovien liukoisuus on kuitenkin pieni ja tämän takia impregnointi joudutaan tekemään monta kertaa riittävän matriisimuovipitoisuuden saavuttamiseksi. Lisäksi käytetyt liuotteet ovat usein aggressiivisia ja terveydelle haitallisia. Ongelmaa on pyritty pienentämään vesiemulsiopohjaisia systeemejä kehittämällä. Eräs tällainen on heksafluori-isobuteenin ja viinyylideenifluoridin kopolymeeri, joka emulgoituu veteen pinta-aktiivisten aineiden vaikutuksesta. Liuotteen aiheuttamia ongelmia ei tällöin ole, mutta emulgaattorin on oltava haihtuva eikä se saa vaikuttaa prepregin lujuusominaisuuksiin.

Esipolymeeri-impregnoinnissa käytettävien kestomuovien sulaviskositeetti on suuruusluokkaa 10³…10⁶ Pas. Tästä syystä prepregin valmistus suoralla sulaimpregnoinnilla ei onnistu, sillä matriisimuovi ei pääse tunkeutumaan lujitekuitujen väliin ja kostuttamaan niitä täydellisesti. Käyttämällä impregnointiin alhaisen viskositeetin omaavaa esipolymeeriä impregnointi onnistuu. Matriisimuovin polymeroituminen suuren molekyylipainon kestomuoviksi tapahtuu kappaleen valmistusprosessin yhteydessä.

Pulveri-impregnoinnissa lujitekuidut käsitellään kestomuovipulverilla leijukerrosuunissa. Uunissa pulveri sulaa osittain ja kiinnittyy kuitujen pinnalle. Kestomuovipulverin on oltava hyvin hienojakoista (< 20 µm), mikä nostaa menetelmän kustannuksia. Toinen tapa on laittaa sekä lujite että kestomuovipulveri pieneen putkeen. Pulveri-impregnointi soveltuu erinomaisesti yksittäisten kuitukimppujen ja lankojen sekä kapeiden yhdensuuntaisteippien impregnointiin kestomuoviprepregeiksi. Nämä soveltuvat sellaisenaan kelaukseen ja suulakevetoon tai niistä voidaan jatkojalostaa erilaisia kangas- ja kudosprepregejä.

Esimerkkinä kestomuoviprepregeistä on Ahlstrom Glassfibre Oy kehittämä RTC (Reinforced Thermoplastic Composite). Siinä lujitteena käytettävä, tavallisimmin 12 mm pituinen lasikuituhake ja kestomuovipulveri (polypropeeni) dispergoidaan veteen samantyyppisesti kuin paperinvalmistuksessa. Hyvin ilmavasta ja kuohkeasta muovipulverin sitomasta RTC-matosta kuumapuristetaan kestomuoviprepregiä eli RTC-levyä, josta GMT-levyn tavoin puristetaan kappaleita. RTC-matto voidaan myös puristaa siten, että tuote on pinnoiltaan tiivis ja sisältä osin huokoinen. Tuotteen suurimmat edut ovat kuitujen lähes täydellinen kostuminen ja erittäin tasainen jakautuma.     

Käyttö

Kestomuoviprepregeistä voidaan valmistaa kappaleita pääpiirteittäin samoilla menetelmillä kuin kertamuoviprepregeistä. Yleisimpiä menetelmiä ovat suulakeveto, kelaus ja muottipuristus suljetussa muotissa. Suljetussa muotissa puristettavat kestomuoviprepregit lämmitetään ennen muottiin asettamista. Muotti suljetaan ja paineistetaan välittömästi. Valmistusmenetelmä on hyvin nopea. Esilämmitystä hyväksi käyttäen kestomuoviprepregistä voidaan valmistaa muodoltaan yksinkertaisia kappaleita myös halvemmilla, esim. alumiinisilla tai jopa puusta valmistetuilla muoteilla. Nämä voivat olla joko avoimia tai suljettuja muotteja. Menetelmä on hitaampi ja soveltuu lähinnä yksittäiskappaleiden tai piensarjojen valmistukseen.

4.2.5   Lujite/kertamuovi-yhdistelmätuotteet

Uusimpia muovi/lujite-puolivalmisteita ovat kertamuovityyppisiin prepreg-hartseihin perustuvat, alipainemenetelmiin kehitetyt yhdistelmätuotteet. Näissä periaatteena on lujitteen ja esikatalysoidun kertamuovikalvon tai –prepregin yhdistäminen. Perustuote muodostuu kahdesta lujitekerroksesta, joiden välissä matriisimuovi on kiinteässä olomuodossa. Lujite on tavallisesti lasi- tai hiilikuituinen yhdensuuntais- tai moniaksiaalikangas. Tätä rakennetta voidaan varioida tarpeen mukaan ja siihen voidaan liittää myös valmistettavan kappaleen pinnan laatua tai esim. palo-ominaisuuksia parantavia pintahuopia tai kertamuovikalvoja.

Tuotetta käytetään alipainemuovauksessa tavanomaiseen tapaan. Etuna on ilman nopea ja tehokas poistuminen kuivien lujitteiden läpi, kun alipainepumppu kytketään käyntiin. Kovetus tapahtuu lämmöllä, jolloin kertamuovimatriisimuovi nesteytyy ja virtaa ilmavapaisiin lujitteisiin paksuussuunnassa kostuttaen lujitteet nopeasti ja täydellisesti. Lämpöä edelleen nostettaessa tapahtuu kovettuminen samalla tavalla kuin prepregejä käytettäessä. Menetelmällä saavutetaan erittäin pieni huokospitoisuus (< 0,5 %). Yhdistelmätuotteista on myös mahdollista valmistaa suurikokoisia ja/tai paksuja kappaleita. Muodoltaan monimutkaisten kappaleiden valmistaminen on mahdollista lujitteiden oikealla valinnalla. Kovetuslämpötilat ovat yleensä alueella 80…100 °C.

4.2.6   Lujite/kestomuovi-yhdistelmätuotteet

Kestomuoveja matriisimuovina käyttäen voidaan valmistaa myös puolivalmisteita, joissa lujitteita ei ole millään muodoin esikäsitelty matriisimuovilla. Tällöin lujitteiden kyllästäminen muovilla ja valmistettavan kappaleen muovaus tapahtuvat samanaikaisesti. Valmiiden kappaleiden lujuusominaisuudet ovat tyypillisesti 10…50 % heikompia vastaaviin prepregeistä valmistettuihin kappaleisiin verrattuna. Tämä on seurausta lujitteiden epätasaisemmasta kostumisesta ja kappaleen suuremmasta huokospitoisuudesta.

Tyypillisissä tuotteissa matriisimuovi on irrallisena kalvona lujitekerrosten päällä ja/tai välissä. Matriisimuovi voidaan myös lisätä joko lankana tai kapeana nauhana lujitekudoksiin ja –kankaisiin näitä valmistettaessa. Eräs mahdollisuus on kerrata matriisimuovi ja lujitekuitu yhteen langaksi, josta edelleen tekstiiliteknologisin menetelmin valmistetaan lujite/kestomuovi-yhdistelmätuote. Periaatteessa matriisimuovi voi olla myös irrallisena pulverina lujitteiden välissä.

4.2.7   Granulaatit

Ruiskuvalettavat kestomuovituotteet valmistetaan granulaatista eli kestomuovirakeista. Raaka-aine voi olla täytettyä ja sisältää myös lujitekuituja. Täytetyt kestomuovit ovat Euroopassa yleisimmin polyolefiineja ja lujitetut lähinnä polyamideja. Yhdysvalloissa tilanne on hyvin toisenlainen, sillä siellä lujitetaan eniten polyolefiineja. Kuitulujitettujen kestomuovien osuus koko Länsi-Euroopan lujitemuovituotannosta v. 2003 oli arviolta 31 % eli runsas 500 000 t. Polyamidien osuus tästä on n. 55 % ja polypropeenin n. 20 %. Koko maailmassa kuitulujitettujen kestomuovien osuus oli n. 20 % vastaten määrällisesti n. 1 miljoonaa tonnia. Vuosittaiseksi kasvuksi on arvioitu 10 %. Ruiskuvalettavien kuitulujitettujen kestomuovien osuus Länsi-Euroopan lujitemuovituotannosta oli n. 13 % eli runsas 210 000 t. 

Valmistus

Ruiskuvalettavien kestomuovien lujittamiseen käytetään sekä lyhyitä että pitkiä (> 10 mm) kuituja. Pitkät kuidut pilkkoutuvat kuitenkin ruiskuvalussa, jolloin keskimääräinen kuitupituus pienenee ja varsinainen hyöty menetetään. Yleisimmät lujitekuidut ovat lasi- ja hiilikuidut. Lujitekuiduilla ja täyteaineilla seostettuja kestomuoveja valmistetaan tavallisimmin seostamalla lisäaineet sulaan muoviin ekstruuderilla. Käytettävät menetelmät voidaan jakaa kahteen tyyppiin, jotka ovat:

1.      Kaapelipäällystysmenetelmä, joka sopii vain jatkuville lujitekuiduille

2.      Ekstruuderimenetelmä, joka on yleisimmin käytössä ja soveltuu sekä jatkuville että katkotuille kuiduille ja täyteaineille.

Kaapelipäällystysmenetelmä on nimensä mukaisesti muunnos kaapelin valmistuksesta. Päällystettävänä materiaalina toimii kaapelin sijasta jatkuva lujitekuitutouvi tai -roving. Suulakepuristimelta tuleva sula muovi johdetaan ristipääsuulakkeeseen, johon tulee myös jatkuva lujite (kuva 4.16). Kestomuovi pinnoittaa kuidut ja syntyvä kuuma nauha jäähdytetään ja katkotaan eli rakeistetaan pelleteiksi. Tyypillistä menetelmälle on, että pelletissä olevat kuidut ovat yhtä pitkiä kuin pelletti. Haittapuolena on muovin vain osittainen tunkeutuminen kuitujen väliin ja tästä johtuva kuitujen huonompi kostuminen matriisimuovilla. Kuitujen suuremmasta pituudesta seostusmenetelmään verrattuna ei ole ratkaisevaa etua, sillä kappaletta ruiskuvalettaessa kuidut pilkkoutuvat ja katkeilevat lähes samanpituisiksi.

Kuva 4.16 Kaapelipäällystysmenetelmän ristipään rakenne.

Lujitekuitujen ja täyteaineiden seostaminen sulaan kestomuoviin ekstruuderissa on yleisin täytettyjen kestomuovien valmistustapa. Ekstruuderi voi olla joko yksi- tai kaksiruuvipuristin ja lujite joko haketta tai rovingia/touvia.

Yksiruuviekstruuderilla seostettaessa käytetään esisekoitettua kestomuovia ja haketta, sillä kuitujen hyvää dispersiota on vaikea saavuttaa muulla tavoin. Ruuvin kuluminen on voimakasta koko sen pituudelta. Lujite myös pilkkoutuu erittäin paljon. Yksiruuviekstruuderia käytetään lähinnä vain lujitettuja polyamideja valmistettaessa.

Yleisin menetelmä täytettyjä kestomuoveja valmistettaessa on seostaminen kaksiruuviekstruuderin avulla. Täyteaine tai lujite joko hakkeena tai rovingina syötetään keskelle (kuva 4.17). Kaksiruuviekstruuderin ruuvit pyörivät eri suuntiin, jolloin kitka, kuluminen ja lämmönmuodostus ovat pienemmät kuin yksiruuviekstruuderissa. Kaksiruuviekstruuderi on huomattavasti kalliimpi kuin yksiruuviekstruuderi, mutta positiivisena puolena on parempi lämpötilan hallinta ja sekoitus sekä pienempi ruuvin kuluminen ja suurempi tuotantokapasiteetti. Lisäksi laitteisto on hyvin monipuolinen ja muutettavissa monia tuotantotilanteita vastaavaksi. Ekstruuderin ruuvin pituuden suhde halkaisijaan on yleensä noin 20:1. Menetelmän edut tulevat parhaiten näkyviin pitkissä tuotantosarjoissa. Suurimpien kaksiruuviekstruuderien tuotantokapasiteetti on noin 250 kg/h. Kaksiruuviekstruuderi pilkkoo lujitekuituja niin, että hakkeen kuitupituudesta riippumatta keskimääräinen kuitupituus pelletissä on 0,6…0,8 mm. Kuitujen pilkkoutumista tapahtuu aivan samalla tavoin myös jatkuvia kuituja käytettäessä.

Kuva 4.17 Lujitettujen ja täytettyjen kestomuovien valmistus kaksiruuviekstruuderilla.

Käyttö

Lujitetusta ja/tai täytetystä granulaatista voidaan periaatteessa ruiskuvalaa kappaleita tavanomaisilla ruiskuvalukoneilla. Lujitekuitujen ja mahdollisten täyteaineiden kuluttava vaikutus koneen kriittisiin osiin, erityisesti kierukkaruuviin ja sylinteriin, on otettava huomioon. Granulaatin kosteuspitoisuus on tarkistettava ennen käyttöä ja tarvittaessa raaka-aine on kuivattava.

Kirjallisuutta

Kappale 4.1

1. Bunsell A.R., Fibre Reinforcements for Composite Materials, Vol. 2, Elsevier Science Publishers B.V.,NL 1988, ISBN 0-444-42801-1.
2. Tsu-Wei C. & Ko F.K., Textile Structural Composites, Vol 3, Elsevier Science Publishers B.V., NL 1989, ISBN 0-444-42992-1.
3. Peters S.T., Handbook of Composites, Second Edition, Chapman & Hall, GB 1998, ISBN 0 412 54020 7.

Kappale 4.2

1. Peters S.T., Handbook of Composites, Second Edition, Chapman & Hall, GB, 1998. ISBN 0 412 54020 7.
2. Akovali G., Handbook of Composite Fabrication, Rapra Technology Ltd, UK 2001. ISBN 1-85957-263-4.
3. Miravete A., 3-D textile reinforcements in composite materials, Woodhead Publishing Ltd, UK 1999, ISBN 1 85573 376 5.
4. Gutowski T.G., Advanced Composites Manufacturing, John Wiley & Sons Inc. USA 1997, ISBN 0-471-15301-X.
5. Kurri V., Malén T., Sandell R., Virtanen M., Muovitekniikan perusteet 3. tarkistettu painos, Hakapaino Oy 2002, ISBN 952-13-1584-9.