3. 3
Terminologiaa
Kuitumaiset:
CNF = cellulose nanofibril eli nanofibrilloitu selluloosa
(=NFC)
CMF = cellulose microfibril eli mikrofibrilloitu selluloosa
(=MFC)
B(N)C = bacterial (nano) cellulose eli bakteeri(nano)-
selluloosa
Kiteiset:
CNC = cellulose nanocrystal eli nanokiteinen selluloosa
(=NCC )
MCC = microcrystal cellulose eli mikrokiteinen selluloosa
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
4. 4
Nanometri metrin miljardisosa
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
Tavanomainen
puukuidun pituus
CNF, CNC,
BNC
CMF, MCC
Topdown-prosessi
Glukoosi
Bottomup
-prosessi/
polymerisaatio
5. 5
Raaka-ainel辰hteet - luonnosta
Kasvien tukirakenteissa esiintyv辰 kuitumainen aines, joka
on kemialliselta koostumukseltaan p辰辰asiassa
rengasmaisista glukoosimolekyyleist辰 muodostunutta
selluloosaa (kierteisen ketjun kaltainen rakenne)
TAI
Bakteerien (esim. Acetobacter Xylinum) omaksi
suojarakenteekseen (mm. veden sitominen) tuottamaa
selluloosaa. Paras ravintoaine glukoosi eli yksinkertainen
sokeri.
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
6. 6
Miksi mikro/nanomittakaavan tuotteita?
Esimerkkej辰 MFC/NFC tuoteominaisuuksia:
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
Uusiutuvista raaka-aineista valmistettu
Ymp辰rist旦yst辰v辰llinen luonnonmateriaali
Biohajoava
Yhteensopiva biologisten materiaalien kanssa
Luja ja kimmoisa (lujempi kuin ter辰s)
Korkea muototekij辰
Suuri ominaispinta-ala
Reaktiivinen ja muokattava
Vahvoja verkostoja muodostava
Vett辰 imev辰, pid辰tt辰v辰 ja hallitusti luovuttava
Kalvoja muodostava
Hyv辰 l辰mp旦tilankesto
jne.
7. 7
Miksi nanotuotteita kasveista?
Kehityksen ajureita :
Vaihtoehto fossiilisille raaka-aineille
Vaihtoehto metalleille
Puu ja viljelykasvien tukirakenteet eiv辰t p辰辰osin ole
ihmisten ruokaa (huomioitava rehuk辰ytt旦)
Ominaisuuksia voidaan muokata nykyteknologialla eri
k辰ytt旦tarkoituksiin; osin viel辰 kehitysty旦t辰 vaativaa
Voidaan seostaa erilaisten muiden materiaalien kanssa,
esim. muovi+mikro/nanokuitukomposiitit
BNC:n mahdollisuudet l辰辰ketieteess辰, esim. keinoiho tai
muiden elimien rakenneosien korvaajana
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
8. 8
CNC/CMC/BC Tuoteideoita:
CNC/CMC BC
Lujuutta lis辰辰v辰 aine papereissa, kartongeissa ja
pakkauksissa (korvaa t辰rkkelyst辰 tai PVA-lateksia)
Keveytt辰 ja lujuutta lis辰辰v辰 aine komposiiteissa
esim. ajoneuvoihin
Apuaine reologian s辰辰t旦旦n esim. maaleissa,
elintarviketeollisuudessa, paperiteollisuudessa,
voiteluaineissa
Pinnoitemateriaali: v辰hent辰辰 mm. ilman, hapen
ja 旦ljyn l辰p辰isy辰. Hydrofiilisyys voi olla rajoite
imee herk辰sti vett辰.
Kalvomateriaalit, my旦s v辰rilliset
Elektroniset n辰yt旦t
Hygieniatuotteet (hydrofiilisyys hyv辰ksi)
Hydrogeelit (auttaa sitomaan vett辰)
Aerogeelit (auttaa sitomaan ilmaa)
Kudosten korjaus, siirteet
Lujuutta lis辰辰v辰 aine
komposiiteissa (ihmisen
varaosat?)
Haavasiteet
Keinotekoiset verisuonet
Akustiset kalvot
Reologian s辰辰t旦
Elintarvikkeet
(hyytel旦imisaine: olemassa jo
Nata de coco)
Elektroniset n辰yt旦t
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
9. 9
Miksi mikro/nanotuotteita kasveista?
M辰辰r辰 vs. arvo
Source: Thermochemical Strategies for Biofuels, Green Chemicals,
Polymeric Biomaterials and Biofuels, Esteban Chornet, Nov 2005.
Market size / price for co-products derived from biomass
10-1
1 10 102
103
104
105
1012
1011
1010
109
10
8
10
7
106
105
104
10
3
102
101
Biomass-derived
Commodities
Biomass-derived
Specialty Chemicals
Biomass derived
Pharmaceuticals
Market price (US$ / kg)
Cellulose-based
fibers*
Fatty
acids
Specialty
Celluloses
Aldehydes
(Vanillin*, SA, TMBA)
Essential
Oils
Sterols*
Chitosan
& derivativ es
Vitamins
Bioactive
Polyphenols
Maltol*
Chiral drugs
Taxans*
cis-3-Hexenol
trans-2-Hexenal
Gallic
acid
Proanthocyanidins*
Marketsize
Market price ($/kg)
VTT:n v. 2012 arvio
mikro/nanotuotteiden
sijoittumisesta
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
10. 10
Teknologiaa on jo kehitetty
MCC ollut jo kauan elintarvikek辰ytt旦旦n hyv辰ksytty lis辰aine E460
CMF:辰辰 valmistettiin puusellusta laboratoriomittakaavassa 1980-
luvulla
Aluksi energiankulutus oli niin suuri, ettei teknologia ollut kiinnostava.
Kemiallisella (happo, hapetus) tai entsymaattisella esik辰sittelyll辰
kuiduksen energiankulutus on laskenut TMP-paperimassan valmistuksen
tasolle.
Tutkimusty旦t辰 mm. Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Japanissa
Mm. lukuisia EU-rahoitteisia tutkimushankkeita (Cordis, Sunpap)
CMF- ja NCC-pilotlaitoksia mm. Pohjoismaissa ja Kanadassa
Suomessa CMF:n esikaupallisesta valmistuksesta ilmoittaneet Stora
Enso (SE on nimitt辰nyt henkil旦n teht辰v辰辰n Director, MFC
Commercialization ) ja UPM
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
11. 11
Koivufibrillisellusta l辰pin辰kyv辰辰,
muovinkaltaista pakkausmateriaalia
VTT:n ja Aalto-yliopiston menetelm辰ss辰
nanofibrilliselluloosakalvoa on valmistettu VTT:n
koelaitteella kiinnitt辰m辰ll辰 fibrillisellua ohuelti ja
tasaisesti muovifilmien p辰辰lle. Mit辰 fibrilloidumpaa
eli hienompaa nanoselluloosamateriaalia k辰ytet辰辰n,
sit辰 l辰pin辰kyv辰mpi辰 kalvoja siit辰 voidaan valmistaa.
Menetelm辰n kaikki vaiheet on siirrett辰viss辰
teolliseen tuotantoprosessiin. Kalvoa voidaan
valmistaa teollisuudessa jo olemassa olevilla
laitteilla ilman merkitt辰vi辰 lis辰investointeja.
VTT ja Aalto-yliopisto hakevat patenttia NFC-filmin
valmistusteknologialle. Koeajot ja niihin liittyv辰t
kehitysty旦t tehd辰辰n VTT:ll辰.
Keksint旦 on toteutettu Tekesin Naseva 2 Tailoring
of nanocellulose structures for industrial
applications -projektissa, joka kuuluu UPM:n, VTT:n
ja Aalto-yliopiston muodostaman Suomen
Nanoselluloosakeskuksen projektikokonaisuuteen.
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
http://www.vtt.fi/news/2012/20120223_birch_fibril_pulp.jsp
12. 12
ja teknologiaa on kaupallistettu
CMF/CNF:n valmistajia:
J. Rettenmaier & S旦hne, Saksa; http://www.jrs.de/jrs_en/
(tyt辰ryhti旦 Suomessa)
Daicel Corporation, Japani;
http://www.daicelfinechem.jp/en/business/wspdiv/celish.html
Engineered Fibers Technology, USA; http://www.eftfibers.com/
NCC:n valmistaja:
CelluForce, Kanada; http://www.celluforce.com/
(Domtar Corp & FPInnovation joint venture)
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
13. 13
J. Rettenmaier & S旦hne, BU Chemistry I
ARBOCEL速- fibers are natural fibers, based on Cellulose
and Lignocellulose, with a broad area of application:
Additive for paper and board production
Additive for tissue production
Plastic industry
- thermoplastics, e.g. WPC
- duroplastics (Melamine and phenolic resin molding compounds)
- elastomeres (rubber and rubber seals)
Glues, e.g. construction glues
Break pads
Floor coverings, e.g. Laminates , rubber flooring
Enzyme production, e.g. washing powder and animal feed
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
Kts. Kalvo 16
14. 14
J. Rettenmaier & S旦hne, BU Chemistry II
ARBOCEL速 CE is a Cellulose derivative. HPMC (Hydrox-
propyl-methyl-cellulose) is a water-soluble cellulose
ether, e.g. for:
PVC polymerisation
Coatings
Dyes
ARBOCEL速 CELLUGREEN is a fiber additive for
hydroseeding based on cellulose
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
15. 15
J. Rettenmaier & S旦hne, BU Chemistry III
LIGNOCEL速- fibers are wood fibers based on hard- and
softwoods
Additive for paper and board production
Additive for tissue production
Plastic industry
- thermoplastics, e.g.
- duroplastics (Melamine and phenolic resin molding compounds)
- elastomeres (rubber and rubber seals)
Glues, e.g. construction glues
Break pads
Floor coverings, e.g. Laminates , rubber flooring
For use in civil explosives for the mining industry.
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
Kts. Kalvo 16
16. 16
CMF/CNF Paperin ja kartongin valmistuksen
lis辰aineena Potentiaali n. 1 % -> 4 milj. t/vuosi
Maailman paperin ja kartongin tuotanto n. 400 milj. t/vuosi
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
0
50,000,000
100,000,000
150,000,000
200,000,000
250,000,000
300,000,000
350,000,000
400,000,000
450,000,000
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Newsprint Printing&Writing Unocoated WF Coated papers
Household&Sanitary Folding boxboard Paper&board total
L辰hde: FAO
17. 17
Alustava SWOT-analyysi
Oy Suomi Ab:n kannalta
Vahvuudet:
Mets辰辰 runsaasti, vuotuinen kasvu
lis辰辰ntynyt, hakkuuylij辰辰m辰
Osaavaa, koulutettua, kansain-
v辰lisestikin kokenutta ty旦voimaa
CNC/CMC:st辰 jo tehty runsaasti
tutkimusta/VTT osaamiskeskuksena
Mahdollisuudet:
kolmiulotteisten kappaleiden
tuotanto biomateriaaleista (muut
kuin levy tai lauta) esim. ajoneuvoi-
hin, rakentamiseen; ihmisvaraosat
Uudenlainen liiketoiminta-
verkottuminen (mets辰+teknologia/
rakentaminen/l辰辰ketiede)
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
Heikkoudet:
paperiteollisuuden liikevaihto laskee
-> resurssit tuotekehitykseen alenevat
pk-sektorin resurssit rajalliset uusien
tuotteiden/teknologioiden ja liike-
toiminnan kehitykseen
Vaikeus irrottautua entisist辰 toiminta-
tavoista ja toimitusketjuista
Uhat:
ljyn ja metallien matala hintataso
hidastaa biotuotteiden kysynt辰辰
kilpailu raaka-aineesta, p辰辰omista ja
osaamisesta bioenergian tuotannon
kanssa -> CNC/CMC/BC j辰辰v辰t hype-
ilmi旦ksi
Sis辰isettekij辰tUlkoisettekij辰t
18. 18
L辰hteit辰:
Brodin, F.L. & al: Cellulose nanofibrils: Challenges and possibilities as a paper
additive or coating material A review. Nordic Pulp & Paper Research Journal
Vol 29 nr 1, 2014.
Kangas, H.: Soveltajan opas mikro- ja nanoselluloosille. VTT 2012.
Proposed New Tappi Standard: Standard Terms and Their Definition for
Cellulose Nanomaterials WI 3021.
Kirchner M. , Biotechnology : Ready to partner and invest in. Biotechnol Journal
nr 1, 2006.
http://faostat3.fao.org/
Kauppalehti Arkena Web-TV 10 Dec 2014:
http://publisher.qbrick.com/Embed.aspx?mcid=369D76B3db388884&width=
640&height=360
H辰m辰l辰inen, K.: Improving the usability of extruded wood-plastic composites
by using modification technology. V辰it旦skirja julk. 28.11.2014,
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-695-7
Anu H辰m辰l辰inen, joulukuu 2014
