Puusta uusia raaka-aineita maaleihin, liimoihin ja kartonkipakkausten pinnoitteisiin

Case - Julkaistu 10.6.2024

Koivun kuoressa on oivaa ainetta kartonkisen mehutölkin tai paperimukin pinnoittamiseen. Muun muassa tämä tuli testattua monialaisessa tutkimushankkeessa, joka auttaa teollisuutta korvaamaan fossiilisia raaka-aineita biopohjaisilla aineilla maaleissa, liimoissa ja pakkauksissa.

Vesipohjaisia dispersiopinnoitteita suositaan, kun paperia tai kartonkia halutaan suojata kestävällä tavalla kosteudelta ja rasvalta elintarvikepakkauksissa, kuten mehutölkeissä ja paperimukeissa. Tällaisia suojapinnoitteita eli barrier-materiaaleja on kuitenkin tapana valmistaa fossiilipohjaisista polymeereistä.

”Saatavilla on joitakin biopohjaisia barrier-materiaaleja, mutta niillä on haittapuolensa. Ne ovat usein kalliita tai niihin käytetään raaka-aineita, jotka ovat mahdollisia ravinnonlähteitä. Käyttämällä puupohjaisia raaka-aineita vältämme nämä ongelmat”, sanoo Kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikön johtaja, professori Henrikki Liimatainen Oulun yliopistosta.

Liimatainen tutkimusryhmineen osallistuu kaksivuotiseen SUSBINCO-hankkeeseen (SUStainable BINders and COatings), jonka tavoitteena on luoda bio- ja vesipohjaisia sideaineita ja pinnoitteita käytettäviksi pakkauksissa, maaleissa, liimoissa sekä hiomatuotteissa. Hanke on seitsemän suomalaisen yliopiston ja tutkimuslaitoksen sekä yhdentoista teollisuuskumppanin yhteinen. Se jatkuu vielä muutaman kuukauden, mutta Liimatainen on jo valmis kertomaan kohokohtia biopohjaisia dispersiopinnoitteita koskevasta tutkimuksesta.

”Yksi lähtökohdistamme oli käyttää sideaineina puupohjaisia uutteita ja dispergointiaineina muita puupohjaisia polymeerimateriaaleja, kuten nanoselluloosaa.” Sideaineen tehtävänä on muodostaa dispersiopinnoitteen perusrakenne, kun taas dispergointiaineita käytetään nestemäisen dispersion stabilointiin.

“Tähän mennessä tehtyjen tutkimusten ja analyysien perusteella olemme kehittäneet erittäin lupaavia materiaaleja”, Liimatainen jatkaa.

Tunnetko nämä termit?

Sideaine
Sideaine pitää pinnoitteen koossa ja kiinnittää sen alustaansa. Pinnoitteen mekaaniset ominaisuudet ja kestävyys määräytyvät pitkälti sideaineen perusteella. Sideaineet ovat tyypillisesti polymeerejä.

Dispersio
Dispersio on kahden toisiinsa liukenemattoman aineen seos, jossa yksi aine on pieniksi osasiksi jakautuneena toisessa aineessa, dispersioväliaineessa. Vesipohjaisessa polymeeridispersiossa polymeeripartikkelit ovat tasaisesti jakautuneina vedessä.

Dispersiopinnoite
Dispersiopinnoite syntyy, kun polymeeridispersion vesi haihtuu pois ja pinnoitteen sideaineena toimivat polymeeripartikkelit muodostavat yhtenäisen kalvon. Esimerkiksi lateksimaalit ovat vesipohjaisia dispersiopinnoitteita.

Dispergointiaine
Dispergointiaineita käytetään nestemäisen dispersion stabilointiin.

Nanoselluloosa
Nanoselluloosaksi kutsutaan selluloosamateriaalia, jonka ulkoisista mitoista ainakin yksi on nanoskaalalla eli 1-100 nm.

Mainio pari – suberiini ja nanoselluloosa

Yksi hankkeen lupaavista tutkimuskohteista on suberiini. Se on monimutkainen biopolymeeri, polyestereiden ja muiden yhdisteiden seos, joka toimii luonnollisena suojamateriaalina puun kuoressa. Ennen tutkimushanketta Luonnonvarakeskus (Luke) oli tutkinut koivun kuoresta erotettua suberiinia jo usean vuoden ajan ja oli siksi hyvin valmistautunut tarjoamaan raaka-ainetta tutkimuskumppaneille yhdessä VTT:n kanssa.

Liimatainen vastasi Åbo Akademin ja VTT:n tutkimusryhmien kanssa seuraavasta vaiheesta, jossa suberiinista ja vedestä kehitettiin stabiili dispersio dispergointiaineita lisäämällä. Tutkijat testasivat olemassa olevia dispergointiaineita sekä uusia nanoselluloosaan ja muihin biopolymeereihin perustuvia aineita, joita he olivat kehittäneet tähän tarkoitukseen.
”Huomasimme, että uusi nanoselluloosasta valmistettu dispergointiaineemme paitsi stabiloi dispersiota myös vahvisti barrier-materiaalia.”

Koko arvoketju mukana tutkimuksessa

Liimatainen myöntää, että edessä on vielä paljon töitä ennen kuin suberiinidispersioita löytyy mehu- ja maitotölkeistä tai paperimukeista ja -kääreistä. Hän on kuitenkin vakuuttunut, että monet teollisuuden vaatimukset on jo täytetty SUSBINCO-tutkimushankkeen aikana erinomaisen yhteistyön ansiosta.

”Esimerkiksi sideaineiden kehittäjät saivat jatkuvasti palautetta dispersioiden kehittäjiltä. Itse asiassa pidimme kokouksemme yhdessä, mikä tarkoitti, että noin 25–35 ihmistä kokoontui säännöllisesti.”

VTT:n ja LUT-yliopiston asiantuntijat puolestaan tuottivat hankkeessa kehitettyjä dispersioita ja testasivat niiden sopivuutta pinnoitteiden ja pakkausten teollisiin valmistusprosesseihin. Liimataisen mukaan tutkimukseen osallistui koko arvoketju, mukaan lukien elintarviketurvallisuuteen sekä pakkausmateriaalien hävittämiseen ja kierrätykseen erikoistuneet asiantuntijat Itä-Suomen yliopistosta ja VTT:ltä.

”Tutkimuskumppaneiden lisäksi myös teollisuuskumppanimme osallistuivat aktiivisesti tutkimuksen jokaiseen vaiheeseen jakamalla ideoitaan ja materiaalitoiveitaan, mikä on perustutkimuksessa varsin poikkeuksellista”, Liimatainen sanoo.

Ligniini – pinnoitteiden, liimojen ja hiomatuotteiden sideaine

Yksi SUSBINCO-projektin yhteistyökumppaneista on globaalisti toimiva maalien ja pintakäsittelyaineiden valmistaja Teknos.

”Etsimme jatkuvasti uusia vastuullisia raaka-aineita, joiden saatavuus on hyvä. SUSBINCO-projektissa pystyimme syventämään ymmärrystämme nykyisestä tarjonnasta maailmanlaajuisesti sekä uusista mahdollisuuksista, joita paikallisten puupohjaisten materiaalien tutkimus tuo”, sanoo Teknoksen innovaatioista vastaava tutkimuspäällikkö Pasi Virtanen.

Virtanen kollegoineen osallistui dispersiopinnoitetutkimuksen lisäksi ligniinitutkimukseen. Ligniini on monimutkainen polymeeri, joka toimii puun luonnollisena sideaineena ja jota saadaan selluntuotannon sivutuotteena.

”Tutkimuskumppanit kokeilivat eri lähteistä saatavaa ligniiniä sekä modifioitua ligniiniä. Ligniiniä ei ole helppo käyttää sideaineena, mutta yhdessä löysimme lupaavia ratkaisuja kaikkiin käyttökohteisiin: puu- ja metallipinnoitteisiin, liimoihin ja hiomatuotteisiin.”

Alalla tarvitaan uusia reseptejä ja prosesseja

Virtanen kertoo, että osallistuminen tutkimuksen alkuvaiheeseen oli valaiseva kokemus hänelle ja hänen kollegoilleen, sillä he ovat tottuneet tekemään maaleja valmiista komponenteista.

”Meille kävi selväksi, että saatavilla ei ole juurikaan sellaisia biopohjaisia raaka-aineita, joilla voisi suoraan korvata fossiilisia. Me maalien ja muiden pinnoitteiden valmistajat tarvitsemme uusia materiaaleja resepteihin, uusia prosesseja ja jopa uusia laitteita. Ja jotta kaikki vaadittavat muutokset koko arvoketjussa saadaan aikaan, tarvitaan tiivistä yhteistyötä.”

Aiemmin uuden pinnoitteen kehittäjä on saattanut hyödyntää raaka-aineita, jotka on kehitetty toiseen pinnoitteeseen tai jopa toiselle teollisuudenalalle, mutta Virtasen mukaan biopohjaiset materiaalit voivat kaventaa tällaisia mahdollisuuksia.

”Tarvitsemme lisää erityisesti maaliteollisuuteen suunnattua tutkimusta. Tämä on kuitenkin pieni ala verrattuna koko kemianteollisuuteen, joten meidän on oltava hyvin aktiivisia ja innovoitava yhdessä.”

SUSBINCO-hanketta koordinoi CLIC Innovation, ja se on osa CLIC Innovationin johtamaa 4Recycling-ekosysteemiä. Hanketta rahoittaa Business Finland ja on mukana ExpandFibre -veturiohjelmassa.

Lue SUSBINCO-hankkeen loppuraportti.

Lisätietoja hankkeesta voit lukea täältä.

Kirjoittaja on vapaa toimittaja Marianna Salin. Lisätietoja SUSBINCO-hankkeesta voi kysyä CLIC Innovation biotalouden teemajohtaja Aila Maijaselta (aila.maijanen(at)clicinnovation.fi).