Włókna celulozowe: Back in the Spotlight

Renewed interest in fibres derived from natural cellulose (non-petrochemical) sources has seen demand for such fibers grow to 6 million tons per year currently, an approximate doubling of demand since 2000, according to Tecnon OrbiChem’s supply and demand data.

Termin ”włókna celulozowe” lub ”włókna celulozowe” obejmuje różne podtypy włókien, które są czasami lepiej znane jako Rayon lub przez ich nazwy marek, lub nazwy podtypów, takich jak wiskoza, Lyocell, Modal, itp. Kluczową cechą wszystkich tych włókien jest to, że są one produkowane z naturalnej pulpy celulozowej (lub w niektórych przypadkach obecnie z części pulpy celulozowej pochodzącej z recyklingu – o czym więcej powiemy poniżej), dlatego nie są uważane za syntetyczne. Jednakże, włókna celulozowe są również często określane w przemyśle jako ”włókna celulozowe wytwarzane przez człowieka” (MMCF), ponieważ ich wytwarzanie wymaga przetwarzania za pomocą środków petrochemicznych, aby wziąć pulpę celulozową i zregenerować ją w formie, która pozwala włóknom być przędzone lub przetwarzane do innych (bardziej drobnych) zastosowań, takich jak folie.

Włókna nienaturalne są często klasyfikowane jako „syntetyczne”, jeśli pochodzą z ropy naftowej, „sztuczne”, jeśli pochodzą z obróbki materiałów naturalnych, z obydwoma razem określanymi jako „włókna wytworzone przez człowieka”.

Dlaczego wznowiono zainteresowanie włóknami celulozowymi? Tecnon OrbiChem rozumie, że główny napęd pochodzi z zastosowania mieszanek wiskozy z bawełną lub syntetycznymi włóknami, w celu nadania miękkości i absorpcji wilgoci na tkaninie. Wiskoza ma o 50% większą chłonność wilgoci niż bawełna, co oznacza, że kolejnym ważnym rynkiem zbytu są chusteczki higieniczne. Czy zrównoważony charakter włókien drewnopochodnych ma znaczenie dla promocji wiskozy i lyocellu? Informacje zwrotne od właścicieli marek odzieżowych wykorzystujących w odzieży różne rodzaje włókien syntetycznych i naturalnych sugerują, że konsumenci przy zakupie często nie biorą pod uwagę rodzaju włókna – wielu konsumentów nie wie, jaka jest różnica między włóknami syntetycznymi a naturalnymi – a zatem popyt nie zawsze jest napędzany z poziomu konsumenta w łańcuchu wartości, pomimo negatywnych informacji krążących w mediach na temat tworzyw sztucznych i wyrzucania mikroplastików z tekstyliów. Istnieje jednak pewna siła przyciągania rynku ze strony klientów końcowych, którym podoba się idea włókien pochodzenia naturalnego. Niektórzy producenci, na przykład bielizny lub skarpet, ogłaszają, że używają wiskozy na bazie bambusa.

Z drugiej strony, włókna celulozowe mogą zaoferować właściwości bliższe tym z bawełny niż mogą być zapewnione przez włókna syntetyczne, plus właściciele marek sami są świadomi zielonych celów i potrzeby dla świata, aby zmniejszyć zależność od petrochemicznych surowców, które prowadzą do rosnącego stężenia CO2 w atmosferze. Włókna celulozowe z naturalnych surowców wydają się więc atrakcyjnym sposobem zaspokojenia zapotrzebowania na alternatywne, ekologiczne rozwiązania w stosunku do włókien pochodzenia petrochemicznego w związku z rosnącym światowym popytem na włókna.

Włókna wiskozowe są bardzo miękkie i wygodne i są coraz częściej stosowane w artykułach, które są noszone przy skórze (bielizna), lub w odzieży wierzchniej, gdzie miękkość jest na premii (kardigany, bluzy). Ale prawie zawsze w mieszankach z twardszymi włóknami, ponieważ wiskoza ma słabą odporność na ścieranie (skarpety ze 100% wiskozy rozpadłyby się na kawałki po kilku noszeniach). Coraz częściej stosuje się ją w chusteczkach, gdzie miękkość łączy się z chłonnością wody i degradowalnością.

Tecnon OrbiChem monitoruje rosnący światowy popyt na włókna od 1980 roku, a poniższy wykres przedstawia rozwój sytuacji. Popyt na włókna jest bardzo silnie związany ze wzrostem ogólnego światowego PKB i to napędza obserwowany trend. Przewiduje się, że całkowity popyt osiągnie ~ 147 milionów ton do 2030 roku (jak pokazano na wykresie).

Gdy celem jest zmniejszenie emisji CO2, zastąpienie części zapotrzebowania na włókna poliestrowe pokazane na wykresie z włókien celulozowych wydaje się w pierwszej kolejności oczywistym krokiem, choć ze stosunkowo niewielkiego punktu wyjścia, gdy włókna celulozowe są tylko 6 mln ton całkowitego popytu.

Jednakże, włókna celulozowe nie są tak „zielone” jak sugeruje proste stwierdzenie, że pochodzą one z naturalnych źródeł. Sam przemysł włókien celulozowych swobodnie przyznaje, że można i należy zrobić więcej, aby procesy chemiczne wytwarzania włókien celulozowych były bardziej przyjazne dla środowiska. Dwa kluczowe procesy stosowane na całym świecie to proces wiskozowy, w którym wytwarza się prawie 90% światowych włókien wiskozowych i włókien odcinkowych, oraz proces Lyocell stanowiący kolejne 10%. W procesie produkcji wiskozy jako rozpuszczalnika używa się wysoce toksycznego dwusiarczku węgla (CS2), który jest wprawdzie odzyskiwany w procesie technologicznym, jednak postępowanie z tym materiałem stanowi wyzwanie, podobnie jak odprowadzanie do atmosfery odpadów, w tym siarki do powietrza i kwasu siarkowego. W ostatnich latach standardy zostały poprawione, ponieważ najnowsze technologie zostały szerzej wdrożone.

Proces Lyocell wykorzystuje N-tlenek N-metylomorfoliny (NMNO) jako rozpuszczalnik i przy zmniejszonej ilości odpadów jest postrzegany jako bardziej przyjazny dla środowiska. Skupienie się na zmniejszeniu ilości wysoce toksycznego CS2 doprowadziło do opracowania procesu karbaminianu celulozy, który jest obecnie postrzegany jako najbardziej realna opcja zastąpienia lub modernizacji istniejącej technologii wiskozowej.

Chiny są obecnie zdecydowanie wiodącym światowym producentem włókien wiskozowych. W 2019 roku produkcja zszywek wiskozowych w Chinach wyniosła 3 672 kt według danych China Chemical and Fiber Economic Information (CCFEI). Szacunki Tecnon OrbiChem mówią, że światowa produkcja w 2019 roku wyniosła 4 528 kt, co oznacza, że Chiny stanowiły 81% globalnej produkcji.

Kwestie te skłoniły do dalszego rozwoju rozwiązań w zakresie „ekologizacji” przemysłu włókien celulozowych, przy czym najszerzej dyskutowanym rozwojem jest możliwość recyklingu. Szereg firm i organizacji obecnych na konferencji opisało postęp w recyklingu włókien celulozowych z fabryk odzieżowych lub z recyklingu poużytkowego z powrotem do pulpy celulozowej. Ogólna zasada polega na wyodrębnieniu włókien celulozowych ze skrawków bawełny lub wiskozy, odzieży lub nawet tekstyliów mieszanych zawierających włókna celulozowe i wytworzeniu z nich pulpy, która może być zmieszana z pierwotną paszą wytworzoną z drewna. Jedno ze źródeł sugeruje, że może istnieć dostępność 20 milionów ton rocznie odpadów bawełnianych i 10 milionów ton rocznie odpadów wiskozowych, chociaż liczby te wydają się duże, biorąc pod uwagę wielkość produkcji bawełny nie przekracza ~25 milionów ton rocznie.

Firmy realizujące takie projekty to między innymi Lenzing, z marką REFIBRA™ produkującą włókno Lyocell w oparciu o ponowne wykorzystanie skrawków bawełny i korporacyjnym celem redukcji emisji CO2 o 50% do 2030 roku; Infinited Fiber (Finlandia), również wykorzystująca proces wolny od CS2 i mająca powiązania z markami modowymi o dużym wolumenie; oraz Re:newcell w Szwecji, również z produktem Circulose® – rozpuszczalną masą celulozową wytwarzaną poprzez odzyskiwanie bawełny ze zużytych ubrań. W Szwecji firma Södra pracuje nad pulpą celulozową z tekstyliów pochodzących z recyklingu, choć jest ona jeszcze w fazie rozwoju. Twierdzi ona, że długoterminowym celem jest ponowne wykorzystanie każdego rodzaju produktu tekstylnego.

W Holandii, KNN Cellulose opracowała produkt pod marką Recell®, gdzie włókna celulozowe są odzyskiwane z oczyszczalni ścieków. Firma KNN Cellulose do tej pory badała zastosowanie tego materiału w kompozytach, choć promowane jest również zastosowanie we włóknach.

Jedną z przeszkód jest dostępność tekstyliów/odpadów tekstylnych pochodzących od konsumentów. Podczas gdy tworzywa sztuczne są obecnie powszechnie zbierane i poddawane recyklingowi w ramach zbiórek komunalnych, nie można tego samego powiedzieć o tekstyliach. Większa dostępność takich materiałów poddanych recyklingowi po niskich kosztach z pewnością by pomogła, a ponadto istnieją inicjatywy UE mające na celu wdrożenie systemów recyklingu. Poszukiwani są dostawcy i partnerzy, którzy mają dostęp do używanych tekstyliów.

Ponadto, podczas gdy większość firm zajmujących się recyklingiem odniosła sukces z białymi skrawkami bawełny, włókna pokonsumpcyjne zawierające mieszane włókna i barwniki są znacznie trudniejsze w obróbce.

Koszt produkcji lub koszt pętli recyklingu dla procesu przetwarzania włókien celulozowych pozostaje problemem. Żaden z producentów nie zasugerował, że ekonomia produkcji zbliża się do przetwarzania pierwotnej masy drzewnej, chociaż oczekuje się, że większy nacisk ze strony konsumentów za pośrednictwem właścicieli marek na „bardziej ekologiczne” produkty, lepsza dostępność materiałów pochodzących z recyklingu i ekonomia skali w miarę wzrostu wielkości zakładów produkujących produkty pochodzące z recyklingu przyczynią się do tego, że koszty produkcji będą znacznie bliższe kosztom włókien pierwotnych.

Metsä Group’s innovation company Metsä Spring Ltd. and Japanese Itochu Corporation have established a joint venture and a test plant for a new technology for converting paper-grade pulp into textile fibers.

Inne kierunki rozwoju obejmują dodanie włókien konopnych do mieszanki w celu wytworzenia „Lyohemp”. Badania w tym zakresie prowadzi firma TITK w Niemczech. Źródła celulozy z zielonych roślin białkowych (trawy) są badane przez Uniwersytet Aarhus w Danii. Inne inicjatywy przyczyniające się do gospodarki o mniejszym zużyciu CO2 obejmują techniki farbowania dope (badane przez Aditya Birla).

Włókna Rayon są badane pod kątem zastosowania, na przykład, do wzmacniania paneli wewnętrznych samochodów jako alternatywa dla włókien petrochemicznych.

Termin „nanoceluloza” jest używany do szerokiego odniesienia do nanokryształów celulozy (CNC), które są tworzone przez kwaśną hydrolizę włókien celulozy. W USA, Cotton Incorporated jest organizacją non-profit finansowaną przez plantatorów bawełny, której celem jest tworzenie większej wartości w łańcuchu wartości bawełny. Organizacja ta poszukuje sposobów na wykorzystanie CNC z odpadów bawełny pochodzących z recyklingu w kompozytach. Celem jest wytworzenie materiałów o ulepszonych właściwościach. Instytuty badawcze, w tym Research Institutes of Sweden (RISE), badają włókna z nanocelulozą.

Niewyobrażalne jest, że włókna celulozowe zbliżą się do możliwości zastąpienia włókien syntetycznych w przewidywalnej przyszłości, biorąc pod uwagę, że popyt na poliester, poliamid, itp. będzie nadal wzrastał wraz ze wzrostem populacji i światowego PKB. Podobnie jak w przypadku zrównoważonych chemikaliów i polimerów w ogóle, włókna celulozowe są jednym z narzędzi, które mamy do dyspozycji, aby sprostać celom redukcji emisji CO2 i globalnego ocieplenia. Należy jednak uczynić więcej w zakresie wsparcia – recyklingu tekstyliów oraz gotowości właścicieli marek i konsumentów do płacenia wyższych cen za materiały pochodzące z recyklingu zamiast wykorzystywania większej ilości zasobów leśnych. Jeśli chodzi o włókna syntetyczne i ogólnie, bez zmniejszenia popytu, znacznie większe poleganie na recyklingu jest niezbędne, jeśli mamy zbliżyć się do celów zrównoważonego rozwoju.

Jednakże, celulozowe rosną (przy przewidywanym CAGR lub 2,8% do 2025) szybciej niż niektóre dojrzałe włókna, takie jak akryl lub poliamid, przynajmniej obecnie, ze względu na miękkość i absorpcję wody — cechy podobne do bawełny.

Gillian Tweddle jest Business Managerem – Individual Project Studies w Tecnon OrbiChem Ltd.

.