Back to search

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Vedheftforbedring i herde- og termoplast med nanocellulose

Alternative title: Improved adhesion properties in thermosets and thermoplastics using nano-cellulose

Awarded: NOK 4.9 mill.

Project Number:

296358

Project Period:

2019 - 2022

Subject Fields:

Adhesion between materials is of enormous importance in engineering. Adhesion and related products such as adhesives, coatings and composites constitute a multi-billion Euro industry. Adhesion enables the stability of composite materials such as windmill blades and boat hulls where adhesion between fibres and matrix is very important. Adhesion guarantees the stability of joined materials such as coatings on metal surfaces, e.g. for corrosion protection. Adhesion can replace mechanical joining, e.g. by screws and bolts. The general goal of the project was to develop adhesives, coatings and composites with improved properties, by combining nanocellulose and thermomechanical pulp fibres (TMP) with thermosets and thermoplastics as matrix materials. In this way, stronger and more stable materials with new functionalities can be processed from renewable forest resources, with reduced carbon footprint compared to materials based on fossil oil. The project have succeeded in producing an anhydrous, solvent-free nanocellulose paste that works very well as a thickener agent. So far, nanocellulose introduction and water removal is demonstrated in several master batch solutions like polypropylene glycol, epoxy, polyol and castor oil, and nanocellulose can this way be introduced to a wide range of applications. In addition, these master batches are easier to handle when added into glue and coating formulations and improves health environment during mixing, compared to existing solutions. Tests also show improved strength and adhesion in both glue and coating, and thicker layers of product can be applied on horizontal and vertical surfaces without sagging. Work have been done to industrialize the production process using different pilot plants at Saugbrugs and Re-Turn. Norske Skog Saugbrugs has started production and sales of the product under the CEBINA MB (master batch) brand name. Customers now utilize the new masterbatches in their formulations for epoxy floors and spray putty compounds. The general experience where the new solutions are used is considerably time and cost savings due to improved covering properties, less sag and the materials are faster and safer to work with. During the construction of a new land based fish farm close to Molde, this time saving effect was showcased. 11 out of 12 tanks, each with +1000 m2 of wall surfaces, were coated using CEBINA MB as additive. 14 days of manual work was required to coat one tank when using conventional rheology aid, but with sprayable CEBINA MB coating the time was reduced to just 4 days. Introduction of nanocellulose into thermos plastics is also demonstrated, and testing of materials from these trials shows that nanocellulose adds other properties to the bio composites than longer fibres do. Adding larger fibres in the micro- and millimetre scale to plastics increases strength and stiffness, but at the same time melt flow index and impact strength will decrease. Nanocellulose seems to give the opposite results: improved impact strength and melt flow, but somewhat lower strength and stiffness. These properties will be further investigated in large scale using the new bio composite demonstration plant at Saugbrugs, which was starting up in 2022. Results from the project will be commercialized under the brand name CEBICO by Norske Skog Saugbrugs.

Prosjektet har lykkes i å fremstille vannfri nanocellulose-pasta som fungerer meget godt som tiksemiddel. I prosessen som nå har fått innvilget patent, erstattes vann med enten epoksy (EP), polyol eller castor oil som bærer, og slik kan man få inn nanocellulose i en rekke bruksområder. I tillegg er produktene praktisk og arbeidsmiljømessig mye enklere å benytte ved blanding av lim og coating enn eksisterende løsninger som i stor grad er basert på flyktig pulver (fumed silica) som støver mye. Tester viser forbedret styrke og vedheft i både lim og coating, og man kan oppnå tykkere coating lag uten at massen siger. Det er arbeidet med oppskalering av prosessen i egne pilotanlegg hos Saugbrugs og Re-Turn. Norske Skog Saugbrugs har startet produksjon og salg av de første produktene under merkenavnet CEBINA MB (masterbatch), der kundene nå benytter CEBINA MB i sine formuleringer for epoksygulv og sprøytesparkel. I flere av prosjektene hvor løsningene er benyttet har man kunne oppnå betydelige besparelser i totalkostnad for påføring av produktene fordi de dekker bedre og ikke siger og ellers er raskere og sikrere å jobbe med. Det har også lyktes å blande inn nanocellulose i termoplast, og materialtester viser at slike nanofibriller tilfører andre egenskaper til plasten en større fiber. Større fiber i mikro- og millimeter skala gir økt stivhet og strekkstyrke på linje med glassfiber, men lavere flyt og slagfasthet i termoplast. Nanocellulosen gir bedre slagfasthet og flyt, men noe lavere styrke og stivhet. Disse forholdene vil undersøkes nærmere i større skala i Saugbrugs sitt nye demonstrasjonsanlegg for biokomposittproduksjon som ble tatt i bruk i 2022. Prosjektresultater for termoplast kommersialiseres under merkevaren CEBICO av Norske Skog Saugbrugs. De oppnådde resultater vil videreutvikles i Grønn Plattform prosjektet «Fra tre til biobaserte polymerprodukter». CEBINA MB vil oppskaleres, i første omgang bygges nå et større pilotanlegg på Saugbrugs. Videre plan er å lage ett fullskala anlegg som bygges ut i takt med kundetilgang. Det arbeides aktivt med å skaffe flere kunder for økt produksjon. Det vil pågå ytterligere produktutvikling, også i samarbeid med Re-Turn, for å oppfylle krav til kvalitet i flere applikasjoner innen lim, coating og kompositt. Det samme vil skje med CEBICO som allerede har et pilotanlegg i drift på Saugbrugs. Produktutvikling, testproduksjon og kundetester pågår. Det er planer om videre utbygging av fullskala produksjonsanlegg når kundegrunnlaget er tilstrekkelig. CEBINA, CEBINA MB og CEBICO er viktige elementer i Norske Skogs vekststrategi innenfor grønne kjemikalier og materialer og har blitt definert som egne forretningsområder. Prosjekt NanoHEFT har bidratt sterkt til denne pågående satsingen som allerede omsetter for millionbeløp. Re-Turn og Re-Organic har gjennom NanoHEFT prosjektet styrket sin kompetanse på termoplast, lim og coatingsystemer og bruk av nanomaterialer i disse.

Studien starter med å finne hvilke egenskaper nanocellulose skal ha for å gi best mulige vedheftsegenskaper i herde og termoplaster. Nanocellulose skal fremstilles av kjemisk sulfatmasse og TMP (termomekanisk masse). I dette inngår også å se på ulike kjemiske modifiseringer av nanocellulose gjennom tilsats av additiver. For termoplastkompositt skal TMP fiber benyttes som armering, og det undersøkes hva som er riktige fiberdimensjoner og hvilken behandling som gir god nok dispergering, binding og tilstrekkelig innblanding for høykvalitets kompositt termoplast. En patentert metode for å overføre vannbasert nanocellulose til epoksy og andre råmaterialer for herdeplast videreutvikles, her skal man undersøke og forstå sammenhengene som kontrollerer en effektiv vannfjerning og samtidig gir vedheftsforbedringer. Med de nye metodene skal ulike formuleringer av bindemiddel med nanocellulose utvikles som gir minst 10 % bedre bindingsstyrke og vedheft og som kan varmherdes. En formulering med karbon-nanorør skal også utvikles, der tilsats av nanocellulose skal øke vedheft med minst 10 % samtidig som man oppnår elektrisk ledningsevne på halvledernivå. Tilsvarende skal gjøres for coating formuleringer, der målet er å oppnå minst 10 % økt vedheft. I coating formuleringer med karbonnanorør er målet 10 % økt vedheft og elektrisk ledningsevne tilstrekkelig for at innblandede sinkpartikler kan skape korrosjonsbeskyttelse. For kompositt skal det utvikles en formulering med nanocellulose som kan øke vedheft med minst 10 % og gi økt slagfasthet. Modifiserte TMP fiber vil inngå sammen med ulike termoplaster, inkludert resirkulerte varianter. Etter at disse resultater er oppnådd i labskala skal metodene oppskaleres til pilotskala og testes hos minst to ulike kunder i hvert av områdene bindemidler, coating, kompositt i løpet av prosjektet.

Funding scheme:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale