Kuitujen avulla kohti muovautuvampaa kartonkia

Laboratoriokokeissa valmistettiin koearkkeja havupuusellusta ja viskoosikuiduista, ja niiden ominaisuuksia mitattiin mm. vetolujuustesteillä. Tulokset osoittivat, että kuitujen esikäsittely parantaa kartongin rakenteellisia ominaisuuksia, mutta tutkittavaa ja kehittämistä tulisi jatkaa.

Pakkaamisen ympäristöhaasteet

Pakkausmateriaalien kulutus on kasvanut maailmanlaajuisesti ja samalla valmistuksen ja käytön aiheuttamat ympäristövaikutukset ovat lisääntyneet. Lähes kaikki yksityistalouksien, kaupan ja teollisuuden tuotteet pakataan jossain tuotantoketjun vaiheessa ja monet useaan kertaan. Pakkaaminen on välttämätön osa siinä logistisessa ketjussa, jolla tuotteet siirtyvät valmistajalta kuluttajan ulottuville. Useasti pakkauskonsepti on myös keino edistää tuotteen myyntiä ja markkinointia.

Suuri osa pakkausmateriaaleista valmistetaan edelleen uusiutumattomista luonnonvaroista. Tällaisia ovat mm. öljypohjaiset muovit. Usein näistä raaka-aineista tuotettujen pakkausten kierrätys- ja uusiokäyttömahdollisuudet ovat rajalliset. Negatiivisten vaikutusten pienentämiseen ja kestävien pakkausratkaisujen edistämiseen on reagoitu kansainvälisin sopimuksin. Niillä tavoitellaan kiertotalouden periaatteiden toteutumista pakkausteollisuudessa, oikeiden pakkausratkaisujen kehittämistä sekä pakkausjätteen määrän vähentämistä.

Luonnonkuidut kestävien pakkausratkaisujen raaka-aineena

Ympäristöystävällinen ja kestävä ratkaisu pakkaamisen negatiivisten vaikutusten pienentämiseksi on luonnonkuitujen, kuten sellun, käyttäminen pakkausmateriaalien raaka-aineena. Paperi ja kartonki ovat yleisimmät puupohjaiset pakkausmateriaalit. Niiden käyttöä mm. kuluttajapakkauksissa rajoittaa materiaalien huono muovautuvuus. Parhaimmillakaan teknologioilla ei toistaiseksi pystytä valmistamaan syviä tai monimutkaisia kolmiulotteisia muotoja astioihin paperi- tai kartonkiarkista.

Tutkimuksen tavoite ja toteutus

Opinnäytetyössä selvitettiin, voidaanko 20 mm pitkiä viskoosikuituja lisäämällä parantaa kartongin lujuusominaisuuksia ja muovautuvuutta erityisesti syvävetomenetelmällä valmistettavien astioiden tuotannossa. Tutkimuksen kokeellisessa osassa valmistettiin laboratorio-olosuhteissa kartonkisia koearkkeja. Raaka-aineena käytettiin havupuusellua, jonka joukkoon lisättiin eri määriä ja eri tavoin käsiteltyjä pitkiä viskoosikuituja.

Kuitujen käsittely ja haasteet

Syväveto on levymäisen materiaalin (esim. metalli, muovi, kartonki) kolmiulotteiseen muotoiluun tarkoitettu menetelmä. Tekniikka perustuu muovattavan materiaaliaihion painamiseen painimella muotin läpi, mikä aiheuttaa muutoksia materiaalin rakenteessa, jolloin se muovautuu ja jää pysyvästi haluttuun muotoon. Prosessia ohjataan työstöolosuhteita ja -laitteistoa säätämällä. Keskeinen tekijä on myös muokattavan aihion materiaalitekniset ominaisuudet. Tämän aiheen tutkimusta paperin ja kartongin osalta on tehty erityisesti viimeisimmän 10 vuoden aikana.

Opinnäytetyö toteutettiin noudattaen standardien mukaisia menetelmiä havusellun ja viskoosikuitujen jauhatuksessa sekä arkkien valmistuksessa. Viskoosikuitujen sekoittaminen tasaisesti sellumassaseokseen osoittautui vaativaksi työvaiheeksi. Tutkimuksen tavoitteet kuitenkin saavutettiin ja edustavia kartonkisia koearkkeja valmistettiin esikokeiden perusteella valitulla menetelmällä. Samalla todettiin, että toimivamman ja tasaisemman laadun saavuttamiseksi viskoosikuitujen sekoittaminen sellumassaan tulisi tehdä käyttämällä arkin valmistuksen yhteydessä väliaineena esim. vaahtoa.

Opinnäytetyössä viskoosikuitujen vaikutusta tutkittiin lisäämällä niitä sellumassaan joukkoon erilaisia määriä. Lisäksi tehtiin koesarjat, joissa viskoosikuituja esikäsiteltiin ennen koearkin valmistamista. Mekaanisena esikäsittelynä käytettiin viskoosin jauhamista PFI-jauhimessa ja kemiallinen käsittely tapahtui liottamalla viskoosikuituja natriumhydroksidiliuoksessa. Jauhatus parantaa kuitujen sitoutumista, mutta viskoosin rakenteen vuoksi käsittelyn tuli olla kevyt, jolloin myös jauhatuksen vaikutus viskoosikuituun jäi pieneksi. Natriumhydroksidikäsittelyn toteutukseen haettiin lisätietoja uusimmasta tutkimuskirjallisuudesta.

Viskoosikuitujen vaikutusta kartongin ominaisuuksiin tutkittiin laboratoriossa. Ulkonäköä ja viskoosikuitujen sekoittumista arvioitiin valokuvaamalla arkit sekä mittaamalla niiden formaatiota eli neliömassan pienimittakaavaista vaihtelua. Sen avulla voidaan päätellä, kuinka tasaisesti viskoosikuidut ovat jakautuneet arkille. Lisäksi mitattiin valmistettujen koearkkien mekaaniset ominaisuudet, kuten neliömassa ja paksuus. Lopuksi arkeille tehtiin standardin mukainen vetolujuuskoe.

Johtopäätökset ja jatkotutkimuksen tarve

Tutkimuksen tuloksena todettiin, että valittu koearkkien valmistusmenetelmä toimi hyvin tässä työssä käytetyillä määrillä ja käsittelyillä. Samalla todettiin tarve luoda menetelmä siihen, kuinka sekoittaa suurempia määriä viskoosia tai muita luonnonkuituja sellumassan joukkoon. Erikoispitkän kuidun määrää lisätessä se alkaa valmistusprosessin aikana kimppuuntumaan, jolloin kartongin laatu ja ominaisuudet heikkenevät.

Viskoosikuitujen sekoittaminen sellumassaan (yllä)

Vetolujuustestissä katkennut koeliuska (oikealla)

Viskoosikuitujen vaikutusta kartongin lujuusominaisuuksiin mitattiin vetolujuuskokeella. Kartongista leikattua liuskaa venytettiin standardissa määritetyllä voimalla ja nopeudella, kunnes liuska katkesi. Koelaite mittasi vetolujuutta ja venymää venytyksen aikana murtumiseen saakka.

Opinnäytetyön tuloksista pääteltiin, että erikoispitkien viskoosikuitujen lisäämisellä voidaan parantaa kartongin lujuusominaisuuksia, mutta se vaatii kuitujen esikäsittelyä niiden sitoutumisominaisuuksien parantamiseksi. Käsittelemättömän viskoosin lisääminen ei parantanut kartongin lujuutta. Tässä työssä käytettyjä esikäsittelyjä tai niiden yhdistelmiä tulisi kokeilla ja kehittää lisää. Samoin tulisi tutkia muiden luonnonkuitujen sekä eri lisäaineiden vaikutuksia kartongin lujuusominaisuuksien ja muovautuvuuden parantamiseen.