1 Uudet puupohjaiset tuotteet Teollisuuden Metsänhoitajat ry. Syysseminaari Messukeskus 6.11.2014 Professori Ali Harlin, D.Sc. VTT Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
2 Biotalous lisäarvon laajentaminen Arvo Volymi Biopolymeerit, komposiitit Pinnoittet liimat Hake, pelletit, kaasutus Lääkkeet Lääke ja kosmetiikka Kosmetiikka Biomateriaalit Biomaterialit Biokemikaalit Biopolttoaineet Biopolttonesteet liikenteeseen Bioenergia- Bioenergia, lämpö lämpö ja sähkö ja Sähkö teollisuudelle teollisuudelle ja kotitalouksille ja talouksille Puutuotteet, sellu, paperi and kartonki Sellu, paperi ja kartonki viestint ään, pakkaamiseen ja pehmopapereihin sekä puutuotteet mm. rakentamiseen Korjuu ja logistiikka Uuden osaamisen kerryttäminen Uudet Investoinnit materiaalit, uuteen tuotteet teknologiaan ja palvelut ja liiketoimintoihin Globaali verkostoituminen T&K ja innovaatiot Bioenergia tuotteet Nykyisten tuotteiden kilpailukyky 20.10.2010 Modified from the source: Metsäteollisuus ry 2
3 Uudet platformit /a 10E11 10E10 10E9 10E8 10E7 Bioenergia Nykyiset tuotteet Lisäarvoiset tuotteet 50 150 500 1000 1500 2000 4000 /tn Analyysin perusteella - Nykyiset tuotteet mahdollistavat raaka-aineen saatavuuden - Biojalostamot syntyvät olemassa olevien tuotantojen yhteyteen - tyypillinen yksikkökoko - integroitu tuotanto - tasapainottaminen vaativaa - riippuvuus puunhinnasta - raaka-aineen saatavuus rajallinen - Energiatuotteet parantavat raaka-aineen käyttön tehokkuutta - Lisäarvoiset tuotteet välttämättömiä kannattavuudelle
4 Future cellulose ecosystem in Finland NOW FUTURE Kraft mill 600 000 tn/a A. Kraft mill ecosystem 387 M /a C Value 420 M /a C 420 M /a 60 000 tn/a Value 558 ME B. Multipurpose mill 300 000 tn/a L C C C C C C 180 M /a H C Value 900 M /a E
5 Biokomposiittien kehits Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa Puu-muovi, WPC Synteettinen muovi + puu + lisäaine Muovi + Puu Luonnonkuitu komposiitti, NFC Synteettinen hartsi + luonnonkuitu + lisäaine. Biokomposiitti Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine. Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC Hartsi + puu/luonnonkuity + lisäaine. Muovi Biopolymeeri + Biopolymeeri + Luonnonkuitu + Luonnonkuitu Nano Bio-based Composites Green Composites Natural Composites Standardontitarpeita terminologia tuotteet testaus LCA
6 Biokomposiittien valmistus
7 Ekotehokkaat materialsovellukset huonekaluvalmistuksessa Kuinka yhdistää taloudellisuus ja ekologisuus? Vähennä - Uusiokäytä - Kierrätä Käytä pitkään Yhdistä käytettävyys ja toiminnallisuus ekologisuuteen Raaka-aine tehokkuus = valmistuksen talous paranee CASE: Puustelli Ecokitchen 2012 Ethical and sustainabale production, fact based and sertified (ISO 14025) kitchen, which life-cycle impact is markedly lighter that typical today Ekotehokkuus Biomuovi ja luonnonkuitu komposiitit Sovelletaan muovintyöstön tekniikoita -35% painoa ja -45% CO2 Helposti huollettavat ja kestävät pinnat Ohut ja käpinäkyvä AddSol sooli-geeli pinnoite Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa Metalleille, puulle, muoville, komposiiteille ja tekstiileille
8 Dissolving pulp Chemicals Export CMC Fibre Food packaging Textile Technical and Hygenic products Clothing Consumption
9 New circular economy of cellulose Fashion Tissue Hygienic Services Design Technology Interior Green building Composites
10 CCA development phases Cellca technology developed in Neste Chemicals Active development 1980 s Plant size test runs in Säteri (Company sold) VTT reviced technology totaly 2002 High consistency technology Improved chemical efficiency Several other applications CCA commercialization is ongoing Piloted for Avilon 2011-13 (Bankrupted) Further licenced to an company 2013- New development phase Recycled fibre concept 2 new EU projects New Partners Picture: Helena Raunio (Kauppalehti)
11 Multiple possibilities or too many ways General view on CCA business antimicrobial Food casings CCA producer Special paper: casings basis Synthesis, pilot, R&D VTT Special fibre Non woven Fire retardants Special paper: grease resistance CCA granulate or powder; tailored for specific targets Film Special paper: separator films for energy app s release paper Coating pigments control release for seed, fertilizer and animal feed Non woven filters Special paper: disposable food packaging activated carbon recovery of heavy metals
12 Uusia kuitumateriaaleja puusta FuBio Cellulose ohjelmassa Aalto yliopiston ja Helsingin yliopiston yhteistyönä kehitetystä uudenlaisesta IonCell F selluloosakuidusta neulottu mekko esiteltiin Marimekon muotinäytöksessä 13. maaliskuuta. TTY:n materiaaliopin laitoksella kehittettyjä Biocelsolkuituja ja Aalto yliopiston Ioncell-F kuituja esittelevä ständi palkittiin parhaana ständinä SHOK Summit 2014 tilaisuudessa Helsingissä 14.5.2014.
13 Demo: Fibre spun from recycled paper Stretch ratio % Titre dtex Tenacity cn/dtex Elongation, % Modulus cn/dtex Ref Dumsjö 100 2.0 2.1 15.2 74.5 RCF Paper 120 1.9 2.1 16.2 72.5 RCF Board 120 2.2 2.0 15.4
14 Recycled material and reference fibers Young s modulus of fibers produced from recycled material and reference fibers 1.0 Dissolving pulp-il Stress (GPa) 0.8 0.6 0.4 Viscose CCA Modal B4 13% B2 11.5% P1 11.5% NMMO B3 13% B5 13% P2 13% 0.2 0.0 0 10 20 30 Young's modulus (GPa) Y. Ma 1, M. Määttänen 2, A. Särkilahti 2, A. Harlin 2, M. Hummel 1, H. Sixta, 1) Aalto University & 2) VTT, Ambience 14, Tampere 7-9 Sept. 2014
15 Long fibers from pulp or CNF* Aim: Super-strong long fibers and/or essentially simplified production process and/or totally new properties Spinning, extrusion or other techniques -Large surface area -Rheological properties Remarkable stiffness: 140 GPa Preserve cellulose I structure Pulp 35 Mpa NFC 650Mpa Clothing Superior performance than conventional fibers from regenerated cellulose Pure or high cellulose content Construction Medical *CNF = cellulose nanofibres
16 Materiaalidemot vaahtorainauksella Hyödynnetään erityyppisiä kuituja Tehdään rakenteita, joita on perinteisillä non-woven tekniikoilla vaikea tai mahdotonta tehdä. Sidonnat: kemiallinen ja lämpösidonta Suomiselta saaduista erilaisista kuiduista näytearkit, joilla demotaan erilaisten kuitujen rainausmahdollisuudet vaahtoteknologialla. 24 mm
17 COMPETITIVENESS FOR TISSUE AND NONVOWENS Fluff by extraction Dissolvin pulp of recycled fibre ADVANCED RAW MATERIAL COMBINATIONS Resource-efficiency Increased value & novel properties Surface active agents Pulp Foam forming Man-made fibers Nanomaterials Ultra lightweight materials Synthetic fibers Ali Harlin, VTT 2013
18 Materiaali prototyyppejä selluloosasta Producing cellulose yarns (filaments) with new methods Experimenting for composites Spinning recycled materials (office paper, cardboard, used textiles) Colorisation of pulp 3 D printing pulp Experimenting with foam
19 Tekstiilisovellukset (Business approach) Fashion and Clothing For different purposes e.g. street wear, high fashion, work wear, sports wear, accessories etc. Interior and Living Home textiles Contract textiles = textiles for public premises e.g. offices, hotels, ships, aviation, hospitals, schools etc. Technical textiles Agrotech, Buildtech, Geotech, Indutech, Medtech, Mobiltech, Packtech, Protech (by Techtextil Fair)
20 Muokattu hemiselluloosa Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta: Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin Läpinäkyvät ja taipuisat filmit Muokattava filmi Hydrogeelit (hygenienia) Aktiiviset filmit Mouldable hemicellulose film (VTT) Hemicellulose barrier dispersion (KCL/VTT) Flexible hemicellulose film (FC/VTT) Hemicellulose hydrogel (Aca/VTT) Heat-activated cellulose film (FC/VTT) 20
21 Ekotehokkaat Materiaalit Ajurit Vähentää Kierrättää Uudistua Tavoitteet Keveys Korkea suorituskyky Öljyn korvaaminen Niukkaresurssisuus Raaka-aine tehokkuus
22 Uudet kuitumateriaalit Uusi tapa lähestyä pakkausta: Läpinäkyvyys Muokattavuus Painettavuus Hybridimateriaal Läpinäkyvä paperi 22
23 Tray packaging demo, Drupa 2012 4 keksintöä: Vaahtorainaus Dispersiot Lämpömuokattavuus Läpinäkyvyys Muokattava raina Seuraavaksi: Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty pakkaus
24 Pakkauspinnoitteiden hapen ja veden läpäisy (normalisoitu to 100 m thickness) Parannetaan tuotteen säilyvyyttä Nano Bio ALD Plasma PGA Cellulose PE blend Modified Hemi Grafted cellulose Mod. Nano Cellulose Source: SustainPack and Pira International Ltd 24
25 Mitä on nanoselluloosa? Valmistus Tuotteet Esau, Anatomy of seed plants, 1977, Wiley, NY Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934 1,7% kiintoaine Aivan uusia ominaisuuksia ja suorituskykyä tuotteille Aalto: Seppälä VTT Young s modulus 140 GPa (T. Nishino et al. J.Polym.Sci.,Part B,1995) Tensile strength 3 GPa (D.Page, F. El-Hosseiny, J.Pulp Paper Sci. 1983) Coefficient of thermal expansion 0,1 ppm/ºk (H.Yano, Seminar lecture, Otaniemi 2009) 25
26 Nanoselluloosan käyttö patenttien perusteella Käyttökohteet (MFC) Komposiittimateriaalit (46, 38%) Kuitukankaat, absorbentit (22, 18%) Paperi ja kartonki (20, 16%) Ruokatuotteet (15, 13%) Paperin ja kartongin pinnoitus(10, 8%) Kosmetiikka (4, 3%) Suodattimet (5, 4%) NFC applications 13 % 3% 38 % 18 % 16 % 4 % 8 % Vuoden 2009 hakemukset Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja hygienia (2), Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2), Paperin ja kartongin päällystys (2) 26 Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and Technology
27 Nanoselluloosa paperin pinnoitteena Ohut yhtenäiskerros Vaahtopäällystys helpottaa applikointia Pintaominaisuuksia voidaan muuttaa tehokkaasti Peruspaperi Vähentää ilmanläpäisyä Ei tarvita sideaineita NFC-pinnoitettu paperi SEM x50 SE images from uncalendered paper surfaces
28 Keveät materiaalit - Selluloosa vaahto Kovia vaahtoja biomateriaaleista. Öljyn korvaaminen Keveys. Eristyskyky. Sovelluksissa pakkaamisesta rakentamiseen. Nanoselluloosa vaahto Nanokuituinen selluloosa Pääkkö et al, Biomacromolecules, 8(2007)1934
29 Nanoselluloosa filmit HDPE filmin kaltainen puupohjainen Ei sähköisty Biohajoava Painatettava Myös älykäs painaminen NASEVA 2011-2013
30 Visiomme Kuitumateriaalit ovat uusiutuvia: Kierrätys mahdollistaa tehokkaita ratkaisuja Ympäristö riski pienenee Synergia muovien kanssa Biomuovien yhdistäminen luo synergiaa: Muovit ovat suorituskykyisiä Olemassa oleva tuotanto ja logistiikka Toimivat tuotteet Tulevaisuuden jätteen käsittely: kierrätys ja energia käyttö Hyödyntäjät: Tuotemerkit saavat asiakkailleen kestävän kehityksen tuotteita Kemian teollisuus ja materiaali toimittajat saavat uusia lisäarvoisia tuotteita