Muovin uusi haastaja – Vahva ja joustava selluloosakalvo säilyttää lujuutensa myös kastuessaan
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.
Tutkimus julkaistiin Advanced Materials Interfaces -lehdessä.
Linkki artikkeliin (onlinelibrary.wiley.com)
Lisätietoja:
Erfan Kimiaei
Väitöskirjatutkija, Aalto-yliopisto
puh. 050 436 0658
[email protected]
Muhammad Farooq
Tutkijatohtori, Aalto-yliopisto
[email protected]
Monika Österberg
Professori, Aalto-yliopisto
[email protected]
Lue lisää uutisia
Tutustu professoreihimme: Ville Alopaeus
Ville Alopaeus on toiminut kemian tekniikan professorina Aalto-yliopistossa vuodesta 2008. Erotusoperaatioita ja prosessien mallitusta tutkiva Alopaeus pyrkii edistämään siirtymää kohti uusiutuvaa energia- ja materiaaliympäristöä.
Poissaolot töistä on suurin syy siihen, että naisia on toimitusjohtajina miehiä vähemmän
Naiset ovat aliedustettuina toimitusjohtajan tehtävissä, koska he viettävät enemmän aikaa työmarkkinoiden ulkopuolella niinä vuosina, joina heidän uransa on nousussa. Naiset myös hakeutuvat miehiä vähemmän myynnin ja tuotannon tehtäviin, joista toimitusjohtajia tyypillisesti rekrytoidaan.
Myungji ”MJ” Suh: Aallon Slush-osastolla kaikessa on kyse siitä, miten voimme muuttaa maailmaa
"Olet yrittäjähenkinen, kun näet ongelman mahdollisuutena sen sijaan, että pitäisit sitä uhkana, jota vältellä. Myös ”can do” -asenne on yrittäjätaito."