LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems
LUT Kone
BK10A0402 Kandidaatintyö
KARTONKIKUPIN KEHITYS MUOTOILUN, MATERIAALIEN JA LOPPUKÄYTÖN NÄKÖKULMISTA
DEVELOPMENT OF PAPERCUP FROM THE VIEWPOINTS OF DESIGN, MATERIALS AND END OF USE
Lappeenrannassa 10.5.2017 Jyri Lakka
Tarkastaja Prof. Kaj Backfolk Ohjaaja TkT Katriina Mielonen
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT Energiajärjestelmät
LUT Kone Jyri Lakka
Kartonkikupin kehitys muotoilun, materiaalien ja loppukäytön näkökulmista
Kandidaatintyö 2017
31 sivua, 6 kuva, 2 taulukkoa ja 0 liitettä Tarkastaja: Prof. Kaj Backfolk
Ohjaaja: TkT Katriina Mielonen
Hakusanat: kartonkikuppi, kertakäyttöinen, kestävä kehitys
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tutkia kertakäyttöisten kartonkikuppien viimeaikaista kehitystä muotoilun, materiaalien ja loppukäytön osalta. Työssä esitetään myös kartonkikuppien rakenne ja valmistusprosessi.
Työ on kirjallisuustutkimus ja tiedonhakuun on käytetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston tietokantoja, patenttitietokantoja, viimeaikaisia uutisointeja sekä kartonginvalmistajien ja konvertoijien tuote-esitteitä. Työn tuloksissa käsitellään useiden biomuovista valmistettujen, vaihtoehtoisten pinnoiteratkaisujen soveltuvuutta kartonkikuppeihin. Lisäksi työssä esitellään uusia innovaatioita kartonkikuppien muotoilussa ja pinnoitusprosessissa.
Tutkimus osoittaa, että kartonkikupin loppukäyttöön liittyvä ongelma voidaan ratkaista usealla tavalla. Öljypohjaisen pinnoitteen voi korvata useilla biopohjaisilla muoveilla, joista osa on biohajoavia. Muovipinnoitteisen kartonkikuppien kierrätettävyyttä voidaan parantaa vaihtamalla kartongin pinnoitusmenetelmää tai muuttamalla kuppien valmistusmenetelmää.
Kartonkikuppien vihreä imago ja kehittyvät markkinat kasvattavat kuppien kysyntää tulevaisuudessa.
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems
LUT Mechanical Engineering Jyri Lakka
Development of paper cup from the viewpoints of design, materials and end of use
Bachelor’s thesis
2017
31 pages, 6 figure, 2 tables and 0 appendices Examiner: Prof. Kaj Backfolk
Surveyor: D. Sc. (Tech.) Katriina Mielonen Keywords: paper cup, disposable, sustainability
The goal of this bachelor’s thesis is to research the recent development of disposable paper cup. Research is conducted from the viewpoints of cup design, used materials and end of use. Also, the manufacturing process and structure of paper cup is being studied.
The thesis is a literature review. Information is searched from Lappeenranta University of Technology’s databases, patent databases, recent news together with paperboard and cup manufacturers web sites. Results of this work consider several different alternatives for oil- based coating. Also, new innovations in cup design and coating process are being presented.
The work proves, that several biobased materials can be used as a coating layer for paper cup. In addition, recyclability of plastic coated paper or paperboard cup can be improved by changing coating- or manufacturing method of the cup.
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT
SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO
1 JOHDANTO ... 6
1.1 Tutkimuksen tausta, tutkimusongelma ja -tavoite ... 6
1.2 Tutkimuskysymykset ja tutkimuksen rajaukset ... 7
1.3 Tutkimusmetodit ... 7
2 KARTONKIKUPIN VALMISTUS JA KÄYTETTÄVÄT MATERIAALIT ... 8
2.1 Kartongilta vaadittavat ominaisuudet ja soveltuvat materiaalit ... 8
2.2 Kupin pinnoite ja vaaditut barrier-ominaisuudet ... 9
2.3 Kartonkikupin valmistusprosessi ... 9
2.4 Käytön jälkeinen hyödyntäminen ... 11
2.5 Kertakäyttöisten kuppien markkinatilanne ... 12
3 UUDET INNOVAATIOT JA ELINKAARIARVIOINTI ... 14
3.1 Kartonkikuppien valmistuksen muutokset ... 14
3.2 Kartonkikuppien muotoilu ... 15
3.3 Vaihtoehtoiset pinnoitteet ... 18
3.4 Loppukäytön kehitys ... 20
3.5 Uudelleenkäytettävät kupit ja elinkaariarviointi ... 21
4 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 23
5 YHTEENVETO ... 26
LÄHTEET ... 27
SYMBOLILUETTELO
CTMP Kemihierre
GWP Ilmastonlämmityspotentiaali LD-PE Matalatiheyksinen polyetyleeni MFC Mikrokuituselluloosa
PE Polyetyleeni
PET Polyetyleenitereftalaatti PHA Polyhydroksialkanoaatti PLA Polymaitohappo
PS Polystyreeni
SBS Valkaistu sellukartonki
1 JOHDANTO
Tässä tutkimuksessa tutustutaan juomakäyttöön tarkoitettuihin kertakäyttöisiin kartonkikuppeihin ja alan uusiin innovaatioihin. Kertakäyttöisellä kartonkikupilla tarkoitetaan kuppia, joka yleensä hävitetään yhden käyttökerran jälkeen.
Kertakäyttöisyydestä johtuen kuppien on oltava mahdollisimman halpoja ja helposti saatavilla, jotta niitä on mahdollista käyttää kyseisessä tarkoituksessa.
1.1 Tutkimuksen tausta, tutkimusongelma ja -tavoite
Aihe kandidaatintyölle on saatu Lappeenrannan teknillisen yliopiston pakkaustekniikan laboratoriolta ja sen tarpeesta selvittää kertakäyttöisen kartonkikupin valmistusta, listata kuppeihin käytettyjä materiaaleja ja käydä läpi kuppeihin liittyviä uusia innovaatioita.
Kertakäyttöiset kupit ovat hyvin yleisiä ja muodostavat suuren markkinan, arvioiden mukaan kysyntä on maailmanlaajuisesti 300:sta 500 miljardiin kappaletta vuodessa (Potting
& Van Der Harst 2015, s. 1143; Woods & Bakshi 2014, s. 931). Tämän lisäksi niiden kysyntä kasvaa vuosittain 5,2 % (Packaging strategies 2015). Edellä esitetyt luvut sisältävät niin kartongista valmistetut kuin muovisetkin kertakäyttökupit, mutta ne osoittavat kysynnän olevan suurta.
Työn tutkimusongelma on kartonkikuppien pinnoituksesta aiheutuva haasteellinen loppukäyttö. Vaikka kartonki itsessään on puupohjaisesta raaka-aineesta valmistettu ympäristöystävällinen materiaali, juomille tarkoitettuihin kuppeihin käytettynä kartonki on pinnoitettava, jotta se ei päästä läpi nestettä. Usein tämä pinnoite tehdään öljypohjaisesta polyetyleeni-muovista (PE), jonka jälkeen kartonkikupista tulee hankalasti kierrätettävä ja biohajoamaton, jätteeksi mielletty tuote. (Schoukens et al. 2014, s. 59.)
Johansson (2012, s. 2506–2507) toteaa artikkelissaan, että öljyn rajallisen määrän sekä suuren hiilijalanjäljen takia PE-muovi ei sovellu kestävän kehityksen mukaiseksi ratkaisuksi pakkaustekniikkaan. Juuri vihreät arvot sekä ihmisten kulutustottumusten muutokset luovat tarpeen pakkaustekniikan kehitykselle. (Johansson et al. 2012, s. 2506–2507.) Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää, mitä tämä kehitys tarkoittaa kartonkikuppien osalta
niin muotoilun, materiaalien kuin loppukäytön näkökulmista. Lisäksi työssä luodaan katsaus kartonkikuppien rakenteeseen sekä valmistusprosessiin.
1.2 Tutkimuskysymykset ja tutkimuksen rajaukset Työn tutkimuskysymykset ovat seuraavat:
• Miten kartonkikupit ovat valmistettu ja mitä ominaisuuksia niiden valmistukseen käytetyiltä materiaaleilta vaaditaan?
• Mitä kehitystä kartonkikuppien muotoilussa ja niiden loppukäytössä on tapahtunut?
• Mitkä ovat kartonkikuppien tulevaisuuden näkymät kuppien kuluttajien, valmistajien sekä materiaalien osalta?
Kartonkikuppeja käytetään useisiin eri käyttötarkoituksiin kuten pakasteisiin, kuivaelintarvikkeisiin ja juomiin. Tuotevariaatioiden suuren määrän takia työ rajataan käsittelemään pelkästään kuumille juomille tarkoitettuja kertakäyttöisiä kartonkikuppeja.
Lisäksi tarkasteltaessa kartonkikuppien viimeaikaista kehitystä, ja tutkimus on rajattu siten, että lähteinä pyritään käyttämään vain vuonna 2010 tai sen jälkeen julkaistuja teoksia. Tämä tuo työlle uutuusarvoa ja antaa kuvan tulevaisuuden trendeistä.
1.3 Tutkimusmetodit
Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena ja tiedonhakuun on käytetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston Finnalut-tietokantaa ja useita saatavilla olevia kansainvälisiä e-kirja ja e-lehtitietokantoja, kuten Scopusta ja Sciencedirectiä. Lisäksi tutkimuksessa käytetään kartongin valmistajien sekä kuppien konvertoijien tuote-esitteitä ja uutisointeja. Uusia innovaatioita tutkittaessa alustavaa tiedon hakua on tehty käyttämällä Google-hakukonetta ja siitä tutkimusta on tarkennettu edellä esitettyihin tieteellisiin tietokantoihin sekä Espacenet- ja WIPO-patenttitietokantoihin.
2 KARTONKIKUPIN VALMISTUS JA KÄYTETTÄVÄT MATERIAALIT
Tässä luvussa esitellään kartonkikuppien tämän hetkistä tilannetta. Katsaus luodaan kartongilta ja pinnoitusmateriaaleilta vaadittaviin ominaisuuksiin, sekä kartonkikupin valmistukseen. Lisäksi kappaleessa käsitellään yleisesti kuppien nykyistä markkinatilannetta ja kysynnän kehitystä.
2.1 Kartongilta vaadittavat ominaisuudet ja soveltuvat materiaalit
Kartongilta vaaditaan useita ominaisuuksia, jotta se soveltuu kupin valmistukseen.
Elintarvikkeiden kanssa kosketuksissa olevat kartonkituotteet on valmistettava neitseellisestä puukuidusta, jonka takia kuppikartonkina käytetään valkaistua sellukartonkia (SBS). Yhdysvalloissa kuitenkin hyväksytään elintarvikekäytössä olevalta kuppikartongilta 10% pitoisuus kierrätetyistä puukuiduista. (Schoukens et al. 2014, s. 59.) Kartonkikuppien valmistusprosessi voi olla todella nopeaa, jopa 330 kuppia minuutissa (PMC 1003 2014).
Tämän takia materiaalin on oltava laadukasta ja helposti ajettavaa (Kuusipalo 2008, s. 272).
Lisäksi kupin reunan muodostus asettaa vaatimuksen, että kuppikartongin tulee olla riittävän venyvää. Tyypillisen kuppikartongin neliöpaino vaihtelee 170–350g/m2 välillä. (Kuusipalo 2008, s. 161.) Kuppikartongin rakenne on esitettynä kuvassa 1, ja siitä on nähtävissä, että se koostuu kolmesta kartonkikerroksesta, joista jokainen kerros on optimoitu tiettyä tarkoitusta varten (Paulapuro 2000, s. 61).
Kuva 1. Kuppikartongin rakenne (Cupforma natura PE 2015).
Kartongin pintakerros on valmistettu valkaistusta sulfaattisellusta, jolle painatetaan halutut värit ja kuvioinnit. Painatuksen onnistumisen kannalta kartongin tärkeitä ominaisuuksia ovat
esimerkiksi pinnan vahvuus ja tasaisuus. (Kuusipalo 2008, s. 245.) Kartongin keskikerroksen tarkoitus on luoda sille sen mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuuden ja taivutusjäykkyyden. Parhaat ominaisuudet saavutetaan bulkkisella keskikerroksella, joka usein valmistetaan sulfaattisellusta, johon on seostettu kemihierrettä (CTMP) neliöpainon pienentämiseksi. (Kuusipalo 2008, s. 159; Paulapuro 2000, s. 57.)
Pohjakerros on valmistettu pelkästään sulfaattisellusta ja siltä vaaditaan hyviä adheesio- ominaisuuksia, jotta halutut pinnoitteet tarttuvat kartonkiin. Kupin sisäpinta, jonka tarkoituksena on luoda kartongille sen barrier-ominaisuudet, sekä mahdollistaa kupin saumaus, esitellään tarkemmin seuraavassa kappaleessa.
2.2 Kupin pinnoite ja vaaditut barrier-ominaisuudet
Rhim ja Kim (2009, s. 105) kertovat artikkelissaan, että kartonki on materiaalina kosteutta absorboivaa. Kun kartonkia käytetään kuppina kuumille juomille, se täytyy pinnoittaa hydrofobisella eli nestettä hylkivällä materiaalilla (Rhim & Kim 2009, s. 105). Barrier- ominaisuuksiltaan pinnoitteella tulee siis olla alhainen vedenläpäisevyys. Tämän lisäksi pinnoitteella tulee olla hyvät kuumasaumausominaisuudet, jotta kartonkikuppi voidaan valmistaa siten, ettei se vuoda. Materiaalin tulee olla myös elintarvikekäyttöön hyväksyttyä, jotta sitä voidaan käyttää kosketuksissa juomien kanssa. (Kuusipalo 2008, s. 138.)
Tällä hetkellä useimpien kuppien pinnoite valmistetaan öljypohjaisesta matalatiheyksisestä polyetyleenistä ekstruusiopinnoittamalla (LD-PE). LD-PE täyttää edellä mainitut vaatimukset barrier-ominaisuuksiltaan ja sitä helppo käsitellä. Tämän lisäksi se on todella halpa ja hyvin saatavilla oleva materiaali. (Kuusipalo 2008, s. 138.) LD-PE:tä lisätään kartongin pintaan 8–18g/m2 (Kuusipalo 2008, s. 161).
2.3 Kartonkikupin valmistusprosessi
Kun sopiva kartonkimateriaali ja pinnoite on valittu, voidaan kuppi valmistaa. Tämä aloitetaan kartonkikupin painatuksella. Kupin ulkopintaan painatetaan haluttu väri ja kuviointi, esimerkiksi yrityksen logo, jonka jälkeen se leikataan haluttuun muotoon (kuva 2). Painatusta voidaan tehdä usealla eri tavalla, mutta yleisimmin käytetty menetelmä suurille sarjoille on offset-painatus, jota voidaan tehdä sekä kartonkirullalle että valmiiksi leikatuille arkeille. (Stora Enso 2013, s. 29.)
Kuva 2. Kuppiaihioiden painatus ja sivuseinien leikkaus (Huhtamäki 2015).
Offset-painatuksessa alumiininen painolevy kostutetaan vedellä ja musteella. Painolevy on kemiallisesti käsitelty siten, että rasvainen muste tarttuu kuvaa painaville pinnoille ja vesi tarttuu ei-painaville pinnoille. Tästä muste siirtyy kumista valmistetulle painavalle telalle, joka on kosketuksessa kartongin kanssa. Kartonki kulkee painavan telan ja vastatelan välistä ja värjääntyy. (Stora Enso 2013, s. 29.)
Painatuksen jälkeen kupin sivuseinät stanssataan haluttuun muotoon. Stanssaus voidaan toteuttaa joko tasostanssauksena tai pyörivänä ja sitä voidaan tehdä suoraan kartonkikuppikoneen yhteydessä tai täysin erillisessä koneessa. Valmiit sivuseinän aihiot ohjataan kuppeja valmistavalle koneelle. Kartonkikuppikoneita valmistaa maailmassa useita eri yrityksiä, mutta kupin valmistusprosessi noudattaa lähes poikkeuksetta seuraavaa järjestystä (Hörauf a):
• Aihioiden vastaanotto.
• Sivuseinien saumojen esilämmitys.
• Pohjan stanssaus ja kiinnitys valmistusyksikköön paineilmalla.
• Sivuseinän kiinnitys valmistusyksikköön mekaanisella kouralla.
• Sivusauman sulkeminen lämmöllä, liekillä tai ultraäänellä.
• Pohjasauman lämmitys ja muodostus.
• Reunan öljyäminen ja muovaus.
• Mahdollinen kahvan liimaus.
Kuva 3. Kartonkikupin valmistusprosessi (Hörauf a).
2.4 Käytön jälkeinen hyödyntäminen
Kuppeihin asetettava PE-pinnoite asettaa haasteita kartonkikupin kierrättämiselle ja biohajoamiselle. Kupin kartonki on valmistettu neitseellisistä puukuiduista ja sen pystyisi kierrättämään tavallisen keräyspaperin joukossa ja valmistaa uudestaan esimerkiksi sanomalehtipaperiksi jopa kuuteen kertaan (Gangwar 2016, s. 5658). Kartongin kierrättäminen tapahtuu paperi -tai kartonkitehtaassa, jossa se pulpperoidaan.
Pulpperointiprosessissa kartonki hajotetaan vedessä selluloosamassaksi. Samalla selluloosakuiduista pyritään irrottamaan kaikki epäpuhtaudet, kuten musteet ja muovit erilaisten kemikaalien, lämmön ja suodattimien avulla. Tämän jälkeen kierrätetty selluloosa voidaan ohjata käytettäväksi uudestaan osana paperi-tai kartonkitehtaan valmistusprosessia.
(Müller et al. 2014, s. 6–7.) Kartonki on myös materiaalina biohajoavaa.
Kun kuppi pinnoitetaan, takertuu siinä käytetty muovi tiukasti kartongin kuituihin. Samalla kupista tulee lähes biohajoamaton, ja sitä ei pystytä kierrättämään kustannustehokkaasti paperi -tai sellutehtaassa. SFS-EN 643 (2014, s. 28) standardi luokittelee käytetyt kertakäyttömukit erikoislajien ryhmään, jotka ”voidaan kierrättää vain käyttämällä erityisiä prosesseja, tai ne voivat monissa tapauksissa aiheuttaa hankaluuksia kierrätykselle.” Tämän takia käytettyjä kuppeja pidetään jätteenä ja nämä päätyvätkin usein jätteenpolttoon tai huonoimmassa tapauksessa kaatopaikalle. (Rhim et al. 2009, s. 105.)
Müllerin (2014, s. 9) mukaan jätteenpolttolaitoksessa pakkaukseen sitoutunut energia voidaan hyödyntää ja tuottaa siitä sekä sähköä että lämpöenergiaa kaukolämpöverkkoon.
Jätteenpoltto ei myöskään ole aivan ongelmatonta, sillä siitä syntyy haitallisia päästöjä, kuten hiilidioksidi- ja rikkikaasuja. Jätteenpoltolla voidaan kuitenkin välttyä kupin joutumiselta kaatopaikalle, jossa se vaatii tilaa ja siihen sitoutunutta energiaa ei saada hyödynnettyä. (Müller et al. 2014, s. 9.) Kaatopaikalla kupin PE-pinnoite ei hajoa lainkaan, mutta olosuhteista riippuen kartonki hajoaa ja tuottaa samalla metaania, joka on haitallinen kasvihuonekaasu. Joillakin kaatopaikoilla metaania voidaan kuitenkin kerätä talteen.
(Häkkinen & Vares 2010, s. 1462.)
2.5 Kertakäyttöisten kuppien markkinatilanne
Yleisesti kertakäyttöisten kuppien kulutus on noin 5,2 % kasvussa globaalisti. Taulukossa 1 on esitetty aikaisempia tilastoja kuppien kysynnästä sekä ennuste vuodelle 2019 maanosittain jaoteltuna sekä maailmanlaajuisesti. Taulukko pitää sisällään kartonkiset sekä muoviset kupit useisiin eri tarkoituksiin, kuten ruokapakkausiin ja juomakäyttöön. Siitä on kuitenkin nähtävissä, että kuppien kysyntä on merkittävää ja se ylittää 30 miljardia dollaria vuonna 2019. Suurinta kysyntä on Pohjois-Amerikassa, ja syynä tähän on pikaruokaravintoloiden yleisyys ja mukana syömisen kulttuuri. Pohjois-Amerikassa 70 prosenttia myydyistä kupeista on tarkoitettu juomakäyttöön. (Food executive 2016.)
Taulukko 1. Kertakäyttöisten kuppien globaali sekä maanosittain jaettu kysyntä (Packaging strategies 2015).
Miljoonaa dollaria Vuosittainen kasvu %
2009 2014 2019 2009–2014 2014–2019
Kuppien ja kansien globaali kysyntä 17135 23400 30200 6,4 5,2
Pohjois-Amerikka 7300 9505 11790 5,4 4,4
Länsi-Eurooppa 2895 3780 4630 5,5 4,1
Aasia ja Oseania 4925 7050 9550 7,4 6,3
Keski- ja Etelä-Amerikka 870 1355 1910 9,3 7,1
Itä-Eurooppa 730 1020 1320 6,9 5,3
Afrikka ja Lähi-itä 415 690 1000 10,7 7,7
Kartonkikuppien osalta kysynnän kasvua tapahtuu korkeamman hintaluokan eli lämpöeristettyjen kuppien yleistyminen takia. Tämän lisäksi vihreät arvot ajavat ihmisiä kuluttamaan kartonkikuppeja muovista valmistettujen sijaan ja muun muassa polystyreenistä valmistettuja kuppeja on asetettu käyttökieltoon joissakin USA:n kaupungeissa. (Food executive 2016.) Esimerkiksi pikaruokaketju McDonald’s siirtyi vuonna 2013 käyttämään kartonkikuppeja kuumille juomille polystyreenin sijaan kaikissa yhtiön 14000 USA:n myymälässä (Elks 2013).
Suurinta kasvua kuppien kysynnässä on tapahtunut Afrikassa, Lähi-Idässä, Keski- ja Etelä- Amerikassa sekä Aasian ja Oseanian alueilla. Tämä selittyy alueiden kehittymisellä ja länsimaisen pikaruokakulttuurin yleistymisellä, jossa juomat tarjoillaan lähes poikkeuksetta kertakäyttöisitä kupeista. Länsi-Euroopassa kasvua rajoittaa uudelleenkäytettävien kuppien suosiminen kertakäyttöisten sijaan. Itä-Euroopassa kasvu on suurempaa kuin kansainvälisellä tasolla, mutta kasvua rajoittaa ikääntynyt väestörakenne. (Packaging strategies 2015.)
3 UUDET INNOVAATIOT JA ELINKAARIARVIOINTI
Kartonkikupit ja niiden valmistajat, kuten koko pakkausteollisuus ovat viime aikoina olleet suuressa muutoksessa. Uusia innovaatioita ajavana tekijänä ovat vihreät arvot ja ihmisten kulutustottumusten muutokset. Muovipinnoitteisille ja kierrätykseen kelpaamattomille kupeille on kehittymässä kestävän kehityksen mukaisia vihreämpiä ratkaisuja (Rhim et al.
2009, s. 105). Pinnoitteiden ongelmaan on tarjolla useita erilaisia vaihtoehtoja (Johansson et al. 2012, s. 2507). Tämän lisäksi kartonkikuppien ympäristöongelmaan on kehitetty ratkaisuja niin kuppien muotoilun kuin kierrätettävyyden parantamisen kannalta.
3.1 Kartonkikuppien valmistuksen muutokset
Iso-Britannialainen Frugalpac on kehittänyt kartonkikupin, jossa muovinen pinnoite asetetaan kuppiin vasta sen konvertoinnin yhteydessä, eikä perinteisesti ekstruusiopinnoittamalla tehtaalla kartongin pintaan. Frugalpac:n kuppi valmistetaan kuten tavallinen kartonkikuppi, mutta kupinvalmistukseen lisätään ylimääräinen vaihe, jossa kupin muotoon esivalmistettu muovinen kalvo asetetaan kupin sisään. Tämän jälkeen kalvo liimataan kevyesti kiinni kuppiin, ja sen yläreuna kääritään kupin reunuksen alle. (Pat. US 20140209618 A1, s. 1.)
Kun pinnoite on kiinnitetty edellä mainitulla tavalla kuppiin, se irtoaa kartongista helposti paperitehtaan pulpperointiprosessissa. Tämä mahdollistaa Frugalpac kartonkikupin kierrätyksen tavallisen paperijätteen joukossa. Etuna tavalliseen kuppiin nähden Frugalpac:n kuppia ei tarvitse valmistaa neitseellisistä puukuiduista. Kun tavallista kuppia valmistetaan, siihen syntyy sauma, joka on kosketuksissa nesteen kanssa. Tämä asettaa vaatimuksen neitseellisten puukuitujen käytölle. Frugalpac:n tapauksessa nesteen kosketusta kartongin saumaan ei pääse tapahtumaan ja kupin valmistuksessa voidaan käyttää kierrätettyä kartonkia. (Frugalpac Cup 2016.)
Tämän lisäksi kuppien valmistus on mahdollisesti siirtymässä lähemmäs kuluttajaa. Offset- painatuksen sijaan painatusta voidaan tehdä digitaalisesti. Digitaalisessa painatuksessa väri tai kuva tuotetaan suoraan datasta ja jokainen painatus voidaan tarvittaessa tehdä erilaiseksi.
Verrattuna tavalliseen painatukseen, jossa sarjojen vaihtaminen vaatii aina uudet painolevyt
ja niiden asentamisen on digitaalinen painatus huomattavasti joustavampaa. Digitaalinen painatus on kuitenkin huomattavasti hitaampaa kuin perinteiset menetelmät, joilla voidaan tuottaa satojen tuhansien kappaleiden sarjoja. Digitaalinen painatus kuitenkin tarjoaa kuppien valmistajille mahdollisuuden tuottaa asiakkaille kustomoituja pieniä sarjoja alemmalla hinnalla. (Kuusipalo 2008, s. 246; Stora Enso 2013, s. 29.)
Pienet sarjat mahdollistavat myös pienempien kuppivalmistajien saapumisen markkinoille.
Aasiassa, etenkin Kiinassa ja Intiassa kartonkikuppien valmistukseen tarkoitettuja koneita valmistaa lukuisia yrityksiä. Näiden koneiden kapasiteetit ovat noin 50–60 kuppia minuutissa verrattuna länsimaiseen PMC:n koneeseen, joka voi tuottaa jopa 330 kuppia minuutissa. Tämä voi tarkoittaa sitä, että kuppeja valmistettaisiin pienempiä kustomoituja sarjoja lähempänä kuluttajaa, eikä välttämättä suuria identtisiä sarjoja tehtaassa kaukana asiakkaista. Toisaalta robottien hyödyntäminen kartonkikuppien valmistuksessa voi lisätä edelleen suurien sarjojen tuottavuutta ja alentaa hintoja entisestään.
3.2 Kartonkikuppien muotoilu
Kuumille juomille tarkoitettuja kartonkikuppeja on aikaisemmin valmistettu suhteellisen ohuesta kartongista ja pinnoitettu vain sisäpinnasta, jotta lämmön aiheuttama kosteus pääsee poistumaan kupista. Kuumien juomien kanssa tämä on osoittautunut ongelmalliseksi, sillä kuppi voi tuntua polttavalta kuluttajan kädessä. Samalla kun kuppi on valmistettu ohuesta kartongista, sen puristustuntuma voi olla joustava. Tämä on johtanut ilmiöön nimeltä ’double cupping’, jossa kuluttaja saattaa ottaa kaksi kuppia yhden sijaan. Ratkaisuna tähän, kartonkikupeista on kehitetty erilaisia malleja, jotka parantavat lämmöneristystä ja lisäävät jäykkyyttä. (Grishchenko 2009, s. 36.)
Nykyisin usein käytetty malli on kaksikerroksinen kartonkikuppi, jonka rakenne on esitetty kuvassa 4. Kuppi muodostuu sisäkerroksesta, ilmakerroksesta ja ulkokerroksesta. Kupin sisäkerros on tavallinen barrier-ominaisuuksilla pinnoitettu kartonkikuppi, jonka kanssa neste on kosketuksissa. Se valmistetaan, kuten edellisessä luvussa on esitetty. Tavalliseen kupin ulkopintaan lisätään ylimääräinen kerros kartonkia, joka on muotoiltu siten, että näiden kahden kerroksen väliin jää ilmatasku. Ilmataskun tehtävänä on parantaa kupin lämmöneristysominaisuuksia. Samalla kun materiaalia käytetään enemmän, kupin jäykkyys kasvaa, ja sen puristuslujuus on suurempi. (Grishchenko 2009, s. 36.)
Kuva 4. Kaksikerroksisen kartonkikupin rakenne (Hörauf b).
Eristettyjen kartonkikuppien valmistus vaatii niille suunnitellun koneen ja siten yhden ylimääräisen työvaiheen. Esivalmistettu sisäkerros, eli tavallinen kartonkikuppi ohjataan seuraavaan koneeseen, joka muotoilee ja liimaa ulkokerroksen kupin pintaan. Prosessina ulkokerroksen kiinnittäminen on lähes samanlainen kuin tavallisen kupin valmistus. Koska ulkokerros ei ole kosketuksissa nesteen kanssa, siinä voidaan käyttää kierrätettyjä kartonkimateriaaleja. (PMC OW800 2012.)
Edellisen kaltaisissa kaksikerroksisissa kupeissa voidaan käyttää myös ulkokerroksena useilla eri muodoilla, kuten aaltokuviolla tai palloilla embossattuja kartonkeja.
Embossauksessa kartonki painetaan kovalla paineella kahden levyn väliin. Levyt on muotoiltu siten, että vastakkain on uros sekä naaras, jotka yhteen asettuessaan jättävät kartonkiin pysyvän painauman. (Kuusipalo 2008, s. 257.) Tämä tuo kupille parantuneiden lämmöneristyksen ja jäykkyyden lisäksi kykyä erottua kilpailijoista ulkonäkönsä puolesta.
Esimerkkinä kuvassa 5 esitetty, vuonna 2016 Pohjois-Amerikkaan lanseerattu Huhtamäen Impresso-tuotesarja, jossa on embossattuja kahvipapuja. (Huhtamäki 2016.)
Kuva 5. Huhtamäki Impresso, kaksikerroskuppi jossa on embossattu ulkokerros (Huhtamäki 2016).
Kartonkikuppeja käytetään usein mukaan otettavina tuotteina. Etenkin kuumien juomien tapauksessa kansi on välttämätön osa kuppia, ettei käyttäjä läikytä tuotetta kuljetuksen tai juomisen aikana. Kannen on myös hyvä mahdollistaa juominen suoraan sen läpi, jotta se on käytännöllinen. Kartonkikuppien kanssa käytettävät kannet ovat valmistettu muovista, usein polystyreenistä (PS) ja tämä tuo oman lisänsä loppukäytön ongelmiin. Yksi ratkaisu vihreämpään kuppiin on poistaa tarve käyttää kansia.
Vuonna 2012 suunniteltu Compleat-kuppi on muotoiltu siten, että sen sivuseinien päädyt ovat taiteltavissa kanneksi, josta on mahdollista juoda. (kuva 6) Kupin pohja on pyöreä, kuten tavallisessa kartongista valmistettavassa kahvikupissa, mutta sivuseinien päätyihin on tehty useampia taitoksia. Tuotteen käyttäjä taivuttelee kupin kannen itse nuutattuja saumoja pitkin. Kannesta tulee muotoon lukittuva, ja se mahdollistaa juomisen. (pat. US 8864016 B2.) Compleat-kupin lisäksi myös Metsä Board on julkaissut vuonna 2017 oman mallinsa vastaavanlaisesta kartonkikupista. Kuppiin integroidun kannen lisäksi tuotteen brändinäkyvyys paranee, kun kannen pintaan voidaan painattaa asiakkaan toiveiden mukaisesti. (Metsä Board 2017.)
Kuva 6. Lidloc -kuppi (Metsä Board 2017) ja Compleat -kuppi (pat. US 8864016 B2).
Digitalisaatio tuo oman lisänsä myös kartonkikuppeihin. Huhtamäki lanseerasi vuonna 2017 älykupin, Adtone:n. Adtone kupin ulkopintaan on asetettu termokrominen etiketti. Kun kuluttaja kaataa kartonkikuppiin kuumaa nestettä, siinä oleva etiketti aktivoituu ja paljastaa allaan olevan QR-koodin. QR-koodi on luettavissa älypuhelimella ja se ohjaa kuluttajan erilaisiin digitaalisiin sisältöihin, kuten nettisivuille ja arvontoihin. Tämä lisää uuden tavan kuppien tarjoamiin markkinointimahdollisuuksiin, joilla lähestyä sekä palkita asiakkaita.
(Huhtamäki 2017.)
3.3 Vaihtoehtoiset pinnoitteet
Öljypohjaisten muovien korvaajaa pakkaustekniikassa on tutkittu viime aikoina paljon.
Reddyn (2013, s. 1677) mukaan biomuovit kuitenkin kohtaavat kolme merkittävää haittaa öljypohjaisiin verrokkeihinsa nähden. Nämä ovat materiaalin ominaisuudet, materiaalin prosessointimahdollisuudet ja hinta (Reddy et al. 2013, s. 1667). Kuten aikaisemmin on mainittu, kartonkikupin tapauksessa pinnoitteella tulee olla pieni vedenläpäisevyys, sekä riittävän hyvät mekaaniset ominaisuudet ja kuumasaumattavuus, jotta sitä voidaan käyttää olemassa olevilla konvertointilaitteilla. Tämän lisäksi sen täytyy olla elintarvikekäyttöön hyväksyttyä ja riittävän laajasti saatavilla kilpailukykyiseen hintaan. Nämä asettavat rajoitteita mahdollisille PE:n korvaajille.
Nykyisin jo käytössä olevia vihreitä materiaaleja ovat polymaitohappo (PLA) sekä bio-PE.
PLA valmistetaan kasvien, kuten maissin ja sokeriruo’on tärkkelyksestä mikro-organismien
avulla aluksi maitohapoiksi. Maitohapot muunnetaan edelleen laktideiksi, jotka polymerisoidaan pitkiksi PLA-polymeeriketjuiksi. PLA:lla on pinnoitteena jopa yhtä hyvä vedenläpäisevyys kuin PE:llä ja tämän lisäksi PLA:lla on hyvät kuumasaumausominaisuudet. (Rhim et al. 2009, s.105.) PLA on muovina biohajoavaa, mutta vaatii teollisen kompostin (Schoukens et al. 2014, s. 63). Sitä valmistetaan teollisessa mittakaavassa, 220000 tonnia vuonna 2015 ja ennusteiden mukaan määrä kasvaa lähes 700000 tonniin vuoteen 2020 mennessä (IfBB 2016, s. 43).
Bio-PE tai green-PE valmistetaan etanolista, joka on myös tuotettu kasvipohjaisista raaka- aineista. Bio-PE:llä on täysin sama kemiallinen koostumus kuin tavallisella öljypohjaisella verrokillaan ja sillä pystytään korvaamaan suoraan tavallisen PE:n sovelluksia. Mutta kuten tavallinen PE, Bio-PE ei myöskään ole biohajoavaa. (Schoukens et al. 2014, s. 61.) Bio- PE:tä valmistetaan myös teollisesti, lähes yhtä paljon kuin PLA:ta, noin 200000 tonnia vuonna 2015 (IfBB 2016, s. 43).
Yksi vaihtoehto pinnoitemuoviksi on polyhydroksialkanoaatti (PHA), joka on bakteerien käymisreaktiolla valmistama muovi (Akaraonye, Keshavarz & Roy 2010, s. 733). PHA:lla on riittävän pieni vedenläpäisevyys kartonkikupin pinnoitemateriaaliksi, mutta sillä on huono prosessoitavuus. Tämä johtuu siitä, että PHA:n sulamislämpötila on lähellä sen hajoamislämpötilaa. (Schoukens et al. 2014, s. 62; Rastogi & Samyn 2015, s. 906.) Se voi asettaa rajoitteita kupin pinnoitteen muodostuksessa sekä kuumasaumauksessa. PHA:n korkea hinta voi myös vähentää tämän käyttöä, sillä se maksaa noin 5,5 euroa kilolta. PHA on kuitenkin biohajoavaa sopivissa ympäristöoloissa. (Akaraonye et al. 2010, s. 733.)
Biomuovien lisäksi kartonki voidaan pinnoittaa vesipohjaisella polymeeridispersiolla tavallisen ekstruusiopinnoituksen sijaan. Polymeeridispersiossa barrier-pinnoite saadaan aikaan, kun vesipohjainen emulsio, joka sisältää pieniä noin 50—300µm kokoisia polymeeripartikkeleja levitetään kartongin pintaan tasaisesti. Tämän jälkeen pinnoitteesta haihdutetaan pois vesi, jolloin jäljelle jääneet pallon muotoiset polymeerit pakkautuvat yhteen. Yhteen pakkautumisen jälkeen polymeerit muuttavat muotoaan samalla täyttäen väleissään olevat pienet raot liittyen yhteen ja muodostaen barrier-pinnoitteen. Jotta halutut ominaisuudet saavutetaan, on polymeeridispersiolla valmistettava useampi päällekkäinen
kerros. Näin valmistettuna muovi ei sula kiinni kartonkiin, ja kuppi on kierrätettävissä paperitehtaan pulpperissa. (Kuusipalo 2008, s. 60—61; Vähä-Nissi et al. s. 2.)
Kotkamills julkaisi vuonna 2016 kuppikartongin, joka valmistetaan dispersiopinnoittamalla (Pat. WO 170229). Kupit läpäisivät Kotkamills:n omat laboratoriotutkimukset ajettavuuden sekä vähäisen veden läpäisevyyden suhteen, mutta ovat tällä hetkellä tutkimuksessa kartonkikuppien valmistajilla. Tästä johtuen tarkkaa tietoa niiden soveltuvuudesta ei ole saatavilla. (Krautsuk 2016.)
Mikrokuituselluloosa (MFC) tarjoaa myös mahdollisuuden kartonkien pinnoitusmateriaaliksi. MFC valmistetaan hajottamalla sellukuidun soluseiniä edelleen pienemmiksi osiksi, fibrilleiksi. Tavalliset sellukuidut ovat yhdestä kolmeen millimetriä pitkiä, kun fibrillit mitataan mikrometreissä. (Stora Enso 2014.) Kankaan (2014, s. 8, 33) mukaan puukuitujen luonteesta johtuen myös MFC on vettä absorboivaa jolloin sitä ei suoraan voida käyttää pinnoitemateriaalina, joka on kosketuksissa veden kanssa.
Kartonkikupin tapauksessa MFC-pinnoite siis vaatisi vielä päälleen erillisen pinnoitteen.
MFC:llä voidaan kuitenkin tuottaa hyviä happi- ja öljybarriereja niitä vaativissa sovelluksissa. (Kangas 2014, s. 8, 33.) Kartonkikupin tapauksessa mikrokuituselluloosaa voidaan kuitenkin käyttää kartonkimateriaalin seassa, jolloin on mahdollista saavuttaa samat mekaaniset ominaisuudet pienemmällä kartongin kulutuksella (Stora Enso 2014).
3.4 Loppukäytön kehitys
Kartonkikuppien kierrätettävyyttä on pyritty kehittämään luomalla tämän mahdollistava infrastruktuuri. Jotta paperitehdas hyötyy kierrätetyistä kupeista raaka-aineena, se tarvitsee niitä kuukausittain noin kaksi miljoonaa kappaletta, joka vastaa noin 10000 kiloa (Schoukens et al. 2014, s. 62). Tämän saavuttaminen vaatii yhteistyötä yritysten välillä koko toimitusketjussa.
Iso-Britannialainen paperinvalmistaja James Cropper on julkaissut vuonna 2013 uuden menetelmän kupeissa olevan kartongin ja muovin erottamiseksi. James Cropper:in prosessissa kartonkikupit pehmennetään lämpimään liuokseen, jossa muovi irtoaa kartongista. PE-muovin tiheyden ollessa 920kg/m3, se jää kellumaan liuoksen pintaan (Schoukens et al. 2014, s. 62). Tästä muovimateriaali on eroteltavissa ja edelleen
kierrätettävissä. Jäljelle liuokseen jää neitseellisestä puukuidusta valmistettu paperimassa, joka voidaan käyttää uudelleen paperin valmistuksessa. (Cropper 2013.)
Kuppeja kuluttavien yritysten osalta Iso-Britannialainen kahvilaketju Costa tuo kaikkiin yhtiön 2000 myymälään pelkästään kartonkikupeille tarkoitetun jäteastian, johon asiakkaat voivat jättää tai myöhemmin palauttaa käytetyt kupit. Tämän lisäksi Costa hyväksyy myös kilpailevien yritysten kartonkikuppeja, jotta määriä saadaan kasvatettua ja kustannustehokkuutta parannettua. Lontoon ja Manchesterin toimipisteissä suoritetussa kokeilujaksossa päivittäin saatiin kerättyä noin 40 kuppia. Kaikkiin yhtiön toimipisteisiin laajennettuna tämä tarkoittaa lähes 30 miljoonaa kuppia vuosittain. (Costa 2016.)
Kartonkikuppien kierrätyksen mahdollistaminen on luonut tarpeen yhtiöille, joka tarjoaa logistiikkapalvelua kuppien kuluttajien ja niitä kierrättävien laitosten välille. Isossa- Britanniassa toimiva Simply cups kerää käytettyjä kuppeja niitä kuluttavilta yrityksiltä koko maasta. Tämän jälkeen Simply cups paalittaa kartonkikupit suureksi lastiksi ja toimittaa ne niitä käsittelevälle laitokselle. Tämä mahdollistaa paperitehtaalle riittävän suuret määrät raaka-ainetta, jotta kuppien kierrätys on kannattavaa, kahvikuppeja kuluttaville yhtiöille tavan kierrättää kuppeja, sekä tehokkaan logistiikan jolla kerätä ja toimittaa kuppeja.
(Simply cups 2016.)
Uudet biopohjaiset pinnoitteet tarjoavat mahdollisuuden kuppien kompostoinnille teollisesti tai jopa biohajoamiselle luonnollisissa oloissa. Samalla ne ovat valmistettu kasvipohjaisista raaka-aineista, joilla on jopa neutraali hiilijalanjälki. Kartonkikupeissa käytettyjen biomuovien kierrätys voi kuitenkin olla haasteellista, koska edellä mainittu prosessi perustuu muovin vettä alempaan tiheyteen ja sen erotteluun seoksen pinnalta. PLA:n tiheys on 1250 kg/m3 ja tämä uppoaa pulpperointiprosessissa seoksen pohjaan, jolloin sen erottelu hankaloituu. (Schoukens et al. 2014, s. 62.) Akaraonyen (2010, s. 734) mukaan PHA:n tiheys on myös 1250 kg/m3 ja se kohtaa samat ongelmat kierrätyksessä kuin PLA-muovi.
3.5 Uudelleenkäytettävät kupit ja elinkaariarviointi
Mahdollinen tapa vihreämpään kulutukseen on jätteiden tuottamisen vähentäminen. Useat kahvilat tarjoavatkin kertakäyttöisen kupin sijaan kahvin halvemmalla joko keraamisesta kupista paikan päällä juotuna tai omalla uudelleenkäytettävällä kupilla mukaan otettuna.
Woods ja Bakshi (2014, s. 931) sekä Potting ja Van Der Harst (2015, s. 1143) kuitenkin osoittavat elinkaariarvioinneissaan, että kertakäyttöistä kupeista ja uudelleenkäytettävistä kupeista kumpikaan ei osoittaudu ylivertaisesti paremmaksi. Uudelleenkäytettävien kuppien ekologisuuteen vaikuttaa esimerkiksi niiden kokonaiskäyttökertojen määrä, käyttökertojen määrä pesujen välillä, pesutapa ja pesemiseen käytetty kuuman veden, energian ja pesuaineiden määrä. Samalla tavalla käytettyjen kartonkikuppien ympäristöystävällisyyteen vaikuttaa muun muassa kartongin valmistusprosessin energian- ja veden kulutus sekä kupin loppukäyttö.
Elinkaariarviointien pohjalta tehtyä vertailua muovista valmistetun kertakäyttökupin ja kartonkikupin välillä on havaittavissa, että kupin loppukäytöllä on suuri vaikutus ekologisuuteen (taulukko 2). Polyetyleenitereftalaatista (PET) valmistetulla kupilla on seitsemän kertaa korkeampi ilmastonlämmityspotentiaali (GPW) verrattuna kartonkikuppiin, mikäli ne hävitetään jätteenpoltossa. Jos kupit joutuvat kaatopaikalle, kartonkikupista vapautuva metaani nostaa sen GWP:n jopa korkeammaksi kuin PET:stä valmistetulla kupilla. PET:stä valmistetulle kupille ei tapahdu kaatopaikalla hajoamista, jolloin siitä ei vapaudu lainkaan päästöjä. (Häkkinen & Vares 2010, s. 1462.)
Taulukko 2. Kartongista ja PET-muovista valmistettujen kuppien GWP loppukäytöstä riippuen (Häkkinen & Vares 2010, s.1462).
Kartonki ja kaksipuoleinen PLA-pinnoitus, 100000 kuppia, CO2-ekv kg
PET-muovi 100000 kuppia CO2-ekv kg
GWP Jätteenpoltto 1050 7510
GWP Kaatopaikka 4830 4710
4 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA
Kartonkikuppeja on pyritty kehittämään viime aikoina paljon. Syynä tähän on ihmisten muuttuneet kulutustottumukset ja entistä suurempi ympäristötietoisuus. Ihmisten nopeampi elämäntyyli ja tarve juoda matkalla ovat kasvattaneet kartonkikuppien kulutusta, mutta samalla jätettä syntyy enemmän. Koska tavallisen PE-muovilla pinnoitetun kartonkikupin loppukäyttö ei ole aivan ongelmatonta, sen korvaajaksi on kehitetty useita vaihtoehtoisia ratkaisuja.
Kartonkikuppien muotoilua on pyritty kehittämään lisäämällä ylimääräisiä kerroksia kupin ulkopintaan, jotta niiden lämmöneristys sekä puristustuntuma paranevat. Näin kupeista saadaan jämäkämpiä, eivätkä ne polta kättä. Lisäksi ulkopinnan embossatuilla kohokuvioilla saavutetaan parempi pito sekä ulkonäkö. Tämä kuitenkin osaltaan lisää kartongin kulutusta kupeissa, jotka ovat kertakäyttöisiä. Uusi innovaatio kannettomaan kartonkikuppiin on myös hyvä vaihtoehto tulevaisuudessa. Kannettomuuden yhdistäminen esimerkiksi biomuovista valmistettuun pinnoitteeseen toisi markkinoille hyvin ympäristöystävällisen kupin nykyisten ratkaisujen rinnalle.
Loppukäytön osalta on kehitetty useita erilaisia vaihtoehtoja niin pinnoitusmateriaalien kuin kierrätyksen alueilla. Biomuovit, kuten PLA ja PHA tarjoavat potentiaalisen korvaajan perinteiselle PE-pinnoitukselle. Mikäli biomuoveja käytetään kartonkikupeissa, tulisi niiden olla täysin luonnossa hajoavia tai kompostointiin tarkoitettujen jäteastioiden määrää tulisi lisätä, sillä esimerkiksi PLA on biohajoavaa vain teollisesti kompostoituna. Lisäksi biomuovien käyttö lisää kartonkikupin hintaa, joka on tärkeä tekijä kertakäyttöiselle tuotteelle. Toisaalta ympäristötietoinen asiakaskunta on myös valmis maksamaan enemmän ekologisesta tuotteesta ja kun biomuovien tuotantomäärät kasvavat, niiden hinnat laskevat.
Biomuovien lisäksi kierrätykseen kelpaavat kupit tarjoavat mahdollisuuksia. Kotkamills:n dispersiopinnoitettu kartonkikuppi voidaan sellaisenaan laittaa paperijätteen sekaan ja kierrättää ongelmitta paperitehtaalla. Samalla tavalla kierrätettävissä on Frugalpac:n kartonkikuppi, jossa tavallinen muovipinnoite asetetaan vasta kupin konvertointivaiheessa siten, että se irtoaa helposti kartongista pulpperoinnin yhteydessä. Molemmat vaihtoehdot
parantavat kupin kierrätettävyyttä, mutta eivät ratkaise riippuvuutta öljypohjaisista muoveista.
Usein kuluttajan päätös ohjaa kartonkikuppien loppukäyttöä, ja tämän tulisikin olla mahdollisimman vaivatonta. Vaikka kartonkikupin pinnoite olisi valmistettu biohajoavasta muovista, se ei palvele tarkoitustaan, jos kuppi joutuu kaatopaikalle. Mikäli biohajoavia kuppeja käytetään, tulisi biojätteen keräykseen tarkoitettuja roska-astioita olla riittävästi tarjolla. Sama tilanne on kierrätettäväksi kelpaavien kuppien osalta. Tämän vuoksi kuppien tulisi olla mielellään kierrätettävissä jo olemassa olevilla järjestelmällä, kuten tavallisen paperijätteen kanssa. Iso-Britanniaan innovaation pohjalta syntynyt toimitusketju nykyisten kartonkikuppien kierrätykseen on hyvä idea, mutta se ei myöskään poista riippuvuutta öljypohjaisista muoveista. Vastaavanlainen infrastruktuuri ei välttämättä toimi Suomen kaltaisessa maassa, jossa välimatkat ovat suuria ja kuppien kulutus on pienempää.
Kartonkikuppien tapauksessa jätteenpoltto on hyvä ratkaisu, sillä sitä kautta kuppiin sitoutunut energia saadaan vielä hyödynnettyä, eikä kuppi päädy kaatopaikalle.
Kartonkikuppien valmistukseen liittyen digitaalinen painatus tuo oman lisänsä kuluttajille yksilöityjen kartonkikuppien muodossa. Samalla pienemmän tuotannon koneet vievät kartonkikuppien tuotantoa lähemmäs kuluttajaa. Myös digitalisaatio tuo muutosta kartonkikuppien tarjoamiin markkinointimahdollisuuksiin. Se voi tarjota kupeille lisäarvoa myyjien näkökulmasta mahdollistamalla uudenlaista mainontaa ja asiakkaiden palkitsemista tai sitouttamista.
Tulevaisuus näyttää kuitenkin kartonkikuppien osalta hyvälle. Tutkimukset ja investoinnit ennakoivat kuppimarkkinoille tasaista kasvua, johtuen erityisesti kehittyvissä maissa yleistyvästä pikaruokakulttuurista. Tämän lisäksi kartonkikuppi on ihmisten mielikuvissa ekologisin vaihtoehto kertakäyttöiselle kupille. Omat uudelleenkäytettävät kupit kahviloissa eivät myöskään ole saavuttaneet odotettua suosiota, vaikka niitä käyttämällä kahvin saa edullisempaan hintaan kuin kertakäyttöisistä kupeista. Tähän lienee syynä ihmisten kiireinen elämäntapa ja mukavuudenhaluisuus. Elinkaariarvioiden mukaan ekologisuudessa ei ole selkeää voittajaa kartonkikupin ja uudelleenkäytettävien kuppien välillä. Uusien innovaatioiden kautta kartonkikupin ympäristöystävällisyys kehittyy edelleen ja nähtäväksi jääkin, kulkevatko ratkaisut lopulta kuppien kierrättämisen vai biohajottamisen suuntaan.
Pelkästään kartonkikupeista kirjoitettua tieteellistä lähdeaineistoa ei ollut juuri olemassa, jonka takia työssä piti soveltaa pakkaustekniikan lähteitä yleisesti. Taulukossa 3 on esitetty käytettyjen tieteellisten lehtien vaikuttavuuskertoimia, ja niistä on nähtävissä, että teokset täyttävät tieteellisten tekstien kriteerit. Tämän lisäksi lähteitä on pyritty käyttämään rinnakkain toisiaan tukevasti. Käytetyt kirjat ovat osa pakkaustekniikan yleisesti käytettyä kirjasarjaa ja ovat näin sisällöltään luotettavaa.
Taulukko 3. Käytettyjen lehtijulkaisujen vaikuttavuuskertoimia
BioResources
Progress in Polymer science
Journal of Cleaner Production
Journal of Food Science
Journal of Chemical Technology &
Biotechnology
Packaging Technology and
Science JIF
2015
1,334 27,184 4,959 1,649 2,738 1,292
Selkeästi tieteellisten lähteiden lisäksi työssä jouduttiin käyttämään patentteja, valmistajien tuote-esitteitä ja lehdistötiedotteita. Näiden käyttö oli välttämätöntä uusien innovaatioiden ja trendien tutkimisessa. Kyseisiä tekstejä pyrittiin tulkitsemaan mahdollisimman objektiivisesti, mutta nämä kuitenkin alentavat työn tieteellisyyttä ja luotettavuutta. Lähteet ovat kuitenkin viimeaikaista tietoa, joka lisää työn uutuusarvoa.
Tutkimus vastaa sille asetettuihin tutkimuskysymyksiin ja tutkimusongelmaan esitetään useita vaihtoehtoisia ratkaisuja. Jatkotutkimusta on toteutettavissa uusien kierrätettävien kartonkikuppien mahdollisuudesta hyödyntää biopinnoitteita ja miten niiden käyttö vaikuttaa kierrätettävyyteen. Tämän lisäksi kierrätettävien kuppien ja biohajoavien kuppien kesken olisi mahdollista toteuttaa elinkaariarviointi, jotta parempi vaihtoehto kestävän kehityksen näkökulmasta löytyy.
5 YHTEENVETO
Kandidaatintyössä tutkittiin kartonkikuppien viimeaikaisia innovaatioita ja tavoitteena oli selvittää mitä kehitystä kupeille on tapahtunut muotoilun, materiaalien ja loppukäytön osalta. Työ rajattiin koskemaan ainoastaan kuumille juomille tarkoitettuja kartonkikuppeja ja uusia innovaatioita tutkiessa keskityttiin vain 2010 jälkeisiin julkaisuihin, jotta työlle saadaan uutuusarvoa.
Työ oli luonteeltaan kirjallisuustutkimus ja lähteinä käytettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston tietokantoja sekä tiedekirjastoa. Näiden lisäksi uusien innovaatioiden ja trendien tutkimisessa käytettiin patentteja, lehdistötiedotteita ja yritysten tuote-esitteitä. Tutkimuksen ensimmäisessä luvussa perehdytään tämän hetkiseen tilanteeseen käytettyjen materiaalien ja valmistuksen osalta. Tällä luodaan pohja kartonkikuppien tutkimuksen jatkolle.
Työn tuloksissa tutkitaan kartonkikuppien uusia innovaatioita sekä elinkaariarvioita uudelleenkäytettävien kuppien sekä kertakäyttöisten kuppien välillä. Vaihtoehtoisista biopohjaisista pinnoitemateriaaleista kartonkikuppien osalta ratkaisun tarjoaa bio-PE, PLA ja PHA. Näistä biohajoavia ovat PLA ja PHA. Kartonkikupin kierrätettävyyttä voi parantaa pinnoittamalla kartongin polymeeridispersiolla tai vaihtoehtoisesti asettamalla pinnoitemuovin vasta kupin konvertointivaiheessa. Muotoilun osalta kuppien lämmöneristystä ja puristuslujuutta on kasvatettu ylimääräisellä ulkokerroksella, jonka voi myös valmistaa embossaamalla. Uusi kuppiratkaisu myös poistaa tarpeen käyttää kantta muotoilun avulla. Elinkaariarviot osoittavat, että kartonkikuppi on kuitenkin ekologisin kertakäyttöinen kuppi GWP:llä mitattuna ja uudelleenkäytettävä kuppi ei ole juurikaan vihreämpi ratkaisu.
Kartonkikuppien loppukäyttöön liittyvä ongelma on mahdollista ratkaista sekä kierrätystä että biohajoavuutta parantamalla. Lisäksi kartonkikuppien kysynnän tulevaisuus näyttää lupaavalta. Uudet ympäristöystävälliset ratkaisut parantavat edelleen kartonkikupin imagoa vihreänä tuotteena. Samalla markkinatutkimukset osoittavat kupeille kasvavaa kysyntää, etenkin kehittyvissä maissa johtuen pikaruokakulttuurin yleistymisestä.
LÄHTEET
Akaraonye, E., Keshavarz, T. & Roy, I. 2010. Production of polyhydroxyalkanoates: the future green materials of choice. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 85: 6.
S. 732–743.
Costa. Lehdistötiedote. 2016. [Costan www-sivuilla]. Päivitetty 29.11.2016. [Viitattu 1.3.2017]. Saatavissa: http://www.costa.co.uk/press/#/pressreleases/costa-launches- nationwide-cup-recycling-scheme-across-over-2000-stores-1672760
Cropper, J. 2013. [James Cropper:n www-sivuilla]. Päivitetty 2013. [Viitattu 1.3.2017].
Saatavissa: http://www.jamescropper.com/coffee-cups-become-paper/
Cupforma natura PE. 2015. [www-tuotedokumentti]. (Julkaisupaikka tuntematon): Stora
Enso, 2015. [Viitattu 20.2.2017]. Saatavissa:
http://assets.storaenso.com/se/renewablepackaging/DownloadDocuments/CupformaNatura -PE-15-en.pdf
Elks, J. 2013. McDonald’s Agrees to Phase Out Polystyrene Cups. [Sustainable brands:n www-sivuilla]. Päivitetty 25.9.2013. [Viitattu 10.3.2017]. Saatavissa:
http://www.sustainablebrands.com/news_and_views/design_innovation/packaging/mcdona ld%E2%80%99s-agrees-phase-out-polystyrene-cups
Food Executive. 2016. Demand for cups & lids to reach $10.6 billion in US. [Food executive:n www-sivuilla]. Päivitetty 1.9.2016. [Viitattu 10.3.2017]. Saatavissa:
http://www.foodexecutive.com/en/marketing/2144-cups-lids-usa.html#
Frugalpac Cup. 2016. [Frugalpac:n www-sivuilla]. Päivitetty 2016. [Viitattu 10.3.2017].
Saatavissa: https://www.frugalpac.com/cup/
Gangwar, A.K. 2016. Benefits of Polycyps Stock over Other Waste Paper Grades in Paper Recycling. BioResources, 11: 3. S. 5658–5659.
Grishchenko, G. 2009. Hot cup combos. Paper, Film & Foil Converter, 83: 11. S. 36–37.
Huhtamäki. Lehdistötiedote. 2016. [Huhtamäen www-sivuilla]. Päivitetty 26.4.2016.
[Viitattu 12.3.2017]. Saatavilla: http://www2.us.huhtamaki.com/fi/-/huhtamaki-brings- revolutionary-impresso-hot-cup-line-to-the-u-s-
Huhtamäki. Lehdistötiedote. 2017. [Huhtamäen www-sivuilla]. Päivitetty maaliskuu 16, 2017. [Viitattu 1.4.2017]. Saatavissa: http://www.huhtamaki.com/fi/-/huhtamaki-unveils- adtone-cup-with-digital-content
Huhtamäki. 2015. [Huhtamäen www-sivuilla]. Päivitetty 2015. [Viitattu 10.2.2017].
Saatavissa: http://www.foodservice.huhtamaki.co.uk/paperforming
Häkkinen, T. & Vares, S. 2010. Environmental impacts of disposable cups with special focus on the effect of material choices and end of life. Journal of Cleaner Production, 18: 14. S.
1458–1463.
Hörauf a. BMP 100 Compact. [verkkodokumentti]. Dondorf: (Julkaisuajankohta tuntematon). [Viitattu 15.2.2017] 1 s. Saatavissa PDF-tiedostona:
http://www.hoerauf.com/media/files/technische-datenblaetter- bmp/BMP_Compact100_Data_GB.pdf
Hörauf b. Insulated cup. [Hörauf:n www-sivuilla]. (Julkaisupaikka ja -aika tuntematon).
[Viitattu 20.2.2017] Saatavissa: http://www.hoerauf.com/en/insulation-cups.html
IfBB. 2016. Biopolymers facts and statistics [verkkodokumentti]. 46 s. Saatavissa pdf-
tiedostona: https://serwiss.bib.hs-
hannover.de/frontdoor/deliver/index/docId/1016/file/Biopolymers-Facts- Statistics_2016.pdf
Johansson, C., Bras, J., Mondragon, I., Nechita, P., Plackett, D., Simon, P., Svetec, D.G., Virtanen, S., Baschetti, M.G., Breen, C., Clegg, F. & Aucejo, S. 2012. Renewable fibers and
bio-based materials for packaging applications- a review of recent developments.
BioResources, 7: 2. S. 2506–2552.
Kangas, H. 2014, Opas selluloosananomateriaaleihin. VTT, 199. 89 s.
Krautsuk, S. 2016. Suomalainen yritys tekemässä tieteellisen läpimurron – ratkaisee take away -mukien maailmanlaajuisen ongelman. [Yle:n www-sivuilla]. Päivitetty 19.10.2016.
[Viitattu 20.3.2017]. Saatavissa: http://yle.fi/uutiset/3-9237332
Kuusipalo, J. 2008. Paper and Paperboard Converting. Helsinki: Paperi ja Puu Oy, 346 s.
Metsä Board. Media. 2017. [Metsä Boardin www-sivuilla]. Päivitetty maaliskuu 3, 2017.
[Viitattu 17.3.2017]. Saatavissa: http://www.metsaboard.com/Media/Product- news/Pages/Lidloc-from-Metsa-Board-breaking-new-ground-in-paperboard-cup-
design.aspx
Müller, G., Hanecker, E., Blasius, K., Seidemann, C., Tempel, L., Sadocco, P., Pozo, B.F., Boulougouris, G., Lozo, B., Jamnicki, S. & Bobu, E. 2014. End-of-life Solutions for Fibre and Bio-based Packaging Materials in Europe. Packaging Technology and Science, 27: 1. S.
1–15.
Packaging strategies. 2015. World demand for cups & lids to exceed $30 billion in 2019.
[Packaging strategies:n www-sivuilla]. Päivitetty 31.7.2015. [Viitattu 10.3.2017].
Saatavissa: http://www.packagingstrategies.com/articles/88136-world-demand-for-cups- lids-to-exceed-30-billion-in-2019
Pat. US 20140209618 A1. 2014. Container and method for making the same. Frugalpac Ltd., Lontoo: Iso-Britannia. (Slack, H.W.) Hak. 14232747, 12.7.2012. Julk. 31.7.2014. 30 s.
Pat. US 8864016 B2. 2014. Vessel and method for making the same. Comleat LLC, Boston:
USA. (Herman, P.) Hak. 13/942916, 16.7.2013. Julk. 21.10.2014. 13 s.
Pat. WO 170229. 2016. Method and system for manufacturing a coated paperboard and a coated paperboard. Kotkamills Group Oy, Kotka: Suomi. (Sundholm, F. & Hämäläinen, M.) Hak. FI 050255, 19.4.2016. Julk. 27.10.2016.
Paulapuro, H. 2000. Paper and board grades. Helsinki: Fapet Oy. 134 s.
PMC 1003. 2014. [www-tuotedokumentti]. Milwaukee, USA. Paper Machinery Corporation, 2014. [Viitattu 25.2.2017]. Saatavissa: http://www.papermc.com/wp- content/uploads/2016/02/PMC-1003_SpecSheet.pdf
PMC OW800. 2012. [www-tuotedokumentti]. Milwaukee, USA. Paper Machinery Corporation, 2012. [Viitattu 12.3.2017]. Saatavissa: http://www.papermc.com/wp- content/uploads/2016/02/PMC-OW800_SpecSheet-1.pdf
Potting, J. & Van Der Harst, E. 2015. Facility arrangements and the environmental performance of disposable and reusable cups. The International Journal of Life Cycle Assessment, 20: 8. S. 1143–1154.
Rastogi, V.K. & Samyn, P. 2015. Bio-Based Coatings for Paper Applications. Coatings, 5:
4. S. 887–930.
Reddy, M.M., Vivekanandhan, S., Misra, M., Bhatia, S.K. & Mohanty, A.K. 2013. Biobased plastics and bionanocomposites: Current status and future opportunities. Progress in Polymer science, 38: 10–11. S. 1653–1689.
Rhim, J.-W. & Kim, J.-H. 2009. Properties of Poly(lactacide)-Coated Paperboard for the Use of 1-Way Paper Cup. Journal of Food Science, 74: 2. S. 105–111.
Schoukens, G., Breen, C., Baschetti, M.C., Elegir, G., Vähä-Nissi, M., Liu, Q., Tiekstra, S.
& Simon, P. 2014. Complex Packaging Structures Based on Wood Derived Products:
Actual and Future Possibilities for 1-Way Food Packages. Journal of Materials Science Research, 3: 4. S. 58–67.
SFS-EN 643. 2014. Paperi ja kartonki. Eurooppalainen luettelo kierrätykseen tarkoitetun paperin ja kartongin standardilajeista. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto SFS. 34 s.
Simply Cups. 2016. [Simply cup:n www-sivuilla]. Päivitetty 2016. [Viitattu 1.3.2017].
Saatavissa: http://www.simplycups.co.uk/background/
Stora Enso. Lehdistötiedote. 2014. [Stora Enson www-sivuilla]. Päivitetty 25.2.2014.
[Viitattu 1.4.2017]. Saatavissa: http://www.storaenso.com/newsandmedia/a- beginner%E2%80%99s-guide-to-mfc
Stora Enso. 2013. Paperboard guide. [verkkodokumentti]. (Julkaisupaikka tuntematon):
2013. [Viitattu 10.2.2017] 52 s. Saatavissa PDF-tiedostona:
http://assets.storaenso.com/se/renewablepackaging/DownloadDocuments/PaperboardGuide -en.pdf
Woods, L. & Bakshi, B.R. 2014. Reusable vs. disposable cups revisited: guidance in life cycle comparisons addressing scenario, model, and parameter uncertainties for the US consumer. The International Journal of Life Cycle Assessment, 19: 4. S.931–940.
Vähä-Nissi, M., Laine, C., Talja, R., Mikkonen, H., Hyvärinen, S. & Harlin, A. 2010.
Aqueous Dispersions from Biodegradable/Renewable Polymers. 13th TAPPI European PLACE Conference. Bregenz, Itävalta. 30.5-1.6.2011. S.1–14.
