Koivun rungosta elektroniikkaa

Selluloosamateriaalien uusi sukupolvi päätyy paperinvalmistuksen sijasta elektroniikan raaka-aineeksi, solujen kasvatusalustaksi tai pakkausmuovien korvaajaksi.

Suomalaisella selluteollisuudella menee tällä hetkellä hyvin, mutta puukuidulle olisi tulevaisuudessa paperia tai pakkausmateriaaleja arvokkaampaakin käyttöä. Kaarina Kekäläisen väitöstyön tutkimusaihe oli sellukuidun rakenteen muokkaaminen ja hajottaminen mikroskooppisen pieniksi mikro- ja nanofibrilleiksi. 

– Eurooppalaisen ihmisen hius on keskimäärin 70 mikrometrin paksuinen, siis noin 20 000 kertaa yhden selluloosananofibrillin paksuus, Kaarina Kekäläinen havainnollistaa.

Tutkija Kekäläinen lähti väitöstyössään liikkeelle siitä, mihin nykyiset sellutehtaat työnsä päättävät: valkaistusta havu- ja lehtipuusellusta. Kun sellun hajottamista jatketaan millimetrin mittaisista kuiduista kohti mikro- ja nanomittakaavaa, materiaali saa aivan uudenlaisia ominaisuuksia. Geelimäistä nanoselluloosaa pidetään lupaavana materiaalina niin kankaan valmistukseen, vedenpuhdistuskemikaaleihin, biolääketieteen sovelluksiin kuin printattavan elektroniikan komponentteihin.

– Uusiutuvalla ja biohajoavalla luonnonmateriaalilla voisi esimerkiksi korvata erilaisia öljypohjaisia materiaaleja, Kekäläinen toteaa.

Edellytys uusien materiaalien kaupalliselle läpimurrolle on nanoselluloosan tehokas valmistusprosessi. 

– Mikrofibrilliselluloosaa tuotettiin ensimmäisen kerran jo 1970-luvun lopulla. 

Myös uutuusmateriaaliin pohjautuvia tuotteita patentoitiin tuolloin innolla. 

Valmistuksen energiankulutus alas

Tutkijoiden mielenkiinto mikro- ja nanoselluloosaa kohtaan oli heräämässä uudelleen samaan aikaan, kun Kekäläinen oli aloittamassa väitöstyötään. Tutkimuksen ansiosta valmistusprosessin energiankulutus oli saatu kuriin.

– Kemiallisilla ja entsymaattisilla esikäsittelyillä kuiturakennetta voidaan löyhentää ennen sen varsinaista hajottamista. 

Tällä tavoin onkin päästy energiankulutuksiin luokkaa 0,5-2 MWh/t, joka on samaa luokkaa kuin perinteisessä mekaanisessa sellunvalmistuksessa. Kun 2000-luvun alkuvuosina mikro- tai nanoselluloosaa käsitteleviä tutkimuspapereita julkaistiin vain muutama vuodessa, on niitä viime vuosina julkaistu lähes 200 kappaletta vuodessa. 

Kekäläinen pureutui Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikössä tekemässään väitöstyössä erilaisten esikäsittelyjen vaikutukseen nanoselluloosan muodostumiseen. Hän muokkasi selluloosakuitujen rakennetta mekaanisesti, kemiallisesti hapettamalla sekä erilaisilla lämpökuivauksen ja hapetuksen yhdistelmillä. Tämän jälkeen tutkijat hajottivat kuidut mekaanisesti nanoselluloosaksi. Kuiturakenteen hajoamista esikäsittelyissä ja jauhatuksen aikana seurattiin monin eri mittalaittein. Ymmärrys hajoamismekanismeista auttaa tehostamaan nanoselluloosan valmistusprosessia.

Mitä tutkimuksessa selvisi? 

– Kuiturakennetta pitää saada turvotettua riittävästi, ennen kuin sitä lähdetään hajottamaan nanoselluloosaksi. Muutoin kuidut hajoavat ei-toivotulla tavalla mekaanisessa käsittelyssä, Kekäläinen kiteyttää väitöstyönsä alkuosan havainnot.

Kuva: Nanoselluloosa on geelimäistä biohajoavaa materiaalia, joka mahdollistaa aivan uudenlaisia tuotteita puuraaka-aineesta. Nykyisin nanosellua käytetään esimerkiksi kartongin ja paperin lisäaineena sekä mustekynän musteessa. Kierrätettävä biopohjainen materiaali kiinnostaa muun muassa kosmetiikka- ja autoteollisuutta sekä pakkausvalmistajia.

Ensimmäiset tuotteet kullan arvoisia

Nanoselluloosalla on monia hyviä tuoteominaisuuksia, kuten materiaalin läpinäkyvyys. Tätä arvostavat esimerkiksi elektroniikkavalmistajat, joille uusi materiaali mahdollistaa aivan uudenlaisia tuotteita. Nanoselluloosasta voi valmistaa esimerkiksi läpinäkyviä näyttöjä tai kevyttä, taipuisaa ja kestävää elektroniikkaa painomenetelmin.

– Materiaalin vahvuus on samaa luokkaa kuin kevlar-kuiduilla, Kekäläinen kertoo.

Pitkäkuituinen pohjoinen havupuusellu on paperin arvokkain raaka-aine. Uusien nanosellutuotteiden kilohinta on siihen verrattuna tähtitieteellinen. Esimerkiksi UPM:n kaupallistama Growdex on puupohjainen selluloosana- nofibrilleihin perustuva hydrogeeli 3D-solukasvatukseen ja muihin biolääketieteen sovelluksiin. Nanosellun ja veden sekoituksen kilohinta on kullan luokkaa, kymmeniä tuhansia euroja – vaikka valtaosa tuotteesta on vettä. 

Kekäläisen väitöstyön suurin tieteellinen läpimurto liittyi juuri nanoselluloosan vesipitoisuuden vähentämiseen. Väitöksen viimeisen paperin hapetuksia, kuivatuskäsittelyjä ja jauhatuksia teki hänen ohjaamansa vaihto-opiskelija.

Kun kaksikko tutki elektronimikroskooppikuvia valmistetusta tuotteesta, odotti heitä mieluisa yllätys.

– Onnistuimme valmistamaan nano- ja mikrofibrilloitua selluloosaa 50 prosentin, jopa 70 prosentin kuiva-ainepitoisuudessa. 

Se on iso edistysaskel nykytilanteeseen verrattuna. Mikro- ja nanoselluloosaa valmistetaan ympäri maailmaa pääasiassa pilot-kokoluokan laitoksissa, joiden vuorokausituotanto lasketaan ennemminkin kiloissa kuin tonneissa. Valmiin nanoselluloosan kuiva-ainepitoisuus on yleensä alle 10 prosenttia. 

Entistä suurempi kuiva-ainepitoisuus ratkaisee kaksi ongelmaa. Ensinnäkin, veden kuljettaminen ja varastoiminen maksaa, ja sen poistaminen valmiista nanoselluloosasta on vaikeaa. Toiseksi, enemmän kuiva-ainetta sisältävä nanosellu soveltuu entistä useampiin käyttökohteisiin. Kekäläinen pitää materiaalin käyttöä muovin korvaajana joissain pakkausmateriaaleissa täysin realistisena. 

– Sen barrier-ominaisuudet ovat hyvät, se on tärkeää pakkauksissa, joiden pitää estää esimerkiksi hapen läpäisyä. Jos vettä saadaan vähemmäksi, nanoselluloosasta pystytään tuottamaan paremmin esimerkiksi erilaisia komposiittirakenteita, Kekäläinen selvittää. 

Niin väitöksen esitarkastajat kuin vastaväittäjäkin olivat yhtä mieltä siitä, että Kekäläisen viimeinen paperi oli tieteellisesti painavinta tavaraa. 

– Toivottavasti tutkimusryhmä jatkaa tätä tutkimusta eteenpäin.

Kaarina Kekäläisen tie tohtoriksi
1999 Lukio-opinnot alkavat. ”Pitkä matematiikka, fysiikka ja kemia kiinnostivat.” 2002 Ylioppilaaksi. ”Ajattelin ensin pitää välivuoden, mutta se jäikin puolen vuoden mittaiseksi, kun aloin opiskella matematiikkaa Helsingin yliopistossa.” 2003 Kemiaa opiskelemaan Oulun yliopistoon. 2006 Vaihto-opiskelijana Irlannissa.  2008 Valmistuu maisteriksi pääaineena fysikaalinen kemia. ”Opiskelin myös fysiikkaa ja matikkaa. Minulla on aineenopettajan pätevyys kemiasta ja fysiikasta.” 2008 Kekäläinen hyväksytään kemiantekniikan tutkijakouluun. Väitöstutkimus käyntiin. 2013 Ensimmäinen lapsi syntyy. 2015 Kekäläinen jää jälleen äitiysvapaalle toisen lapsen syntyessä. 2016 Väitöstyö Microfibrillation of pulp fibres. The effects of compression-shearing, oxidation and thermal drying hyväksytään Oulun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa.

Tutkijasta kotiäidiksi ja takaisin töihin
Nyt Kaarina Kekäläisen on keksittävä, miten tutkimusosaamista voisi hyödyntää Kokkolassa. – Ura on tällä hetkellä vähän hakusessa, hän naurahtaa. – Muutimme kesällä Oulusta Kokkolaan, kun mies sai töitä täältä, ja pystyin itse viimeistelemään väitöskirjan täältä käsin. Nyt seurana ovat päiväsaikaan kuitu- ja partikkelitekniikan tutkijoiden sijasta perheen 2- ja 3,5-vuotiaat lapset. Pieni breikki on tervetullut tutkijavuosien jälkeen. – Kun ei tarkalleen tiedä mitä haluaa, eikös se ole hyvä pysähtyä vähän miettimään? Ensimmäinen haaste on löytää perheelle koti, tutustua uuteen kotikaupunkiin ja löytää lapsille hoitopaikat. Sitten työnhakuun. Kokkola on varsin elinvoimainen paikka tuoreelle tohtorille. – Täällä on ammattikorkeakoulu, jossa opiskellaan muun muassa kemiantekniikkaa. Kun on väitellyt tekniikasta, niin ammattikorkeakouluissa opettaminen voisi olla hyvä vaihtoehto. Kaupungissa on myös Jyväskylän, Oulun ja Vaasan yliopistojen yhteinen yliopistokeskus Chydenius, jossa tehdään kemian alan tutkimusta. Seudulla on myös paljon kemianteollisuutta. Varasuunnitelmakin on olemassa – kiitos kemian, fysiikan ja pian myös matematiikan opettajan pätevyyden. – Mutta aikuisten opettaminen kiinnostaisi enemmän, varsinkin jos samalla on mahdollisuus tehdä myös tutkimusta.