Käsityöjuttu

Väriaineet ja värjäys ympäristöystävällisesti

20.12.2021 | Käsityöjuttuja, Värjäys

Teksti: Riikka Räisänen, dosentti, BioColour-tutkimushankkeen johtaja, Helsingin yliopisto

Väriaineet ja värjäys

Väriaineita kaupataan vuosittain 28 miljardin euron arvosta ja summan arvioidaan kasvavan viisi prosenttia vuoteen 2027 mennessä. Koska väriaineiden tarve laajentuvilla hyödykemarkkinoilla ja maapallon lisääntyvän ihmismäärän vuoksi kasvaa, myös tuotannon on kasvettava. Synteettiset väriaineet pohjautuvat öljyteollisuuden tuottamiin raaka-aineisiin. Osa synteettisistä väriaineista on todettu terveydelle ja luonnolle haitallisiksi yhdisteiksi, mutta myös väriaineiden hajoamistuotteet voivat olla haitallisia. Koska nykyiset yhteiskunnan asettamat ilmasto- ja kestävyystavoitteet pyrkivät ohjaamaan siirtymistä kohti biopohjaisia materiaaleja ja biohajoavia tuotteita, ovat väriaineet nousseet keskusteluun yhtenä raaka-aineena, jonka tuotantotavat ja ominaisuudet kaipaavat kriittisempää tarkastelua. Yleisenä tavoitteena on kiertotalous, jossa kaikenlaiset sivuvirrat pyritään hyödyntämään ja prosessoimaan siten että lopputuotteet voisivat olla korkeampilaatuisia kuin lähtöraaka-aineet. Prosesseja ohjaa kestävyys ja puhtaus niin että tuotteet olisivat mahdollisimman vaarattomia niin ihmiselle kuin ympäristölle, eikä haitallisia sivuvirtoja syntyisi.

Värjäyksen prosessi – esimerkkinä reaktiiviväri puuvillalle 

Puuvilla (23 %) on kokonaiskuitutuotannossa yleisin tekstiilikuitu polyesterin (52 %) jälkeen. Puuvilla värjäytyy hyvin, mutta prosessi on monivaiheinen ja siinä joudutaan käyttämään useita apuaineita, ja lisäksi jäteveteen voi jäädä runsaastikin reagoimatonta väriainetta, jos värjäysprosessia ei kontrolloida huolellisesti. Puuvilla vaatii esikäsittelyinä pesun ja neutralisoinnin, jotka omina prosesseinaan kuluttavat niin vettä kuin energiaa. Veden kulutus itse värjäyksessä riippuu värjäyslaitteesta: uusimmissa laitteissa liemisuhde[1] voi olla 1:4, mutta vanhemmissa jopa kymmenen kertaa suurempi 1:40. Kappalevärjäys vaati runsaamman vesimäärän ja siinä liemisuhde on yleensä 1:60. Puuvillan värjäyksessä tarvitaan apuaineina emästä, joka on yleensä joko soodaa eli natriumkarbonaattia (Na2CO3) tai ruokasoodaa eli natriumvetykarbonaattia (NaHCO3) sekä suolaa (NaCl, Na2SO4). 

Puuvillan värjäyksessä väriliemessä olevasta väriaineesta tarttuu kuituun parhaimmillaan 95 %. Värin määrään vaikuttaa se, miten tummaa sävyä ollaan värjäämässä. Vaaleat sävyt saadaan kun väriä on 0,x–1,2 % värjättävän materiaalin painosta kun taas 1,2–4 %:n värimäärällä saadaan aikaiseksi tummia sävyjä, tosin mustaa värjättäessä värin määrä on jopa 7 % värjättävän materiaalin painosta. Mitä tummempia värejä suositaan tekstiileissä, sitä enemmän tarvitaan väriaineita, ja sitä enemmän reagoimatonta väriainetta päätyy jätevesiin, ja jos jätevedenpuhdistamot eivät toimi kunnolla tai niitä ei ole, myös ympäristöön. Värjäys kuluttaa energiaa, mutta väriaineen valinnalla voidaan myös laskea energian kulutusta. Nykyisin kehitetään yhä enemmän sellaisia väriaineita, jotka reagoivat jo alhaisissa 25–30 oC:n lämpötiloissa. Monet väriaineet toimivat 60 oC:n tai korkeassa 80–85 oC:n lämpötilassa. Värjäysaika teollisessa prosessissa on yleensä 60 minuuttia, ja korkea lämpötila takaa sen, että hyvä värjäystulos saadaan lyhyessä ajassa.

Värjäysprosessin päätteeksi värjätty materiaali täytyy huuhdella irtovärin poistamiseksi. Huuhtelut kuluttavat paljon vettä, sillä huuhtelua varten värjäyslaite täytetään vedellä suurin piirtein samassa suhteessa kuin värjäyksessä, ja värisävystä ja väriaineesta riippuen huuhteluja tarvitaan kahdesta viiteen tai jopa enempääkin. Tummat värit vaativat useampia huuhtelukertoja kuin vaaleat värit. Kuuma huuhteluvesi vähentää huuhtelukertoja, mutta kuluttaa energiaa. Kestävyyden näkökulmasta onkin tärkeää, että värjäämössä otetaan hukkalämpö talteen, esimerkiksi niin että prosessista poistuvalla jätevedellä esilämmitetään seuraavan vaiheen vesi.

Jätteenkäsittelyteknologiat ovat olemassa ja värjäämöillä on jäteveden puhdistusjärjestelmät, kuten lämmön talteenotto jätevedestä sekä käänteisosmoosin tai suodatusten hyödyntäminen suolojen poistossa, joka mahdollistaa veden uudelleenkäytön. Puhdistettu vesi onkin ”ylipuhdasta”, joten sitä ei kannata hukata vaan ohjata uudelleen käytettäväksi prosesseissa. Eräs tärkeimmistä värjäämön jäteveden puhdistamisen vaiheista on jäteväriliemen tekeminen värittömäksi. Väriaineita hajotetaan esimerkiksi entsyymien avulla.

Kaavio puuvillan värjäysprosessista.
Kuva 1. Esimerkki puuvillan värjäysprosessista.

[1] Liemisuhteella tarkoitetaan värjättävän materiaalin ja nesteen painoon perustuvaa suhdetta, esim. 1:4 tarkoittaa että 1 kg puuvillaa tarvitsee värilientä 4 litraa.

Bioväriaineet vaihtoehtona kohti kestävämpää värjäystä

Viime aikoina on noussut vahvasti esiin luonnonväriaineet ja niiden laajamittaisempi käyttö tekstiilien värjäämisessä jopa teollisessa mittakaavassa. Luonnonväriaineet olivat ainoita käytössä olevia väriaineita 1800-luvun puoleen väliin saakka, jolloin keksittiin ensimmäiset synteettiset väriaineet, ja hyvin pian ne syrjäyttivät luonnonväriaineet lähes kokonaan. Yhteiskunnan ilmasto- ja kestävyystavoitteet ovat nostaneet keskusteluun fossiilisten raaka-aineiden korvaamisen biopohjaisilla, uusiutuvilla, raaka-aineilla ja tässä keskustelussa myös biopohjaisilla väriaineilla on ollut oma osuutensa.  Käytössä on ollut kaksi käsitettä: toisaalta on puhuttu luonnonväriaineista ja toisaalta on käytetty sanaa bioväriaine – mutta onko näillä eroa?

Bioväriaine on luonnonväriainetta laajempi käsite. Bioväriaine sisältää luonnonväriaineet, mutta myös sellaiset luonnollisten organismien tuottamat väriaineet, jotka ovat syntyneet laboratoriossa ja esimerkiksi organismin ulkoisen manipuloinnin tuloksena, toisin sanoen vaikkapa niin että hiivasieni on saatu tuottamaan ylen määrin vain yhtä tiettyä väriainetta, jota kyseinen hiiva ei muuten tuottaisi. Luonnonväriaine taas on väriaineyhdiste tai eri yhdisteiden seos, joka on rakentunut luonnollisesti elävässä organismissa. Bioväriaineita tutkitaan kovaa vauhtia, mutta niitä on kaupallisesti saatavilla vasta rajoitetusti. Luonnonväriaineita valmistetaan kaupallisessa mittakaavassa jonkin verran eri puolilla maailmaa ja niitä on saavilla esimerkiksi verkkokaupoista.

Luonnonväriaineita on käytetty jo pitkään elintarvikkeiden väriaineina ja niitä käytetään enenevässä määrin myös kosmetiikassa. Jonkun verran käyttöä on tekstiileissä ja taiteilijatarvikkeissa kuten musteissa, vesiväreissä ja maaleissa. Luonnosta peräisin olevia värillisiä yhdisteitä käytetään myös muussa kuin varsinaisina väriaineina, esimerkiksi lääkinnällisissä tarkoituksissa ja aurinkopaneeleissa.

Luonnonväriaineiden ominaisuuksista

Värjäystarkoituksissa luonnonväriaineet soveltuvat niin luonnonkuiduille kuin tekokuiduille, nahalle ja tekstiileille. Luonnonkuiduille kuten puuvillalle, pellavalle, silkille ja villalle, ja muuntokuiduille kuten selluloosa- ja proteiinimuuntokuiduille, sekä polyamidille, luonnonväriaineet toimivat suoraväreinä, peitta- ja metallikompleksiväreinä sekä happoväreinä väriaineen rakenteesta riippuen. Tekokuituja kuten polyesteriä ja -akryyliä voidaan värjätä tietyillä luonnonväriaineilla erittäin hyvin tuloksin dispersiovärjäystekniikalla. Luonnonväriaineet soveltuvat niin värjäykseen kuin kankaanpainantaan.

Luonnonväriaineilla värjättäessä näyttelee liuoksen happamuus ja pH-olosuhde yllättävänkin suurta roolia. Veden happamuus vaikuttaa siihen mitkä väriaineet liukenevat väriliemen valmistusvaiheessa veteen. Värjäyksessä taas väriliemen happamuusasteella on vaikutusta siihen, miten väriaine reagoi kuidun kanssa, ja tässä tietysti myös värjättävällä kuidulla on suuri merkitys. Esimerkiksi villa proteiinikuituna on rakenteeltaan täysin erilainen kuin selluloosakuidut puuvilla ja pellava, ja värjäyksessä väriliemen happamuusasteella onkin merkitystä kuidun värjäytyvyydelle. Aivan viimeiseksi myös luonnonväriaineilla värjätyn tuotteen hoitoon ja pesuun vaikuttaa pesuliuoksen happamuus- ja emäksisyysaste, ja joissakin tapauksissa pesu voi jopa muuttaa tuotteen väriä.

Luonnonväriaineen reagointi liuoksen happamuuteen johtuu siitä, että väriaineyhdisteiden kemiallisessa rakenteessa tapahtuu muutoksia, joiden johdosta havaittu värikin saattaa muuttua. Yleensä luonnonväriaineet ovat monen yhdisteen seoksia joissa värin muutos pH:n vaihtumisen vaikutuksesta on vähäinen, mutta herkissä ja vaaleissa väreissä, kuten keltaisissa, muutos saattaa tulla selkeämmin näkyviin.

Bioväriainelähteiden ja väriaineiden kriteereitä

Kun tavoitteena on suuren mittakaavan värjäystoiminta, tulee bioväriaineiden lähteille ja väriaineille asettaa tiettyjä vaatimuksia. Väriaineiden määrä on tyypillisesti noin neljä prosenttia kasvi- tai sieniaineksen kuivamassasta. Luonnollisesti ja taloudellisestikin kaikkein sopivin liuotin on vesi, jolloin väriaineiden tulisi olla veteen liukenevia. Tärkeää on, että yhdisteet ovat riittävän pysyvä erilaisissa olosuhteissa, joista liuoksen happamuus-emäksisyys-olosuhteista olikin edellä jo kuvausta esimerkiksi tekstiilin pesun yhteydessä. Muita tärkeitä pysyvyysominaisuuksia ovat valon- ja lämmönkesto-ominaisuudet; väriaineen tulisi kestää ulkoilmaolosuhteita haalistumatta ja esimerkiksi silitettäessä korkeitakin lämpötiloja. Muita värjäysprosessissa vaadittavia ominaisuuksia olisivat väriaineen kyky tarttua värjättävään materiaaliin, ja sen kyky muodostaa vahva ja intensiivinen väri.

Teollisen mittakaavan toiminnassa olennaista on se, että värinlähteenä toimivaa raaka-ainetta voidaan saada suuria määriä. Maataloustuotanto ja sen sivuvirrat ovat varteen otettavia, sillä elintarvikkeet korjataan ja jätevirrat syntyvät usein muotoon, josta ne on yksinkertaista kerätä. Esimerkkejä tällaisista ovat ruuaksi viljeltävien kasvien varret, ja jopa pellon rikkakasvit kuten peltosaunio ja sen sukulaiset. Värikasveja voidaan toki viljelläkin ja niillä on niin kasvualustaa parantavia kuin kukkivina kasveina luonnonmonimuotoisuutta lisääviä vaikutuksia. Yksi Suomessakin paljon huomiota saanut viljeltävä värikasvi on värimorsinko (Isatis tinctoria). Ympäristön- ja puutarhanhoito tuottaa niin ikään biomassaa, jonka potentiaali on paljolti vielä hyödyntämättä. Näitä ovat esimerkiksi lehtipuut kuten paju, leppä ja pihlaja, lupiini, järviruoko, pietaryrtti, kultapiisku, nokkonen sekä callunat puutarhaistutuksista. Suuria määriä biomassa tuottaa myös teollisuuden sivuvirrat kuten metsä- ja elintarviketeollisuus puun kuorina ja oksina sekä hedelmien ja vihannesten kuorina. Luonnontuotealan keruuverkostot keräävät jo nyt talteen kaupallisesti merkittäviä luonnonvaroja, esimerkiksi ruokasieniä ja yrttejä. Verkoston kautta voitaisiin saada hyötykäyttöön myös värisienet sekä hyvistä värikasveista vaikkapa mesiangervo ja nokkonen. Jo nyt on näkyvissä merkkejä siitä, että tulevaisuuden väriainetuotanto tulee ainakin joiltakin osin perustumaan laboratoriokasvatukseen. Bioväriaineita tuottavat jo nyt joissain määrin sienet ja mikrobit, joita voidaan kasvattaa kustannustehokkaasti ja pienellä hiilijalanjäljellä bioreaktoreissa.

Bioväriaineiden arvoketju

Bioväriaineiden arvoketju (Kuva 2. alla) on monivaiheinen ja jokaisessa vaiheessa voidaan tehdä useammanlaisia valintoja. Kestävyysperiaatteiden ohjaamina ratkaisuja tulisi tehdä niin, että jokainen ketjun toimija voisi saada oman reilun ja oikeudenmukaisen osansa. Luonnosta peräisin olevat väriaineet eivät ole vain historiaa – ne voivat olla, ja ovat jo, osa kestävämpää väritulevaisuutta.

Kaavio bioväriaineiden arvoketjusta.
Kuva 2. Bioväriaineiden arvoketju.

Kestävä tekstiili

Kaksi kolmasosaa tekstiilin elinkaaren aikaisesta ympäristökuormasta arvioidaan tulevan tekstiilin käytön aikana, eli tekstiilin ylläpitoon, pesuun ja huoltoon liittyvistä toimista. Se, miten tekstiiliin suhtaudutaan käytön aikana, on tärkeää, kun pyritään kohti kestävää (sustainable) ja vastuullista tekstiilien tuotantoa ja kuluttamista.

Tekstiilin kestävyyttä voidaan tarkastella kahdesta näkökulmasta: teknisenä kestävyytenä sekä kulttuurisena ja sosiaalisena kestävyytenä. Tekninen kestävyys kuvaa sitä, miten hyvin tekstiili kestää käytön ja pesun rasitusta niin että sen tekniset ja esteettiset ominaisuudet ovat hyväksyttäviä. Esimerkiksi että tekstiili ei nyppyynny tai nyppyyntyminen on niin vähäistä, että se ei tee tekstiilistä esteettisesti vastenmielistä käyttää. Suunnittelu- ja valmistusvaiheella on suuri merkitys tekstiilin tekniseen kestävyyteen muun muassa valittujen materiaalien ja teknisten kokoonpanoratkaisujen kautta. Lopulta hyväksyttävyyden raja on kuitenkin käyttäjästä riippuvaista ja siten subjektiivista. Kulttuurisella ja sosiaalisella kestävyydellä tarkoitetaan sitä, miten hyvin tekstiili suoriutuu sosiaalisista ja kulttuurisista tilanteista, eli miten hyvin tekstiili säilyy käytössä erilaisissa tilanteissa ja eri ajankohtina. Esimerkiksi muodin vaihtuminen sijoittuu tähän sosiaalisten ja kulttuuristen tilanteiden muodostamaan ympäristöön, jossa tekstiili voidaan poistaa käytöstä, koska se on malliltaan tai väritykseltään vanhanaikainen.

Suomalaiset ovat kuluttajina rationaalisia ja täällä vaatteet hylätäänkin paljolti sen vuoksi, että ne ovat menettäneet muotonsa ja/tai ulkonäkönsä. Se miten tekstiilit on valmistettu ja miten niitä käytetään ja ylläpidetään vaikuttaa tekstiilin kestävään elinkaareen.

Vaatteen keskimääräiseksi käyttöiäksi on tutkimuksissa arvioitu noin 3,3–5,4 vuotta. Käyttöiän arvioiminen on hankalaa, koska vaatteita on hyvin eri tyyppisiä ja erilaisiin käyttötarkoituksiin. Kahdeksan prosenttia vaatteista hävitetään ilman että niitä on käytetty lainkaan, ja jos mukaan lasketaan muutaman kerran käyttö, päästään tilanteeseen, jossa joka viidettä vaatetta (20 %) on käytetty korkeintaan muutaman kerran tai ei lainkaan ennen vaatteen poisheittoa. Tällaisia vähän käytettyjä ja nopeasti pois heitettyjä vaatteita ovat tyypillisesti ale-ostokset, lahjat ja ilman sovitusta ostetut vaatteet. Johtopäätökseksi edellisestä voi vetää, että se miten vaate on hankittu vaikuttaa myös sen käyttöön, hoitoon ja lopulta koko vaatteet pitkäikäsyyteen.

Vaatteen tekninen käyttöikä

Vaatteita pestään lukematon määrä niiden elinkaaren aikana. Tutkimusten mukaan puuvillaista t-paitaa on käytetty 2,8 kertaa ennen pesua ja farkkuja hiukan enemmän, 6 kertaa. Jos t-paitaa on pesty kerran viikossa sen käyttöiän eli 3,3 vuoden ajan, saadaan pesukertojen kokonaismääräksi 172 pesua. Tekstiilien hoidossa suomalaiset kuluttajat selkeästi suosivat vesipesua, ja se on monelle määrittävä tekijä jo vaatetta hankittaessa.

Suunnittelijalla on paljon valtaa ja myös vastuuta sen suhteen millaisia materiaaleja (luonnonkuitu, muuntokuitu, tekokuitu) ja muita teknisiä ratkaisuja (langan ja kankaan rakenne, värjäys- ja painokuviointi, viimeistys, muotoilu, vaatteen rakenne kuten kerroksellisuus ja irrotettava vuoriosa, moduulirakenne, kaavoitus, väljyysvarat ja kiinnittimet) hän suunnitelmissaan suosii, koska niillä kaikilla on vaikutusta tekstiilin käyttöön, hoitoon ja pesuun, ja nämä kaikki osaltaan vaikuttavat tekstiilin tekniseen ja sosiaaliseen kestävyyteen ja siten koko elinkaareen.

Värjäys ja kankaan kuviointi painamalla ovat keskeisiä tekniikoita tekstiilien valmistuksessa. Jos kestävyyttä ajatellaan tekstiilin pitkänä käyttöikänä, niin tästä näkökulmasta värin tulisi olla pysyvä ja sellainen joka ei tahri ympäristöä tai viereistä tekstiilin osaa. Väriaineina suoravärillä ja reaktiivivärillä on edellä mainittujen ominaisuuksien suhteen eroja, kun suoraväri kiinnittyy ainoastaan kuidun pintaan kevyillä vetovoimilla ja saattaa siten irrota pesussa, ja reaktiiviväri puolestaan nimensä mukaisesti reagoi kuidun kanssa kemiallisesti ja väriaineen ja kuidun välille muodostuu vahva sidos, jolloin saavutetaan erittäin hyvä värin pysyvyys pesussa. Glitter- ja flokkipainatus on niin ikään tekstiilin pinnassa melko löyhästi ja kuluu käytössä aiheuttaen tekstiiliin visuaalisen laadun heikkenemistä.

Vaatteiden huolto

Koska suuri ympäristökuorma tulee tekstiilin käytön aikana, niin kuinka sitten vähentää vaatteiden pesua ja ympäristökuormaa? Vaatteiden huolellinen säilytys pitää ne ryhdikkäinä ja vähentää kaikenlaista muuta hoidon tarvetta. Vaatteiden suunnittelijalla yhtä hyvin kuin kuluttajalla on valinnan vapaus siinä, millaisia materiaaleja ja suunnitteluratkaisuja suosii. Kestävyyden kannalta hyvä ratkaisut vaativat vähemmän pesuja ja puhdistuvat alhaisemmissa lämpötiloissa. Tekstiilien hoito-ohjeet ovat olennainen osa kuluttajainformaatiota, jolla voidaan ohjata kohti kestävämpiä tekstiilien hoitokäytäntöjä. Hyvin suunnitellut tuotteet, joihin kuluttajalle syntyy merkityssuhde, ovat pitkäikäisiä ja niitä hoidetaan huolellisesti.


Lähteet:

Fletcher, K. 2009. Sustainable fashion & textiles. Design Journeys. London: Earthscan.

Laitala, K. & Klepp, I. 2015. Age and active life of clothing. PLATE Product Life times and the Environment Conference, 17.-19.6.2015. Nottingham: Nottingham trent university & Delft University of technology.

Laitala, K., Klepp, I. and Boks, C. 2012. Changing Laundry Habits in Norway. International Journal of Consumer Studies, 36, 228–237.

Miilunpalo, S-M. & Räisänen, r. 2018. Clean Laundry with Pure Conscience – A Study on Laundry Practices among Finnish Consumers. International journal of consumer studies, Forthcoming.

Niinimäki, K. 2011. From Disposable to Sustainable. The Complex Interplay between Desing and Consumption of Textiles and Clothing. Doctoral thesis. Helsinki: Aalto University.

Niinimäki, K. 2010. Eco-Clothing, Consumer Identity and Ideology. Sustainable Development 18, 150–162.

Räisänen, R. 2014. Wardrobe inventory – a way to increase consciousness towards textile consumption. Ambience14 & 10i3m Scientific Conference for Smart and functional textiles, Well-being, Thermal comfort in clothing, Design, Thermal Manikins and Modelling, 7-9 Sep 2014 Tampere, Finland, proceedings.

Räisänen, R., Rissanen, M., Parviainen, E. & Suonsilta, H. 2017. Tekstiilien materiaalit. Helsinki: Finn Lectura.

TextileExchange. Global fibre production 2019. https://textileexchange.org/2020-preferred-fiber-and-materials-market-report-pfmr-released/

Valkola, J. V., & Räisänen, R. 2021. Building a Sustainable Wardrobe: Quality over Quantity? – Survey of Students Wardrobes and Consumption Habits. PLATE – Product Lifetimes And The Environment Proceedings 2019: 3rd PLATE Conference Berlin Germany 18.-20.8.2019 . Berlin: Universitätsverlag der TU Berlin, p. 797-804. https://doi.org/10.14279/depositonce-9253