Innovaatioiden sampo: Uusiutuva ja biohajoava sellu

Sellupohjaiset innovaatiot korvaavat muovia melkein missä tahansa sekä haastavat valtatekstiilit puuvillan ja polyesterin. Tuotekehittäjät etsivät käyttökohteita myös nanosellulle, jolla on aivan poikkeuksellisia ominaisuuksia.

Metsäteollisuuden päätuotteista sellu on nousemassa uuteen kukoistukseen. Lähivuosikymmeninä puukuitujen odotetaan taipuvan uudenlaisten innovaatioiden lähes loputtomaksi sammoksi.

Sellun monikäyttöisyys ei oikeastaan ole ihme, sillä kyseessä on maailman yleisin biomateriaali. Selluloosaa löytyy jokaisen kasvin soluseinämistä, eikä ilman sitä puukaan pysyisi metsässä pystyssä. Puun kuiva-aineessa on selluloosaa noin 40–45 prosenttia.

Puupohjainen sellu on ominaisuuksiltaan ylivertainen moniin muihin materiaaleihin verrattuna, sillä se on uusiutuvaa ja biologisesti hajoavaa. Tutkimuksissa, laboratorioissa ja pilottiprojekteissa siihen on voitu yhdistää melkein loputtomasti hyödyllisiä ominaisuuksia: erittäin luja, läpinäkyvä, värikäs, kevyt, reagoiva, vettä hylkivä, sähköä johtava, eristävä, energiaa varastoiva, suodattava ja niin edelleen.

Sellun sijaan olisi tarkempaa puhua selluista, sillä eri käyttökohteissa käytetään erilaisia selluja. Useimmat meistä ovat todennäköisesti joskus kuulleet termit pitkä- ja lyhytkuituinen sellu, havusellu, regeneroituneet sellut, liukosellu tai vaikkapa nanosellut.

Ei ole lainkaan liioiteltua väittää, että uudenlaiset puuperäiset tuotteet voivat mullistaa maailmaa jo seuraavan vuosi- kymmenen aikana. Lähitulevaisuudessa löydämme sellua yhä useammin tekstiileistä, ajoneuvoista, polttoaineista ja jopa lääketeollisuudesta.

Ratkaisuja ilmastonmuutoksen maailmassa

Sellun uutta läpimurtoa vauhdittavat arviot ilmastonmuutoksesta ja tarve ohjata raaka-aineiden kulutusta kestävämmälle pohjalle. Esimerkiksi YK:n alainen kansainvälinen luonnonvarapaneeli on varoittanut, että veden, mineraalien ja fossiilisten polttoaineiden kulutus on kolminkertaistunut vuoden 1970 jälkeen. Samalla ilmastonmuutospaneeli IPCC pitää fossiilisten raaka-aineiden käytön vähentämistä ratkaisevana ilmastonmuutoksen hillitsemisessä.

 

Sellu tarjoaa ratkaisuja kestävyysongelmiin, koska se syntyy nopeasti uusiutuvasta raaka-aineesta. Sellusta työstettävillä sovelluksilla voimme korvata fossiilisten raaka-aineiden käyttöä sekä vähentää muiden raaka-aineiden, esimerkiksi veden ja torjunta-aineiden, käyttöä tuotannossa.

Sellusta valmistetaan tuotteita, joille todella löytyy kysyntää nyt ja tulevaisuudessa. Kokonaisuudessaan metsäteollisuuden tuotteiden kysynnän odotetaan kasvavan tuntuvasti lähivuosikymmeninä. Konsulttiyhtiö Pöyry arvioi, että metsäteollisuustuotteiden markkina kasvaa 770 miljardiin euroon vuonna 2030 nykyisestä noin 580 miljardin euron tasosta.

Kasvua vauhdittavat megatrendit, jotka tukevat sekä nykyisten että vasta kehitteillä olevien tuotteiden kysyntää. Näitä ovat esimerkiksi globalisaatio ja kaupungistuminen sekä keskiluokan vaurastuminen ja elintason nousu esimerkiksi nopeasti kehittyvässä Kiinassa ja varsinkin kehitysmaissa. Merkittävä vaikutus kysyntään tulee ilmastonmuutoksen torjunnasta ja kuluttajien ympäristötietoisuuden kasvusta, kun puukuiduilla aletaan korvata muovia ja muita fossiilisia raaka-aineita.

Teknologian tutkimuskeskus VTT:n tutkimuksen mukaan vasta kehitteillä olevat tai juuri lanseeratut selluinnovaatiot voivat muuttaa huomattavasti koko metsäteollisuuden painopisteitä. Uudet, vasta kehitteillä olevat tuotteet vaativat uudenlaista osaamista ja tuotantotapojen kehittämistä.

Vaihtoehtoja nykytekstiileille

Sellupohjaiset innovaatiot haastavat tulevina vuosina perinteisiä materiaaleja vaatteissa ja kodintekstiileissä. Sellusta valmistetuilla tekstiilikuiduilla voidaan korvata puuvillan sekä fossiilisia raaka-aineita sisältävien keinokuitujen käyttöä tekstiiliteollisuudessa.

Maailman käytetyin tekstiiliraaka-aine on puuvilla. Puuvillan viljely vaatii valtavan määrän vettä, ja torjunta-aineet ja agrokemikaalit saastuttavat maaperää ja vesistöjä. Puuvillan viljelyyn käytetty maaperä on pois ruuan tuotannolta.
Vaatekuiduissa yleisin keinokuitu taas on polyesteri. Keinokuidut ovat pitkälti fossiilisperäisiä eivätkä maadu. Siksi vuodesta 2016 alkaen keinokuituja ei ole EU:ssa saanut enää loppusijoittaa kaatopaikoille.

Polyesteristäkin huuhtoutuu vesistöön mikromuoveja, jotka voivat luonnon kiertokulun kautta päätyä ihmisen ruokaketjuun.

 

Puuperäisestä sellusta kehitetyt tekstiili-innovaatiot auttavat torjumaan näiden nykytekstiilien haittoja. Jo pitkään markkinoilla on ollut puupohjaista viskoosia, mutta parhaillaan kehitteillä olevat uudentyyppiset niin sanotusta regeneroidusta selluloosasta valmistetut huipputekstiilit lyövät senkin ominaisuudet laudalta.

Regeneroidulla selluloosalla tarkoitetaan liuenneesta olomuodosta kiteytettyä selluloosaa. Kemiallisesti se on siis aivan samaa selluloosaa kuin vaikkapa paperituotteissa, mutta toisenlainen kiteisyys tuo kosteuslujuutta ja tiheyttä. Tekstiilimuodossa regeneroitu selluloosa muistuttaa puuvillaa, mutta on kestävämpää. Myös liuottamattomasta sellusta kehitellään tekstiilikuituja, mikä lyhentäisi valmistusprosessia.

Sellupohjaisten tekstiilikuitujen luontoa säästävät edut juontuvat tavasta, jolla sellua hankitaan. Puukuituja saa maailman parhaiten hoidetuista, suomalaisista metsistä, joissa agrokemikaalien, veden ja maan käyttö ovat kestävällä pohjalla. Kuitu on biohajoavaa, eikä tuota mikromuoviongelmaa.

Tekstiilituotteiden markkinat ovat valtavat. EU:n parlamentin tietopalvelun EPRS:n arvion mukaan pelkästään eurooppalaiset ostivat 6,4 miljoonaa tonnia vaatteita vuonna 2015.

Nykyään puupohjaisilla tekstiileillä on globaalisti noin kuuden prosentin markkinaosuus, mutta se voidaan Elinkeinoelämän tutkimuslaitoksen Etlan arvion mukaan nostaa 30 prosenttiin vuosikymmenessä.

Sellupohjaisten tekstiilien teknologia on pilotointivaiheessa. Maailmanmarkkinoiden vaatimassa mittakaavassa tuotanto saataneen skaalattua teolliselle tasolle seuraavan vuosikymmenen aikana.

Korvaajia fossiiliselle muoville

Fossiiliset raaka-aineet ovat ilmastonmuutoksen torjuntaan ja kiertotalouteen pyrkivässä maailmassa ongelma. Siksi EU pyrkii rajoittamaan esimerkiksi kertakäyttöisiä muovituotteita ja Suomikin on valmistellut kansallisen muovitiekartan ensimmäisenä maana maailmassa.

Kaikesta valmistetusta muovista arviolta 6,3 miljardia tonnia on päätynyt jätteeksi. Ilman muovin käytön vähentämistä ja laajamittaista kierrättämistä vuoteen 2050 mennessä etupäässä kaatopaikoille päätyvän muovijätteen määrä nousee amerikkalaistutkimuksen mukaan jopa 12 miljardiin tonniin.

Sellusovelluksissa yksi merkittävimmistä kehityskohteista ovat elintarvikepakkaukset, joiden globaalia käyttöä kaupungistuminen ja vaurastuminen lisäävät. Esimerkiksi konsulttiyhtiö Grand View Research arvioi, että elintarvikepakkausten maailmanlaajuinen markkinavolyymi kasvaisi yli 400 miljardiin euroon vuoteen 2025 mennessä.

 


Pienessä mittakaavassa elintarvikepakkausten uudenlaiset sellusovellukset ovat jo löytäneet tiensä kauppojen hyllyille. Sellusta on kehitetty läpinäkyviä ja vedenpitäviä kalvoja, joko vähämuovisempia tai täysin muovittomia kartonkipakkauksia, ja muovikalvottomia kartonkikuppeja. Kehitteillä on myös sellupohjaisia pulloja.

Muovia korvaavat sellupohjaiset innovaatiot eivät kuitenkaan rajoitu elintarvikepakkauksiin, vaan sellun tulevaisuuden mahdollisuudet ovat miltei kaikkialla, missä muovia tänä päivänä käytetään. Kehitteillä on esimerkiksi muovia korvaavia materiaaleja autoihin, huonekaluihin ja elektroniikkaan, samoin kosmetiikka-alalle ja vaikkapa keittiötarvikkeisiin.

Ajoneuvoissa voidaan käyttää vanerisia tai biokomposiittista tehtyjä sisustuselementtejä. Huonekaluihin soveltuvat sellusta työstetyt tekstiilipinnat ja esimerkiksi sairaaloihin antibakteeriset rakenteet.

Elektroniikkateollisuuteen tarjolla on läpinäkyviä kalvoja ja laitteiden komposiittirunkoja. Kosmetiikkateollisuus hyötyy hygieenisistä sellupakkauksista ja kodintarvikeala vaikkapa biokomposiitista valmistettavista leikkuualustoista ja pilleistä.

Pienenpieni supermateriaali

Nanoteknologisen tutkimuksen edistysaskeleet lupaavat selluraaka-aineen kehittelijöille tähdetkin taivaalta. Nanosellu on viime vuosina nostettu superaineiden joukkoon, maailman kestävimmän materiaalin grafeenin rinnalle.

Nanoselluloosakuitu on puusolurakenteen pienenpieni kantava elementti. Nanosellua voidaan tuottaa kolmella eri tavalla.

Bakteeriselluloosaa tuotettiin jo 1970-luvulla sokereista bakteerien avulla. Selluloosananokiteitä (NCC, CNC) saadaan happokäsittelemällä selluloosaa esimerkiksi rikkihapolla, minkä jälkeen se hajotetaan mekaanisesti. Selluloosa- nanofibrillejä taas saadaan puristamalla selluliuosta paineella pienen suuttimen läpi, jolloin kuitu hajoaa fibrilleiksi.

Tutkimuksissa on todettu, että nanosellulla on hätkähdyttäviä luontaisia ominaisuuksia. Nanosellukristallit ovat lujuudeltaan parempia kuin teräs ja samassa luokassa kuin kevlar. Nanosellu on kevyttä, ja sen lujuus-painosuhde on kahdeksan kertaa korkeampi kuin teräksellä.

Tyttö katsoo mikroskooppiin
Nanosellu on taipuisaa ja läpinäkyvää. Se imee ja läpäisee hyvin vettä mutta toimii samalla rasvaeristeenä. Lisäksi nanosellua on helppo käsitellä kemiallisesti ja sille voi siten antaa täysin uusia ominaisuuksia.

Kaikki tämä tarkoittaa, että nanosellun hyödyntämisominaisuudet ovat miltei rajattomat. Siitä voidaan tehdä nanopaperipohjaisia sensoreita, taipuisia elektrodeja ja sähköä johtavia liimoja.

Elektroniikkateollisuudessa sähköä johdattavia nanosellukalvoja testataan taipuvien näyttöjen kehittämisessä. Nanosellua käytetään erilaisissa suodattimissa, vaikkapa suolan tai haitallisten kemikaalien suodattamiseen vedestä ja solujen eristämiseen verestä.

Pakkauksissa se toimii komposiittimateriaalien täyttöaineena, eristää lämpöä ja kaasuja sekä parantaa elintarvikkeiden säilyvyyttä. Kosmetiikkateollisuus käyttää nanosellua pakkauksissa, ihorasvojen emulsioissa, kynsien hoitotuotteissa sekä tekokynsien rakennusaineissa.

Lääketieteessä nanosellun on todettu nopeuttavan haavojen ja vammojen paranemisprosesseja. Nanosellua käytetään myös kolmiulotteisten solurakenteiden kasvualustana esimerkiksi syöpätutkimuksessa.

Keveytensä ja lujuutensa vuoksi nanosellun käyttöä on alettu tutkia myös kantavissa rakenteissa, esimerkiksi polkupyörissä. Autojätti Ford on visioinut voivansa keventää kulkuneuvojaan sadoilla kiloilla nanosellusta valmistetuilla kuori- ja sisärakenteilla.

Vaikka nanosellulla on suuret potentiaalit, konsulttiyhtiö Pöyry on arvioinut, että teollisen mittaluokan sovelluksia joudutaan vielä odottamaan. Nanosellun tuotantoteknologian kustannustehokkuutta pitää parantaa, mutta lisäksi sille haetaan vielä parhaita mahdollisia sovellusalueita.

Täältä löydät perustietoja sellusta: Vaurautemme lähde: Sellu ja sen jatkojalosteet