Aalto-yliopiston puun ligniinistä kehittämä selloosakalvo sisältää hapetukselta suojaavia antioksidantteja eikä säikähdä vettä tai UV-säteilyä. Uutuus avaa uusia mahdollisuuksia esimerkiksi pakkauksissa ja muissa kosteudelle alttiissa tuotteissa.

Maailmalla öljypohjaisille muoveille etsitään kiivaasti ympäristöystävällisempiä, uusiutuvista raaka-aineista tehtyjä vaihtoehtoja.  Puusta ja muista kasveista saatava selluloosa on maailman yleisin biomateriaali, mutta sen käyttöä muovin vaihtoehtona ovat rajoittaneet huono kosteudensietokyky sekä yhteensopimattomuus pehmeiden vettä hylkivien eli hydrofobisten polymeerien kanssa.

Nyt Aalto-yliopiston biotuotekemian tutkimusryhmä on keksinyt menetelmän, jolla nanokokoisista selluloosasäikeistä eli nanofibrilleistä voidaan valmistaa joustavaa ja vahvaa kalvoa, joka säilyttää lujuutensa myös märkänä.

Menetelmä ei vaadi selluloosan kemiallista muokkaamista, vaan selluloosan nanofibrillit ja vettä hylkivät polymeerit yhdistettiin nanokokoisten ligniinipallojen avulla. Ligniini on sidosaine, joka antaa puulle ja muille kasveille vahvuutta ja sitkeyttä. Vettä hylkivänä polymeerinä tutkijat käyttivät biohajoavaa polykaprolaktonia (PCL).

Kun PCL-liuos ja ligniinipallot sekoitettiin, nanokokoiset pallot kerääntyivät liuottimen ja veden rajapinnalle ja stabiloivat emulsion. Tällaista kiinteillä hiukkasilla stabiloitua emulsiota kutsutaan Pickering-emulsioksi. Tutkijat lisäsivät emulsion nanoselluloosaan ennen varsinaisen kalvon valmistamista. Näin polymeeri leviää tasaisesti selluloosaverkkoon, mikä lisää materiaalin märkälujuutta ja vedenkestävyyttä ja säilyttää samalla kaikki selluloosasäikeiden positiiviset ominaisuudet.

Tulokset olivat erinomaiset, kertoo väitöskirjatutkija Erfan Kimiae. Hänen mukaansa komposiitin eli yhdistelmämateriaalin lujuus oli suurempi kuin pelkän nanoselluloosasta tehdyn paperin tai pelkän polymeerin niin kuivissa kuin märissäkin olosuhteissa. Vahvuus säilyi jopa päivän vedessä upoksissa olemisen jälkeen.

”Kun kalvo otettiin vedestä, se näytti samalta kuin ennen veteen laittamista. Siitä on kiittäminen hydrofobista polymeeria, joka peittää ligniinipallojen avulla selluloosan pinnan suojaten sitä vedeltä”, Kimiaei selittää.

Komposiittikalvon märkälujuus oli 87 MPa. Se on suurin märkälujuus, jonka selluloosakomposiitti on koskaan saavuttanut ilman synteettisiä lisäaineita tai kemiallista muokkausta.  Ligniinipallot suojaavat myös auringon UV-säteilyltä ja hapetukselta.  Tutkijat jatkavat edelleen uuden menetelmän kehittämistä sekä selvittävät tarkemmin sen ympäristövaikutuksia ja valmistuksen taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä.

Lisää: Artikkeli Advanced Materials Interfaces -lehdessä (LINKKI)

Aloituskuva: Väitöskirjatutkija Erfan Kimiaei. Kuva: Aalto-yliopisto / Zahra Madani.