Uudesta liuotinkemiasta vastaus nanoselluloosan tuotantohaasteisiin?

Oulun yliopiston ja Itä-Suomen yliopiston tutkijat kehittävät uusia ympäristöystävällisiä liuotinratkaisuja esikäsittelyiksi nanoselluloosan valmistukseen. Uusi kemia tehostaa selluloosan hajoamista ja nopeuttaa tuotantoprosessia. Mekaanisen kuidun hajottamisen pullonkaulana pitkään olleet prosessointivaikeudet ja alhainen kapasiteetti ollaan saamassa hallintaan.

ACS Applied Materials and Interfaces -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan selluloosan esikäsittely syväeutektistisilla liuottimilla (deep eutectic solvents, DES) ehkäisee mekaanisten kuidutusprosessien tuotanto-ongelmia helpottamalla kuitujen hajoamista. Samalla nanosellun tuotanto tehostuu ja erittäin korkeana pidetty energiankulutus vähenee merkittävästi. Menetelmän etuna on myös liuottimien ympäristöystävällisyys ja kierrätettävyys.

Prosessointiin tehoa ja taloudellisuutta

Fibrillimäisen nanoselluloosan valmistus on usein kaksivaiheinen prosessi, jossa sellukuidun fibrillien sidoksia ensin heikennetään kemiallisesti tai entsymaattisesti ja sitten fibrillit erotetaan toisistaan jauhamiseen tai paineenvaihteluihin perustuvilla tekniikoilla. Prosessin merkittävinä ongelmina ovat kemikaalien kustannukset, niiden myrkyllisyys sekä kierrätettävyys.

Syväeutektiset liuottimet muodostuvat kahdesta tai useammasta pääkomponentista: vetysidoksen luovuttajasta, esimerkiksi amiinista, karboksyylihaposta tai alkoholista, ja vastaanottajasta, joka on tyypillisesti kvaternäärinen ammonium-yhdiste. Yksittäiset komponentit ovat usein korkean sulamispisteen kiinteitä aineita, mutta sekoitettuna ne muodostavat alhaisen sulamispisteen (sp) eutektisen liuoksen. Ehkä tunnetuin esimerkki tästä on koliinikloridin (sp 302 °C) ja urean (sp 133 °C) seos (moolisuhteessa 1:2), jonka sp on 12 °C. Nämä ja useat muut DES-komponentit ovat yleisiä bulk-kemikaaleja, jotka ovat vihreitä, halpoja, helposti saatavilla ja eivätkä vaadi erityisiä puhdistuskäsittelyitä. Lisäksi DES-kemikaalit ovat kierrätettävissä.

Tutkimuksessa esitetyt kaksi erilaista DES -yhdistelmää tehostivat sellukuitujen hajoamista nanofibrilleiksi merkittävistä. Laadullisesti nanoselluloosan ominaisuudet olivat erittäin lupaavia. Esikäsittelyn saanto oli kaikissa tapauksissa yli 87 %, jota voidaan pitää korkeana. Nanofibrillien mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin valmistamalla niistä ohutkalvoja. Kalvojen vetolujuus oli 135–189 MPa ja kimmomoduuli 6.4–7.7 GPa, mikä korkeampi kuin useilla synteettisillä muovikalvoilla ja vastaava kuin korkealaatuisilla nanoselluloosakalvoilla. Valmistettu nanoselluloosa oli myös termisesti hyvin stabiilia.

Tutkijat uskovat, että sellukuitujen DES-esikäsittely tuo uusia mahdollisuuksia merkittäviin kustannussäästöihin ja nanomittakaavan tuotteiden laadun paranemiseen. Tasalaatuisuus, tuotannon haasteet ja materiaalin kustannusrakenne sekä tarvittava kemikaalirekisteröinti ovat jarruttaneet kaupallisten tuotteiden tuloa markkinoille.

Lisätietoja

Apulaisprofessori Henrikki Liimatainen, Kuitu- ja partikkelitekniikka, Oulun yliopisto, henrikki.liimatainen(a)oulu.fi

Yliopistotutkija Antti Haapala, Puumateriaalitiede, Itä-Suomen yliopisto, antti.haapala(a)uef.fi

Tutkimus verkossa: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b13625

Yrityksestä

Itä-Suomen yliopisto on yksi Suomen suurimmista tiedeyliopistoista. Yliopiston toiminnassa korostuu monitieteisyys. Opetusta on yli sadassa pääaineessa. Tasokkaan opetuksen lisäksi yliopisto tarjoaa opiskelijoilleen nykyaikaisen opiskeluympäristön, jota kehitetään jatkuvasti. Yliopistolla on kampukset Joensuussa, Kuopiossa ja Savonlinnassa. Tiedekuntia on neljä: filosofinen tiedekunta, luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta, terveystieteiden tiedekunta sekä yhteiskuntatieteiden ja kauppatieteiden tiedekunta. Yliopistossa on noin 15 000 opiskelijaa ja se työllistää lähes 2 800 henkilöä.

Yhteyshenkilöt

  • Itä-Suomen yliopisto
    Joensuu / Kuopio / Savonlinna
    http://www.uef.fi
  • Joensuun kampus
    Yliopistokatu 2, PL 111, 80101 Joensuu
  • Kuopion kampus
    Yliopistonranta 1, PL 1627, 70211 Kuopio
  • Savonlinnan kampus
    Kuninkaankartanonkatu 5-7, PL 86, 57101 Savonlinna

Tilaa