Fibre-based gradient structures

Abstract

Plastic remains a widely used packaging material despite its environmental drawbacks. Although its sustainability has improved over time, the industry continues to shift towards plastic-free alternatives. Moulded fibre products (MFPs) offer a promising solution due to their versatility and eco-friendliness. However, their current use is mostly limited to low-grade packaging, and enhancements are needed to broaden their appeal. The aim of this thesis was to explore the use of fibre gradient structures combining softwood (SW) and hardwood (HW) fibres, and whether they can help maintain strength while reducing raw material costs, thereby enhancing the viability of MFPs as sustainable alternative to conventional plastic-based packaging.

Two types of gradient structures were studied: thickness gradients and surface gradients. Hand sheets were prepared with five different SW/HW ratios and two fibre orientations (isotropic and anisotropic). Hot pressing trials were also conducted on thickness gradient sheets to simulate moulding conditions. Material performance was evaluated through porosity and various strength measurements.

Results showed that thickness gradients improved strength with increasing HW content, both with and without hot pressing. Surface gradients did not show the same improvement, but their properties remained stable. Minor strength reductions were observed in anisotropic orientations. Overall, fibre gradients demonstrated potential for cost-effective material optimisation without compromising performance, highlighting their practical potential in industrial applications, particularly in advancing the performance and cost-effectiveness of MFPs. This approach also supports the transition toward environmentally responsible packaging that would meet both functional and economic demands.

Muovi on laajalti käytetty materiaali ympäristöhaasteistaan huolimatta. Sen kestävyyttä on parannettu vuosien varrella, mutta materiaalikehitys suuntautuu edelleen kohti muovittomia vaihtoehtoja. Muovatut kuitutuotteet (MFP:t) ovat monipuolinen ja kestävä lähestymistapa kertakäyttömuovien korvaamiseen. Tällä hetkellä niiden käyttö kuitenkin rajoittuu toisiopakkauksiin, ja parannuksia tarvitaan MFP:iden houkuttelevuuden lisäämiseksi.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia, voisiko kuitujen yhteiskäyttö gradienttirakenteissa parantaa MFP-tuotteiden kannattavuutta perinteisten muovipakkausten korvaajana. Kuitugradienttien soveltuvuutta tarkasteltiin yhdistämällä havupuu- (SW) ja lehtipuuselluja (HW) käsiarkeissa, luoden paksuus- ja pintasuunnan gradienttirakenteita. Kuitugradienttiarkkeja tutkittiin viidellä eri SW/HW-suhteella sekä isotrooppisella ja anisotrooppisella kuitusuuntauksella. Lisäksi paksuusgradienttiarkeille tehtiin kuumapuristuskokeita muovausprosessin simuloimiseksi. Materiaalien ominaisuuksia arvioitiin huokoisuuden ja lujuusmittausten avulla.

Tuloksista havaittiin, että HW-pitoisuuden lisäys paransi sekä puristettujen että puristamattomien paksuusgradienttiarkkien lujuutta. Vaikka pintagradienteissa ei havaittu vastaavaa kehitystä, niiden ominaisuudet pysyivät johdonmukaisina. Anisotrooppinen kuitusuuntaus aiheutti joitakin heikentymisiä. Tulosten perusteella voidaan todeta, että gradienttirakenteet ovat lupaava lähestymistapa kustannustehokkaassa materiaalikehityksessä, parantaen sekä MFP-tuotteiden suorituskykyä että kestävyyttä ja samalla tukien siirtymistä kohti ympäristöystävällisempiä pakkausratkaisuja.