Materiaalien pitkäaikaiskestävyys ja sen merkitys ekologisessa tuotesuunnittelussa

HAMKissa toimii Pitkäaikaiskestävyyden tutkimusryhmä, jonka tutkimusalueina ovat materiaalien pitkäaikaiskestävyys ja biopohjaisten raaka-aineiden hyödyntäminen materiaaleissa (”Kestävä rakennettu ympäristö”, 2025). Tämä teksti käsittelee näitä aiheita ja niiden merkitystä ekologisten materiaalien ja tuotteiden suunnittelussa.

Mikä on materiaalin pitkäaikaiskestävyyden merkitys?

Pitkäaikaiskestävyydellä tarkoitetaan sitä, kuinka hyvin materiaalit tai tuotteet kestävät erilaisia ympäristörasituksia, kuten lämpötilojen, kosteuden, auringon säteilyn ja niiden vaihtelun aiheuttamaa rasitusta (Helander, 2023). Me pitkäaikaiskestävyyden tutkijat teemme käytännön tutkimusta, jossa tarkkailemme, kuinka materiaalit muuttuvat tai vanhenevat altistuttuaan näille rasituksille. Usein materiaaleja altistetaan varsin rankoille olosuhteille tekemissämme laboratoriotutkimuksissa, jotta niiden kestävyydestä saadaan tuloksia kohtuullisessa ajassa. Näin voidaan tehdä myös ulko-olosuhteisiin tarkoitetuille materiaaleille, koska niin voimme nopeuttaa pitkän ajan kuluessa ulkona tai muissa käyttöoloissa tapahtuvia muutoksia vuosista viikkoihin. Teemme toki myös tutkimusta ulko-olosuhteissa, koska laboratorioon ei koskaan pystytä luomaan täysin luonnollista vastaavia olosuhteita.

Kaikilta tuotteilta ja niissä olevilta materiaaleilta vaaditaan jonkinlaisia kestävyysominaisuuksia, mutta vaatimukset vaihtelevat paljon materiaalin käyttötarkoituksen mukaan. Esimerkiksi auton peltiä pinnoittavan maalin tulee kestää vuosien rasitusta ja sääilmiöitä, kun taas juhlaleninki on suuren osan käyttöajastaan sisätiloissa ja suojattuna valolta ja muilta rasituksilta. Myös tuotteelle suunniteltu käyttöaika on kytköksissä materiaalien tekniseen kestävyyteen, ja tuotesuunnittelijan tulee materiaalivalintoja tehdessään huomioida, onko kyseessä esimerkiksi kertakäyttöinen elintarvikepakkaus vai kymmeniksi vuosiksi talon suojaksi tarkoitettu katto.

Miten pitkäaikaiskestävyys liittyy ympäristökestävyyteen?

Testattu ja riittäväksi todettu pitkäaikaiskestävyys ehkäisee jätteen syntymistä. Kun tuotteen tai materiaalin kestävyys on sille riittävä, siitä ei jouduta materiaalin vaurioitumisen takia luopumaan ennenaikaisesti. Toisaalta pitkäaikaiskestävyyden tutkimuksella ja erilaisilla testeillä voidaan myös taata, ettei jokin materiaali tai kemikaali aiheuta haittaa liian hyvän kestävyytensä takia. Tästä esimerkkinä on biohajoava pakkaus, jossa käytetty väriaine on niin pysyvä, että se ei hajoa samassa käsittelyssä, jossa muu pakkaus hajoaa. Hajoamaton materiaali tai kemikaali voi kertyä kierrätyksen tai jätteenkäsittelyn yhteydessä laitteistoihin tai ympäristöön, jossa se sitten aiheuttaa vaaraa tai muuta haittaa (Rane & Joshi, 2021). Mikromuovien syntyminen muovin hajotessa on esimerkki liian kestävästä materiaalista.

Teemme HAMKissa pitkäaikaiskestävyystutkimusta myös yritysten tilauksesta. Pitkäaikaiskestävyyden varmistaminen on teollisuudelle tärkeää esiteollista tutkimusta, jonka tulosten perusteella yritykset voivat edetä omassa tuotekehityksessään. Tyypillisesti tuotteille on olemassa kansainväliset standardit, jotka määrittelevät tekniset minimivaatimukset, eli käytännössä kertovat millaisia testejä tuotteiden ja materiaalien tulee läpäistä, jotta ne kelpaavat markkinoille. Yrityksen vastuulle jää kuitenkin määritellä miten ja millaisista raaka-aineista tuotteita valmistetaan ja mikä on tuotteelle tavoiteltu käyttöikä. Näitä valintoja ei aina tehdä ekologisuus edellä, mutta tuotteiden pitkä ja luotettava käyttöaika sekä huoltovapaus ovat usein taloudellistestikin kannattavia valintoja.

Voimme ottaa oppia luonnon materiaalien kestävyydestä

Luonnon materiaaleille ja yhdisteille on ominaista, että ne kestävät tarkoituksessaan “tarpeeksi hyvin”, eli hoitavat vaadittavan tehtävänsä, ja sen jälkeen hajoavat. Mikrobien ja muiden hajottajien toimesta ainesosat palautuvat uudelleen hyödynnettäväksi raaka-aineeksi, eikä tällöin synny esimerkiksi mikromuovimaista jäännettä. Luonnonmateriaalien toiminta perustuu usein niiden hierarkkiseen eli monella tasolla järjestäytyneeseen rakenteeseen, jota vastaavan valmistaminen ei onnistu ilman luonnollista kasvuprosessia. Hyvänä esimerkkinä tästä on puu, jonka solut muodostavat pitkiä putkimaisia kapillaareja, joita pitkin puu saa vettä juuresta latvaan asti.  Solujen seinämät ovat vahvoja ja taipuisia, koska ne muodostuvat selluloosakuiduista, joilla on hyvä vetolujuus. Kuidut taas koostuvat järjestäytyneistä selluloosapolymeeriketjuista, joilla on atomitasolla säännöllinen rakenne, joka mahdollistaa polymeerien tarkan asettumisen toisiinsa nähden. Rakenteensa ansiosta puut voivat elää satoja vuosia ja pysyvät mukautumaan esimerkiksi tuulen suuntaan kaatumatta. Puu voi kestää rakennusmateriaalinakin vuosikymmeniä, mutta sopivissa olosuhteissa se kuitenkin hajoaa kompostoitumalla rakennusosasikseen, jättämättä jälkeensä haitallisia aineita tai jäämiä.

Voimme oppia puilta ja muilta kasveilta paljon hyödyllistä pitkäaikaiskestävyydestä. Kiinnostavaa on esimerkiksi, kuinka puut suojaavat itseään kuoren avulla vuosikymmeniä kestävältä altistukselta auringon UV-säteilylle. Vastaavassa ajassa joudumme huoltamaan ja maalaamaan puusta rakennetun seinän useaan kertaan, mutta puiden kuorissa on paljon suoja-aineita, jotka imevät itseensä haitallista UV-säteilyä ja siten suojelevat itse puuta tältä rasitukselta. Kuoriyhdisteiden hyödyntämistä väri- ja suoja-aineina pinnoitteissa ja muissa valolle altistuvissa materiaaleissa onkin alettu tutkia. Kuoren käyttö raaka-aineena on kiertotaloudenkin kannalta houkuttelevaa, koska kuorta syntyy sahateollisuudessa vuosittain mittavia määriä ja sen hinta on raaka-aineena alhainen. Erityisesti kuoren kaskadikäyttö, eli kertautuva käyttö ensin arvokkaiden uuteaineiden lähteenä ja sen jälkeen poltossa tai muussa käytössä voisi olla kannattavaa.

Puusta jopa kolmannes on ligniini-nimistä liima-ainetta, joka pitää puun kuiturakenteen kasassa ja on siten merkittävässä roolissa puun mekaanisten ominaisuuksien muodostumisessa. Ligniinin pysyvyydestä kertoo paljon, että sienten evoluutiossa merkittävänä harppauksena pidetään vaihetta, jossa sienet oppivat hajottamaan ligniiniä (Sheldrake 2024). Ennen tätä puumateriaali ei hajonnut, vaan kertyi maaperään muodostaen nykyisin tuntemamme fossiiliset raaka-aineet. Tällä hetkellä ligniini on puunjalostuksessa syntyvä sivuvirta, jota hyödynnetään kuorten tavoin vain vähäisesti raaka-aineena. Kysymys kuuluukin, voisiko näistä biopohjaisista suoja- ja liima-aineista valmistaa kestäviä materiaaleja ja korvata tänä päivänä fossiilisiin raaka-aineisiin perustuvia pinnoitteita ja väriaineita?  Jos saamme raaka-aineet hyödyntämättömistä virroista, kuten kuorista ja ligniinistä, ei tätä varten tarvitse erikseen viljellä kasveja tai metsää. HAMKin Lignis-hankkeessa tutkimme parhaillaan metsätalouden sivuvirroista saatavia väriaineita tekstiilien ja pinnoitteiden värjäämisessä ja kehitämme ligniinipohjaisia pinnoitteita ja liimoja rakennusteollisuudelle (Hämeen ammattikorkeakoulu, n.d). Mainittakoon, että nykyisellään pääosa tekstiilien värjäämiseen käytetyistä väriaineista ja rakennetun ympäristömme maaleista valmistetaan fossiilisesta öljystä. Pinnoiteteollisuudessa on käytössä myös biopohjaisia öljyjä hyödyntäviä pinnoitteita, mutta kuten useat niin sanotut biomuovit, ovat nekin käytännössä muovia.

Haasteita biopohjaisiin materiaaleihin siirtymisessä

Biopohjaisiin väriaineisiin ja sideaineisiin, kuten ligniinimateriaaleihin, siirtyminen suuressa mittakaavassa on vasta aluillaan, eikä tuotteita ole vielä laajasti saatavilla. Bioväriaineiden käyttö rajoittuu toistaiseksi käsityö- ja artesaanikäyttöön tekstiilisovelluksissa ja teollisten toimijoiden määrä on vähäinen. Raaka-aineita, kuten kuorta ja ligniiniä on kyllä saatavilla riittäviä määriä, mutta niiden jalostusketjut eivät ole vielä kehittyneet palvelemaan teollisuutta. Niin kauan kuin tuotannon määrä on pieni, ovat biopohjaisten ratkaisut kalliita, mikä on yksi niiden käyttöä rajoittava tekijä.

Biopohjaisten materiaalien teknisiin ominaisuuksiin liittyy vielä ennakkoluuloja. Osin kyse on siitä, että vielä ei ole paljon saatavilla tutkittua tietoa biopohjaisten ratkaisujen teknisestä kestävyydestä verrattuna synteettisiin ratkaisuihin. Tutkimustietoa kestävistä biopohjaisista väriaineista ja niiden mahdollisuuksista muuallakin kuin tekstiilien värjäyksessä alkaa vasta kertyä. On hyvin tärkeää, että tutkittu tieto saavuttaa yritykset, jotka kehittävät innovaatioita, vievät tuotteet markkinoille, ja siten mahdollistavat markkinoiden muodostumisen. Tämän lisäksi myöskään yritysten kaipaamaa tietoa biopohjaisten tuotteiden ekologisuudesta ei vielä ole saatavilla. Jotta vältytään viherpesulta ja voidaan kehittää aidosti ekologisia ja turvallisia tuotteita, on elinkaariarviointia siis alettava tehdä.

Valitettavasti ekologisuus ei ole tällä hetkellä kovinkaan vetovoimaista, vaan huomiomme on kiinnittynyt maailman kriiseihin ja niistä selviytymiseen. Huoltovarmuuden ja turvallisuuden kaltaiset teemat ovat pinnalla ja luontoarvot jääneet keskustelussa taka-alalle. On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että raaka-aineilla ja resursseilla on hyvin suuri yhteys konfliktien muodostumiseen, ja vähäisempi riippuvuus fossiilisista raaka-aineista on huoltovarmuuttamme parantava tekijä. Siksi onkin kaikkea muuta kuin turhaa kehittää ympäristömyönteistä biopohjaisiin sivuvirtaraaka-aineisiin perustuvaa teknologiaa pitkäjänteisesti ja varmistaa uusien tuotteiden pitkäaikaiskestävyys. Se jos mikä on sekä ekologista, että huoltovarmuutta lisäävää.

Kirjoittajat