Transcript Anders Bergner

Framtidens material
Anders Bergner
1
Swerea-koncernen 2009
Koncernen skapar, förädlar
och förmedlar forskning och
utveckling inom material-,
process-, produkt- och
produktionsteknik.
Swerea IVF
Industriell produktframtagning, textil, polymerer,
keramer
Swerea KIMAB
Materialanvändning, material- och
processutveckling, korrosion
Swerea MEFOS
Processmetallurgi, värmning, bearbetning,
miljöteknik och energieffektivisering för järn- och
basmetallindustrin
Swerea SICOMP
Kompositmaterial, process- och produktutveckling
Swerea SWECAST
Gjutna metaller – produkt, material, process och
miljöutveckling
Vd: Tomas Thorvaldsson
Ägande: Industrin 53 %, RISE Holding 47 %
Omsättning: 550 MSEK
Medarbetare: 450
Företagsförankring: 600 medlemsföretag
2010-05-31
Avdelningen Textil och Plast
Tidigare IFP Research, ingår sedan 1 januari 2008 som en avdelning i Swerea IVF
• Forskning och utveckling inom materialområdena fiber, textil, plast och gummi
• Erbjuder kunder:
–
–
–
–
•
•
•
•
•
FoU genom medlemsskapssystem och projekt
Uppdrag
Kurser, seminarier och konferenser
Teknikspridning genom tidningar, föredrag, rapporter och artiklar
46 medlemsföretag i 6 FoU-program (2008)
1 000 uppdrag (2008)
34 medarbetare
Ackreditering enligt SS-EN ISO/IEC 17025:2000
Genomför Öko-Texcertifiering i Norden och Baltikum
3
Framtidens material – några trender
• Miljövänliga och ”gröna” material
• Funktionella fibrer och högpresterande specialfibrer
• Nanofibrer
4
Miljövänliga material
Hela produktlivscykeln är viktig
• Miljöbelastning vid framställning
• CO2 – eliminera fossila råvaror
• Vatten – minska förbrukning av färskvatten
• Energi – Energieffektiv fram till brukaren
• Miljöskadliga ämnen i tillverkningsprocessen
• Miljöbelastning vid brukandet
• Miljöfarliga/skadliga ämnen i produkten
• Optimerade prestanda
• Miljöbelastning när produkten skrotas
• Materialåtervinning, kompostering, energiframställning
5
Miljövänliga material
Trender för råvaror
• Förnyelsebara råvaror från växtriket
• PLA – Poly Lactic Acid = Polymjölksyra, majs
• Snarlik polyester i egenskaperna
• Åldringsegenskaperna har förbättrats avsevärt
• CO2 neutral vid kompostering och förbränning
• Våtspinning av cellulosafibrer
• Forskning för miljövänligare spinningsprocess
• Ej åkergröda, konkurrerar inte med livsmedel
• Naturfibrer
• Lin, hampa
• Odlingsbart i svalare klimat, låg vattenförbrukning
6
Miljövänliga material
Effekter vid brukandet
• ”Rätt” livslängd – handlar också om trendkänslighet & mode
• Mekaniska egenskaper
• Kemisk miljö
• UV-ljus
• Optimera produktens funktion
• Minska vikt
• Sänka tryckfall
• Minimera tvättbehov och optimera tvättbarhet
• Materialförlust vid nötning
7
Miljövänliga material
Effekter vid skrotning
• Återanvändning
• Materialåtervinning, ex PET-flaskor till fiber
• Färgförändring
• Materialnedbrytning
• Kompostering
• Färgrester, kemikalierester
• Utlakning i grundvatten
• Energiframställning
• Energivärde
• CO2-belastning
• Utsläpp till luft
8
Naturfiber i porösa formpressade paneler
•
•
•
•
•
•
•
Fordonsinteriör
Möbler och inredning
PLA – Cellulosa
PLA
PLA – Lin
PES – Cellulosa
PES – Lin
9
Funktionella och högpresterande fibrer
• Nischprodukter
– Extremt starka produkter som sparar vikt & energi
– Säkerhetsprodukter som minskar personskador & räddar liv
– Brandsäkra produkter utan flamskyddsmedel
– Elektriskt ledande fibrer
– Piezoelektriska fibrer
– PCM-fibrer som lagrar och avger värme
10
Funktionalisering av ytan
Tvärsnitt på fibrer
Ytmodifiering med plasma
11
Brandsäkra fibrer
•
•
•
•
Bra termiska egenskaper
Kräver ej flamskyddsmedel
Goda kemiska egenskaper
Många alternativa material
• Novoloidfenol
• Meta-aramid
• OPAN
• Polyimid
12
UHMW-PE Personlig skyddsutrustning
13
UHMW-PE Medicinsk teknik
14
LCP PET Applikationer
Vectran
•
•
•
Rep och kabel
– Sonar
– Helikopterslings
Industi/Militär
– Skärskydd
– Radomer
– Högtalarkoner
Sportutrustning
– Segelduk
– Golfklubbor
15
PBO – Zylon
•
•
•
Zylon är ett
varumärke för PBOfiber som tillverkas
av av Toyobo.
PBO kombinerar
extrem styrka,
energiupptagning
och temperaturtålighet
Används till
sidokrockskydd i F1
och IndyCar
16
PIPD – M5
• PIPD – poly{2,6-diimidazo[4,5-b:4’.5’-e]pyridinylene-1,4-(2,5dihydroxy)phenylene}
eller bara M5
• M5 har strukturella likheter med PBO (p-phenylene-2, 6benzobisoxazole)
• Starkare än både UHMW-PE och PBO
• Tål höga temperaturer
• Ej känslig för krypning och spänningsrelaxation
• Tål UV-ljus
• Finns ej i kommersiell skala!
17
Funktionella fibrer - PCM
Temperature
T
Example
Paraffin vax: 150-250 J/g, 18°C – 36°C
Tm
Liquid
Solid
Heat energy Q
18
PCM – Exempel på funktion
Pjäxa med PCM i
innerskon
Hårt arbete, PCM
smälter, tar upp värme
KYLNING
19
Vila och kyla,
PCM stelnar,
avger värme
VÄRMNING
Elektriskt ledande textilfibrer
• Utvecklingen inom Smarta Textilier (sensorfunktioner,
värmegenerering, EMI/RFI-skydd, inbyggd elektronik
etc.) skapar efterfrågan på flexibla elektriskt ledande
textilfibrer som konstruktionselement
• Behov: 10-10-10+4 S/cm (från antistatisk verkan till
överföring av energi)
Nylon, Polyester:
Koppar:
10-14 – 10-18 S/cm
106 S/cm
20
Garn av metalltråd eller
metalliserade syntetiska fibrer
Problem:
Stela och stumma garn
Korrosion
Känsliga för nötning
Polyester spun yarn
with 20% stainless
steel fibres
Silver coated
Nylon® filaments
Hög kostnad
Svårt återvinna
blandgarn
21
Polymer + ledande fyllmedel
• Ledande polymerer (PANI, PPY, PDOT…), 100-10+4
S/cm
• Metallpulver/fiber, 10+6 S/cm
• Kimrök (CB), 10+2 S/cm ?
• kolfibrer, 10+3-10+4 S/cm (grafit 10+5 S/cm)
• Kolnanorör (CNT), 10+5 S/cm ?
– Smältprocessning av ledande polymerer svårt
– Kolfibrer och metallfibrer är spröda och stumma
⇒ Vi har börjat med CB och CNT
22
Concept of percolation
Conductivity (log scale)
Source: R. B. Rosner, Compliance Engineering Magazine, (2001).
% Conductive filler
23
Melt spinning of bi-component fibers
Core extruder (PP/CB)
Sheath extruder (PP)
V0
V2
V1
Core/Sheath
24
Bi-komponentteknik tillåter högre
kimrökskoncentrationer utan fiberbrott
PP/PP+CB (50% kärna)
PA6/PP+CB (30% kärna)
25
Hur långt har vi kommit?
26
Piezoelektriska fibrer
Ledande
hölje/kärna
∼
Princip
β-PVDF
27
Elektrospinning av nanofibrer
28
The Electrospinning Process
Mechanism
Formation of Taylor cone and subsequent jet
++
+
+
+
+ + ++
++
+
+
+
+ + ++
+
+
+
29
Bending instability
Uppskalning till industriell process
Electrospinning ”Nanotrissa” Swedish patent 0700403-9 – A scaled-up Equipment
30
Filterapplikation med nanofiber
31
Nanofibrer i biomedicinska applikationer
i samarbete med Chalmers och Sahlgrenska akademin
Biosyntetiska blodkärl
Electrospun tube of elastic
polymer
Blood vessels contain nanofibrous
layers of elastin and collagen
32
Framtidens material – några trender
• Miljödeklarerade textilier blir norm
• Miljövänliga och ”gröna” material får stort genomslag
• Bomull ersätts delvis av cellulosa
• Polyester ersätts delvis av PLA
• Fler biofibrer får kommersiellt genombrott
• Funktionella fibrer och högpresterande specialfibrer
• Extremfibrer når fler vardagliga produkter
• Funktionella fibrer ger många innovativa produkter
• Nanofibrer
• Öppnar nya områden inom Biomedicin
• Sänker energiförbrukningen för luftfiltrering
33
Avdelning Textil & Plast
Från utveckling av funktionella
fibrer till mekanisk provning och
kemisk analys
34