Koulutusverkosto vauhditti biokomposiittien tutkimusta – Tampereella keskiössä pellavakuidut ja mittaustekniikan kehittäminen

Tutkimus vei nuoret tutkijat nokikkain ikiaikaisen tosiasian kanssa: luonto on monimutkainen ja luonnonkuitu erittäin kompleksinen rakenne. Luonnonkuitujen lisääminen komposiitin ainesosaksi ei sekään automaattisesti tee materiaalista ekologista tai kestävää. FibreNet-koulutusverkostossa tehty perustutkimus tuotti tietoa, jolla mikrotason ilmiöistä voidaan ennustaa todellisen rakenteen ominaisuuksia.

Tampereen yliopiston materiaaliopin tenure track -professorit Essi Sarlin ja Mikko Kanerva ohjasivat hankkeessa kahta biokomposiitteja tutkivaa väitöstutkijaa, jotka kehittivät uusia menetelmiä biokuitujen tutkimiseen, mallinnukseen ja prosessointiin.

– Biokomposiitit pohjautuvat suoraan tai kemiallisen prosessin kautta luonnon komponentteihin, esimerkiksi pellavasta saataviin kuituihin. Biokomposiiteissa luonnonkuitujen päätehtävä on lujittaa materiaalia, Sarlin ja Kanerva taustoittavat.

Pellavakuidut paransivat biokomposiitin suorituskykyä

Väitöstutkija Farzin Javanshour tutki, kuinka pellavakuidun avulla voi lujittaa komposiitteja ja lisätä niiden käyttöikää. Euroopan Unioni pyrkii pellavan tuotannossa omavaraisuuteen ja Tampereella tehty tutkimus tukee tavoitetta.

– Raaka-ainetasolla kevyet ja uusiutuvat luonnonkuidut tukevat kestävää kehitystä, ja niillä on monia positiivisia kerrannaisvaikutuksia, Javanshourin tutkimusta ohjannut Essi Sarlin toteaa.

Farzin Javanshourin mukaan biokomposiiteilla on monia hyviä ominaisuuksia, kuten alhainen tiheys ja ne myös vaimentavat hyvin iskuja ja värähtelyä.   Elinkaarensa loppupäässä ne voidaan myös kierrättää tai hyödyntää muulla tavoin. Niiden pitkäaikaiskestävyys ei kuitenkaan ole kovin hyvä.  Javanshour osoitti tutkimuksessaan, että tietyllä tavalla käsitelty pellava paransi biokomposiittien ominaisuuksia.

– Turvonneiden, ei-kuivien pellavakuitujen käyttö paransi biokomposiittien kosteus- ja lämpöteknisiä ominaisuuksia märissä olosuhteissa jopa 50 prosenttia. Vastaavasti niiden iskunkesto jopa kaksinkertaistui ja väsymisenkesto parani neljänneksellä, kertoo Javanshour.

Mikrotason menetelmä mittaa biokuitujen kestävyyttä

Väitöstutkija Royson Dsouza etsi vastausta siihen, mikä biokomposiittimateriaalin positiivinen vaikutus oikeasti on. Hän kehitti uuden mittaustekniikan, jonka avulla luonnonkuitujen kestävyyttä voidaan tutkia mikrotasolla. Keksinnön julkistaminen on työn alla Tampereen yliopistossa.

– Kehittämäni anturirakenne soveltuu sekä synteettisten että biopohjaisten kuitujen mekaanisten ominaisuuksien testaamiseen mikrotasolla, Dsouza kertoo.

Tutkimusta ohjanneen Mikko Kanervan mukaan Dsouzan tulokset antavat tietoa siitä, miten materiaalien integriteetti ja tasalaatuisuus voidaan varmistaa.

– Teollisuus saa tutkimuksesta hyödyllistä tietoa komposiittimateriaalien käyttäytymisestä kaikkein haastavimmissa käyttökohteissa kuten tuulivoimaloissa, Kanerva sanoo.

Luonnonkuiduilla voidaan vahvistaa esimerkiksi kilpa-autojen, suojakypärien ja veneiden rakenteita. Selkeä käyttökohde löytyy myös urheiluvälineteollisuudesta.

– Etenkin nuoret haluavat panostaa välineisiin, jotka on tehty luonnonmateriaaleista. Hyvä esimerkki on vaikka biokomposiiteista tehty surffilauta. Urheiluvälinesovelluksia on tutkinut väitöstutkija Pauli Hakala Tampereen yliopistosta, Kanerva kertoo.

Koulutusverkostosta tieteellistä tukea ja uramahdollisuuksia

Paitsi arvokkaita tutkimustuloksia koulutusverkosto tarjosi väitöstutkijoille heti alkuun sekä kansainvälistä akateemista tukea että yhteistyömahdollisuuksia yliopistojen ja yritysten kanssa.  

– Parhaita anteja on ollut saamani laaja ymmärrys kiertotalouden materiaalien kehittämisestä. Jatkan kestävien komposiittien kehittämistä erilaisiin tarkoituksiin, kuten esimerkiksi vetyenergian varastointiin autoteollisuudessa, valottaa Farzin Javanshour tulevia suunnitelmiaan.

Tutkijakollega Royson Dsouza on samoilla linjoilla: yhdessä työskentely ja rakentunut yhteistyöverkosto, johon kuuluu tutkijoita ja yhteistyökumppaneita ympäri maailmaa, ovat merkittäviä jatkossakin.

– Hanke on mahdollistanut yhteistyössä tehdyn tutkimuksen ja tutkimusjulkaisut. Koen myös rakentavani tiedon avulla siltaa kuitupohjaisten tuotteiden ja kuitujen ominaisuuksien välille. Tutkijana projekti oli minulle tärkeä, koska se keskittyi tulevaisuuden materiaaleihin, Dsouza lisää.

Toukokuussa päättynyt FibreNet-hanke on koulutusverkosto, jossa 15 uransa alussa olevaa väitöstutkijaa eri puolilta Eurooppaa tutki biokuituja omissa koulutusverkostoon kuuluneissa tutkimusprojekteissaan. Monitieteinen, kansainvälinen verkosto tarjosi väitöstutkijoille heti uran alussa merkittävää vertaistukea ja ammatillista ohjausta sekä ajanmukaisen tekniikan ja kontakteja teollisuuteen. Verkosto sai rahoitusta EU:n Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Innovative Training Network (ITN)-rahastolta.

Tampereen yliopistossa hanketta koordinoi mikro- ja nanoteknologioihin erikoistunut biolääketieteen tekniikan professori Pasi Kallio. Biokomposiittien lisäksi Tampereella väitöstutkija Ali Zarei kehitti mikrorobotiikkaan pohjautuvaa menetelmää, jolla voidaan automaattisesti mitata biopohjaisten kuitujen lujuusominaisuuksia.

Lisätiedot

Essi Sarlin
040 849 0146
essi.sarlin [at] tuni.fi

Mikko Kanerva
040 718 8819
mikko.kanerva [at] tuni.fi

Teksti: Anna Aatinen
Kuva: Jonne Renvall