Muovi
Muovi on yleisnimitys synteettisille tai puolisynteettisille hiili- tai hiili-piiatomien pitkistä molekyyliketjuista eli polymeereistä koostuville materiaaleille. Tämä kemiallinen rakenne on taustalla myös materiaalien muovattavuudelle, mistä johtuu nimitys muovi.
Muovit koostuvat yleensä peruspolymeeristä ja lisäaineista. Lisäaineina ovat muun muassa UV-suoja-aineet, väriaineet, täyteaineet kuten liitu, lujitteet kuten lasikuitu ja pehmittimet.
Tuotantomääriltään suurimmat muovilaadut valmistetaan öljynjalostuksessa syntyvistä kevyistä jakeista, kuten bentseeni, butadieeni, propeeni ja eteeni, liittämällä näiden molekyylit yhteen pitkiksi ketjuiksi prosessissa, jota sanotaan polymeroinniksi. Vuoteen 2018 menneä muovia on tuotettu koko maailmassa yheensä yli 8 mljardia tonnia (8 biljoonaa kiloa). Tällä hetkellä muovin vuosituotanto on 300 miljoonaa tonnia, ja arvioiden mukaan se kaksinkertaistunee vuoteen 2030 mennessä. Kaikesta tuotetusta muovista n. 80% päätyy jätteeksi
Muovien tekniset ominaisuudet, kuten lujuus, sähköneristävyys, vesitiiviys ja keveys, muoviraaka-aineiden edullisuus sekä muoviesineiden tehokas valmistaminen suurissa sarjoissa ovat syy muovien käytön hyvin nopealle laajenemiselle 1950-luvulta alkaen. Muovin hajoamattomuus luonnossa tekee siitä myös ympäristöongelman.
Muovit voidaan jaotella usealla tavalla:Kumien ja muovien väliin sijoittuvat termoplastiset elastomeerit
Lontoon Maailmannäyttelyssä 1862 Alexander Parkes esitteli oman parkesiiniksi ristityn muovinsa, jota voitiin muovata lämmitettynä. Siitä hän valmisti muotilla puristamalla koriste- ja talousesineitä, esimerkiksi veitsen kahvoja. Kemialliselta rakenteeltaan se oli selluloosa­nitraattia, ja sen tarkoitus oli korvata norsunluuta. Parkes ei kuitenkaan kyennyt kehittämään muovinsa tuotantoa teolliseksi. Parkesiini alkoi myös vanhetessaan halkeilla. Amerikkalainen John Wesley Hyatt käytti toista liuotinta myös selluloosapohjaisessa selluloidiksi kutsutussa muovissaan, joka esiteltiin 1863. Hyattin selluloidi oli kestävämpää, ja lisäksi hän pystyi käynnistämään teollisen tuotannon.
Toinen jo 1800-luvulla keksitty muovilaatu on selluloosa-asetaatti. Vuonna 1897 kehitettiin kaseiinista valmistettu galaliitti. Saksaan, Hampuriin perustettiin ensimmäinen galaliittitehdas vuonna 1904.
Ensimmäisen synteettisen muovin, bakeliitin, kehitti Leo Hendrik Baekeland 1907 fenolista ja formaldehydistä.
Rayon on ensimmäinen muovikuitu, jonka tuotannon aloitti 1905 ranskalainen yritys Courtauld englannista ostetuilla patenteilla. Tämä "tekosilkki" on teknisesti selluloosa-asetaattia. Siitä voidaan valmistaa myös läpinäkyvää kalvoa, sellofaania. Selluloosa-asetaatista tuli kehittyvän valokuvaustekniikan filmimateriaali, vaikka se on hyvin herkästi syttyvää. Rayonia valmistetaan yhä.
Ensimmäinen suomalainen muovitehdas, Sarvis Oy aloitti tuotannon 1921 Tampereella. Sarvis käytti parhaimpina aikoina 30 000-40 000 litraa maitoa päivässä, koska sen käyttämä muovi oli galaliitti.
Polyeteenin ja polyvinyylikloridin teollinen tuotanto aloitettiin 1930-luvulla. toiseen maailmansotaan saakka kivihiili oli synteettisten yhdisteiden tärkein raaka-aine, mutta sodan jälkeen niitä alettiin valmistaa pääasiassa maaöljystä.. Bakeliittia pidetään muovikauden alkuna, mutta öljypohjaiset muovit tekivät siitä jokapäiväistä kulutustavaraa ja nailon oli tässä kehityksessä yksi historian merkkipaalu.
2010-luvulla muovia on levinnyt joka paikkaan, jopa juomaveteen. Merissä ajelehtii valtavia muovilauttoja. Osa muovin pehmentimistä, mm. eräät ftalaatit aiheuttavat lisääntymisterveyden vaarantumista.
Kertamuovit muodostuvat polymeeriverkoista. Kertamuoveja ei voida jälkikäteen muovailla, vaan lämmitettäessä riittävästi kertamuovien polymeeriverkot hajoavat alkuaineiksi. Kertamuovit valmistetaan nestemäisestä lineaaripolymeeristä eli perushartsista, joka kovetetaan kehittämällä polymeerien välille siltoja kuumentamalla ja toisella kemikaalilla (esimerkiksi vulkanointi), tai vain toisella kemikaalilla, jota sanotaan kovettimeksi. Kovetusreaktiosta voi syntyä itsessään lämpöä.
Kestomuovit muodostuvat pitkistä polymeeriketjuista, jotka sitoutuvat toisiinsa heikoilla sidoksilla. Lämmitettäessä polymeeriketjut pääsevät liikkumaan toistensa lomitse. Tämä termoplastinen ominaisuus mahdollistaa kestomuovien uudelleenmuotoilun. Kestomuovi on amorfinen aine, eli sillä ei ole tarkkaa sulamispistettä, vaan se pehmenee vähitellen lämpötilan kohotessa.
Amorfisten muovien sisäinen rakenne on järjestäytymätön eli amorfinen. Se tarkoittaa, että polymeerin molekyyliketjut ovat sotkeentuneet toisiinsa ilman järjestystä. Amorfisen muovin jäähtyessä sulatilasta kiinteäksi järjestäytymätön sisäinen rakenne säilyy mutta molekyyliketjujen välinen etäisyys pienenee eli sisäinen rakenne tiivistyy. Amorfiselle muoville lasisiirtymälämpötila T on erittäin tärkeä. T:n alapuolella, lasitilassa, molekyyliketjujen liike on estynyt. Siksi polymeeri on lasitilassa jäykkä, kova ja usein hauras. T:n yläpuolella, kumitilassa, molekyyliketjut pääsevät liikkumaan. Siksi polymeeri on pehmeä ja lämpötilan noustessa riittävästi se muuttuu juoksevaksi. Amorfisen muovin käyttölämpötila-alue on T:n alapuolella ja sulatyöstö- ja muovauslämpötila-alue T:n yläpuolella. Amorfisella muovilla ei ole sulamispistettä.
Amorfisen muovin järjestäytymättömästä sisäisestä rakenteesta seuraa, että amorfiset muovit käyttäytyvät eri tavalla kuin osakiteiset. Amorfiselle muoville on tyypillistä verrattuna osakiteiseen muoviin:Osakiteiset muovit ovat sulatilassa (lämpötila sulamispisteen yläpuolella) amorfisessa tilassa eli sisäinen rakenne järjestäytymätön. Kun lämpötila laskee alle sulamispisteen, alkaa kiteytymisprosessi, jossa osa rakenteesta kiteytyy eli molekyyliketjut laskostuvat tiiviiksi rakenteeksi. Kiteytyminen tapahtuu sulamispisteen (T) ja lasisiirtymälämpötilan (T) välissä. T:n alapuolelle kiteytyminen ei ole mahdollista, koska molekyyliketjujen liike on estynyt. Kiteisyysaste kertoo, kuinka monta prosenttia sisäisestä rakenteesta on kiteytynyt lopun jäädessä amorfiseksi. Kiteytyminen vaatii aikaa eli jäähtymisnopeuden kasvaessa kiteytymisaste laskee. Jos muovimateriaali ei ehdi kiteytyä riittävästi ruiskuvalussa (alhainen muottilämpötila), se pyrkii jatkamaan kiteytymistä myöhemmin, jos lämpötila nousee riittävästi yli T:n (jälkikiteytyminen). Jälkikiteytymisestä seuraa, että kappaleen mitat ja ominaisuudet muuttuvat. Osakiteisen muovin käyttölämpötila-alue ulottuu T:n yläpuolelle. Lämpötilan noustessa yli T:n sen jäykkyys laskee ja sitkeys kasvaa sitä vähemmän mitä korkeampi kiteisyysaste.
Sisäisestä rakenne-erosta seuraa, että osakiteiset muovit käyttäytyvät eri tavalla kuin amorfiset. Tästä voidaan johtaa osakiteisille muoveille tyypilliset ominaisuudet. Osakiteisellä muovilla on amorfiseen muoviin verrattuna yleisesti:Teknisiksi muoveiksi kutsutaan niitä muovilaatuja, joilla on käyttöä koneenrakennuksessa konstruktiomateriaaleina. Tällaisia muoveja ovat mm PA (nailon), PMMA, POM, PTFE (teflon) ja PC ja ABS. Teknisillä muoveilla on sellaisia ominaisuuksia, kuten lujuus, läpinäkyvyys, kemiallinen kestävyys tai pieni kitka, joita koneissa voidaan hyödyntää. Teknisiä muoveja valmistetaan tonnimäärissä huomattavasti vähemmän kuin niitä muoveja (PE, PP, PS, PET tai PVC), joita käytetään esimerkiksi putkina, muovikalvoina tai kuplamuovipehmusteina pakkausteollisuudessa ja rakennustuotannossa.
Kestomuoveista valmistettuja kappaleita tehdään ruiskuvalukoneilla, joilla sula muovimassa puristetaan suuttimen läpi muottiin. Muoviraaka-aine on rakeista, granulaatteja, joita syötetään ruiskuvalukoneen siirtoruuviin. Putken sisällä olevaa syöttöruuvia lämmitetään putken ulkopuolelta. Granulaatit sulavat syöttöruuvin pyöriessä ja pumpatessa muovia eteenpäin. Ruiskuvalukoneessa syöttöruuvi toimii myös mäntänä, jonka tuottamalla paineella sulamuovi täyttää muotin. Jäähdytetyssä muotissa muovikappale kovettuu muutamissa kymmenissä sekunneissa riippuen seinämän paksuudesta. Yhdellä puristuksella voidaan tehdä useampia kappaleita samassa muotissa, jossa valukanava yhdistää kappaleita. Kappaleiden tuotantonopeus on siis suuri, mikä on ollut yksi syy muovien menestykseen. Valukanavat ja huonolaatuinen tuotanto voidaan jauhaa murskaksi ja palauttaa muoviraaka-aineen joukkoon. Tehtaan sisällä muovimateriaali voidaan siis kierrättää.
Muoviputket tehdään koneella, jota kutsutaan ekstruuderiksi. Menetelmää sanotaan suulakepuristukseksi. Siinä muovimassaa pumppaava syöttöruuvi pyörii jatkuvasti. Sula muovimassa pakotetaan paineella suuttimen läpi, jonka muodon mukaan saadaan joko avointa profiilia tai jos suuttimessa on keskiö (tuurna), putkea. Muovikalvoja valmistetaan syöttämällä paineilmaa vielä pehmeän kalvoputken sisään jolloin sen läpimitta kasvaa. Sähkökaapelien muovipinnoitus tehdään myös ekstruuderin avulla. Pultruusiossa tuodaan muoviprofiiliin sisään lujitekuituja.
Suomalaiset käyttävät 86 kg muovia asukasta kohti vuodessa. Se on vähemmän kuin länsimaissa keskimäärin.
Länsi-Euroopassa muovia käytettiin yhteensä 47 miljoonaa tonnia 2004. Käyttötarkoituksen mukaan muovin kulutus jakautuu seuraavasti: 37 % pakkauksiin, 19 % rakenteisiin, 9 % elektroniikkaan ja 20 % muihin kohteisiin.Kirottu siunattu muovi. "Suomen luonto" no 3, 4.4.2008, s. 24–28.
Varhaisimmat ja vakiintuneimmat käyttökohteet muoville ovat sähköteollisuudessa. Muovin eristysominaisuudet, lujuus, kestävyys sekä haluttaessa liekinkestävyys tekevät siitä optimaalisen materiaalin pistokkeille, sulakkeille, sähköjohtimien kuorille ja sähkölaitteiden koteloinneille. Muoviteollisuuden kehittyessä muovi on alkanut korvata perinteisiä raaka-aineita. Rakennusteollisuudessa muovi on yleistynyt muun muassa putkituksissa, vesikouruissa, hormeissa, lattianpäällysteissä, lämmön- ja vedeneristeissä, tiivisteissä ja tapeteissa. Myös huonekaluteollisuus käyttää laajasti muovia tuotteiden rakenteissa, verhoiluissa ja laminaateissa. Autoteollisuudessa muovin käyttö on levinnyt sähkölaitteista ja verhoilusta konepellin alle esimerkiksi tuulettimiin ja putkistoihin. Pyrkimys polttoainetaloudellisuuteen ja jalankulkijoiden turvallisuuteen on puolestaan tuonut keveät muovimateriaalit puskureihin ja jäähdyttimiin. Keveys, korroosionkestävyys, antimagneettisuus, ylläpidon helppous ja kustannustehokkuus kasvattavat alati muovin suosiota myös vesi- ja ilmaliikenteessä. Vaateteollisuus hyödyntää muovimateriaaleja etenkin kengissä ja sadeasuissa. Talvivaatteissa polyuretaanivaahtomuovi on kasvavassa suosiossa lämpöeristeenä. Lääketieteellisellä sektorilla muoveja käytetään pakkauksissa, kertakäyttötavaroissa (mm. laastarit, siteet, lääkeruiskut), steriloitavissa tavaroissa (katetrit, putkitukset) sekä proteeseissa ja tuissa.
Kodin esineissä ja muissa kulutustavaroissa muovi alkoi vallata alaa Yhdysvalloissa jo maailmansotien välisenä aikana 1920–1930-luvuilla, Euroopassa vasta toisen maailmansodan jälkeen. Suomessa muovin hyväksyttävyyttä sisustusmateriaalina edistivät esimerkiksi Yki Nummen 1950-luvun valaisimet ja muut esineet, joissa hän yhdisti muovia muun muassa tuolloin suosittuihin jalopuulajeihin. Värikkäät muovituotteet valtasivat Suomessa alaa 1960-luvun lopulla, kuten Eero Aarnion ja Ristomatti Ratian muovihuonekalut ja sisustusesineet.
Teollisuustarvikkeissa muovin tarttumisenesto-ominaisuudet, hankaus- ja korroosionkestävyys, sähkön eristävyys ja läpikuultavuus mahdollistavat useat kriittiset komponentit. PVC:tä, PTFE:tä ja polyasetaalia käytetään erinomaisen korroosionkestävyyden vuoksi pumpuissa ja putkissa, nailonia puolestaan hankauskeston ja pienen kitkakertoimen vuoksi kaivosten ja paperikoneiden hihnakuljettimilla.
Muovi on yleinen pakkausmateriaali. Muovin korroosionkestävyys yhdistettynä laajaan kulutukseen on luonut jäteongelmia ja tarpeen kehittää biohajoavia muoveja.
Suurin muovien haitta on niiden huokeus ja helppo saatavuus. Samalla kun ne mahdollistavat paljon hyvää, ne tekevät ihmisistä huolettomia ja välinpitämättömiä. Jätehuolto ei monissa maissa ole pysynyt muovien kehityksen vauhdissa.
Ihmiskunta on tuottanut muovia 8,3 miljardia tonnia vuosina 1950-2015, josta noin 80% on kaatopaikoilla ja merissä. Muovien pelätään aiheuttavan yhtä suuren ympäristöuhkan kuin ilmastonmuutos.
Kestomuoveja, joita suurin osa muoveista on, voidaan kierrättää ja käyttää uudelleen. Ongelmana tässä on muovien lajittelu. Hyvälaatuinen keräysmuovi on lajiteltu muovilaadun ja värin mukaan, jolloin se on käytettävissä uusien muovituotteiden valmistukseen siinä kuin neitseellinenkin raaka-aine. Tällaisesta raaka-aineesta maksetaan hinta, joka tekee kierrätyksestä kannattavaa liiketoimintaa. Alalla toimiikin useampia yrityksiä. Nämä keräävät muovimateriaalin muilta yrityksiltä tai tahoilta, jotka luotettavasti tunnistavat muovin. Esimerkiksi lannoitesäkkejä kerätään maanviljelijöiltä tai kauppaliikkeet ottavat talteen kuljetusyksiköiden suojana olleet muovikääreet.
Jonkin verran kerätään myös sekalaista muovia. Näistä jätemuoveista eli uusiomuoveista valmistetaan mm. muovilankkuja joita voidaan käyttää kestopuun tilalla. Lisäksi uusiomuovista valmistetaan jokapäiväisiä taloustavaroita kuten kotinarua, muovisankoja ja pakkauskalvoa.
Muovilaatujen runsaus estää muovin kierrätystä, mikä on yksi syy siihen, että kotitalouksiin pääasiassa pakkausmateriaalina kulkeutunut muovimateriaali joutuu Suomessa suurimmaksi osaksi kaatopaikoille. Vuoden 2016 alusta orgaanista jätettä ei ole saanut viedä kaatopaikoille. Näiden muovien lajittelu siten, että niistä saataisiin käyttökelpoista muovia, on hyvin vaikeasti toteutettavissa. Sen sijaan nämä muovit kelpaavat useimmissa tapauksissa energiajakeeksi pakkauspaperien kanssa. Suurin osa muoveista voidaan polttaa energiajätteenä ilman, että muovista irtoaa haitallisia aineita. Polton on tällöin tapahduttava riittävän suuressa lämpötilassa (yli 300 °C). Puhtaista muoveista palamistuloksena on yleensä vain hiilidioksidia ja vettä, mutta muovien väri- ja lisäaineet sekä lika voivat poltettaessa muodostaa myrkyllisiä yhdisteitä. Polttoon sopimattomia ovat muun muassa PVC-muovit niiden sisältämän kloorin takia. PVC:tä ei sen polttamisen ongelmien vuoksi paljoakaan käytetä pakkausmateriaalina.