Vaikeuksien kautta voittoon – jätemateriaalikomposiiteista ilmastohyötyjä ja taloudellisia säästöjä

Purkujätettä © LUT yliopisto

Rakennussektori on Euroopan suurin jätteiden tuottaja – vuonna 2016 se vastasi yli kolmasosasta kaikesta tuotetusta jätteestä. Rakennus- ja purkujätteen käsittely on haastavaa, johtuen jätteen monimutkaisesta koostumuksesta sekä vaihtelevista määristä. Rakennus- ja purkujäte sisältää kuitenkin runsaasti arvokkaita materiaaleja, kuten muoveja, metallia, puuta, lasia sekä betonia, joten se tarjoaa laajan valikoiman kierrätysmateriaalia esimerkiksi erilaisten komposiittien valmistukseen.

Yleisesti komposiittimateriaalin määritellään olevan kahden tai useamman materiaalin yhdistelmä, jossa materiaalit toimivat yhdessä, mutta eivät ole sulautuneet tai liuenneet toisiinsa. Vahvistava materiaali on usein kuiduista tai hiukkasista koostuvaa ainesta, joka sulautetaan matriisimateriaaliin.

Esimerkiksi puumuovikomposiitti koostuu puusta ja muovista, mutta niiden lisäksi voidaan käyttää myös pieniä määriä muita aineita, joilla vaikutetaan komposiitin valmistusprosessiin, tuotteen ominaisuuksiin tai kumpaankin näistä. Lisäaineista esimerkiksi erilaiset voiteluaineet parantavat syntyvää pinnanlaatua ja kiinnitysaineet vahvistavat puun ja muovin välisiä sidoksia lujittaen komposiitin rakennetta. Muita komposiiteissa käytettäviä lisäaineita ovat muun muassa erilaiset väriaineet ja vaahdotusaineet. Komposiittien yleiset ominaisuudet, kuten veto- ja taivutuslujuus, iskunkestävyys, työstettävyys, säänkestävyys sekä mittapysyvyys, riippuvat siinä käytetyistä raaka-aineista, valmistusprosessista ja -parametreista.

Jätemuovikomposiitin ominaisuuksia parannettiin lisäaineilla

Komposiitti on ympäristöystävällinen materiaali, sillä sen valmistuksen raaka-aineina voidaan käyttää myös kierrätysmateriaaleja. Komposiitteja käytetään yleisesti ulkoilman sovelluksissa, esimerkiksi rakentamisen tuotteissa, jolloin niiden tulee kestää hyvin kosteutta, toistuvaa jäätymistä ja sulamista sekä auringonvalon UV-säteilyä. Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuksessa (Hyvärinen et al 2019) kuitenkin selvisi, että käytettäessä sekalaista rakennusjätettä komposiitin täyteaineena komposiittimateriaalin mekaaniset ominaisuudet ja samalla myös käytettävyys heikkenivät.

Veden imeytyminen komposiittirakenteeseen voi johtaa sen mekaanisten ominaisuuksien heikkenemiseen. Tämä riippuu pääasiassa komposiitissa käytettävistä materiaaleista ja niiden välisistä kytkennöistä. Komposiittirakenteen pitkäaikaiskestävyyden kannalta hyvä ja vahva materiaalien välinen kytkentä on olennainen, ja sen parantamiseen voidaan käyttää erilaisia lisä- ja kytkentäaineita. Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuksessa (Martikka & Kärki 2019) havaittiin, että käyttämällä kytkentää parantavia lisäaineita jätemuovikomposiittien mekaanisia ominaisuuksia onnistuttiin selvästi parantamaan.

Komposiittimateriaalia © LUT yliopisto

Muovin käyttö komposiitissa täyteaineena vähentää ilmastovaikutuksia

Joitain mekaanisia ominaisuuksia, kuten kovuutta tai iskulujuutta, voidaan parantaa käyttämällä mineraalitäyteaineita. Vastikään tehdyssä Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuksessa (Sormunen et al 2021) vertailtiin erilaisten rakennus- ja purkujätemateriaalien –puukuidun, mineraalivillan, kipsilevyn, sekä muovin – käyttöä muovikomposiittien täyteaineina. Vertailussa otettiin huomioon materiaalien taloudellinen ja ympäristöllinen suoritus. Tutkimuksen havaittiin, että erityisesti muovijätteen osalta komposiittien valmistuksen vaikutukset rakennus- ja purkujätteestä ovat huomattavasti pienemmät kuin niiden tavanomaisen hävittämisen – polttamisen ja kaatopaikalle sijoittamisen – vältetyt vaikutukset.

Komposiittien tuotannolla on suuri mahdollisuus hillitä ilmastonmuutosta, kun otetaan huomioon perinteisestä muovista valmistettujen tuotteiden korvaaminen. Puujätteen käytöstä komposiittien valmistuksessa on pienemmät edut kuin muovijätteestä, koska niiden tavanomaisesta hävittämisestä aiheutuvat vaikutukset ovat pienemmät.

Puujätepohjainen täyteaine vahvistaa rakennetta ja laskee tuotteen hintaa

Rakentamisesta ja purkamisesta syntyvää muovijätettä voidaan yhdistää muun rakennusjätteen kanssa, jolloin se toimii täyteaineena. Kierrätetyt mineraalitäyteaineet tarjoavat mahdollisuuden jäykistää kierrätettyä PE-muovia ei-rakenteellisiin sovelluksiin. Tutkimuksessa havaittiin, että puujätepohjaisella täyteaineella on paras rakennetta vahvistava vaikutus verrattaessa saavutettuja ominaisuuksia suhteessa painon lisäykseen. Kierrätetty puu on tutkituista täyteainemateriaaleista tehokkain myös tilavuuden näkökulmasta tarkasteltuna. Se myös laskee tuotteen hintaa, verrattuna kierrätettyyn PE-muoviin, jossa ei ole käytetty täyteaineita.

Komposiitit, joissa oli 60 painoprosenttia mineraalitäyteainetta, tarjosivat kustannustehokkaimman ratkaisun tutkituista jätemateriaaleista, vaikkakin mineraalitäyteaineiden aikaansaama hinnan aleneminen on suhteellisen pieni puutäyteaineeseen verrattuna.

Lisää aiheesta 

• Circwasten osahanke: Uusia komposiittituotteita muoveista ja kuitujätteestä

Lähteet

• Hyvärinen, M., Ronkanen, M., Kärki, T., 2019. The effect of the use of construction and demolition waste on the mechanical and moisture properties of a wood-plastic composite. Compos. Struct. 210, 321–326. 
• Martikka, O., Kärki, T., 2019. Promoting Recycling of Mixed Waste Polymers in Wood-Polymer Composites Using Compatibilizers. Recycling 4,6.
• Sormunen, P., Deviatkin, I., Horttanainen, M., Kärki, T. 2021. An evaluation of thermoplastic composite fillers derived from construction and demolition waste based on their economic and environmental characteristics. J Clean Prod 280.

Listätietoja

• Tutkijaopettaja Jouni Havukainen, LUT, etunimi.sukunimi@lut.fi
• Laboratorioinsinööri Marko Hyvärinen, LUT, etunimi.sukunimi@lut.fi