Sprøjtestøbning af papirmasse

Det er en velkendt teknologi og etableret produktionsform at støbe produkter ud fra våd papirpulp. Mest velkendt i Danmark er nok æggebakker, hvor pulpen presses i en porøs form, hvorved vandet trækkes ud, og emnet bliver formstabilt.

Teknologisk Institut råder i den forbindelse over udstyr til at fremstille emner med denne produktionsmetode. Vi har løbende opgaver til virksomheder, hvor vi laver småskala-produktioner på et par hundrede emner. Hertil tilbyder vi at coate emnerne, så de bl.a. bliver vandtætte.

MADE-projekt til demonstration af sprøjtestøbning i papir
Som et led i vores strategi om at tilbyde rådgivning og innovation inden for produktion, er Teknologisk Institut for nylig gået ind i et samarbejde med produktionsvirksomheden J. Krebs & Co. under støtteprogrammet MADE, der er etableret af Industriens Fond, for at afprøve mulighederne i at formgive våd papirmasse direkte i sprøjtestøbemaskiner. Målet er at etablere en reel produktion af emballageprodukter i papirmateriale, som udgangspunkt. På sigt kan materialet indeholde andre cellulosebaserede biomaterialer.

Sprøjtestøbning er i dag den mest anvendte produktionsmetode til formgivning af plastik. Fordelene ved sprøjtestøbning er mange, såsom lav produktionstid pr. emne, mulighed for at lave produkter i relativt avancerede geometrier (fx gevind og skruelåg), høje tolerancer og flotte overflader. Disse fordele vil vi gerne udnytte til papirbaserede produkter.

Grøn omstilling af plastvirksomhed
Direktør for J. Krebs & Co., en sprøjtestøbevirksomhed i Skævinge, Nordsjælland, har bemærket en stigende efterspørgsel på materialealternativer til fossilplast. Det, der efterspørges, er materialer med lavere CO2-aftryk, biobaserede materialer og bionedbrydelige materialer. En opdeling af plastmaterialer efter biobaserede/ikke-biobaserede og bionedbrydelige/ikke-bionedbrydelige ses i Figur 1. 

Figur 1. Forskellige typer af plast, opdelt efter biobaseret/ikke-biobaseret og bionedbrydeligt/ikke-bionebrydeligt

På markedet findes der allerede materialer, der både er biobaserede og bionedbrydelige, og de har hver sine fordele og ulemper. PLA er det mest velkendte og udbredte. Den er biobaseret, stammer typisk fra majs, men den har begrænset bionedbrydelighed. For at nedbrydes over en overskuelig tid skal den behandles i et industrielt komposteringsanlæg. PHA er lettere bionedbrydelig, men den er relativt skrøbelig og dyr. Efterspørgslen for PHA har hidtil været begrænset, men er nu stigende, så det er vanskeligt at indkøbe det i større mængder. Stivelsesblends er billigere, men består ofte af en stor mængde fossilplast for at gøre det stærkere. Tabel 1 viser kommercielt tilgængeligt biobaseret og bionedbrydeligt plast.

Tabel 1. Overblik over kommerciel biobaseret og bionedbrydeligt plast (Miljøstyrelsen, 2020). Priser er siden udgivelse af rapporten i 2020 steget til mere end det dobbelte.

En egenskab som bionedbrydelighed er en miljømæssig fordel, hvis plasten indsamles og sorteres før behandling i et industrielt anlæg. Hvis det sendes til anlæg, der genanvender almindelig plast, forurener det produktet og giver lavere kvalitet, selv i meget små mængder. Som det er i dag, er plast også et kæmpe affaldsproblem, og de fleste har hørt historier om den skade som plast gør på naturen, især blandt fauna, til lands og til havs, når det ikke bliver håndteret korrekt.

J. Krebs & Co. har i MADE-projektet kig på et biomateriale udviklet og produceret på Teknologisk Institut, der indeholder papirfibre og en biobaseret binder. Det er 100% biobaseret og let bionedbrydeligt i jord og vand. Derudover kan det behandles i biogasanlæg sammen med andet bioaffald. Det er håbet, at en omstilling til et sådant materiale også vil hjælpe med at afhjælpe de stigende problemer man ser ved plastdeponering i naturen.

En anden måde at sprøjtestøbe på
Men at sprøjtestøbe det nye papirbaserede materiale har vist sig ikke at være helt lige til. Lige som ved papirpulp er der vand i materialet om end i meget mindre mængde, som bruges til at gøre binderen og hele materialet flydende. Så her er der tale om omvendt proces af det som er den normale sprøjtestøbeproces i plast (se Figur 2).

Figur 2. Sprøjtestøbemaskine. (Venstre) Typisk sprøjtestøbemaskine. (Højre) Diagram over sprøjtestøbeprocessen. Plastgranulat indføres i hopperen, hvorefter det smelter under varme fra varmebånd og kompression, mens det føres frem af en snekke. Den smeltede masse presses ind ved højt tryk i et hulrum i en metallisk sprøjtestøbeform. Efter at plasten er størknet, åbnes den delte form og det formgivne plastemne stødes ud. 

-   ”Hvor plastgranulatet i almindelig sprøjtestøbning til at starte med er fast og skal smeltes, før det kan føres frem i maskinen, starter vi her med et fugtigt granulat, hvor vi skal undgå, at vandet damper væk, lige indtil det kommer ind i værktøjet, hvor emnet bliver formgivet. Dér skal vandet til gengæld væk så hurtigt som muligt”, siger Peter Bay.

Netop det at fjerne vandet i støbeformen er ét af de punkter, som projektet handler om at løse. Teknologisk Institut har som optakt til projektet arbejdet med at udvikle en biobaseret, bionedbrydelig binder med gode mekaniske egenskaber i det færdige produkt, til erstatning af eksempelvis polypropylen, PP. For nylig blev der indkøbt udstyr til at granulere den bløde papirmasse, så vi kan levere granulat til mindre produktioner. På sigt vil en given stor efterspørgsel blive håndteret af en ekstern producent.

Papirgranulatet er blevet testet i en sprøjtestøbemaskine, og det bliver ført fint frem. Diverse konceptmodeller er blevet fremstillet (Figur 3). Dog er udfordringen, hvilket skal løses i projektet, at automatisere en produktion, hvor vandet tages ud, mens emnerne formgives i formen. Det hele uden at det tager for lang tid.

Figur 3.  Papirbaserede emner. Øverst fra venstre til højre: a) Produkt af 70% papir støbt manuelt i sprøjtestøbeform. b) Bolt med møtrik lavet af 70% papir støbt manuelt. Møtrikken glider perfekt på gevindet.
c) Sprøjtestøbeværktøj til bolt med møtrik i (b). Nederst fra venstre til højre: d) Testemner sprøjtestøbt i sprøjtestøbemaskine. e) Papirgranulat fremstillet på Teknologisk Institut (70% papir og biobaseret binder), 
f) Halvkugle støbt på Teknologisk Institut.