„Kohe pärast oma esimese hariduse omandamist erialal „Rõivaste tehniline disain“ Tallinna Tehnikakõrgkoolis olin väga nõutu selle suhtes, mida oma eluga edasi teha. Hea baas uue rõivakonstruktori tööks oli olemas, kuid sel hetkel ei olnud mul ei tugevat soovi ega ka võimalust leida püsivat tööd oma erialal,“ meenutab Ilnitskaja.
Puidu-, plasti- ja tekstiilitehnoloogia magistriõppekava leidis ta peaaegu juhuslikult, sest tekkis soov saada aimu, milliseid kursusi ülikool pakub. „Kõige rohkem üllatas mind kursuste mitmekesisus, samuti võimalus mitte jääda ainult ühe valdkonna piiridesse ning julgustus uurida laiemat hulka informatsiooni. Olen keemiat armastanud juba kooliajast ning minu lemmikõppeaine ülikoolis oli Tekstiilikeemia ja keskkonnakaitse.“
Magistriõpingute jooksul kujunes juhuslikust huvist välja konkreetne teadussuund. Õppekavale kandideerides oli Ilintskaja valmis selleks, et hakkab õppima enda jaoks täiesti uut valdkonda. Kuid ta ei osanud oodata, kui vastutulelikud ja valmis oma teadmisi jagama õppejõud tegelikult olid.
„Kahe aasta jooksul laiendasin oluliselt oma erialast kompetentsi, süvenesin tselluloosi ja selle modifitseerimise teemasse ning lõpetasin programmi väga heade tulemustega, jätkates sama teemaga ka doktorantuuris. Üks otsus kandideerida sellele õppekavale mitu aastat tagasi muutis mu elu uskumatult palju ning ma ei kujuta ette ühtegi teist võimalikku arenguteed,“ tõdeb nooremteadur.
Täna uurib Ilnitskaja TalTechi biopolümeeride tehnoloogia laboris tselluloosipõhiseid bioplaste, millel nähakse suurt potentsiaali pakenditööstuse tulevikumaterjalidena.
„Tselluloosipõhine bioplast on polümeermaterjal, mis saadakse looduslikust tselluloosist, mida leidub puidus, puuvillas ning erinevates põllumajanduslikes jääkides ehk biomassis,“ selgitab Ilnitskaja. „Need materjalid erinevad tavaplastist selle poolest, et on tehtud taastuvast, mitte naftapõhisest toorainest, mistõttu mängivad need olulist rolli üleminekul jätkusuutlikumale majandusele.“
Kuigi tselluloos on looduslik ja laialt levinud, ei ole selle töötlemine sugugi lihtne. Tegemist on keemiliselt väga vastupidava ainega, mille eripära tuleneb selle molekulaarsest ehitusest.
„Selle makromolekulid koosnevad pikkadest lineaarsetest ahelatest, mis on üles ehitatud korduvatest glükoosiühikutest – süsivesikust, mida nimetatakse ka viinamarjasuhkruks,“ kirjeldab Ilnitskaja.
Erinevalt enamikust madalmolekulaarsetest suhkrutest ei lahustu tselluloos vees. Nooremteadur selgitab, et sellel on kõrge mehaaniline tugevus ja vastupidavus välismõjudele ning see laguneb looduslikes tingimustes suhteliselt aeglaselt. Just see tugevus ja stabiilsus teevad tselluloosist atraktiivse, kuid samas keeruka lähteaine uute materjalide loomiseks.
Kohalik tooraine, millel on globaalne mõju
Lisaks keskkonnaaspektile peitub tselluloosipõhistes bioplastides ka suur majanduslik potentsiaal. „Biomass on kohalik ressurss, mis on kättesaadav igas riigis või piirkonnas,“ märgib Ilnitskaja.
Selliste riikide jaoks nagu Eesti, kus puidutööstus on üks majanduse alustalasid, võib tselluloosi, eriti puidu- ja põllumajandusjäätmete kasutamine olla märkimisväärne tehnoloogiline ja majanduslik arengusuund.
Samas rõhutab Ilnitskaja, et materjali omadused ei sõltu ainult toorainest, vaid suurel määral ka sellest, kuidas tselluloosi keemiliselt töödeldakse.
Rasvhapped annavad plastile uued omadused
Tselluloosi kasutusvõimaluste laiendamiseks tuleb seda modifitseerida. Üheks suunaks on siin rasvhapete kasutamine. „Tselluloosi modifitseerimine võimaldab selle omadusi oluliselt muuta ja rakendusvaldkondi laiendada,“ selgitab Ilnitskaja.
TalTechi nooremteadur toob välja, et teadlased on leidnud viisi, kuidas muuta tselluloos plastilaadseks materjaliks nii, et sellele pole vaja juurde lisada eraldi pehmendavaid aineid. See on oluline areng, sest varasemate lahenduste puhul tuli neid lisandeid sageli kasutada, kuid need võisid materjali omadusi halvendada ja teha selle taaskasutamise keerulisemaks.
Reaktiivne ekstrusioon aitab tselluloosi töödelda
Üks olulisemaid tehnoloogiaid selle materjali arendamisel on reaktiivne ekstrusioon – protsess, mis aitab viia laborikatsetused tööstuslikku tootmisse. Lihtsustatult tähendab see seda, et spetsiaalses seadmes segatakse ja kuumutatakse materjale väga intensiivselt, nii et samal ajal toimub ka keemiline reaktsioon.
Kuna tselluloos ei sula nagu tavaline plast, tuleb see esmalt töötlemiseks „lahti murda“. Selleks kasutatakse kuumust ja tugevat mehaanilist töötlemist, mis muudab materjali struktuuri paindlikumaks. Seejärel reageerib tselluloos rasvhapetega ning tulemuseks on uus materjal, millel on plastile sarnased omadused ja mida saab töödelda samade meetoditega nagu tavalist plasti.
Tulemuseks on materjal, mis on hüdrofoobsem ja omab termoplastseid omadusi, ehk seda saab töödelda samade meetoditega nagu tavalist plasti.
Kas bioplast suudab tavalise plastiga konkureerida?
Ehkki areng on kiire, ei ole tselluloosipõhised bioplastid veel täielikult traditsiooniliste plastide tasemele jõudnud. „Need võivad olla hapramad, vähem vastupidavad mehaanilistele koormustele ning tundlikumad keskkonnatingimuste, sealhulgas niiskuse suhtes,“ toob Ilnitskaja välja bioplastide nõrkused.
„Selliste materjalide arendamise peamised raskused on seotud sellega, et tselluloosi on algselt keeruline töödelda,“ nendib Ilnitskaja. Lisaks on väljakutseteks tootmise maksumus ja protsesside stabiilsus tööstuslikus mahus.
Samas on potentsiaal suur. „Reaktiivne ekstrusiooni edukas rakendamine võib viia pidevate ja energiatõhusate tootmisprotsessideni, mis ei nõua kallite toorainete kasutamist ning võivad oluliselt mõjutada kogu plastitööstust,“ lisab ta.
Kus võiksime bioplasti tulevikus näha?
Pakenditööstus on üks peamisi valdkondi, kus tselluloosipõhisel bioplastil on oma kindel koht.
„Tulevikus võib tselluloosipõhiseid bioplaste kasutada mitmesugustes pakendilahendustes: toidukiledes, ühekordses pakendis ning barjäärkihina paberil ja kartongil,“ loetleb Ilnitskaja.
Eriti huvitav on võimalus asendada fossiilsel toorainel põhinevad kihid biopõhistega. „Üheks eriti perspektiivseks suunaks on polüetüleenkihi asendamine biopolümeeril põhinevate katetega mitmekihilistes pakendites, näiteks lahendustes, mida kasutab Tetra Pak.“
Laborist tööstusesse
On tselluloosimaterjale, mida toodetakse juba ammu tööstuslikult, ent uued tehnoloogiad on alles teel turule. „Uuemad lahendused, sealhulgas rasvhapetega modifitseerimine reaktiivse ekstrusiooni abil, on hetkel pilootprojektide või varajase kommertsialiseerimise faasis,“ ütleb Ilnitskaja.
TalTechis käib selles vallas ka aktiivne arendustöö. „Praegu tehakse Tallinna Tehnikaülikooli biopolümeeride tehnoloogia laboris aktiivset tööd sada protsenti biopõhiste tselluloosimaterjalide arendamiseks reaktiivse ekstrusiooni abil. Nende uuringute eesmärk on luua konkurentsivõimelised materjalid ja tehnoloogiad, mis sobivad tööstuslikuks rakendamiseks, ning edendavad bioplastide tootmise valdkonda Eestis.“
Kas bioplast on alati parem valik?
Kuigi sõna bioplast kõlab keskkonnasõbralikult, ei ole kõik mustvalge. „Oluline on mõista, et bioplastid ei ole automaatselt keskkonnasõbralikum lahendus. Nende tegelik keskkonnamõju sõltub paljudest teguritest, sealhulgas tooraine päritolust, tootmise energiakulust ja materjali käitlemisest pärast kasutamist,“ rõhutab Ilnitskaja.
Seetõttu tuleb materjalile objektiivse hinnangu andmiseks läbi viia kogu elutsükli analüüs (LCA), mitte lähtuda üksnes selle biopõhisusest.
Üks on siiski kindel: suund on paigas. „Tööstus liigub taastumatutest ressurssidest eemale ning tselluloos on selles kontekstis üks perspektiivikamaid ja jätkusuutlikumaid tooraineid tuleviku polümeermaterjalide jaoks.“
Tutvu TalTechi puidu-, plasti- ja tekstiilitehnoloogia magistrikavaga siin.
Tallinna Tehnikaülikooli tudengid, vilistlased ja teadlased loovad lahendusi, mis viivad edasi nii Eestit kui ka maailma. Reaalsed teadmised loovad reaalseid lahendusi. Vastuvõtt Tallinna Tehnikaülikooli on avatud 6. juuli keskpäevani: taltech.ee/reaalne