Muovin uusi haastaja – Vahva ja joustava selluloosakalvo säilyttää lujuutensa myös kastuessaan

Aalto-yliopiston tutkijat hyödynsivät keksinnössään puun ligniinin ainutlaatuisia ominaisuuksia. Ihmekalvo sisältää hapetukselta suojaavia antioksidantteja eikä säikähdä UV-säteilyä, mikä avaa uusia mahdollisuuksia sen hyödyntämiseen esimerkiksi pakkauksissa.

Öljypohjaisille muoveille etsitään kiivaasti ympäristöystävällisempiä, uusiutuvista raaka-aineista tehtyjä vaihtoehtoja.

Puusta ja muista kasveista saatava selluloosa on maailman yleisin biomateriaali. Sen käyttöä muovin vaihtoehtona ovat kuitenkin rajoittaneet huono kosteudensietokyky sekä yhteensopimattomuus pehmeiden vettä hylkivien eli hydrofobisten polymeerien kanssa.

Nyt Aalto-yliopiston biotuotekemian tutkimusryhmä on keksinyt menetelmän, jolla nanokokoisista selluloosasäikeistä eli nanofibrilleistä voidaan valmistaa joustavaa ja vahvaa kalvoa, joka säilyttää lujuutensa myös märkänä.

Menetelmä ei vaadi selluloosan kemiallista muokkaamista, vaan selluloosan nanofibrillit ja vettä hylkivät polymeerit yhdistettiin nanokokoisten ligniinipallojen avulla. Ligniini on sidosaine, joka antaa puulle ja muille kasveille vahvuutta ja sitkeyttä. Vettä hylkivänä polymeerinä tutkijat käyttivät biohajoavaa polykaprolaktonia (PCL).

Kun PCL-liuos ja ligniinipallot sekoitettiin, nanokokoiset pallot kerääntyivät liuottimen ja veden rajapinnalle ja stabiloivat emulsion. Tällaista kiinteillä hiukkasilla stabiloitua emulsiota kutsutaan Pickering-emulsioksi.

Tutkijat lisäsivät emulsion nanoselluloosaan ennen varsinaisen kalvon valmistamista. Näin polymeeri leviää tasaisesti selluloosaverkkoon, mikä lisää materiaalin märkälujuutta ja vedenkestävyyttä ja säilyttää samalla kaikki selluloosasäikeiden positiiviset ominaisuudet.

Tulokset olivat erinomaiset. Väitöskirjatutkija Erfan Kimiaei kertoo, että komposiitin eli yhdistelmämateriaalin lujuus oli suurempi kuin pelkän nanoselluloosasta tehdyn paperin tai pelkän polymeerin niin kuivissa kuin märissäkin olosuhteissa. Vahvuus säilyi jopa päivän vedessä upoksissa olemisen jälkeen.

- Kun kalvo otettiin vedestä, se näytti samalta kuin ennen veteen laittamista. Siitä on kiittäminen hydrofobista polymeeria, joka peittää ligniinipallojen avulla selluloosan pinnan suojaten sitä vedeltä, Kimiaei selittää.

Komposiittikalvon märkälujuus oli 87 MPa. Se on suurin märkälujuus, jonka selluloosakomposiitti on koskaan saavuttanut ilman synteettisiä lisäaineita tai kemiallista muokkausta.

Vastuullisuutta ja uusia mahdollisuuksia

Ligniinipallot suojaavat auringon UV-säteilyltä ja hapetukselta, mikä avaa uusia mahdollisuuksia esimerkiksi pakkaussovelluksiin.

Tutkijat korostavat vastuullisuutta myös uusiutuvien materiaalien hyödyntämisessä.

- Vastuullisuus edellyttää sitoutumista kestävään metsänhoitoon ja lisäarvon tuottamista perinteisen biojalostamo-, sellu- ja paperiteollisuuden ulkopuolella, Kimiaei sanoo.

- Puukomponenttien rajapintakemian ymmärtäminen voi olla avain siihen, että arvokkaasta resurssista saadaan mahdollisimman suuri hyöty kestävän tulevaisuuden rakentamisessa, professori Monika Österberg lisää.

Tutkijat jatkavat menetelmän kehittämistä sekä selvittävät tarkemmin sen ympäristövaikutuksia ja valmistuksen taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä.