Tutkijat kehittävät uusia tuoteominaisuuksia hiilimateriaaleja räätälöimällä

12.3.2014

 

VTT ja Tampereen teknillinen yliopisto kehittävät Tekesin rahoittamassa BioPreCarb-projektissa menetelmiä öljypohjaisten materiaalien korvaamiseksi suomalaisella puulla. Muotoilemalla puuraaka-aineen yhdisteistä räätälöityjä hiilimateriaaleja, voidaan valmistaa uudentyyppisiä komposiitteja, pinnoitteita ja elektrodeja

Puun selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä valmistetut polymeerit ovat elastisia ja helposti muovailtavissa erilaisiksi rakenteiksi. Hiili puolestaan on haurasta. Hiillyttämällä polymeereistä muokatut esirakenteet, on mahdollista valmistaa teollisesti räätälöityjä nano-, mikro- ja makrohiilirakenteita, jotka eivät muuten olisi mahdollisia.

Hiilen avulla voi vaikuttaa moniin tuoteominaisuuksiin, kuten komposiitin lujuuteen, materiaalin lämmön- ja sähkönjohtavuuteen, kuumuuden kestävyyteen ja rakenteiden pinta-alaan.

Räätälöityjen hiilien sovelluskohteita ovat esimerkiksi komposiitit, kulumista estävät pinnoitteet, voiteluaineet, elektrodit ja katalyyttien kantajarakenteet. Aktiivihiili sopii myös erotus- ja puhdistusprosesseihin. Monet sovelluksista ovat merkittäviä tulevaisuuden energiatalouden, ympäristön puhtauden ja juomaveden saatavuuden kannalta.

Tekesin rahoittamassa BioPreCarb-projektissa (Bio-Based Tailored Precursors for Advanced Carbons and Applications) selvitetään, mitkä ovat teknologisesti ja liiketoiminnan kannalta parhaat vaihtoehdot korvaamaan öljypohjaisia hiilimateriaaleja biopohjaisilla.

Esimerkiksi voiteluöljystä noin 10 % koostuu lisäaineista: nanopartikkeleista, jotka voidaan korvata puolet halvemmilla biopohjaisilla nanohiilimateriaaleilla. Voitelu- ja lisäaineissa käytettävien partikkeleiden lisäksi hiilimateriaalit voivat olla kuitumaisia, jolloin ne parantavat komposiitin lujuutta tai kolmiulotteisia vaahtomaisia rakenteita, jolloin ne soveltuvat esimerkiksi korkean lämpötilan eristeisiin.

VTT:llä ja Tampereen teknillisellä yliopistolla on kokemusta puupohjaisista raaka-aineista, niiden erottamisesta ja muokkaamisesta sekä erilaisista prosessointimenetelmistä, joilla valmistetaan partikkeleita, kuituja, tasorakenteita ja kolmiulotteisia rakenteita polymeereistä. Osaaminen kattaa myös lämpökäsittelymenetelmät, joilla valmistetaan esimerkiksi amorfista, grafiittisia ja aktivoituja hiiliä.

Tutkimuskumppaneiden tavoitteena on nostaa suomalaisen puun jalostusarvoa ja löytää suomalaiselle teollisuudelle uusia keinoja saada jalansijaa maailman kasvavilla hiilimateriaalimarkkinoilla.

Kaksivuotinen BioPreCarb-projekti (Bio-Based Tailored Precursors for Advanced Carbons and Applications) päättyy kesäkuussa 2015. Projektin aikana haetaan erilaisia ratkaisuvaihtoehtoja, joista parhaat valitaan jatkotutkimuksiin.

MEDIAMATERIAALI

KUVA 1. VTT:n märkähiiltoreaktori (Hanne Wikberg). VTT on laajentanut hiillytyslaboratoriotaan märkähiilto- eli HTC-reaktorilla (HydroThermal Carbonization), jolla materiaalin voi hiillyttää 250 celsiusasteessa. Perinteisesti hiillytys tehdään 1000 asteessa. Energiaa säästävä HTC-hiillytysmenetelmä ei tuota yhtä puhdasta hiiltä kuin perinteinen menetelmä, mutta se soveltuu lähes kaikenlaisen orgaanisen materiaalin hiiltämiseen lähtien teollisuuden sivuvirroista aina erilaisiin jätemateriaaleihin.

KUVA 2. Sellun valmistuksessa syntyvästä mustalipeäsivuvirrasta ultrasuodattamalla erotetusta ligniinistä HTC:n avulla valmistettuja hiilipartikkeleita (VTT patenttihakemus PCT/FI2013/051180 Vidar Grönberg, Hanne Wikberg, Hans-Peter Hentze, Ali Harlin ja Anna-Stiina Jääskeläinen).

KUVA 3. Ligniinikuidut, joiden kuituhalkaisija on alle 200 nm, sopivat myös hiillytettäväksi. (Pirjo Heikkilä)

Asiakaspalvelu
Sähköpostiinfo@vtt.fi
Puhelin020 722 7070
Avoinna arkisin klo 9.00 - 11.00 ja 12.00 - 15.00