Mahtava idea: kevyttä ja kestävää hiilikuitua voi tehdä puusta

Tässä on jälleen hyvä esimerkki siitä, miten perinteistä suomalaista teollisuutta voidaan kääntää katsomaan tulevaisuuteen: puu on erinomainen materiaali moneen käyttöön sellaisenaan, mutta siitä voidaan tehdä myös hiilikuitua – superkestävää ainetta, jonka käyttö lisääntyy koko ajan.

Hiilikuitua ja hiilikuitumateriaaleilla vahvistettuja muoveja käytetään nykyisin joka puolella urheiluvälineistä autoihin, lentokoneisiin ja avaruusaluksiin. Hiilikuitu on kevyttä ja kestävää, joten se on erinomainen materiaali esimerkiksi liikennevälineisiin, koska niistä saadaan kevyempiä ja siten ne kuluttavat vähemmän polttoainetta.

Ongelmana on kuitenkin se, että hiilikuidut ovat kalliita ja niitä valmistetaan öljypohjaisista aineista. Mikäli hiilikuituja voitaisiin valmistaa edullisemmin ja vielä uusiutuvista raaka-aineista, olisi tilanne erinomainen.

Nyt se on mahdollista: Aalto-yliopiston tutkijatohtori Michael Hummel kehittää menetelmää, jolla puusta voidaan valmistaa teollisesti korkealaatuisia hiilikuituja. Hän sai tutkimukselleen viisivuotisen noin 1,5 miljoonan Starting Grant -rahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC).


Juttu jatkuu mainoksen jälkeen

Idea on se, että kun perinteisesti hiilikuituja on tehty pääosin synteettisestä polyakrylonitriili-nimisestä (PAN) polymeeristä, voidaan nyt raaka-aineina käyttää puusta erotettua selluloosaa tai ligniiniä.

"Aikaisemmin niihin pohjautuvat hiilikuidut eivät ole kelvanneet teollisuuden käyttöön, mutta teknologiamme ansiosta voimme valmistaa nämä molemmat puun komponentit yhdistävää hybridikuitua hiilikuidun materiaaliksi", selittää Hummel.

"Se on paitsi PAN:ta edullisempi myös ekologisempi vaihtoehto, koska valmistusprosessi vie vähemmän energiaa ja kemikaaleja eikä uusiutuva materiaali kuluta maapallon öljyvaroja." 

Hiilikuitujen laatua mitataan muun muassa vetolujuudella, eli kuinka suuren voiman ne kestävät ennen rikkoontumista. Tässä suhteessa puupohjaiset hiilikuidut ovat hieman altavastaajina verrattuna perinteisiin hiilikuituihin, mutta ominaisuudet riittävät erinomaisesti mm. autoteollisuuden ja urheiluvälinevalmistajien tarpeisiin.

Hummelin työryhmän tavoitteena on 2 GPa:n vetolujuus ja 200 GPa:n kimmokerroin.

Michael Hummel
Michael Hummel (Kuva: Aalto-yliopisto / Mikko Raskinen)

Kehräysteknologia on avainroolissa

Hybridikuitu tehdään Aalto-yliopiston professori Herbert Sixtan tutkimusryhmän Ioncell-F-kehräysteknologialla, jolla on aikaisemmin valmistettu laadukkaita tekstiilikuituja selluloosasta ja kierrätysmateriaaleista. Ioncell-F:ssä biomassa liuotetaan ensin Helsingin yliopiston professori Ilkka Kilpeläisen kehittämässä myrkyttömässä liuottimessa, minkä jälkeen liuos puristetaan märkäkehruumenetelmällä suuttimien läpi ohuiksi, jatkuviksi kuiduiksi.

"Kun aloitimme Ioncell-F:n kanssa, emme vielä osanneet ennakoida liuottimen potentiaalia", selittää Hummel. 

"ERC-hankkeen alussa yhdistämme hybridikuituun selluloosaa ja ligniiniä ymmärtääksemme näiden kahden polymeerin vuorovaikutuksen. Myöhemmin tavoite on pystyä käyttämään puun rakenneosia lähes niiden alkuperäisessä muodossa, mikä vähentää hiilikuidun valmistukseen kuluvaa energiaa ja ympäristövaikutuksia entisestään."

Kehräämisen jälkeen kuidut siirretään uuneihin, joissa ne kuumennetaan hitaasti 1500 celsiusasteeseen. Prosessia kutsutaan hiillytykseksi, ja sen tuloksena jäljelle jää puhdasta hiiltä, joka muodostaa äärimmäisen vahvan kemiallisen rakenteen.

"Teemme hankkeessa yhteistyötä australialaisen Deakinin yliopiston kanssa. Heillä on käytössään useita erikokoisia hiillytyslinjoja ja hyviä kontakteja sopiviin teollisuuspartnereihin, mikä auttaa meitä saamaan nopeaa palautetta puupohjaisen hiilikuidun mahdollisuuksista".

Uutinen perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.