Vedheftforbedring i herde- og termoplast med nanocellulose

Sammenbinding eller vedheft mellom materialer er en svært sentral del av ingeniørvitenskapen, og relaterte produkter som lim, ulike belegg (coating) og kompositter utgjør en multi-milliardindustri. God vedheft mellom fiber og bindemiddel gjør det mulig å lage stabile komposittmaterialer som vindmølleblader og båtskrog med lav vekt og høy styrke. Vedheft mellom et belegg og en metalloverflate sørger for korrosjonsbeskyttelse i en coating. Lim kan erstatte mekaniske festemidler som skruer og bolter i mange materialer som tre, stål og betong. Målet med prosjektet NanoHEFT var å utvikle nye limtyper, belegg (coatinger) og kompositter med forbedrede egenskaper ved å ta i bruk nanocellulose og tremekaniske massefiber (TMP) og blande disse med forskjellige herdeplaster og termoplaster. Slik vil man kunne lage sterkere og mer stabile materialer med ny funksjonalitet basert på fornybare skogressurser og som har et lavere karbonfotavtrykk enn materialer basert på fossil olje. 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 masterbatchene 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 man kan spraye på svært tykke lag med coating heller enn å påføre de manuelt, som er både raskere og sikrere enn dagens kommersielle løsninger. Gjennom byggingen av et landbasert fiskeoppdrettsanlegg i nærheten av Molde ble den tidsbesparende effekten vist. 11 av 12 tanker, hver med mer enn 1000 m2 veggflate, ble sprøytesparklet med CEBINA MB som additiv. En tank ble sparklet med konvensjonell sparkel for hånd og det tok 14 dager, mens med sprøytesparkel med CEBINA MB ble tiden redusert til 4 dager per tank. 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.

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.