Tulevaisuuden tähtenä ligniini

Suomen kansallisen ilmasto- ja energiastrategian tavoitteena on, että Suomi on hiilineutraali viimeistään vuonna 2035. Tämä tarkoittaa sitä, että voimme päästää ilmakehään hiilidioksidia vain sen verran kuin hiilinielumme, kuten metsät ja suot, sitovat (Työ- ja elinkeinoministeriö, 2022). Jotta tähän tavoitteeseen päästään, pitää kaikki keinot ottaa käyttöön! 

Rakennusteollisuus on merkittävä päästöjen tuottaja, sillä rakennukset ja rakentaminen aiheuttavat noin kolmanneksen Suomen kasvihuonekaasupäästöistä. Rakentamisessa tehtävien valintojen avulla on kuitenkin mahdollista edistää Suomen hiilineutraaliutta. Rakennusten elinkaaren hiilijalanjälkeä laskettaessa on havaittu, että rakennusmateriaaleilla on merkittävä osuus rakentamisen päästöjen synnyssä, ja yksi keino vähentää rakennuksen hiilijalanjälkeä onkin valita yhä ekologisempia vaihtoehtoja rakennustuotteiksi (Ympäristöministeriö, n.d.-b). Vähän päästöjä aiheuttavia rakennusmateriaaleja ovat puu ja erityisesti korkean jalostusasteen insinööripuutuotteet. 

Puutuotteiden valmistuksessa ja käytössä tarvitaan erilaisia pinnoitus-, liimaus- ja kyllästystuotteita, joiden käyttö lisää puun toiminnallisuutta ja pidentää sen käyttöikää. Pinnoitteiden ja liimojen muovinkaltaiset sideaineet saadaan fossiilisista raaka-aineista, ja ne voivatkin tehdä kertaalleen käytetyistä puutuotteista ongelmajätettä sisältämiensä haitallisten aineiden vuoksi. Näiden korvaamiseksi tutkimme, miten puunjalostuksen sivuvirtana syntyvää ligniiniä voidaan hyödyntää rakennustuotteissa. Ligniini on biopohjainen vaihtoehto muun muassa liimojen ja pinnoitteiden raaka-aineeksi, ja se alentaa tuotteista haihtuvien, haitallisten VOC (Volatice organic chemicals) -yhdisteiden määrää. VOC-yhdisteet ovat sisäilman kemiallisia epäpuhtauksia, jotka ovat suurina pitoisuuksina ihmisille haitallisia. Ligniinin hyödyntäminen siis vähentää sekä tarvetta käyttää fossiilisia raaka-aineita että lisää puun käyttöä rakentamisessa.

Mikä ihmeen ligniini?

Ligniini on kasvien, kuten puiden, sisältämä sideaine, ja sitä löytyy lähes kaikkien kuivan maan kasvien soluseinämistä. Ligniini sitoo kasvimateriaalien komponentit, selluloosan ja hemiselluloosan, toisiinsa, antaa puulle jäykkyyttä ja lahonkestoa sekä kasveille tuki- ja suojarakenteen estäen taudinaiheuttajien pääsyn kasviin (Stora Enso, n.d.-a). Teollisuudessa ligniiniä syntyy selluloosan valmistuksen sivutuotteena, ja sitä hyödynnetään pääasiassa polttoaineena tuottamaan energiaa. Ligniini voidaan kuitenkin nähdä monipuolisena raaka-aineena: siitä voidaan valmistaa erilaisia kemikaaleja ja materiaaleja. Kaupalliselle asteelle päässeitä ligniinituotteita ovat esimerkiksi kasvien biostimulantit (UPM, 2024) ja ligniinilaatu, jolla korvataan öljypohjaisia fenoleita muun muassa eristemateriaaleissa (Stora Enso, n.d.-b). Tulevaisuudessa ligniiniä saatetaan käyttää vielä enemmän erilaisissa käyttötarkoituksissa, kuten asfaltin valmistuksessa (Stora Enso, 2021). Kuvassa 1 on ligniinijauhetta jota on hyödynnetty esimerkiksi liimatestauksessa.

Kuva 1. Ligniinijauhetta.

Useat ligniinin käyttökohteista ovat vasta tutkimustasolla. Ligniinitutkimusta on tehty liittyen muun muassa puunsuoja- ja palonestoaineisiin, liimoihin ja biomuoveihin. Nyt ligniinistä kehitetään paloturvallisia ja kestäviä ratkaisuja puutuotteiden pinnoitteiksi (Hämeen ammattikorkeakoulu, n.d.). Hämeen ammattikorkeakoulussa tehtävän tutkimuksen tavoitteena on hyödyntää ligniinin luontaista paloturvallisuutta puutuotteissa käytettävissä biopohjaisissa sideaineissa ja pinnoitteissa sekä edistää rakennetun ympäristön vähähiilisyyttä tukemalla puu- ja hybridirakentamisen ratkaisuja. Tutkimuksessa selvitetään myös niiden ympäristövaikutuksia.

Ligniinin käyttö edistää puu- ja hybridirakentamista 

Suomen kansallinen ilmastotavoite edellyttää rakentamisen ja erityisesti rakennusmateriaalien hiilijalanjäljen pienentämistä (Ympäristöministeriö, n.d-a). Puun ja korkean jalostusasteen insinööripuutuotteiden käyttö rakentamisessa sitoo rakennuksiin hiiltä. Puu ei kuitenkaan yksin voi ratkaista rakentamisen haasteita, sillä puun mekaaninen kestävyys on huonompi kuin esimerkiksi betonin tai teräksen, eivätkä sen rakennusfysikaaliset ominaisuudet sovellu kaikkiin rakennuksen osiin yksinään. Onkin syytä kehittää ns. hybridirakentamista eli rakennustapaa, jossa puuta, betonia ja terästä yhdistetään tavoilla, joissa hyvän toiminnallisuuden lisäksi rakennuksen elinkaarivaikutuksia saadaan alennettua. Innovatiiviset elementtien liitosratkaisut voivat mahdollistaa osien uudelleenkäytön, jolloin myös elementtien ja koko rakennuksen elinkaari pitenee. 

Jotta puurakenteet ja elementit saadaan pysymään toimintakuntoisina pitkään, on huomioitava puun erityiset vaatimukset. Puu on arka kosteudelle, altis homehtumiselle ja lahoamiselle ja on lisäksi palavaa (KK Palokonsultti, n.d.). Puurakenteiden paloturvallisuus herättää paljon huolta ja on myös esteenä suurten rakennuksien toteuttamiselle puu- tai hybridirakentamisen keinoin. Jotta korkeiden rakennusten rakentamiselle vaadittava paloluokitus voidaan saavuttaa, puun ja puutuotteiden palonkestoa parannetaan pinnoitteiden, kyllästeiden ja palonkestävien liimojen avulla. Usein puiset rakenteet joudutaan kuitenkin peittämään esimerkiksi kipsilevyllä, mikä vähentää puurakentamisen esteettistä arvoa sekä nostaa rakennuksen ympäristövaikutuksia. Nyt tutkimme, miten ligniinipohjaisia sideaineita, pinnoitteita ja imeytysaineita käyttäen valmistetut puutuotteet selviytyvät palotilanteissa. Ligniinituottein käsitellylle puulle pyritään nyt saamaan laboratorio-olosuhteissa riittävän hyvä paloluokitus, jotta yritykset voivat jatkaa omaa tuotekehitystään ja viemään tutkimuksen tuloksia käytäntöön. Tutkimus edistää uusien vähähiilisten innovaatioiden syntymistä rakentamisen alalle, ja sillä odotetaan olevan puurakentamista edistäviä ja yhteistyötä lisääviä vaikutuksia (Hämeen ammattikorkeakoulu, n.d.). 

Miten ligniini käyttäytyy palotilanteessa? 

Nyt meneillään olevassa Lignis-hankkeessa tutkitaan, miten ligniini käyttäytyy palotilanteessa, kun sitä on käytetty puuosien liimaukseen sekä puun pinnoittamiseen ja kun sitä on imeytetty puuhun. Pyrkimyksenä on hyödyntää ligniinin hiiltymistä ja muita omaisuuksia palon edistymisen hallintaan. Tutkimuksessa hyödynnetään ligniinistä jalostettuja pallomaisia CLP-partikkeleita (CLP = Colloidal lignin particles). Pinnoitteessa ja liimassa ligniinimateriaalin pallomainen rakenne helpottaa sen sekoittumista väliaineiseen ja tasaisen kiinteän aineen muodostumista yhdessä kovetteen kanssa. Toisaalta alle mikrometrin kokoiset ligniinipallot saadaan imeytettyä paineen avulla puun solukkoon, jolloin palamista ylläpitävän ilman pääsy palavaan puuhun estyy (Aalto-yliopisto, 2018).   

Aalto-yliopiston kanssa tehtiin yhteistyössä ligniininäytteiden palokokeita kartiokalorimetrillä. Kartiokalorimetri on laite, jota käytetään palotekniseen tutkimukseen ja testaukseen. Laite mittaa näytteen palavuutta ja syttyvyyttä. Testeissä tutkittiin erilaisten liimojen delaminoitumista eli puun lamelliosien irtaantumista toisistaan palotilanteessa CLT-näytteillä (CLT = Cross-laminated timber eli ristiinliimattu puu). CLT-puu on suosittu teollisen puurakentamisen materiaali, jota käytetään hyvien mekaanisten ominaisuuksien takia. Kokeessa käytettiin CLT-näytteiden välissä kolmea erilaista liimatuotetta: kaupallisia komponenttiliimatuotteita 1 ja 2 sekä kokeellista ligniiniliimaa, joka on kehitetty Hämeen ammattikorkeakoulussa (HAMK). Testeissä havaittiin liiman kantokyvyn heikkenemistä, kun näytteiden lamellikerrokset irtosivat ja putosivat. Tuloksena oli, että ligniiniliima toimi lähes yhtä hyvin kuin komponenttiliima 1. Kehitettävää on kuitenkin vielä kestävyydessä ja toistettavuudessa.  

Kuvassa 2 on ligniinillä pinnoitetun puulevyn polttotesti käynnissä HAMKissa. Tämän testauksen avulla saadaan arvokasta tietoa ligniinin vaikutuksesta puun palamiseen ja hiiltymiseen.

Kuva 2. Ligniinilevy polttotestissä.

Yhteenveto ja johtopäätökset

HAMKissa tehdyissä testeissä on havaittu, että ligniini on toimiva vaihtoehto ekologisempiin rakennustuotteisiin. Ligniinin käyttö puun ja insinööripuutuotteiden palo-ominaisuuksien parantamiseksi voi lisätä vähäpäästöisten rakennusmateriaalien käyttöä. Ligniinipohjaisten tuotteiden raaka-aineet eroavat jo käytössä olevista liimoista ja pinnoitteista ja ovat vielä kehitysvaiheessa, minkä vuoksi käytännön tutkimus ja testaaminen on hyvin tärkeää ja ajankohtaista. Hankkeessa tehtävän tutkimuksen tuloksina on tähän mennessä saatu alustavaa tietoa ligniiniliiman toiminnasta palotilanteessa sekä pinnoitteen vaikutuksesta palon etenemiseen. Tuotteiden testaamiseen on olemassa omat standardit, joiden mukaan niille tehdään erilaisia kosteus-, palo-, vetolujuus- ja lämpötilatestejä, jotka myös ligniinipohjaisten tuotteiden on läpäistävä. Testit antavat tuotteille tiettyjä luokituksia, joita tarvitaan erilaisiin käyttökohteisiin.  

Lignis-hankkeen palotesteissä sekä HAMKissa että Aalto-yliopistossa on havaittu, että ligniinipinnoitettu tai liimattu puunäyte palaa eri tavalla kuin pinnoittamaton puu. Ligniiniliimaa sisältävien puunäytteiden tutkimus Aalto-yliopistossa osoittaa, että lisää tutkimusta tarvitaan, jotta saadaan toistettavuutta ja varmuutta tuloksiin. 

Kaiken kaikkiaan Lignis-hankkeen tutkimuksessa saadut tulokset ovat olleet lupaavia, ja mahdollisia käyttökohteita saattaisi olla paljon enemmänkin. Ligniini on tulevaisuuden biopohjaisten aineiden kärkiaiheita sen monenlaisten käyttömahdollisuuksien vuoksi. Siinä on paljon potentiaalia, mutta myös haasteita. Suurimmat haasteet tuntuvat olevan tulosten toistettavuudessa.

Ligniinin hyödyntämisen onnistuminen on tärkeä askel tulevaisuuden uusiutuviin raaka-aineisiin pohjautuvalle biotaloudelle, jonka tavoitteina on vähentää rakennusalan hiilijalanjälkeä ja fossiilisten luonnonvarojen käyttöä sekä ehkäistä ekosysteemien köyhtymistä.

Kirjoittajat