Mekaanisesti avattujen tekstiilikuitujen karakterisointi

Kirjoitin diplomityöni osana Telavalue-projektia. Aiheena työlleni oli mekaanisesti avattujen tekstiilikuitujen karakterisointi. Mekaanisesti avatut kuidut ovat kuituja, jotka on valmistettu tekstiilituotteista avaamalla ne mekaanisin keinoin: leikkaamalla, repimällä ja murskaamalla.

Mekaanisesti avattujen tekstiilikuitujen on raportoitu olevan lyhyempiä ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan heikompia kuin neitseellisten kuitujen. Lyhentynyttä kuitua käytetään silti monissa erilaisissa komposiittiratkaisuissa, täytteenä tai muuna ratkaisuna. Tavoitteena kuitenkin on, että päästäisiin kuitukierrätykseen (engl. fibre-to-fibre recycling), jossa avatusta tekstiilistä tehdään kuituja uusia neulottuja tai kudottuja tekstiilituotteita varten. Jotta toimiva kuitukierrätys voidaan taata, on kierrätyskuitujen ominaisuuksista tiedettävä se, sopivatko ne jatkossa tekstiilituotantoon esimerkiksi langankehräykseen ja siitä kankaaksi. Työni tähtäsi teoreettisesti selvittämään, mitä ominaisuuksia kuiduilta vaaditaan kehräykseen ja miten tutkimani kuidut näihin ominaisuuksiin sopivat.

Paimiossa sijaitsee kaksi tekstiilien mekaanista avauslinjastoa, joilla myös osa tutkimistani näytteistä on avattu. Paimion tiloissa toimivat Lounais-Suomen jätehuolto (LSJH) ja Rester ovat osa Telavalue-konsortiota, ja pääsinkin käymään vierailulla LSJH:n toimipisteellä tutustumassa. Kävimme toisen opinnäytetyöntekijän, Susanna Raiskion, kanssa tutustumassa LSJH:n lajittelupisteeseen, varastoon ja avauslinjastoon.

Mekaanisesti avatut kuidut neitseellisiä lyhyempiä

Valitsimme ohjaajani kanssa työni pääpainoksi puuvillakuituja, sillä niitä oli Telavaluen materiaaleissa erilaisilta avauslinjastoilta ja erilaisista tekstiililähteistä. Valitsin vertailuun kaksi teollisuuden sivuvirroista saatua tekstiilikuitua ja neljä erilaista kulutusjätteestä saatua tekstiilikuitua (kuvassa 3). Kuvassa näkyvät puuvillakuidut e – g on avattu keskenään samalla linjastolla ja samoilla asetuksilla (LSJH:n linjasto), mutta muuten kuidut ovat eri linjastoilta. Kuituja karakterisoitiin pituuden, murtolujuuden ja -venymän, hienouden, pintarakenteen ja kuitukoostumuksen avulla. Kuitujen pituuksia mitattiin käsin, mekaanisia ominaisuuksia vetolujuuskokeilla, pintarakennetta tutkittiin SEM-kuvauksen avulla ja kuitukoostumuksia vertailtiin DSC- ja FT-IR-kokeilla.

1. referenssipuuvilla, 100 % puuvillaa
2. teollisuuden sivuvirta, neulottu kangas, 100 % puuvillaa
3. teollisuuden sivuvirta, kudottu kangas (farkku), 100 % puuvillaa
4. kulutusjäte, työvaatteet, 100 % puuvillaa
5. kulutusjäte, kuluttajilta kerätyt farkut, 98 % puuvillaa, max. 2 % muita kuituja
6. kulutusjäte, kuluttajilta kerätyt farkut, 98 % puuvillaa, max. 2 % muita kuituja. Pehmennetty avauslinjastolla.
7. kulutusjäte, kuluttajilta kerätyt farkut, 90 % puuvillaa, 10 % elastaania ja muita kuituja

Pituusmittaustuloksista käy ilmi, että mekaanisesti avatut kuidut ovat lyhyempiä kuin neitseelliset kuidut, ja myös eri kierrätyskuiduilla on eroja. Eroja pituudessa aiheuttavat esimerkiksi avauslinjaston asetukset, linjaston giljotiinien leikkaamien palojen koko, kerätyn tekstiilin laatu, rakenne tai väri ja alkuperäinen kuidun pituus. Lyhimmät keskipituudet löydettiin kuiduille, jotka oli valmistettu kudotuista tekstiilipaloista teollisuuden sivuvirroista. Näidenkään kuitujen pituus ei kuitenkaan ole este niiden käyttämiseksi langankehruussa, etenkään esimerkiksi sekoitelangoissa vahvempien, pidempien kuitujen tai neitseellisten kuitujen kanssa. Kuitulujuuksissa, -venymissä ja -hienouksissa ei todettu olevan suuria eroja neitseellisen referenssikuidun ja mekaanisesti avattujen kuitujen välillä. Kuituhienoudet olivat noin 2 dtexin luokkaa, mikä yleisesti koetaan hyvänä arvona kehrättävyyden kannalta.

Kuitujen pintojen tarkastelu näytti, että mekaanisesti kierrätetyissä kuiduissa on jonkin verran kulumaa, joka voi olla avauslinjastojen rumpujen ja terien aiheuttamaa. Toisaalta kuitupintojen avautumista nähtiin etenkin kulutusjätteestä saaduista kuiduissa, mikä voi viitata myös käytön (hankaukset muiden pintojen kanssa, pesut) aiheuttamaan mekaaniseen vaurioon. Pääosin kuluminen oli vähäistä. SEM-kuvien (pyyhkäisyelektronimikroskooppi, Scanning Electron Microscope) perusteella voidaan arvioida, että kulutusjätteestä (käytöstä poistettu) saadut tekstiilikuidut olivat likaisempia kuin käyttämättömät, tekstiiliteollisuuden sivuvirroista saadut kuidut tai referenssikuitu.

1. SEM-kuva referenssipuuvillasta. 500x suurennos.
2. SEM-kuva tuotannon sivuvirran tekstiilistä; kudottu kangas. 500x suurennos.
3. SEM-kuva kulutusjätetekstiilistä; kuluttajilta kerätty farkkujae, min. 90 % puuvillaa. 500x suurennos.

Kemiallisen kuitukoostumuksen tarkastelu näytti, että korkea puuvillapitoisuus nähtiin kaikissa näytteissä. Tämän lisäksi kulutusjätteestä saaduissa kuiduissa näkyi merkkejä esimerkiksi polyesterista. On todennäköistä, että kulutusjätteestä saaduissa kuiduissa on polyesteriä, sillä usein esimerkiksi brodeerauksissa ja saumoissa käytetään polyesterilankaa. Teollisuuden sivuvirroista saaduissa kuiduissa on materiaalina vain puuvillakangasta, kun kulutusjäte koostuu vaatteista. FT-IR-todennuksessa voidaan myös nähdä materiaalin mahdollisia väriaineita tai päällysteitä.

Tarkkuutta tekstiilien tunnistukseen tarvitaan

Kirjallisuus ja tutkimus mekaanisesti avattujen kuitujen ominaisuuksista lisääntyy, ja samalla lisääntyy tietotaito kierrätyskuitujen käytöstä uusien tekstiilituotteiden raaka-aineina. Kirjallisuus ja tämän diplomityön tulokset osoittavat, että mekaanisesti avatut kuidut soveltuvat langankehruuseen. Tutkimusta tarvitaan kuitenkin lisää esimerkiksi lajittelun ja raaka-aineen tunnistamisen osalta.

Euroopan unionin säädös tekstiilijätteen erilliskeräyksestä tulee voimaan 1.1.2025. Suomessa kuluttajien tekstiilejä on kerätty vuoden 2023 alusta. LSJH:n tiloissa kulutusjätteen lajittelu tehdään pääosin manuaalisesti, ja se on koettu kuitusisällön todentamisen kannalta tehokkaaksi. Ongelmaksi tulevaisuudessa noussee kuitenkin pesulappujen satunnaisesti virheellinen tai epämääräinen sisältö, tai pesulappujen puuttuminen. On myös vaikea ennustaa, miten paljon ja millaista tekstiiliä kuluttajilta kerätään esimerkiksi 10 tai 20 vuoden päästä. Tämä lisää tarkan ja tehokkaan tunnistustavan tarvetta, ja aiheuttaa sen, että kulutusjätteen sisältö määrittää kuitumarkkinoita. Diplomityön tulosten perusteella voidaan sanoa, että tuotannon sivuvirtojen kuitukoostumusta ja puhtautta on helpompi kontrolloida kuin kulutusjätteen. Kulutusjätteen tärkeyttä ei voi kuitenkaan laiminlyödä, jos koko tekstiilivirta halutaan tulevaisuudessa uudelleen kiertoon.

Kaikki diplomityön tulokset ja kattava kirjallisuuskatsaus ovat luettavissa Tampereen yliopiston julkaisuarkistossa myöhemmin tänä vuonna.

Ella Kärkkäinen
tekstiili-insinööri ja pian valmistuva materiaalitekniikan DI
ella.karkkainen@vtt.fi