Öljyriippuvuuttamme voisi vähentää ei vain sähköautojen, vaan myös kestävien muovien avulla

Maatalouden sivuvirroista kestävämpiä muoveja

Öljy tuo usein ensimmäisenä mieleen autojen, laivojen ja lentokoneiden polttoaineet. Petrokemian raaka-aineiden osuus maailman öljyn kysynnästä oli kuitenkin IEA:n vuoden 2018 raportin mukaan 12 %. Niitä käytetään muun muassa muovien ja niiden valmistuksessa tarvittavien aineiden tuotantoon.

Öljyn käyttöön liittyvien hiilidioksidipäästöjen lisäksi mikromuovit ovat myös kasvava huolenaihe. Öljypohjaisten muovien tuotanto aiheuttaa kasvihuonekaasupäästöjä, ja muovien kuluminen sekä hajoaminen voivat vapauttaa mikromuoveja.

Siksi uusien, ympäristövaikutuksiltaan vähäisempien muovimateriaalien kehittäminen on lupaavaa.

Tutkijat Sveitsin Lausannen teknillisestä korkeakoulusta (EPFL), Länsi-Sveitsin ammattikorkeakoulusta ja Manchesterin yliopistosta ovat kehittäneet menetelmän polyamidien valmistamiseen maatalouden sivuvirroista.

He valmistivat polyamideja, joiden molekyylirakenteen ytimessä on maatalouden sivuvirroista saatava sokerirakenne.

Miksi polyamidi?

Monilta muovituotteilta, kuten polyamideihin kuuluvilta nailoneilta, vaaditaan lujuutta ja kestävyyttä. Joissakin teknisissä polyamideissa näitä ominaisuuksia saadaan aromaattisista ryhmistä. Kaikki nailonit eivät kuitenkaan sisällä aromaattisia ryhmiä.

Aromaattiset ryhmät voivat lisätä muovin jäykkyyttä, lujuutta ja lämmönkestävyyttä. Pelkkä aromaattisen ryhmän esiintyminen ei silti osoita, että muovi olisi myrkyllinen. Biohajoavuus ja ympäristövaikutukset riippuvat koko rakenteesta, lisäaineista ja käyttö- sekä käsittelyolosuhteista.

Lähde: Master Organic Chemistry

Sokerirakenne voi tuoda polyamidiin jäykkyyttä ilman perinteistä aromaattista rakenneosaa. Maatalouden sivuvirtojen hyödyntäminen vähentää riippuvuutta fossiilisista raaka-aineista. Biopohjaisuus ei kuitenkaan yksin takaa valmiin muovin myrkyttömyyttä tai biohajoavuutta.

Uusi muovityyppi

Tutkijat kehittivät katalyytittömän sulapolymerointimenetelmän, jossa dimetyyliglyoksylaattiksyloosista (DMGX) valmistetaan polyamideja. DMGX on stabiloitu hiilihydraattijohdannainen, jota voidaan tuottaa esimerkiksi puusta tai maissintähkien rangoista. Prosessissa materiaalia lämmitetään vaiheittain ensin 140 °C:seen ja sitten 250–260 °C:seen.

Lähde: Nature.com

Tutkimuksessa raportoitiin 97 prosentin atomitehokkuus biomassasta saatavan sokerirakenteen hyödyntämisessä. Atomitehokkuus kuvaa lähtöaineen atomien päätymistä haluttuun rakenteeseen; sitä ei pidä tulkita kaikkien prosessiin syötettyjen aineiden 97 prosentin saannoksi valmiina muovina.

Valmistetun materiaalin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet testattiin.

Testattujen polyamidien lämmönkestävyys ja mekaaniset ominaisuudet, kuten vetolujuus, olivat kilpailukykyisiä tutkimuksessa käytettyihin fossiilipohjaisiin vertailumateriaaleihin nähden. Tulosta ei pidä yleistää kaikkiin polyamideihin tai kaikkiin käyttökohteisiin.

Lähde: Nature.com

Materiaalin vedenkestävyys ja hapen sekä vesihöyryn läpäisevyys rajoittavat mahdollisia käyttökohteita. Pitkäaikainen upotus veteen tai käyttö ohuena elintarvikepakkauksena vaatisi siksi lisäarviointia. Rajoituksista huolimatta materiaalilla voi olla monia muita sovelluksia.

Kohti teollisia käyttökohteita

Prosessoitavuus

Teollisessa käytössä olennaista on myös prosessoitavuus eli se, kuinka helposti polymeeristä voidaan valmistaa käyttökelpoisia tuotteita.

Tutkijat osoittivat, että materiaalia voidaan työstää mäntäruiskuvalulla sekä voimakkaan leikkauksen kaksoisruuviekstruusiolla. Molemmat perustuvat muovien muotoilussa käytettyihin menetelmiin.

Lähde: EPFL

Materiaalia kokeiltiin myös 3D-tulostuksessa. Korkean lämpötilan tulostusasetuksilla siitä valmistettiin onnistuneesti iPhone 11:n suojakuori.

Lähde: EPFL

Kierrätys

Polyamidin mekaanista kierrätettävyyttä tutkittiin käsittelemällä materiaali uudelleen voimakkaan leikkauksen kaksoisruuviekstruusiolla kolme kertaa.

Vetokokeissa mitatut ominaisuudet säilyivät lähes samoina kolmen käsittelykierroksen ajan.

Materiaalin väri voimistui hieman jokaisella kierroksella. Oranssia värisävyä voidaan kuitenkin vähentää muuttamalla valmistusprosessia, erityisesti parantamalla diamiinien puhdistusta.

Materiaali säilytti ominaisuutensa hyvin näissä mekaanisen kierrätyksen kokeissa. Laboratoriotulos tukee jatkokehitystä, mutta ei yksin osoita toimivan teollisen keräys- ja kierrätysjärjestelmän olemassaoloa.

Tutkijat selvittivät myös kemiallista kierrätystä materiaalin käyttöiän lopussa. Vahvoja happoja, kuten rikkihappoa, hyödyntävä käsittely osoitti mahdollisuuden hajottaa polymeeriä ja ottaa rakenneosia talteen. Menetelmän teollinen soveltaminen edellyttäisi myös kemikaalien, energian ja talteenoton ympäristövaikutusten arviointia.

Kustannustehokas vaihtoehto

Jotta tällainen muovi yleistyisi teollisuudessa ilman sääntelyn muutoksia, sen olisi oltava kustannuksiltaan kilpailukykyinen vakiintuneiden fossiilipohjaisten materiaalien kanssa.

Tutkimuksen kustannusvertailussa nailon 66:n hinnaksi arvioitiin noin 3 000–7 000 dollaria tonnilta. Uuden materiaalin laskennallinen hinta sijoittui samankaltaiseen vaihteluväliin myös verraten korkeilla raaka-ainekustannuksilla. Kyse on mallinnuksesta, ei valmiin kaupallisen tuotteen vahvistetusta myyntihinnasta.

Edullisemmat raaka-aineet, kuten maissintähkien rangat, voisivat laskea kustannuksia edelleen.

Lähde: Nature.com

Tutkimuksen elinkaariarviointi viittasi myös pienempään ilmastovaikutukseen verrattuna käytettyihin fossiilipohjaisiin vertailumateriaaleihin. Tulos riippui raaka-aineesta ja prosessioletuksista; maissintähkien rangoista saatavan ksyloosin käyttö oli edullisempi vaihtoehto kuin kaupallisen ksyloosin käyttö.

Kestävät muovit – tarpeellinen edistysaskel

Tämän tutkimuksen kaltaiset biopohjaiset muovit voivat vähentää fossiilisten raaka-aineiden tarvetta. Niiden kokonaisvaikutus riippuu kuitenkin myös valmistuksesta, käyttöiästä ja käytön jälkeisestä käsittelystä.

Tässä lähestymistavassa ei vain valmisteta tuttua muovikemikaalia biopohjaisesta raaka-aineesta, vaan suunnitellaan uusi polymeerirakenne, jonka ominaisuudet voivat kilpailla nykyisten materiaalien kanssa.

Fossiilipohjaisten aromaattisten rakenneosien korvaaminen sokerirakenteilla voi avata lisää mahdollisuuksia materiaalien kehittämiseen.

Uusien rakenteiden kehittäminen on vaativaa, mutta se voi tarjota esimerkiksi seuraavia etuja:

• Alhaisempi hiilijalanjälki.
• Mahdollisuus vähentää joitakin ympäristövaikutuksia.
• Maatalouden sivuvirtojen hyödyntäminen arvokkaampina tuotteina.
• Mahdollinen kustannusten lasku tai parantuneet kemialliset ominaisuudet.

EPFL:n ja sen tutkimuskumppaneiden työ tarjoaa esimerkin siitä, miten biomassan omia kemiallisia rakenteita voidaan hyödyntää uusissa teollisissa materiaaleissa. Tavoitteena voi olla muutakin kuin öljypohjaisten muovien täsmällinen jäljentäminen uusiutuvista raaka-aineista.