Применение нанотехнологий в индустрии древесных продуктов: всеобъемлющий обзор

Аннотация

Древесная промышленность является одним из главных драйверов экономического роста в Малайзии. Лес, являясь источником различных лигноцеллюлозных материалов, имеет много неиспользованных потенциалов, которые могут быть использованы для производства устойчивых и биоразлагаемых наноматериалов с очень интересными свойствами для использования в самой древесной промышленности или во многих других прикладных областях. Сектор древесных продуктов также может использовать различные легко доступные наноматериалы для улучшения характеристик существующих продуктов или создания новых продуктов с добавленной стоимостью из леса. Этот обзор подчеркивает недавние разработки в применении нанотехнологий в индустрии древесных продуктов.

Введение

Нанотехнология определяется как манипуляция веществом в диапазоне от 1 до 100 нм. Нанотехнология — это междисциплинарная область, объединяющая науку и технологии с целью разработки новых и улучшенных материалов со значительными функциями, физическими и химическими свойстваматериалов. Материалы в этом масштабе обладают уникальными свойствами по сравнению с теми же веществами в больших размерах. По этой причине через нанотехнологии можно исследовать различные инновационные применения во многих дисциплинах.

Нанотехнология не только как технологический энейблер, но и может быть драйвером для достижения национального экономического роста. Промышленность лесной продукции в Малайзии вносит около 22,5 млрд ринггитов экспорта в 2019 году. Древесные продукты, экспортируемые из Малайзии, включают лесопиломатериалы, фанеру, фанеру и профили. Древесная промышленность Малайзии имеет возможность полностью использовать нанотехнологии в своих интересах. Необходимо, чтобы усилия по применению нанотехнологий в древесной промышленности, особенно в Малайзии, поддерживались и получали внимание для диверсификации и добавления стоимости существующим древесным продуктам, что в конечном итоге ускорит экономический рост в этой сфере.

Тот факт, что лес играет важную роль для цивилизации уже много лет, не может быть исключен, так как он стал источником лигноцеллюлозных материалов для различных продуктов и разработок. На самом деле, древесные продукты давно доступны в обществе в виде древесины, мебели, бумаги и многих других функциональных материалов. Применение нанотехнологий в лесном секторе, особенно в лесных продуктах или древесных продуктах, заслуживает внимания от всех заинтересованных сторон. Использование нанотехнологий может привести к более прочным, многофункциональным, но более легким древесным продуктам. Традиционные лесные продукты, такие как целлюлоза и бумага, древесные композиты, покрытия древесины и консерванты древесины, могут быть расширены или преобразованы в новые или ценные продукты для поиска более широких и/или более продвинутых применений.

В этой обзорной статье применение нанотехнологий в индустрии древесных продуктов можно разделить на два пути:

Получение наноматериалов из леса
Растущие экологические опасения вызвали огромную потребность во внедрении устойчивых и биоразлагаемых наноматериалов. Этот новый материал, называемый нанокруллозой, может быть произведен из лесных ресурсов безопасным и устойчивым образом. Изобилие лигноцеллюлозного материала из леса создало взрывной интерес к превращению целлюлозы в нанокруллозу. Нанокруллоза — это по сути целлюлоза на молекулярном уровне, обладающая рядом ключевых особенностей: высокая прочность и жесткость, высокое отношение прочности к весу, электромагнитный отклик и большая удельная площадь. Выдающиеся характеристики этого материала предлагают огромный потенциал применения за пределами самой лесной промышленности. В области древесных продуктов она может применяться как армирующее средство в целлюлозе и бумаге и древесных композитах или как покрывающий материал в покрытиях древесины. Благодаря своей универсальности нанокруллоза может использоваться как один из компонентов (как подложка, стабилизатор, электрод) для нелесных секторов, таких как электроника, датчики, батареи, пищевые, фармацевтические и косметические производства.
Использование наноматериалов для древесных продуктов
Наноматериалы могут использоваться для улучшения существующих древесных продуктов в плане их функциональности. Например, использование наноматериала в покрытиях древесины, такого как нанооксид цинка или нанооксид титана, может улучшить функциональность древесины в плане ее долговечности, огнестойкости и УФ-поглощения, а также снизить водопоглощение. С другой стороны, применение наноинкапсуляции в консервантах древесины может улучшить пропитку древесины пестицидами, обеспечивая более глубокое проникновение химикатов в древесину, тем самым снижая проблему чрезмерного выщелачивания. Это улучшает долговечность обработанных древесины против биодеградационных агентов.

Существует ряд обзорных статей о применении нанотехнологий в лесном деле и лесных продуктах. Статья McCrank дает общий обзор применения нанотехнологий в лесном секторе, в то время как Moon и соавт. обсуждают более наноиндентацию. Насколько известно авторам, публикаций на эту тему ограничено, особенно охватывающих выбранные секторы древесной промышленности. Эта обзорная статья предоставит основные моменты недавнего прогресса применения нанотехнологий на выбранных секторах древесной промышленности, а именно: целлюлоза и бумага, древесные композиты, покрытия древесины и долговечность древесины. Кроме того, некоторые потенциальные применения нанокруллозы как нового поколения целлюлозы в индустрии древесных продуктов также подчеркиваются в таких областях, как энергетика и датчики.

Применения

Целлюлоза и бумага

Годовое производство бумаги и картона во всем мире превышает 400 млн тонн. Это показывает, что текущая цифровая эра не остановила постоянное использование бумажных продуктов в сообществе. Тем не менее, растущий спрос в основном на различные упаковочные продукты. Этот рост может быть стимулирован сменой потребительских предпочтений в пользу онлайн-покупок и ростом электронной коммерции, дающей такую удобство покупать в комфорте своего дома и получать продукт безопасно по назначению.

Бумага изготавливается из лигноцеллюлозных материалов, прошедших серию первичной обработки, обработки, бумагодела, сушки и покрытия. Стадия бумагодела — это место, где все смешивание целлюлозы и добавок добавляется и корректируется для разных конечных продуктов. Нанотехнология применяется в целлюлозе и бумаге в форме наноматериалов или наноаддитивов. Например, лесные ресурсы или лигноцеллюлозные материалы могут быть использованы для извлечения наномасштабного строительного блока или нанокруллозы, которая служит армирующим элементом для обеспечения уникальной механической прочности, функциональности и гибкости. Это новое поколение целлюлозы производится через деламинирование клеточной стенки для получения нановилок или извлечение кристаллической целлюлозы в наномасштабе. Нанокруллоза добавляется в бумагодела 주로 для увеличения прочности бумаги. Другие наноматериалы, используемые в процессе производства бумаги, включают нанокремнезем, наноцеолит и др. Включение наноматериалов или наноаддитивов в бумажную промышленность может помочь улучшить характеристики бумажных продуктов.

Основные добавки, используемые или потенциально используемые в целлюлозно-бумажной промышленности, обсуждаются в следующих разделах.

Нанокруллоза как мокрое или сухое армирующее средство

Нанокруллоза широко изучалась как армирующая добавка в целлюлозно-бумажной сфере. Нанокруллоза вызывает огромный интерес благодаря своей изобильности, доступности и интересным характеристикам: биоразлагаемость, низкая токсичность, отличные механические и оптические свойства, большая удельная площадь и возобновляемость. Нанокруллоза — это на самом деле целлюлоза в наномасштабных размерах, которую можно изолировать и приготовить из любых лигноцеллюлозных материалов, включая древесную целлюлозу, недревесные растения, древесину и сельскохозяйственные отходы, бактериальную целлюлозу и тюникулы. Целлюлоза — линейное соединение с β-1,4-связанными глюкозными единицами, включающее кристаллические и аморфные области. Удаление аморфных доменов из цепочки целлюлозы минеральной кислотой приводит к изоляции нанокристаллической целлюлозы, тогда как деламинирование клеточной стенки высокой сдвиговой механической действием приводит к уменьшению ширины целлюлозы, образуя нановиллозную целлюлозу. Эти две категории нанокруллозы являются самыми изучаемыми наноматериалами в целлюлозно-бумажной сфере для улучшения продуктов. За последнее десятилетие numerosas работы фокусировались на приготовлении нановиллозной целлюлозы (NFC) и нанокристаллической целлюлозы (NCC) из различных растительных ресурсов. На рис. 1 показаны изображения нанокристаллической и нановиллозной целлюлозы с помощью передаточной электронной микроскопии (TEM).

Свойства нанокруллозы варьируются в зависимости от методов приготовления и источника целлюлозы. Таблица 1 показывает морфологию и кристалличность нановиллозной и нанокристаллической целлюлозы.

От целлюлозы к нанокруллозе

Нановиллозная целлюлоза — наиболее изучаемый наноаддитив в бумагоделе, так как много работ было сообщено. Нановиллозная целлюлоза готовится путем воздействия волокон на селективные высокие сдвиговые механические обработки. Существует много методов и комбинаций методов для производства нановиллозной целлюлозы. Гомогенизация и микрфлюидизация — распространенные техники для приготовления нановиллозной целлюлозы, которые включают воздействие волокон в маленькую форсунку под высоким давлением для повторных проходов обычно между 10 и 15 проходами. Этот тип обработки, если используется отдельно, требует высокого энергопотребления, поэтому предварительная обработка химикатами, такой как TEMPO-оксидация (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил), карбоксиметилирование или фермент, обычно требуется для экономии энергии. Используя этот метод, нановиллозная целлюлоза производится в результате высоких сдвиговых скоростей, индуцируемых высокой скоростью и силой потока жидкости. Другой популярный метод производства нановиллозной целлюлозы — метод шлифования. Шлифовальная машина состоит из статичных и вращающихся каменных дисков. Сдвиговая сила, генерируемая камнями, разрушает клеточные волокна до индивидуальных нановилок. Чтобы избежать широкого распределения ширины этим методом из-за агломерации, авторы рекомендовали держать сырье в воде после целлюлозных и отбеливающих процессов. Это для предотвращения формирования сети водородных связей в сухом состоянии. Ультразвуковой метод также изучался для приготовления нановилок. Сонкация включает генерацию кавитационных высоких сдвиговых сил от ультразвуковых волн, которые могут разрушить структуру клеточного волокна. Считается, что сонкационная техника производит хорошо диспергированные и стабильные нановилки. Кроме того, криогенное дробление также может применяться для превращения нативных волокон в нановилки. Волокна нужно заморозить жидким азотом, затем подвергнуть высоким сдвиговым силам. Высокое сдвиговое усилие индуцирует давление на кристаллы льда, заставляя клеточные стенки разрываться и высвобождать микрофибриллы.

Нанокристаллическая целлюлоза, извлеченная из нативной целлюлозы, обычно готовится кислотной гидролизом. Другие методы с использованием специфических химикатов, таких как TEMPO-оксидация и ионные жидкости, также изучались для приготовления нанокруллозы. Применение целлюлазного фермента также сообщалось.

Во время кислотной гидролиза степень полимеризации целлюлозы быстро уменьшается, но стабилизируется в некоторой точке, известной как уровень стабилизации степени полимеризации. Причина этого поведения может быть в том, что аморфные области быстро гидролизуются кислотой. По мере начала гидролиза кислота предпочтительно атакует аморфную область из-за ее большого объема и гидролизует легко доступные гликозидные связи. Как только она гидролизует легко доступные связи, дальнейшая гидролиз происходит гораздо более медленно на восстановительном конце глюкозной цепи и на поверхности кристаллической области. Кислотная гидролиз влияет факторами, такими как тип кислоты, концентрация кислоты, температура и время. Любое изменение концентрации кислоты, времени гидролиза и температурных условий влияет на морфологию нанокристаллической целлюлозы. Например, увеличение как времени гидролиза, так и концентрации кислоты приводит к более короткой нанокристаллической целлюлозе, тогда как высокая температура приводит к полному превращению целлюлозы в глюкозу.

Добавление нанокруллозы в бумагодела приводит к бумаге лучшей характеристики, так как она увеличивает прочность бумаги и плотность, а также снижает пористость. Добавление наноструктурированной целлюлозы приводит к похожим свойствам бумаги, как добавление избитых волокон. Теоретически прочность бумаги может быть увеличена включением мокрых и сухих армирующих средств, добавлением функционализированных волокон и избиванием. Улучшение результата в способности волокон к сцеплению. Boufi и соавт. предложили, что механизм может быть связан с увеличением площади сцепления в результате действия нанокруллозы как соединителя между волокнами, ведущего к волокно-волоконному сцеплению. Кроме того, это может быть также связано с разными сетями, созданными в волокне, что приводит к увеличению способности к сцеплению. Учитывая микрометровую длину нанокруллозы, они могут действовать как мост для соединения соседних волокон, что ведет к более сильной сети. Взаимная сцепляющая сеть, обусловленная волокном и нанокруллозой, увеличивает прочность бумаги.

Нанокруллоза как наноаддитив улучшает внутреннее сцепление, что приводит к увеличению сухой разрывной прочности, снижению воздухопроницаемости и непроницаемости, и более высокой плотности. Будучи наномасштабным материалом, нанокруллоза имеет большую удельную площадь, и таким образом водородные связи могут формироваться более эффективно. Она добавляется как мокроконечная добавка для улучшения сухой прочности и удержания. Нанокруллоза, обычно используемая для сухого армирования, представлена в виде нановиллозной целлюлозы.

Существует разные стратегии добавления NFC в целлюлозную массу: она может добавляться напрямую с или без удерживающего средства или смешиваться с другими наполнителями или длинными волокнами, за чем следует удерживающее средство. Увеличение разрывной прочности после добавления NFC относится к количеству добавленного. Обнаружено, что увеличение разрывной прочности на 5% наблюдалось при добавлении 3% NFC в целлюлозную массу, состоящую из избитой целлюлозы вместе с катионным крахмалом. Интересно отметить, что эффект был более замечательным, если целлюлоза менее избита. Например, более чем 100% увеличение разрывной прочности при добавлении 6% NFC в термомеханическую целлюлозу. С другой стороны, NFC имел меньшее влияние при добавлении на хорошо избитую химическую целлюлозу. Таким образом, улучшение разрывной прочности ожидается при добавлении NFC в наполненную бумагу, механическую целлюлозу и переработанную целлюлозу. Hii и соавт. сообщили о таком наблюдении, что NFC адсорбируется на наполнитель и волокна и соединяет наполнитель с волокнистой сетью. Единственным основным недостатком использования NFC в бумагоделе является то, что оно замедляет дренаж. Дренаж играет очень важную роль в бумагоделе, так как напрямую относится к эффективности производства бумаги. Чем медленнее время дренажа, тем медленнее будет производиться бумага. Поэтому очень важно использовать удерживающее средство в специфической дозировке для улучшения адсорбции нановилок на поверхности волокна, тем самым приводя к улучшению обезвоживания.

NFC имеет свойства между сухим армирующим средством, таким как крахмал, и мелкими частицами, созданными действием избивания, так как оба ведут к увеличению площади сцепления. Это достигается созданием мягкого и тонкого слоя на поверхности волокна, который помогает увеличить сцепление волокон при сушке, а также заполнением пустот и пор между волокнами, что также увеличивает площадь сцепления.

Нанокруллоза как покрывающий материал для барьерных свойств

Нанокруллоза также может использоваться как покрывающий материал в упаковочной бумаге, так как она обладает хорошими барьерными свойствами. Преимущество использования нанокруллозы как покрывающего элемента в том, что проблема обезвоживания больше не является проблемой, так как она добавляется после изготовления бумаги. Существуют разные подходы для нанесения нанокруллозы, включая распыление, баровое покрытие, размерное прессование и вальцовое покрытие. Применение нанокруллозы, в частности нановиллозной целлюлозы, сообщалось об увеличении барьерных свойств по кислороду и маслу. В одном примере снижение воздухопроницаемости наблюдалось с 69 000 до 4,8 и с 660 до 0,2 нм·Па⁻¹ для необеленой бумаги и жироустойчивой бумаги соответственно, с использованием стержневого коатера. Syverud и Stenius наносили варьирующие количества NFC от 0 до 8% на хвойную целлюлозу и обнаружили, что барьерные свойства резко увеличились с 6,5 до 360 нм·Па⁻¹·с⁻¹. Это связано с снижением пористости, вызванным увеличением нановилок. Применение NFC и шеллака также пытались Hult и соавт. на бумаге и картоне, что привело к снижению воздухопроницаемости, скорости передачи кислорода и паровой передачи воды, делая его потенциальным для барьерной упаковки.

Не только это, нанокруллоза, в частности нановиллозная целлюлоза, может быть превращена в тонкие самостоятельные пленки или нанобумагу. Эта нанобумага может использоваться как подложка для электронных приложений, так как она прозрачна и гибка.

Наноматериал как удерживающее средство для улучшения свойств

Удерживающие средства добавляются в бумагодела для улучшения удержания функциональных химикатов на бумаге. Некоторые наноматериалы тестировались в бумажных продуктах, такие как использование наноцеолита и нанооксида титана. Наноцеолит используется как осушитель в бумажной промышленности для поглощения влаги и также функционирует для удаления газовых выбросов, если используется для специальной бумаги. Большая удельная площадь наноцеолита, состоящая из пустот и пор, помогает в таком процессе. Нанооксид титана, добавленный в бумагу, может образовать бумагу с лучшим динамическим модулем упругости по сравнению с контрольным образцом.

Эффект нанонаполнителя для улучшения свойств

Использование наполнителя в бумажной промышленности в основном обусловлено снижением затрат, так как наполнитель обычно дешевле самой целлюлозы. Помимо изучения как армирующей добавки, нанокруллоза также может использоваться как наполнитель. Добавление нановиллозной целлюлозы может снизить количество древесной целлюлозы и увеличить количество наполнителя, тем самым снижая производственные затраты. Кроме того, производимая бумага имеет улучшенные свойства, такие как низкая пористость и высокая непроницаемость. Также сообщалось, что добавление 2–10% нановиллозной целлюлозы как наполнителя приводит к увеличению прочности на 50–90% (Future Markets Inc. 2012). Наноглина может использоваться как добавка в бумагоделе для снижения газопроницаемости, что может привести к более долгому сроку хранения бумаги. Это важно в упаковочной промышленности, где газовые и водяные барьеры играют важную роль в предотвращении порчи продуктов питания и напитков.

Нанокарбонат кальция используется как наполнитель для улучшения рассеяния света. Модифицированный выделенный карбонат кальция с использованием наноструктурированных частиц имел положительное влияние на рассеяние света. Выделенный карбонат кальция покрывали силикатом и наночастицами сульфида цинка. Wild и соавт. сообщили о похожем исследовании, в котором наночастичное покрытие использовалось в лабораторных, пилотных и заводских испытаниях. Исследование обнаружило, что наночастичное покрытие дает хорошее качество печати, водостойкость и размерную стабильность. Нанооксид цинка, добавленный в бумажную массу, придает бумаге антибактериальные свойства. Одновременно оптические свойства, такие как яркость и белизна, а также печатаемость бумаги также улучшаются при добавлении нанооксида цинка. Нанооксид титана также изучался в комбинации с бета-циклодекстрином в покрытой бумаге. Обнаружено, что наноматериальная смесь имела лучший эффект деградации ксилола по сравнению с бумагой, покрытой только нанооксидом титана.

Наноматериал как клеящее средство для улучшения свойств

Клеящее средство добавляется в бумагодела для улучшения сопротивления проникновению воды/жидкости, чтобы бумага была пригодна для печати и письма. Использование нанокремнезема может улучшить оптические свойства и снижение просвечивания печати до 30%. Бумага, покрытая нанокремнеземом, давала лучшую оптическую плотность, размерную стабильность, качество печати по сравнению с непокрытой бумагой.

Древесные композиты

Древесина — дар природы человечеству, так как она биоразлагаемая и возобновляемая материал, который может использоваться во многих приложениях. Однако сама древесина обладает несколькими слабостями, такими как хрупкость, негибкость и недолговечность из-за атак термитов и других. Использование древесных волокон в производстве древесных композитов имеет свои недостатки, так как они имеют низкую сыпучую плотность, низкую термическую стабильность, высокую склонность к поглощению влаги и восприимчивость к биологической деградации. Нанотехнология использовалась во многих науках, и она может использоваться для улучшения качества многих материалов, включая древесину и древесные композиты.

Нанокруллоза как армирующий материал

Принцип использования нанокруллозы как армирующего материала в матричном материале привел к проведению множества исследовательских работ. Добавлением наномасштабной целлюлозы нанокомпозиты обладают выдающимися свойствами во многих отношениях, которых не могли достичь микрокомпозиты. Эти нанокруллозой армированные композиты способны заменять обычные композиты. Через соответствующую модификацию NCC можно разработать различные функциональные наноматериалы с выдающимися свойствами или значительно улучшенными физическими, химическими, биологическими, а также электронными свойствами. Свойства нанокомпозитов зависят от нескольких факторов, таких как свойства матричного материала, характеристики нанокруллозы, дисперсия нанокруллозы в матричном материале и интерфейсные взаимодействия между наполнителем и матричным материалом.

Нанокруллоза как армирование в различные типы матричных материалов широко изучалась. Полимерные нанокомпозиты, состоящие из натуральных или синтетических полимеров, армированных нанокруллозой, установили себя как перспективный класс материалов. Улучшение механических свойств — наиболее распространенная цель при приготовлении этих нанокруллозой армированных полимеров. Нефтяные полимеры обычно делятся на термопласты и термореактивные пласты. Разница между термопластами и термореактивными полимерами — в связях, удерживающих их длинноцепочечные молекулы: первые удерживаются слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, вторые — сильными ковалентными связями. Различные термореактивные смолы изучались для использования в нанокруллозных композитах. Эпоксидная смола, например, использовалась для передовых материалов благодаря своим отличным свойствам сцепления и хорошим механическим свойствам после отверждения (высокий модуль, низкий ползучесть, разумная работа при повышенных температурах). Однако она может легко разрушаться под ударом из-за высоко перекрестно-связанной структуры. С добавлением функционализированной нанокруллозы как армирующего материала механические свойства эпоксидных целлюлозных нанокомпозитов были значительно улучшены. Подход был проведен для приготовления эпоксидных целлюлозных нановилок композитов с ориентированной структурой. Процесс сочетал метод ледяного шаблонирования (или заморозки-литья) для приготовления высокопористых нанокруллозных сетей перед использованием их как преформ для пропитки биоэпоксидной смолой. Результаты показали, что упругий и накопительный модули нанокомпозитов были лучше, чем у чистой эпоксидной смолы в обоих направлениях испытаний, а прочность улучшилась в продольном направлении. Другая наиболее часто используемая термореактивная смола — насыщенный полиэстер (UP). Наноструктурированные UP биокомпозиты с содержанием нанокруллозы до 45 об.%, намного выше, чем в любых предыдущих исследованиях, были успешно обработаны и охарактеризованы. Наноструктурированная армированная сеть нанокруллозы сильно улучшает не только модуль и прочность UP, но также пластичность и вязкость. На рис. 2 показаны морфологии разрушения гидрофобного полиэстера, поли(3-гидроксибутират-ко-4-гидроксибутират) (PHB), армированного 15 масс.% NCC или 15 масс.% ацетилированным NCC с использованием полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM). FE-SEM изображения четко показывают, что ацетилированный NCC был гомогенно диспергирован в PHB по сравнению с NCC. Гомогенность способствовала сильному интерфейсному взаимодействию между армирующим материалом и полимерной матрицей.

Таблица 2 иллюстрирует включение нанокруллозы в термопластичные полимеры, такие как PLA, PVA, крахмал, PU, PP и др. Процессы, используемые для разработки этих нанокомпозитов, включают обмен растворителя, водную дисперсию, литье раствора, графтирование, пенообразование с обратным впрыском, электроспиннинг, коагуляцию и термокомпрессию, и в situ анионное кольцевое открытие полимеризационной реакции, среди других. Большинство исследований сообщали, что добавление нанокруллозы в нанокомпозиты приводило к улучшению механических свойств (прочность, жесткость, устойчивость к ползучести, эластичность), термической стабильности, барьерных свойств, а некоторые указывали на антибактериальные и антиоксидантные функции нанокомпозитов, в зависимости от компонентов нанокомпозитов. Общие выводы сообщали положительные результаты на армировании нанокруллозой в термопластичной матрице, что побуждает и поощряет больше исследований в производстве более зеленых и устойчивых композитных материалов.

Природные полимеры обычно встречаются в природе и могут быть извлечены. Природные полимеры не являются термопластичными, с небольшими исключениями. Однако химические и физические модификации способны запустить термопластичность в природных полимерах из биомассовых ресурсов, таких как целлюлоза, лигнин и хитин. Из-за растущего экологического сознания и спроса на зеленые продукты, различные природные полимеры, армированные нанокруллозой, использовались для производства бионанокомпозитов. Существует очень ограниченное количество исследований, сообщающих об использовании растительной нанокруллозы в регенерации костной ткани. Одно из исследований сообщило о приготовлении нанокомпозита путем синтеза (TEMPO)-оксидированной нановиллозной целлюлозы (TNFC) или нанокристаллической целлюлозы (NCC) с гидрок시아патитом (HA). Композиты демонстрировали лучшие сдавливающие прочности, упругие модули и вязкость разрушения в диапазоне внешней и плотной корковой кости, чем на основе NCC. Кроме того, композиты не индуцировали цитотоксичность в человеческих костных остеобластах, а улучшили их жизнеспособность, делая их перспективными для регенерации костной ткани в нагрузочных приложениях.

Среди других природных биополимеров используются натрий альгинат, целлюлоза и белки, которые имеют характеристики биоразлагаемости, биосовместимости и низкой токсичности. Натрий альгинат, например, широко использовался как отличный биоматериал во многих областях, таких как тканевая инженерия, доставка лекарств, пищевая упаковка и биомедицинские приложения. Однако плохая механическая прочность и неконтролируемые свойства деградации ограничивают его применение. Несколько попыток предпринимались для преодоления этих проблем путем разработки нанокомпозитных пленок с включением нанокруллозы в альгинатную матрицу. Обнаружено, что включение NFC в альгинатную матрицу улучшило ее водостойкость и механические свойства. Дальнейшее исследование показало, что с ультразвуковой обработкой для облегчения дисперсии, TEMPO-оксидированный NCC имеет лучшую эффективность в армировании альгинатного биополимера по сравнению с NFC. Подобная концепция биовдохновенной синергетической армирующей стратегии в интеграции нанокруллозы в хитин, хитосан, изолат соевого белка (SPI) и льняной камедь открывает новый путь для построения высокопроизводительных нанокомпозитов.

Наночастицы для улучшения свойств древесных панелей

Древесные композиты обычно описываются как широкий спектр продуктов, имеющих комбинацию древесных элементов, удерживаемых вместе связующим веществом. Среди преимуществ древесных композитов — они могут быть спроектированы для конкретных качеств или требований к производительности при разных толщинах, классах и размерах. Древесные композиты производятся для использования естественных прочных характеристик древесины (и иногда приводит к большей структурной прочности и стабильности, чем обычная древесина). С другой стороны, древесные композиты также имеют недостатки: они требуют больше первичной энергии для производства по сравнению с цельным пиломатериалом. Следовательно, древесные композиты не подходят для наружного использования, так как они могут поглощать воду и более склонны к деформации от влажности, чем цельные древесины. Клеи, используемые, выделяют токсичный формальдегид в готовом продукте. Нанотехнология может быть использована для улучшения качества древесных композитов для удовлетворения растущего спроса на существующие продукты и для новых продуктов для использования в новых приложениях.

Основные недостатки древесины — ее восприимчивость и биоразлагаемость микроорганизмами, а также размерная нестабильность при воздействии переменного содержания влаги. Это в основном связано с основными полимерами клеточной стенки и их высоким изобилием гидроксильных групп (OH). Древесина естественно гигроскопична, и поглощение влаги древесными материалами напрямую связано с экспонированной площадью поверхности. Добавление неорганических наночастиц в древесные композиты сообщалось об улучшении антимикробных свойств композитов. Наночастицы оксида цинка (ZnO) демонстрируют хорошую антимикробную активность. Эти наночастицы добавляют в клей меламин-мочевина-формальдегид (MUF) перед использованием для производства древесно-стружечных плит. Результаты показывают увеличение биостойкости древесно-стружечных плит против грамположительной бактерии Staphylococcus aureus, грамотрицательной бактерии Escherichia coli, плесеней Aspergillus niger и Penicillium brevicompactum, а также коричневогнилой грибы Coniophora puteana. Серебряные наночастицы, хорошо известные как биоцидные добавки, также демонстрировали похожие антибактериальные и противоплесневые эффекты при нанесении на меламинированные поверхности древесно-стружечных плит. Комбинация нанооксида меди и алканового поверхностно-активного вещества также подтвердила улучшение водо- и термитостойкости обработанных образцов фанеры. Модифицированный крахмальный клей был изучен как другой вариант для увеличения гнилостойкости древесно-стружечных плит. Древесно-стружечные плиты, склеенные модифицированным PVA/крахмалом пальмового масла с добавлением нанокремнезема (SiO₂) и буровой кислоты, оказались более гнилостойкими, чем древесно-стружечные плиты, склеенные их нативным крахмалом. Добавление нано-SiO₂ и буровой кислоты как водоотталкивающего и противогрибкового средств соответственно предотвратило активность микроорганизмов в итоговой древесно-стружечной плите.

Производство древесных композитных панелей может быть улучшено разработкой методов сокращения времени отверждения смолы при горячем прессовании, что может ускорить производство или улучшить общее качество плиты. Теплопередача, влияющая на время прессования древесно-композитной панели, варьируется с толщиной, температурой пресса, скоростью замыкания и распределением влаги в ковре. Добавление наночастиц ZnO увеличило теплопередачу в центре древесно-стружечной плиты при горячем прессовании, вызывая большую степень отверждения смолы и улучшая физико-механические свойства. Высокопроводящие наночастицы, такие как многослойные углеродные нанотрубки (CNTs) и оксид алюминия (Al₂O₃), также доказывали улучшение термических и механических свойств среднеплотных древесно-волокнистых плит. Исследование также сообщило, что хотя активированные углеродные наночастицы не давали никакого значительного эффекта на физические и механические свойства плиты, они имели более ускоренный эффект на отверждение мочевина-формальдегидной (UF) смолы и снижение выбросов формальдегида по сравнению с другими двумя нанонаполнителями.

В изготовлении древесных композитов клеи играют исключительно важную роль, влияющую на свойства композитов, включая механические свойства, их способность работать во влажных условиях и их влияние на окружающую среду. Мочевина-формальдегид, меламин-мочевина-формальдегид и фенол-формальдегид обычно используются в древесно-композитной промышленности. Использование наночастиц привело к улучшению свойств клеев. Многие исследования проводились для производства наноматериалом армированных древесных композитов с улучшенными физическими и механическими характеристиками и сниженными выбросами формальдегида. Наноглины доказали себя как отличные наполнители и армирование для смоляной матрицы, значительно улучшая прочность, вязкость и другие свойства. Модификация UF клея с использованием наноглинистых частиц для фанеры, изготовленной из трех лесных пород быстрых насаждений: Cordia alliodora, Gmelina arborea и Vochysia ferruginea, были сообщены Muñoz и Moya. Было определено, что наномодификация смолы наноглиной при 0,75% улучшила модули разрыва и упругости плиты. Эффект использования наноглинистых частиц в PF клеях значительно повысил механические свойства клея в линии сцепления и способствовал увеличению макросцепления фанеры. Интересно, ион-переходных металлов модифицированная бентонит (TMI-BNT) наноглина использовалась для превращения кристаллических UF смол в аморфные полимеры путем блокировки водородных связей через в situ интеркаляционный метод. Это привело к увеличению прочности сцепления на 56,4% и снижению выбросов формальдегида на 48,3%.

Другие наночастицы, используемые для улучшения физических и механических свойств древесных композитов, включают нановолластонит (NW), нано-ZnO, нано-SiO₂, нано-Al₂O₃, наносеребро и нанокруллозу (NCC и NFC). NCC использовался как наполнитель для клея, тогда как NFC применялся как связующее вещество в формулировке композитных плит. Недавно было раскрыто, что добавление микро- и нановилок целлюлозы имеет выгодные эффекты на свойства смолы. На основании исследований выяснилось, что добавление NCC значительно улучшило механические свойства фанеры в количестве 10%/100 г твердой смолы. С другой стороны, физические свойства древесно-стружечных плит после добавления NCC в UF клеи показывали гладкую поверхность, незначительную разницу в плотности и влажности плит, и только высокое содержание нанокруллозы демонстрировало значительное увеличение набухания толщины. В то же время панели древесно-стружечных плит, изготовленные с использованием NFC как связующего материала, показывали соответствие отраслевым требованиям в плане механических свойств для низкоклассных сортов. Для высококлассных древесно-стружечных плит оценивалось, что увеличенное соотношение NFC и более высокое давление могли улучшить внутренние свойства сцепления. Даже прочность выдергивания гвоздей и саморезов по лицу находилась увеличенной с увеличением соотношения добавления NFC и плотности плиты.

Покрытия древесины

Леса в основном или частично используются для производства древесных и недревесных лесных продуктов. Недревесные лесные продукты включают бамбук, ротан, дрова, уголь, дамар, пальму и др. Существует огромный спрос на высококачественную древесину, но доступность древесины из естественных лесов снижается. Следовательно, поиск недревесных ресурсов как альтернативы древесине ускоряется. Благодаря своим быстрым темпам роста бамбук был разработан в один из самых важных недревесных лесных продуктов. Древесина — естественная биологически самоорганизованная полимерная структура (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза). Она одна из самых универсальных материалов и веками использовалась в виде зданий и сооружений. Однако древесина подвергается интенсивным оксидативным процессам деградации, таким как фотооксидация, химическая оксидация, термическое разложение и фотолитические реакции от окружающей среды, включая ультрафиолетовое (УФ) излучение, влагу, химические загрязнители и вариации тепло/холод. Даже недревесные материалы, как бамбук, сам по себе естественный органический материал, богатый белками, углеводами и другими питательными веществами, и склонен к плесени, поеданию молью и гниению. Следовательно, конечные продукты древесных и недревесных продуктов обычно содержат добавки, которые могут использоваться как покрытия для защиты и улучшения эстетического внешнего вида, консерванты для защиты от огня и биологических факторов (грибы и насекомые).

Покрытие — процесс нанесения слоя на поверхность подложки. Примеры распространенных покрытий, наносимых на поверхности древесины — лаки, лаки и краски, чья цель может быть как защитной, так и декоративной. Основные компоненты покрытий определяют их фундаментальные свойства: связующие, пигменты, растворители, наполнители и добавки. Каждый элемент вносит специфические свойства на поверхность древесины. Связующее вносит вклад в адгезию пигмента к древесине и создает защитный слой, в то время как пигмент обеспечивает цвет и формирует непрозрачный поверхностный слой. Растворители дают необходимую вязкость для нанесения покрытия, а добавление наполнителей изменяет цветовую силу и глянц покрытия. Что касается добавок, они ингибируют плесень и гниение, помогают процессу сушки, улучшают свойства адгезии и контролируют финиш. Однако у покрытий есть слабости: ограниченная гибкость, потеря прочности, непропорциональная адгезия между покрывающим слоем и подложкой, низкое износостойкость и меньшая долговечность.

Нанопокрытия способны решить эти проблемы. Нанопокрытие — процесс, при котором тонкий слой толщиной около <100 нм осаждается на подложку для улучшения некоторых свойств или придачи новой функциональности. Нанопокрытие может использоваться не только на наноматериалах, но и на более объемных материалах с экстремально тонким покрытием без влияния на топографию поверхности подложки. Применение нанопокрытий в древесине и древесных продуктах в основном фокусируется на улучшении долговечности, механических свойств, огнестойкости и УФ-поглощения, а также снижении водопоглощения. Один из подходов к улучшению функциональности и ценности для конечного пользователя нанопокрытий — добавление наночастиц. Эти наночастицы имеют очень большие отношения площади поверхности к объему из-за своей морфологии, что позволяет им интенсивно взаимодействовать с окружением, и их наноразмер обеспечивает сохранение прозрачности.

Наноаддитив для улучшения долговечности

Нанопокрытия могут улучшить долговечность древесных и недревесных продуктов, используя наночастицы и наносистемы доставки, которые вносят изменения на молекулярном уровне продуктов. Одной из целей покрытий является предотвращение роста различных микроорганизмов, таких как грибы и бактерии. Наномасштабные частицы металлических оксидов, такие как оксид цинка (ZnO), оксид титана и оксид церия (CeO₂) сообщали о демонстрации сильных антимикробных свойств. Исследования проводились в прямом осаждении наночастиц на поверхности древесины или прямой функционализации поверхностей древесины наночастицами. Наночастицы ZnO успешно изготавливались на поверхности бамбуковой древесины простым низкотемпературным мокрым химическим методом на основе сол-гель заготовленных зародышевых слоев ZnO. Результаты указали, что обработанная бамбуковая древесина имела лучшее сопротивление Aspergillus niger V. Tiegh (A. niger) и Penicillium citrinum Thom (P. citrinum), но слабое сопротивление Trichoderma viride Pers. ex Fr (T. viride). Графен также демонстрирует превосходную способность ингибировать бактериальный рост. Следовательно, комбинация использования редуцированного оксида графена и нано-ZnO для покрытия бамбуковых наружных материалов через двухступенчатый процесс дип-сушки и гидротермальной обработки привела к улучшению свойств сопротивления плесени и антибактериальной активности. Аналогично, наноструктурированный ZnO с использованием гидротермального процесса также обеспечил эффективную защиту поверхностей древесины от биодеградации.

Водорастворимый полиуретан (WPU) покрытия, включенные с нанокристаллической целлюлозой (NCC) и серебряными наночастицами (AgNPs), использовались для улучшения антибактериального свойства древесных плит. AgNPs были известны как антимикробный материал, но легко агломерали в процессе приготовления. Поэтому NCC вводили для помощи в смешивании и диспергации AgNPs с WPU или другими покрытиями. Кроме того, NCC также был хорошим армирующим агентом для улучшения механических свойств нанокомпозитов. Мини-эмульсная полимеризация также использовалась для синтеза акрилового латексного покрытия, содержащего AgNPs, которое ограничит рост черно-пятнистых грибов на поверхностях древесины. Исследование антибактериального эффекта серебряных и оксида цинка наночастиц в акриловых покрытиях, применяемых при обработке коммерческих древесных композитов, таких как древесно-стружечные плиты и среднеплотные древесно-волокнистые плиты, проводилось. Ag и ZnO наночастицы были частично более эффективны против грамотрицательной бактерии Escherichia coli по сравнению с грамположительной бактерией Staphylococcus aureus.

Наноаддитив для улучшения водопоглощения

Хорошо известно, что древесина восприимчива к воде или влаге. Это связано с гидрофильной природой полимера клеточной стенки и его капиллярно-пористой структуры. Взаимодействие между древесиной и водой приводит к биодеградации древесины, размерной нестабильности и ускоренному выветриванию. Хотя существуют традиционные химические модификации для улучшения гидрофобности древесины, доступность воды в древесине все еще не полностью подавлена. Кроме того, химикаты, используемые в процессе обработки, могут быть опасными. Следовательно, нанотехнология используется как альтернативный подход для модификации и функционализации древесины. Включение наночастиц в полимерные покрытия используется для улучшения водопоглощения поверхностей древесины. Два подхода используются для интеграции наночастиц в покрытия: растворительное смешивание и in situ добавление. Первый подход (растворительное смешивание) — когда растворитель комбинируется с полимером перед диспергацией на поверхности древесины. Этот физический метод может применяться через погружение, кистевание и распыление. Wu и соавт. сообщили, что супергидрофобное покрытие было построено на поверхности топины с углом контакта до 158,4° через водорастворимый УФ-лак (WUV), модифицированный наночастицами ZnO и стеариновой кислотой. По сравнению с WUV, водостойкость цинк-стеарата/водорастворимого УФ-лака супергидрофобного покрытия (ZnSt₂/WUV) была сильнее, что способствовало приготовлению супергидрофобных покрытий легким и экологически чистым способом. Интересно, водяной лак с добавлением наночастиц TiO₂ использовался для оценки финиша девяти тропических пород древесины. Обнаружено, что включение наночастиц TiO₂ снизило значения водопоглощения, и после года воздействия выветривания лак без добавленных наночастиц TiO₂ деградировал полностью, в то время как модифицированная лаковая пленка выдержала. Другие примеры супергидрофобных древесных покрытий, успешно приготовленных: лигнин-покрытые нанокристаллические целлюлозы (L-NCC) частицы/поливиниловый спирт (PVA) композитная система красок, УФ-отверждаемые метакрилат-силоксан-целлюлоза композитные покрытия, Fe³⁺-допезированные SiO₂/TiO₂ композитные пленки и полидиметилсилоксан (PDMS)/силика гибридная система покрытий.

Второй подход — in situ добавление или химический процесс, включающий добавление соединения непосредственно к мономерам и последующую полимеризацию. Наночастицы синтезируются in situ химическими реакциями на поверхности древесины, таких как гидротермальные методы или сол-гель осаждение. Gao и соавт. применили простой и эффективный метод приготовления супергидрофобной проводящей поверхности древесины с супермасляной отталкиваемостью, используя AgNPs, модифицированные флуороалкилсиланами. Многофункциональное покрытие может быть коммерциализировано для различных приложений, особенно для самозачистки и биомедицинских электронных устройств. В другом исследовании бамбук обрабатывали ZnO солью, и нанолисты ZnO гидротермально выращивали на поверхности бамбука и затем модифицировали флуороалкилсиланами. Успешно обработанный бамбук демонстрировал превосходные свойства: надежную супергидрофобность, стабильную отталкиваемость к имитированному кислотному дождю, УФ-стойкость и огнестойкость. Подобные превосходные свойства получались, когда бамбуковая древесина готовилась гидротермальным осаждением анатазных наночастиц TiO₂ и дальнейшей модификацией октадеcilтрихлорсилана. Супергидрофобные поверхности древесины также могут быть приготовлены подходами, такими как слой-за-слоем сборка полиэлектролит/TiO₂ наночастиц многослоев и гидрофобная модификация перфлуороалкилтриэтоксисилана (POTS), распыление водорастворимого перфлуороалкилметакрилатного кополимера (PMC)/TiO₂ нанокомпозитов на PDMS предварительно покрытую подложку и однопалубный гидротермальный процесс с тетрабутилтитанатом (Ti(OC₄H₉)₄, TBOT) и винилтриэтоксисилана (CH₂CHSi(OC₂H₅)₃, VTES) как со-предшественников. Даже биомиметический подход для производства лотосообразной SiO₂ супергидрофобной поверхности бамбука на основе мягкой литографии был успешно проведен.

Наноаддитив для улучшения механических свойств

Неорганические частицы, интегрированные в органические полимеры, обычно используются в покрытиях древесины для увеличения механических свойств. Как наполнители, жесткость и твердость неорганических материалов эффективно комбинируются с технологичностью полимера. Неорганические частицы, когда применяются в микронных размерах, имеют недостатки: они снижают гибкость материала и уменьшают прозрачность системы покрытия. Использование неорганических частиц в наноразмере увеличивает площадь поверхности и отношение интерфейсной площади, что впоследствии влияет на свойства сырья. Недавние исследования изучали использование нанокруллозы как возобновляемого армирования для разработки био-базированной нанокомпозитной системы покрытия с улучшенной производительностью. Нанокруллоза модифицировалась поверхностно из-за проблемы несовместимости с полимерной матрицей. Добавление TEMPO-оксидированных целлюлозных нановилок улучшило механические свойства WPU покрытия. В случае неполярной полимерной матрицы нанокристаллическая целлюлоза модифицировалась двумя методами: с акрилоилхлоридом или катионным поверхностно-активным веществом. Увеличение уровня загрузки NCC до 2% увеличивало твердость, упругий модуль и разрывную прочность.

Нанокремнезем — другая распространенная наночастица, применяемая для улучшения механических свойств. Среди преимуществ использования нанокремнезема — его высокая твердость и легкая химическая модификация для улучшения совместимости с полимерной матрицей. Недавнее исследование Meng и соавт. сообщило о касторово-масляных водорастворимых акрилатных (CWA)/SiO₂ гибридных покрытиях с органико-неорганическими ковалентно перекрестно-связанными сетевыми структурами, приготовленных через сол-гель и тиол-ен реакции. Результаты показали, что кроме того, что эмулсии имели хорошую стабильность, термические и механические свойства покрытия значительно улучшались при 10 масс.% SiO₂. Улучшение механических свойств с добавлением нанокремнезема также описывалось в других системах покрытий, таких как водорастворимый нитроцеллюлозный и акрилатный.

Наноаддитив для улучшения УФ-поглощения

Процесс фоторазрушения древесины начинается непосредственно после воздействия солнечного света, а затем происходят изменение цвета и прогрессивная эрозия поверхности древесины. УФ-излучение способно фотокемически деградировать полимерные структурные компоненты древесины (лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза). Процесс фоторазрушения обычно приводит к снижению водостойкости древесины и древесных материалов, что ведет к дальнейшей биодеградации под условиями наружного воздействия. Интенсивное повреждение материалов из-за УФ-компонента в солнечном излучении может быть предотвращено использованием технологий стабилизации света, поверхностных покрытий или заменой этих материалов на более устойчивые к УФ-излучению. Наночастицы могут использоваться для улучшения УФ-сопротивления для растворительных, водорастворимых и УФ-покрытий для защиты поверхностей древесины. Наночастицы, содержащие функциональные покрытия для достижения УФ-блокирующих свойств, предлагают высокий уровень защиты от УФ без влияния на прозрачность поверхности. Малый размер наночастиц дает значительное увеличение эффективности блокирования УФ-света по сравнению с натуральными материалами из-за их большого отношения площади поверхности к объему.

Использование УФ-поглощающих покрытий служит предотвращению деградации лигнина от УФ-света. Среди наночастиц, используемых как УФ-поглотители, в основном TiO₂ и ZnO. Wallenhorst и соавт. сообщили о системе, состоящей из Zn/ZnO покрытия и дополнительного полиуретанового уплотнения, которая сильно снизила фотодеколоризацию поверхности древесины и оказалась химически стабильной. Комбинация бензотриазола (BTZ) и наночастиц ZnO применялась как УФ-поглотители в акриловых наружных покрытиях бамбука. Обнаружены сильные синергетические эффекты в BTZ-ZnO покрытиях, особенно для формулировки соотношения 2:1. Система покрытия обеспечивала высокую устойчивость к фоторазрушению и эффективно ингибировала фотодеколоризацию бамбуковых подложек. Другая смесь бензотриазолов, затормаживающих аминов стабилизаторов света (HALS) и наночастиц ZnO в толстослойных водорастворимых акриловых покрытиях также дала наиболее положительный эффект в УФ-защитной поверхностной модификации при применении к дубовой древесине. Смесь бензотриазолов, HALS и как TiO₂, так и ZnO наночастиц подтвердилась как одно из наиболее эффективных лечений для стабилизации цвета древесины из-за УФ и ВИС спектров. Сообщалось, что образцы древесины, покрытые рутильным TiO₂ и смесью метилтриметоксисилана и гексадецилтриметоксисилана, показывали превосходную выветриваемость и улучшенную устойчивость к изменению поверхностного цвета и потере веса. Покрытие TiO₂ также было найдено, чтобы очевидно улучшить стабильность цвета древесины при облучении УФ-светом без водяного распыления. Однако смежная поверхность древесины деградировала из-за фотокаталитической активности TiO₂.

Наноаддитив для улучшения огнеупорности

Легковоспламеняемость древесных и недревесных продуктов ограничивает их использование, безопасность от пожаров является главной проблемой для различных приложений. Для преодоления врожденных недостатков и использования древесных и недревесных материалов безопасным образом, огнеупорные свойства нуждаются в серьезном рассмотрении. Наночастицы недавно использовались для производства нанокомпозитов для улучшения огнеупорных свойств. Использование наночастиц, либо отдельно, либо в комбинации с традиционными огнезащитными средствами, служит для снижения воспламеняемости древесины. Наноразмер и большая удельная площадь наноматериалов делают их более эффективными при низких концентрациях, чем другие традиционные соединения, что является огромным преимуществом промышленно и экономически. Поверхностная модификация необходима для наночастиц для достижения лучшей совместимости и гомогенной дисперсии. TiO₂ покрытая древесина оказалась способной снизить легковоспламеняемость древесины и распространение пламени по сравнению с непокрытым образцом. ZnO-TiO₂ слоистые двойные наноструктуры были синтезированы на бамбуковой подложке. Результаты показали, что кислородный индекс увеличился с 25,6 до 30,2% после покрытия ZnO-TiO₂ покрытием, что раскрыло значительное улучшение его огнеупорных свойств. Слоистые двойные гидроксиды могут поглощать большое количество тепла, разбавлять концентрацию легковоспламеняющихся газов и поглощать вредные кислотные газы в процессе декомпозиции; поэтому это отличный огнезащитный материал. Yao и соавт. применили наномагний-алюминий слоистый двойной гидроксид (Mg-Al LDH) к бамбуку в in situ однопалубном процессе и обнаружили, что общий тепловыделение и общий выброс дыма снизились на 33,3% и 88,9% соответственно по сравнению с образцами без Mg-Al LDH. Wang и соавт. ввели нанослоистые двойные гидроксиды цинк-алюминий (Zn-Al LDH) в древесину и обнаружили, что пиковая скорость тепловыделения (PHRR) и общий выброс дыма снизились на 55% и 47% соответственно по сравнению с первозданной древесиной. Наноструктурированные углеродные материалы, такие как графен, также доказали иметь большой потенциал для использования как эффективный огнезащитный материал в древесных и древесно-композитных материалах для поверхностной защиты от огня.

Долговечность древесины

Древесина — такой универсальный материал, который находит применение в различных областях, таких как строительство, мебель и искусство. Древесина применяется как строительный материал благодаря высокому соотношению прочности к весу, экологичной характеристике, эстетическому внешнему виду и биоразлагаемой особенности. К сожалению, древесина очень чувствительна к биологическим атакам, особенно грибами гниения и насекомыми. Древесина также поражается воздействием УФ-излучения, огня и влаги. Влага может вызывать деформацию древесины, трещины и размерную нестабильность. Деградация древесины может вызывать эстетические и внутренние структурные повреждения. Деградация древесины приводит к неисчислимым потерям каждый год. Кроме того, рост грибов гниения на древесных конструкциях вызовет проблемы со здоровьем людей, включая аллергии, респираторные симптомы и астму, особенно после длительного воздействия в помещении. Следовательно, связанные с древесиной проблемы не могут быть просто проигнорированы. Консервация древесины с использованием химикатов — эффективный способ защиты и продления срока службы древесины.

За последние десятилетия многие химические консерванты были разработаны и использованы для защиты древесины от биодеградационных агентов. К сожалению, большинство этих химических консервантов могут представлять серьезные эффекты для людей, живых организмов и окружающей среды из-за их накопления в почве и экосистемах. Хромированная медная мышьяк (CCA) — один из химических консервантов, широко используемых с середины 1930-х годов и эффективно защищающих древесину от грибов гниения, термитов и насекомых-ксилофагов. Однако CCA показана токсичной для людей и окружающей среды. Похожая проблема также встречается с другим химикатом, пентахлорфенолом (PCP). Он считался опасным для здоровья людей; следовательно, его производство и использование были запрещены во многих странах.

В ответ на эти проблемы новая серия химических консервантов, заявляемых как безопасные и менее загрязняющие, вводится. Эти химические консерванты могут быть получены из растительных экстрактов или произведены синтетически и обладают свойствами биологически активных соединений растений. Например, пиретройды, полученные из пиретрового цветка (Chrysanthemum cinerariifolium), имеют мощную инсектицидную активность и теперь могут производиться синтетически. К сожалению, эти химикаты оказались легко деградируемыми светом и температурой и имеют узкий спектр эффективности. Другое ограничение органических пестицидов — большинство из них растворяются в органических растворителях и не могут быть сформулированы как водные консерванты древесины. Следовательно, умная и интеллектуальная система доставки органических пестицидов критически важна. Через умную систему доставки биоциды могут доставляться контролируемым и целевым образом. Это снизит опасности для людей и окружающей среды.

Обработка древесины методом нанотехнологий может улучшить долговечность древесины против биодеградационных агентов и выветривания. Главное преимущество применения нанопродуктов к древесине — их уникальная способность глубоко проникать в структуру древесины, тем самым улучшая свойства долговечности, приводящие к долгому сроку службы. С другой стороны, полное проникновение с равномерным распределением нанопродуктов также может быть достигнуто. На сегодняшний день многие готовые к использованию нанопродукты (наноконсерванты) для защиты древесины доступны на рынке, в то время как некоторые из них все еще находятся на стадии исследований и разработок. Обычно нанопродукты, используемые для защиты древесины, можно классифицировать на два типа: нанокапсулы и наноматериалы. Нанокапсула относится к пестицидам, встроенным в полимерный наноносочник, в то время как наноматериал — наномасштабные металлы, которые могут быть напрямую пропитаны в древесину.

Улучшение свойств биоцида через наноинкапсуляцию

Инкапсуляция пестицидов в полимерные наноносочники — одна из перспективных нанотехнологических техник для улучшения пропитки древесины пестицидами. Эта техника разработана для увеличения растворимости плохо растворимых в воде пестицидов и для медленного освобождения пестицидов. Инкапсуляция позволяет этим низкорастворимым пестицидам легко диспергироваться в твердых полимерных наночастицах. Полимер затем может быть взвешен в воде и нанесен на древесину через традиционные водные обработки. Инкапсуляция также способна защитить гидрофильный активный ингредиент от чрезмерного выщелачивания. Благодаря малому диаметру капсулы, она может легко включаться и проникать в клеточную стенку древесины. Это соответственно улучшает долговечность обработанной древесины против биодеградационных агентов. Не только эта технология может безопасно доставлять пестициды, она также может продлить срок службы пестицида, приводя к расширенной защите древесины.

Инкапсуляция пестицидов — нисходящий подход. Она может быть выполнена через несколько техник, таких как нанопреципитация, эмульсионно-диффузия и двойная эмульгация (таблица 3). Материалы, используемые как полимерные наноносочники, могут быть получены из натурального полимера, синтетического полимера или комбинации обоих. Например, натуральный полимер включает целлюлозу, крахмал, альгинаты, силикату и аллофит. Синтетический полимер, обычно используемый как полимерные наноносочники, включает поли(винилацетат), поли(метилметакрилат), поли(милоносную кислоту) и др. (таблица 3).

Предыдущее исследование Liu и соавт. успешно инкапсулировали тебуконазол и хлоталонил в поливинилпиридин и поливинилпиридин-ко-стирол с использованием импрегнационного метода. Размер частиц полученных капсул составлял от 100 до 250 нм. Они импрегнировали суспензию капсул в сапвуд южного желтого сосны и березы с использованием традиционных давящих обработок. Обработанная древесина затем подвергалась воздействию коричневого гниения (Gloeophyllum trabeum) и белого гниения (Trametes versicolor) грибов в течение 55 дней. Результаты показали отличное сопротивление обоим грибам-гниению.

Salma и соавт. использовали технику нанопреципитации для инкапсуляции тебуконазола. Полимерные капсулы, содержащие тебуконазол, готовились из амфифильных кополимеров желатина, графтированного метилметакрилатом, с диаметрами размера от 200 до 400 нм или от 10 до 100 нм в зависимости от соотношения масса ядра/оболочки полимера. Инкапсулированный тебуконазол сообщался о способности сохранять древесину от коричневого гниения гриба. С другой стороны, формулировочная система, разработанная Salma и соавт., гибка и может быть легко модифицирована путем кополимеризации других акриловских мономеров, таких как гидроксиэтилметакрилат. Это указывает на то, что скорость высвобождения тебуконазола может быть адаптирована. Однако недостаток этих нанокапсул — они склонны к агломерации, что снижает эффективность доставки нанокапсул в древесину.

Can и соавт. успешно инкапсулировали наносеребро в полистирол-соевый кополимер. В их исследовании сосна шотландская импрегнировали капсулами и тестировали против белого гниения грибов (Trametes versicolor). Результаты исследования указывают на то, что соевое масло, полистирол и наносеребро играли важные роли в синергетическом эффекте увеличения гнилостойкости шотландской сосны.

Импрегнация металлических наночастиц для улучшения долговечности

Металлические наночастицы использовались для защиты древесины от биодеградационных агентов и выветривания десятилетиями назад. Наночастицы предлагают лучшие характеристики, чем их объемная форма, главным образом из-за их уменьшенного размера, ведущего к высокому удельному соотношению площади поверхности к объему, равномерному распределению размера и хорошей стабильности. Из-за своего очень малого размера наночастицы могут глубоко и равномерно проникать в поры древесины, приводя к защите древесины. Кроме того, стабильность дисперсии улучшается из-за размера и добавления поверхностно-активного вещества. Стабильность дисперсии, соединенная с малым размером частиц, может значительно улучшить следующие аспекты: (1) проникновение консерванта, (2) обрабатываемость древесины, (3) стабильность финишей и продуктов покрытий, (4) низкая вязкость, и (5) невыщелачиваемость. Кроме того, это может улучшить совместимость со связующими, тем самым увеличивая сродство с древесными полимерами.

Металлические наночастицы могут быть приготовлены изменением частиц металла через химические реакции, механическую обработку, нагрев или рефлюс. На сегодняшний день много наночастиц использовались для защиты древесины. Металлические наночастицы, в основном медь, серебро, бор и цинк, демонстрировали хорошую эффективность против белого и коричневого гниения, но менее эффективны против плесени. Диоксид титана (TiO₂) — другая наночастица, имеющая хороший потенциал для использования как консервант древесины. Потенциал TiO₂ связан с его антибактериальными и противогрибковыми и УФ-стойкими свойствами. Однако исследование древесины, обработанной TiO₂, все еще находится на предварительной стадии. Таблица 4 перечисляет работы по использованию TiO₂ для консервации древесины. Распределение TiO₂ в древесине изучалось Mohammadnia-Afrouzi и соавт. (рис. 3).

Медь — необходимый биоцид для защиты древесины. Однако медь одна не защищает древесину от медноустойчивых грибов, разрушающих древесину. Наночастицы меди — новое поколение консервантов древесины на основе меди. Использование наночастиц меди вместо обычной меди показывает улучшенную долговечность древесины против грибов гниения. Это показывает, что наночастицы меди могут использоваться для защиты древесины без присутствия хрома и мышьяка.

Cristea и соавт. изучали эффекты добавления наночастиц ZnO и серебряных наночастиц в наружные покрытия древесины. Цель исследования — улучшить долговечность и защиту древесины через УФ-экранирование. Помимо обеспечения эффективной защиты от УФ, механические свойства древесины, такие как твердость, прочность адгезии, износостойкость и барьерный эффект для диффузии водяного пара, слегка улучшались.

Смесь наночастиц ZnO с серебряными наночастицами могла защитить древесину от проблем выветривания, таких как УФ-лучи. Они импрегнировали сапвуд тополины с использованием трех разных концентраций смеси полноячейковым процессом. Образцы затем подвергались воздействию естественного выветривания. Цветовые изменения обработанных образцов древесины измеряли спектрофотометром. Древесина, обработанная только наночастицами ZnO, использовалась как контроль. Результаты указывают на то, что древесина, обработанная смесью наночастиц ZnO и серебряных наночастиц, имеет наименьшие цветовые изменения по сравнению с образцами, обработанными каждым металлическим наночастицами отдельно.

В другом исследовании Mantanis и соавт. обрабатывали черную сосну наночастицами ZnO,цинк-боратом и наночастицами оксида меди под вакуумом. Они использовали акриловую эмульсию для заталкивания металлических наночастиц в структуру древесины для избежания выщелачивания. Оценивали долговечность обработанной древесины против плесени, грибов гниения и подземных термитов. Результаты показали, что древесина, обработанная цинк-боратом, слегка ингибировала плесень, в то время как другие металлические наночастицы не демонстрировали плесень. Похожие результаты сообщал Terzi и соавт., что наночастицы ZnO не демонстрировали рост плесени на образцах древесины. Однако все металлические наночастицы значительно ингибировали белое гниение и термитов.

Другое исследование показывает, что металлические наночастицы способны улучшить огнеупорные свойства древесины. Frančes и соавт. изучали эффект SiO₂, TiO₂ и ZnO₂, инфильтрованных в фанерные листы сосны. Они сообщали, что фанерный лист, обработанный 3 масс.% SiO₂, был наиболее эффективным для улучшения огнеупорного поведения.

Несмотря на замечательные преимущества нанотехнологий в секторе консервации древесины, как обсуждалось выше, фундаментальное понимание синтеза, обработки и характеризации нанокапсул и металлических наночастиц для защиты древесины все еще нуждается в улучшении. Наиболее интересные характеристики, которые нужно учитывать при проектировании и разработке нанокапсул или металлических наночастиц для защиты древесины, перечислены в таблице 5.

Потенциал нанокруллозных материалов в энергетическом секторе

Энергия — важный ресурс, имеющий сильную корреляцию между экономическим ростом и развитием. Сегодня основные источники энергии — ископаемое топливо и гидроэлектрические источники, которые очень вредны для окружающей среды, так как они могут вызывать изменение климата и глобальное потепление, а также истощение озонового слоя, загрязнение, выбросы парниковых газов и экологическое разрушение. Около 80% выбросов углекислого газа (CO₂) в мире исходят из энергетического сектора, и технологическое продвижение требуется для разработки устойчивых возобновляемых энергетических ресурсов для снижения выбросов CO₂ и преодоления влияния глобального потепления на жизнь и здоровье в соответствии с потребностями ускорения технологического развития.

Для минимизации экологических эффектов устойчивый и низкозатратный энергоэффективный углеродный материал исследуется как потенциал для замены некоторых традиционных материалов в fabricación энергетических устройств. Один из натуральных углеродных материалов — целлюлоза, которая является наиболее перспективным натуральным полимером со множеством применений, включая энергетику.

Нанотехнология — одна из передовых технологий, имеющих потенциал и перспективы для удовлетворения спроса на создание чистой и зеленой энергии. Разработка этого нового материала в наномасштабе позволяет новые применения и его взаимодействие с текущей энергетической технологией, что революционизирует энергетическую сферу от использования к поставке, преобразования к хранению и передачи к распределению. Адаптируя эту нанотехнологию, будет высокое влияние на развитие чистой и зеленой энергии и выгоды для окружающей среды и природных ресурсов.

Согласно Serrano и соавт. и Hut и соавт., наиболее перспективное применение нанотехнологий для преобразования энергии в основном фокусируется на солнечной энергии, проводящих материалах, солнечном водороде, топливных элементах, батареях, генерации энергии и энергетических устройствах. Понимание структурных и морфологических свойств наноматериала необходимо для получения компетенции и устойчивости для многих применений. Наибольшее применение нанотехнологий в генерации энергии — солнечная энергия с использованием фотовольтаических (PV) элементов, фокусирующаяся на эффективности улавливания. Потребление энергии, генерируемой этой солнечной батареей с использованием природных ресурсов, снизит использование ископаемого топлива и уменьшит загрязнение для создания экологически дружественной и зеленой энергии. Кроме того, разработка наноустройств с использованием солнечной батареи может улучшить эффективность существующих материалов, а также снизить производственные затраты, что может увеличить экономический рост.

Нанотехнология использовалась в различных приложениях для улучшения окружающей среды, решения человеческих проблем и производства более эффективной и стоимостной энергии, такой как генерация меньшего загрязнения при производстве продуктов, производство солнечных и топливных элементов по конкурентоспособной стоимости, производство водорода, очистка органических химикатов, загрязняющих грунтовые воды, и преодоление проблемы энергетической достаточности, изменения климата и болезней, а также снижение зависимости от невозобновляемых источников энергии.

Нанокруллозные материалы для солнечной энергии

Солнечная энергия доступна в различных частях мира и может быть захвачена от солнца с 15 000 раз большей энергией в год. Этот источник энергии может использоваться разными способами: фотовольтаическая (PV) технология, солнечные термические системы, искусственная фотосинтез, пассивные солнечные технологии и биомассовые технологии, которые используются для производства электричества, пара или биотоплива.

В будущем нанотехнология может способствовать разработке эффективной и низкозатратной системы для производства, хранения и транспорта энергии. Согласно Serrano и соавт. и Hut и соавт., текущий фотовольтаический (PV) рынок основан на кремниевых вейферных солнечных элементах (первое поколение) и тонкопленочных слоях полупроводниковых материалов (второе поколение). Текущий недостаток использования солнечных элементов — стоимость производства, в основном высокая стоимость традиционных PV элементов с плохой эффективностью поглощения энергии (менее 40%).

Нанокруллоза показывает хороший потенциал для использования в солнечной энергетической системе благодаря своей возобновляемости, биоразлагаемости, биосовместимости, широкой способности модификации, адаптивности и универсальной морфологии. Низкозатратный, гибкий и пористый субстрат целлюлозы может использоваться для производства солнечных элементов. Нановиллозная целлюлоза (NFC) с размером до 4 нм может стать отличным кандидатом для производства ультратонкой бумаги для использования в компоненте солнечного элемента для хранения энергии. Klochko и соавт. использовали нанокруллозу из биомассы для разработки биоразлагаемой экологически чистой гибкой тонкопленочной пленки как термоэлектрического материала. Тонкопленочная пленка использовалась для преобразования низкопотенциального отходного тепла от солнечного излучения в электричество при близком к комнатной температуре.

Нанокруллозные проводящие материалы

Проводящие материалы позволяют поток электрического тока, который необходим в фаbrication энергетических устройств. Существует много типов проводящих материалов, таких как проводящие полимеры и углеродные проводящие материалы (углеродные нанотрубки, графен, технический углерод) и металлические частицы с разными уровнями проводимости. Эти проводящие материалы могут быть комбинированы с нанокруллозой для формирования новых композитов. Процесс производства проводящих нанокруллозных материалов показан на рис. 2. Существует две основные стратегии, вовлеченные в процесс фаbrication проводящих гибридов на основе нанокруллозы: одно — покрытие проводящего материала слоем на поверхности нанокруллозных субстратов, а другое — смешивание проводящих материалов внутри нанокруллозного субстрата для получения композита. Проводящие полимеры являются альтернативой металлическим материалам из-за их хорошей электрохимической производительности, легкости и низкой стоимости. Один из самых перспективных проводящих полимеров — полианилин (PANI) из-за его простого пути синтеза, контролируемой проводимости и высокой удельной емкости.

Нанокруллозные проводящие материалы разрабатываются для суперконденсаторов и приложений энергетического хранения с использованием различных типов методов, таких как in situ полимеризация, легирование, покрытие, струйная печать и in situ осаждение. Модификация существующего суперконденсатора добавлением нанокомпонентов увеличила его способность хранить большое количество энергии с более длительным временем поставки.

Кроме того, нанокруллозные композитные мембранные электроды могут быть разработаны через in situ полимеризацию нанокруллозы с использованием проводящих компонентов через простой фильтрационный блок. Хорошо смешанный проводящий материал/нанокруллоза композитная мембрана остается на фильтре после прохождения жидкости через фильтр и воздушно-сушенная композитная мембрана может быть снята с фильтровальной мембраны для дальнейшего использования как суперконденсаторы.

Нанокруллоза для энергетического хранения

Потенциальное применение нанокруллозы для приложений энергетического хранения получило большое внимание в последнее время. Это связано с ее наномасштабными размерами, высоким отношением площади поверхности к объему и богатым гидроксильными группами, что делает их поверхностную химию легко модифицируемой для композитной обработки. Самый важный аспект в энергетическом хранении — разработка нанокруллозы с проводящими и гибкими свойствами. Это может быть достигнуто добавлением проводящих полимеров, таких как полианилин и полипиррол. Например, нанокруллоза/полианилин композитная пленка широко используется как бумажные датчики, гибкие электроды и проводящие клеи. Razaq и соавт. изготовили электроды из композита нанокруллоза/полипиррол и углеродного филамента для бумажных устройств энергетического хранения. Wang и соавт. сообщили, что их устройства, разработанные с использованием композита нанокруллоза/полипиррол, обеспечивают высокую скорость заряда и разряда, высокую емкость ячейки и циклическую производительность.

Нанокруллозные материалы для литиевых иванадийных батарей

Высокий спрос на гибкие портативные электронные устройства в последнее время, такие как смартфоны, электромобили, ноутбуки и даже сетевое энергетическое хранение, вызывает растущий спрос на перезаряжаемые литий-ионные батареи (LIB) и суперконденсаторы. LIB — один из самых идеальных кандидатов для энергетического хранения для электронных устройств, благодаря их высокой энергоплотности, умеренной плотности мощности и циклической стабильности. В LIB электролит важен для переноса литий-ионов (Li⁺) между анодом и катодом. Органический жидкий электролит используется для системы LIB, но он может создавать огромные проблемы безопасности из-за высокой токсичности и легковоспламеняемости. Твердотельный электролит стал интересен, потому что он демонстрирует очевидные преимущества низкой легковоспламеняемости и низкой токсичности. Согласно Janek и соавт., твердотельный электролит классифицируется как твердый полимерный электролит (SPE) и неорганический твердый электролит (ISE). Однако SPE предлагает преимущества легкой обработки и гибкости.

Qin и соавт. разработали SPE, включив полиэтиленоксид (PEO) с нановиллозным аэругелю и бис(трифлуорметансульфонил)имид лития (LiTFSI). Результаты показали, что ионные проводимые свойства SPE были значительно улучшены из-за негативно заряженной нановиллозной целлюлозы. Результаты также доказали, что фаbricated SPE электрохимически стабилен, механически надежен и термически стабилен, а также гибок, ожидаемый для использования в гибких электронных устройствах.

Nair и соавт. изготовили нанокруллозный композитный полимерный электролит для высокопроизводительных литий-серных батарей с использованием термически индуцированного метода полимеризации. Композитный полимерный электролит демонстрирует отличную ионную проводимость, термическую стабильность выше 200 °C и стабильный интерфейс к литию. Электролит также имеет стабильные циклические профили, которые атрибутируются значительному снижению миграции полисульфидов к аноду за счет застревания нанокруллозы в полимерной матрице.

Другое исследование провел Zhang и соавт. на надежной протонно-обменной мембране, разработанной с использованием сульфонированного поли(этир сулфона), армированного core-shell нанокруллозой для ванадиевых редокс-потоковых батарей (VRFB). Обнаружено, что с включением силика-инкапсулированной нанокруллозы протонно-обменная мембрана демонстрирует выдающуюся механическую прочность 54,5 МПа и высокую энергетическую эффективность выше 82% при 100 мА см⁻², которая стабильна в течение 200 циклов заряда-разряда. Протонно-обменная мембрана — один из ключевых компонентов в VRFB. Она функционирует как сепаратор для избегания перехода ванадиевых ионов. Она также действует как протонные проводники, способствующие высокой напряженной эффективности в VRFB.

Нанокруллозные материалы для гибких суперконденсаторов

Суперконденсатор или известный как электрохимический двойной слой конденсатор или ультраконденсатор — еще одна универсальная система энергетического хранения, привлекающая внимание исследователей по всему миру. С высокой плотностью мощности, долгим циклом жизни, простыми принципами, низким обслуживанием, портативностью, стабильной производительностью и быстрой скоростью заряда/разряда суперконденсаторы способны заполнить пробел между батареями и традиционными конденсаторами. Эти свойства предлагают перспективный подход для удовлетворения растущих потребностей в мощности.

Электрод — очень важный компонент в суперконденсаторе. Он требует хорошей электрохимической производительности и гибкости, особенно для приготовления высокопроизводительного гибкого суперконденсатора. Him и соавт. и Zhe и соавт. обнаружили, что графен и нанокруллоза — отличные гибкие электродные материалы для суперконденсаторов. Нанокруллоза использовалась как субстратный материал из-за ее хорошей биоразлагаемости, механической прочности, гибкости и химической реактивности. Пористая структура и гидрофильность нанокруллозы могут способствовать присоединению других материалов, например графена, в их волокнистой сетевой структуре. Одновременно изобилие гидроксильных групп на поверхности нанокруллозы позволяет взаимодействию нанокруллозы с другими полимерами для формирования сильных композитов.

Khosrozadeh и соавт. разработали электрод для суперконденсатора, используя нанокруллозный полианилин/графен/серебряный нанопроволок композит, и после применения его для 2400 циклов, при плотности тока 1,6 А/г, суперконденсатор показал плотность мощности, плотность энергии и емкость 108%, 98% и 84% соответственно. Это показывает, что электрод имеет отличную циклическую стабильность и хорошую механическую гибкость. С другой стороны, Ma и соавт. разработали электрод, используя бактериальную целлюлозу/полипиррол, покрытый графеном. Приготовленный электрод имеет хорошую механическую гибкость, в которой он может гнуться под любым углом. Площадная емкость и плотность энергии могут достигать 790 мФ см⁻² и 0,11 мВт·ч см⁻² соответственно, когда собираются в симметричные суперконденсаторы. Нанокруллоза-графен электрод может быть фаbricated с использованием химического перекрестного связывания или физического перекрестного связывания метода. Нанокруллоза как компонент электрода суперконденсатора также играет роль внутреннего электролитного резервуара. Это потому, что нанокруллоза может обеспечить эффективный способ переноса ионов. Высокая пористая структура и гидрофильные свойства нанокруллозы делают легче перенос электролитных ионов.

Нанокруллозная бумага для электронных устройств

Нанокруллозная бумага — зеленый субстрат, который может использоваться для электронных и оптоэлектронных устройств. В настоящее время коммерческая бумага имеет относительно шероховатую поверхность и слабые механические свойства, что может быть довольно проблематичным для фаbrication электронных устройств. Большинство фаbrication электронных устройств используют небиоразлагаемые и нерециклируемые компоненты, такие как пластики, стекла и силиконы как подложки. Формирование нанокруллозной бумаги из NFC через простой фильтрационный метод может произвести механически сильную и низкий коэффициент термического расширения бумагу как альтернативу коммерческой бумаге. Согласно Li и Lee, прозрачная нанокруллозная бумага для электронных устройств была спроектирована и применяется для электрохромических, сенсорных касаний, солнечных элементов, транзисторов, органических светодиодов (OLED), гравиюрных печати прооферов и радиочастотной идентификации (RFID).

Одно из применений прозрачной нанокруллозной бумаги — производство гибких электронных материалов через печать цепей непосредственно на поверхности подложек через покрытие или термические методы осаждения. Во-первых, фаbrication гибких электроники строилась на специальном кремниевом вейфере, позволяющем кремниевым наномембранам (Si NMs) быть высвобожденными и затем перенесенными на NFC субстрат с клеевым слоем, и устройство завершалось фотрезистным паттернированием и сухим травлением шагами, как проиллюстрировано на рис. 4.

Более того, NFC также является основными подложками для органических светодиодов (OLED) (рис. 5). Okahisa и соавт. сообщили, что OLED устройство было фаbricated на древесном нановиллозном целлюлозе (NFC) композите.

Потенциал нанокруллозных композитов для разработки датчиков

Нанокруллоза широко использовалась для разработки новых датчиков и улучшения чувствительности датчиков. В пищевой промышленности, например, датчики стали важным инструментом для защиты людей от опасностей и рисков для здоровья, вызванных загрязнителями пищи. Датчики могут помочь быстро идентифицировать микотоксины, патогены, тяжелые металлы, пестициды, металлические ионы и так далее в пище. Кроме того, технология датчиков может преодолеть сложный, трудоемкий и времязатратный процесс с использованием дорогих приборов, который обычно требует хорошо обученного персонала. Датчики также обеспечивают быстрый и чувствительный детектирование безопасности пищи.

За последнее десятилетие множество датчиков (электрохимические датчики, биосенсоры и химические датчики) были успешно разработаны как альтернативные или дополнительные инструменты детектирования для быстрого и чувствительного детектирования. Однако традиционные датчики разрабатывались с использованием пластиков, нефтехимических продуктов и неорганических материалов, что ведет к экологическим проблемам. Кроме того, такие вопросы, как выбросы парниковых газов, токсичность и устойчивость материалов, становятся все более острыми. Следовательно, спрос на устойчивые сенсорные устройства быстро растет в последние годы.

Нанокруллозы из растений и бактерий показали перспективный потенциал благодаря своим отличным физическим, термическим, механическим, оптическим и физическим свойствам, которые важны для фаbrication высокопроизводительных сенсорных устройств. Эти свойства делают нанокруллозу более предпочтительной как биоматериалам, так как она может улучшить селективность и чувствительность датчиков для детектирования аналитов. С другой стороны, адгезивные свойства нанокруллозы предотвращают проблемы выщелачивания иммобилизированных реактивов. Таким образом, замечательное улучшение может быть получено для долгосрочной стабильности датчика. Кроме того, гидроксильные –OH группы на нанокруллозе могут быть модифицированы для включения связывающих мест для селективной адсорбции различных видов аналитов. Комбинация этих характеристик делает наноструктурированные нанокруллозные волокна идеальным строительным блоком для конъюгации с другими функциональными материалами (таблица 6).

Разработка биосенсоров

Kim и соавт. иммобилизовали ферменты candida rigosa липазу в разные нанокристаллические целлюлозы. Результаты указывают, что candida rigosa липаза, адсорбированная на нанокруллозе, была относительно выше по сравнению с микрокруллозой. Это может быть связано с высокой площадью поверхности на нанокруллозе и таким образом увеличением ионного взаимодействия между анионными группами нанокруллозы и candida rigosa липазой. В этом исследовании они обнаружили, что полужизнь candida rigosa липазы, иммобилизованной в нанокруллозе, увеличилась в 27 раз по сравнению со свободной формой. Кроме того, стабильность фермента также увеличилась (рис. 6).

Другая группа исследователей, Edwards и соавт., изучали кинетические профили три- и тетрапептидных субстратов элаза для фаbrication элаза биосенсора, известного как человечный нейтрофильный элаза (HNE) и свиной поджелудочный элаза (PPE). Для разработки HNE и PPE иммобилизованные три- и тетрапептиды использовали в хлопковой нанокристаллической целлюлозе. Они обнаружили, что 2 мг трипептид-сопряженной хлопковой нанокристаллической целлюлозы за 1 ч способна детектировать 0,03 Ед мл⁻¹ PPE, в то время как 0,2 мл тетрапептид-сопряженной хлопковой нанокристаллической целлюлозы за 15 мин могла детектировать 0,05 Ед мл⁻¹ активности HNE. Incani и соавт. фаbricated биосенсор иммобилизовав глюкозооксидазу (GOx) фермент в нанокруллоза/полиэтиленимин (PEI)/золотые наночастицы (AuNPs) нанокомпозитах. AuNPs адсорбировались на катионном PEI и нанокруллозе. Фурье-преобразование инфракрасной (FTIR) спектры подтвердили, что GOx успешно иммобилизован на полимерных композитах (рис. 7).

Abd Manan и соавт. успешно разработали биосенсор на основе нанокристаллической целлюлозы (NCC)/сульфид кадмия (CdS) квантовых точек (QDs) нанокомпозитов для определения фенола. Они модифицировали NCC с катионным поверхностно-активным веществом цетилтриметиламмонийбромидом (CTAB) и далее декорировали 3-меркаптопропионовой кислотой (MPA) капсулированными CdS QDs как каркас для иммобилизации тирозиназы (Tyr). TEM изображения NCC и CTAB-NCC (рис. 8a, b) указывают на то, что агломератированная усовоподобная структура NCC не была затронута модификацией, в то время как MPA QDs имеют сферическую форму (рис. 8c). FESEM изображения CTAB-NCC наноструктурированной пленки (рис. 8d) демонстрировали гомогенную, равномерную и плотную волокнистую структуру, агломератированную, в то время как для CTAB-NCC/QDs нанокомпозитной пленки (рис. 8e) CdS QDs появлялись как крошечные белые точки. EDX анализ показывает наличие соответствующих элементов углерода (C), кислорода (O), серы (S) и кадмия (Cd), указывая на то, что CdS QDs успешно присоединены в CTAB-NCC пленку. Результаты теста против фенола показывают, что биосенсор демонстрирует хорошую линейность по фенолу в диапазоне концентрации 5–40 мкМ (R² = 0,9904) с чувствительностью и пределом детектирования 0,078 мкА/мкМ и 0,082 мкМ соответственно.

В пищевой промышленности датчики используются для мониторинга качества или свежести пищи. Moradi и соавт. разработали pH сенсорный индикатор на основе бактериальных нановилок целлюлозы для мониторинга свежести рыбы. Они использовали морковные антоцианы как индикатор. Фаbricated сенсор демонстрировал широкие цветовые различия от красного до серого в диапазоне pH 2–11. Цветовые изменения были различимы: глубокий карминовый цвет указывает на свежую рыбу, розовый очаровательный цвет указывает на то, что рыбу лучше съесть немедленно, а испорченная рыба указывается желеобразным синим и хаки цветами.

Разработка химических датчиков

Нанокруллозная гидрогельная структура ранее использовалась для иммобилизации серы и азота ко-допированных графеновых квантовых точек как низкозатратного датчика для детектирования фермента лакказы. Лакказа — многомедная оксидаза семейства ферментов. Она участвует в моноэлектронном окислении нескольких ароматических соединений и алифатических аминов. Следовательно, она обычно используется в деколоризации и колоризации продуктов. Следовательно, мониторинг активности лакказы в коммерческих продуктах имеет большой интерес. Из этого исследования авторы обнаружили, что сера и азот ко-допированные графеновые квантовые точки самоорганизовались через электростатические взаимодействия.

Faham и соавт. описали разработку нанокруллозной колориметрической аналитической набор для смартфон сенсирования железа, Fe(II) и желеzo-хелатирующего препарата дефероксамина (DFO) в биологических жидкостях. Они вкладывали куркумин в прозрачную бактериальную нанокруллозную нанобумагу, как колориметрический аналитический набор. Аналитический набор затем использовался для мониторинга железа и дефероксамина как железа-хелатирующего препарата в биологических жидкостях, таких как моча, кровь, слюна и сыворотка. Аналитический набор может быть легко сопряжен с технологией смартфона для колориметрического мониторинга Fe(II) и DFO.

Разработка электрохимических датчиков

Burrs и соавт. продемонстрировали электрохимический биосенсор на основе глюкозы для детектирования патогенных бактерий. Проводящая бумага, использованная для разработки электрохимического датчика, была приготовлена с использованием графен-нанокруллозных композитов. Платина электродно осаждалась на графен-целлюлозных композитах с использованием импульсной соноэлектродно осаждения. Затем датчик фаbricated функционализацией наноплатины с глюкозооксидазой (GOx), заключенными в хиitosan гидрогеле на проводящей бумаге. Они обнаружили, что датчик крайне эффективен для использования в электрохимическом биосенсировании с низким пределом детектирования глюкозы или патогенных бактерий.

Ortolani и соавт. разработали электрохимическое сенсорное устройство, используя нанокруллозу и одностенные углеродные нанорога (SWCNH) для определения гуанина и аденина. И нанокруллоза, и SWCNH имеют большую площадь поверхности, хорошую проводимость, высокую пористость и химическую стабильность. Приготовленный датчик показал высокую чувствительность и высокую электрокаталитическую активность по одновременному определению гуанина и аденина. Датчик также представил более низкий предел детектирования. Другое исследование, проведенное Shalauddin и соавт., использовало гибрид нанокруллоза/функционализированные многослойные углеродные нанотрубки (f-MWCNTs) для разработки электрохимического сенсирования. Датчик для определения диклофенат-натрия в фармацевтических препаратах и биологических жидкостях образцах использовался. Наличие –OH групп в нанокруллозе сообщалось о предоставлении больше связывающих мест для разных аналитов, что обеспечивает аксиальную модуляцию переустройства и включение f-MWCNTs.

Токсичность наноматериалов

Хотя наноматериалы предлагают много хорошего потенциала для различных промышленных секторов, их потенциальная опасность для людей и окружающей среды не может быть просто проигнорирована. Вопрос безопасности или токсичности должен быть решен путем проведения полного исследования с различных сторон. Нанотоксичность или изучение токсичности наноматериалов может быть классифицирована на несколько областей: оксидативный стресс, генотоxicичность и экотоксичность. У людей токсичность может происходить через легочные, устные и кожные пути. Наноматериалы могут влиять на людей преимущественно во время экстракции или производства, обращения, использования и утилизации. Неорганические наночастицы (NP), такие как ZnO и оксид никеля (NiO), считаются более токсичными по сравнению с органическими наноматериалами, такими как нанокруллоза. Переваренные органические NP менее вероятно индуцируют токсичность, так как побочные продукты переваривания желудочной кислотой — простые сахара, хотя в случае нанокруллозы отсутствие фермента в кишечнике человека, способного деградировать целлюлозу, приводит к тому, что целлюлоза проходит через кишечник довольно быстро. 90-дневное сухроническое исследование токсичности на крысах Sprague Dawley, проведенное Ong и соавт., указало на отсутствие системной токсичности, приписываемой 4% пищевому потреблению фибриллярной целлюлозы. В том же исследовании более высокая концентрация 30% нановиллозной целлюлозы на 72 недели также указывала на отсутствие неблагоприятных эффектов. Когда присутствуют в воздухе, наночастицы также могут иметь вредные эффекты на здоровье людей. Многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) возможно одна из самых изучаемых NP для эффектов токсичности. В исследовании Poulsen и соавт. обнаружили, что и толстые и длинные, и тонкие и короткие MWCNT индуцировали генотоxicический потенциал и долгосрочное воспаление и могут приводить к сердечно-сосудистым заболеваниям. В противовес, исследование ингаляционной токсичности NCC на альбиносах крысах проводилось и не показывало нежелательных эффектов при максимальной концентрации 0,26 мг/л на период четырех (4) часов. На клеточном уровне цитотоксичность NCC на разных типах клеток изучалась, причем большинство исследований заключали, что NCC не токсична для различных млекопитающих клеток при концентрациях ниже 0,25 мг/л, но может демонстрировать цитотоксические эффекты при концентрациях 0,5 мг/л и выше. Первичная наногенотоxicичность относится к возможности наночастиц или их побочных продуктов повреждать ДНК прямо или косвенно. Вторичная генотоxicичность вызывается взаимодействием иммунной системы с нарушениями, вызванными наночастицами. Исследование Akerlund и соавт. указало, что неорганические NP Ni и NiO индуцировали цитокиновое воспаление, которое привело к вторичной генотоxicичности в человеческих легких эпителиальных клетках. Однако они требуют дальнейшего исследования для понимания факторов, вызывающих эту вторичную генотоxicичность, и являются ли такие результаты вызванными другими наночастицами также.

НаноTiO₂ в покрытиях древесины сообщали о низкой токсичности для наземных организмов, и бионакопление не наблюдалось. Другое исследование, проведенное на наночастицах оксида церия (CeO₂) или церии, показало, что острая токсичность не наблюдалась для Daphnia magna и Thamnocephalus platyurus и эмбрионов D. rerio при тестовых концентрациях 1000, 5000 и 200 мг/л соответственно. Однако то же исследование указало, что значительная хроническая токсичность на P. subcapitata наблюдалась с 10% эффектными концентрациями (EC10) между 2,6 и 5,4 мг/л. Pulido-Reyes и соавт. объяснили, что редокс-циклирование между Ce³⁺ и Ce⁴⁺ — уникальная химия нанокерии, зависящая от преобладающих экологических условий. Они заключили, что в большинстве исследований нанокерии количество поверхностного Ce³⁺ коррелирует с токсичностью, и это может быть преодолено блокировкой мест Ce³⁺ анионами, такими как фосфаты (PO₄³⁻), что снизит уровни реактивных видов кислорода и преодолеет оксидативный стресс. Во время и после утилизации существует вероятность, что NP могут взаимодействовать с окружающей средой, будь то почва или водная среда. Оксидативный стресс или углеродная наночастица-индуцированная токсичность в первую очередь вызывает опасения, так как это состояние будет влиять на кислородный баланс в окружающей среде. Wang и соавт. показали, что NCC активировали оксидативный стресс в водных организмах (водоросли Scenedesmus obliquus, планктонные ракообразные Daphnia magna и личинки пресноводной рыбы Danio rerio) при концентрациях выше 0,1 мг/л. Форма NCC, морфология и концентрация считаются способствующими факторами, таким образом, предлагая оценку экотоксикологических влияний нанокруллозы при использовании в больших масштабах. Один из методов снижения нежелательных эффектов на окружающую среду — предоставление механизма захвата, удержания или переработки NP во время обработки. Магнитные NP (например, магнетит) или поверхностная модификация могут использоваться для этой цели. Почти все исследования токсичности наночастиц рекомендуют больше исследований для нахождения подходящих аналитических техник и протоколов в детектировании органических NP в биологических матрицах, а также механистических и экологических расследований для понимания потенциальных рисков NP на экосистеме.

Заключение

Потенциал нанотехнологий в секторе древесных продуктов огромен. Нанотехнология предлагает возможность изменить ландшафт индустрии древесных продуктов локально и глобально. Сам лес через лесные насаждения может предоставлять устойчивые источники для создания нового поколения целлюлозы, называемой нанокруллозой, которая может предлагать множество применений в различных промышленных областях. Кроме того, нанокруллоза менее дорога, чем углеродные материалы (углеродные нанотрубки, графен), экологически дружественна и может улучшить перерабатываемость и производительность бесчисленных продуктов. Например, нанокруллоза может использоваться для улучшения характеристик бумаги и снижения использования целлюлозы в бумагоделе, что приводит к экономии затрат. Нанокруллоза также может быть сделана в нанобумагу или тонкую пленку для использования в бумажной упаковке или других секторах, таких как электроника, предлагая альтернативу невозобновляемым пластикам. Нанокруллоза, используемая в древесных композитах, может привести к разработке передовых композитов, которые могут быть адаптированы к конкретным применениям. Вместе со своими прочностными свойствами и доступностью делает их жизнеспособным решением для снижения потребности в цельной древесине. Промышленные секторы, отличные от древесных продуктов, также могут выиграть от использования нанокруллозы, таких как в энергетических устройствах и датчиках. Различные нанокруллозные продукты для энергетического хранения и сбора энергии, а также датчики были разработаны в лабораторном масштабе. В виду этого интересного развития, Малайзия приступила к производству нанокруллозы из различных тропических лигноцеллюлозных материалов. К сожалению, применение нанокруллозы в коммерческом масштабе в Малайзии все еще несуществует. Таким образом, это требует коллективных, согласованных и интенсивных усилий от различных игроков, включая заинтересованные стороны, промышленность и исследователей, для продвижения использования нанокруллозы и обеспечения того, что нанокруллоза может войти на следующий уровень применения и коммерциализации. Использование наномасштабных материалов, отличных от нанокруллозы, уже принесло пользу и дало преимущество области древесных продуктов, включая целлюлозу и бумагу, древесные композиты, покрытия древесины и консерванты древесины.

Повышение эффективности 2D перовскитных солнечных элементов через водопомощенную кристаллизацию Анрион-регулируемое синтезирование одномерных наноструктур ZnO типа «ожерелье» для улучшенных фотокаталитич…

Наноматериалы