Nanotechnologie-toepassingen in de houtgebaseerde productenindustrie: uitgebreide review

Samenvatting

De houtgebaseerde industrie is een van de belangrijkste drijfveren van de economische groei in Maleisië. Bossen als bron van diverse lignocellulose-materialen hebben veel onbenutte potentiëlen die kunnen worden benut om duurzame en biologisch afbreekbare nanogrootte materialen te produceren die zeer interessante kenmerken bezitten voor gebruik in de houtgebaseerde industrie zelf of over veel verschillende toepassingsgebieden. De houtgebaseerde productensector kan ook verschillende gemakkelijk beschikbare nanomaterialen gebruiken om de prestaties van bestaande producten te verbeteren of om nieuwe toegevoegde-waarde producten van het bos te creëren. Deze review benadrukt recente ontwikkelingen in nanotechnologie-toepassing in de houtgebaseerde productenindustrie.

Inleiding

Nanotechnologie wordt gedefinieerd als de manipulatie van materie tussen 1 en 100 nm. Nanotechnologie is een multidisciplinair veld dat wetenschap en technologie combineert met als doel om nieuwe en verbeterde materialen te ontwikkelen met significante functies, fysieke en chemische eigenschappen. Materie op deze schaal heeft unieke eigenschappen vergeleken met dezelfde materie op hogere dimensies. Om deze reden kunnen verschillende innovatieve toepassingen door nanotechnologie worden verkend in veel disciplines.

Niet alleen als technologie-enabler, kan nanotechnologie ook een drijfveer zijn naar het bereiken van nationale economische groei. De bosproductenindustrie in Maleisië bijdraagt ongeveer RM22,5 miljard aan exportwaarde in 2019. Houtproducten geëxporteerd uit Maleisië omvatten gezaagde hout, fineer, multiplex en profielen. De houtgebaseerde industrie in Maleisië heeft de kans om de nanotechnologie volledig te benutten tot zijn eigen voordeel. Het is van cruciaal belang dat de inspanning om nanotechnologie in de houtgebaseerde industrie toe te passen, met name in Maleisië, wordt ondersteund en aandacht krijgt om de bestaande houtproducten te diversifiëren en waarde toe te voegen, wat uiteindelijk de economische groei in dit domein zal stimuleren.

Het feit dat bossen een essentiële rol spelen voor de beschaving al zoveel jaar niet genegeerd kan worden, aangezien het de bron is van lignocellulose-materialen voor verschillende productexploitaties en -ontwikkeling. Feitelijk zijn houtproducten al lang beschikbaar in de samenleving in de vorm van hout, meubelen, papier en vele andere functionele materialen. De toepassing van nanotechnologie in het bossector, met name in bosproducten of houtgebaseerde producten, verdient aandacht van alle betrokken spelers en stakeholders. Nanotechnologie-gebruik kan resulteren in sterkere, multifunctionele maar lichtere houtgebaseerde producten. Traditionele bosproducten zoals pulp en papier, houtcomposieten, houtcoatings en houtconserveringsmiddelen kunnen worden uitgebreid of getransformeerd in nieuwe of toegevoegde-waarde producten om bredere en/of meer geavanceerde toepassingen te vinden.

In dit review-artikel kan de toepassing van nanotechnologie in de houtgebaseerde productenindustrie worden verdeeld in twee paden:

1. 1

   Afleiding van nanomateriaal(en) uit het bos

   Toename van zorgen met betrekking tot het milieu hebben een immense noodzaak getriggerd om duurzame en biologisch afbreekbare nanogrootte materialen te introduceren. Dit nieuwe materiaal genaamd nanocellulose kan uit bosbronnen op een veilige en duurzame manier worden geproduceerd. De overvloed aan lignocellulose-materiaal uit het bos heeft een golf van interesse gecreëerd om cellulose om te zetten in nanocellulose. Nanocellulose is in essentie cellulose op moleculair niveau die verschillende sleutelkenmerken bezit zoals hoge sterkte en stijfheid, hoge sterkte-gewichtsverhouding, elektromagnetische respons en een groot oppervlak. De uitstekende kenmerken van dit materiaal bieden enorme toepassingspotentiëlen buiten de bosproductenindustrie zelf. In het houtgebaseerde productengebied kan het worden toegepast als versterkingsmiddel in pulp en papier en houtcomposiet of als coatingmateriaal in houtcoating. Vanwege zijn veelzijdigheid kan nanocellulose worden gebruikt als een van de componenten (als substraat, stabilisator, elektrode) voor niet-bosproductensectoren zoals elektronica, sensoren, batterijen, voedsel, farmaceutica en cosmetica.

2. 2

   Gebruik van nanomateriaal(en) voor houtgebaseerde producten

   Nanomaterialen kunnen worden gebruikt om bestaande houtgebaseerde producten te verbeteren in termen van functionaliteit. Bijvoorbeeld, het gebruik van nanomateriaal in houtcoating zoals nano-zinkoxide of nano-titaniumoxide kan de functionaliteit van het hout verbeteren in termen van duurzaamheid, brandweerstand en UV-absorptie alsmede afname van waterabsorptie. Aan de andere kant kan de toepassing van nano-encapsulatie in houtconserveringsmiddel de impregnering van hout met bestrijdingsmiddelen verbeteren door te zorgen dat chemicaliën dieper in het hout penetreren, wat het probleem van overmatige luiting vermindert. Dit verbetert de duurzaamheid van behandeld hout tegen biologisch afbraakende agenten.

Er zijn een aantal review-artikelen over de toepassing van nanotechnologie in bosbouw en bosproducten gepubliceerd. Een artikel van McCrank geeft een algemeen overzicht van nanotechnologie-toepassing in de bossector, terwijl Moon et al. meer discussiëren over nano-indentatie. Voor zover de auteurs weten, zijn er beperkte publicaties over dit onderwerp, met name die geselecteerde sectoren van de houtgebaseerde industrie bestrijken. Dit review-artikel zal een highlight bieden op de recente vooruitgang van nanotechnologie-toepassingen op de geselecteerde houtgebaseerde sectoren, namelijk pulp en papier, houtcomposiet, houtcoating en houtduurzaamheid. Bovendien worden enkele potentiële toepassingen van nanocellulose als een nieuwe generatie cellulose in de houtgebaseerde productenindustrie benadrukt in gebieden zoals energie en sensoren.

Toepassingen

Pulp en Papier

De jaarlijkse productie van papier en karton wereldwijd is meer dan 400 miljoen ton. Het toont aan dat het huidige digitale tijdperk het voortdurende gebruik van papierproducten in de gemeenschap niet heeft gestopt. Niettemin is de stijgende vraag voornamelijk voor diverse verpakkingsproducten. Deze stijging kan worden gespoten door de verschuiving van consumentenvoorkeur naar online winkelen en de boost van e-commerce die zo'n gemak biedt om thuis te winkelen en het product veilig te leveren aan de beoogde ontvangers.

Papier wordt gemaakt van lignocellulose-materialen die een reeks primaire verwerking, behandeling, papiermaken, drogen en coaten hebben ondergaan. Het papiermakerstadium is waar alle menging van pulp en additieven wordt toegevoegd en aangepast om te passen bij verschillende eindproducten. Nanotechnologie wordt in pulp en papier toegepast in de vorm van nanomaterialen of nano-additieven. Bijvoorbeeld, bosbronnen of lignocellulose-materialen kunnen worden benut om de nanogrootte bouwsteen of nanocellulose te extraheren die dient als versterkingseenheid om unieke mechanische sterkte, functionaliteit en flexibiliteit te bieden. Deze nieuwe generatie cellulose wordt geproduceerd via celwand-delaminatie om nanofibrillen te verkrijgen of door extractie van kristallijne cellulose op de nanoschaal. Nanocellulose wordt toegevoegd aan papiermaken voornamelijk om de papiersterkte te vergroten. Andere nanomaterialen die tijdens het papierproductieproces worden gebruikt, omvatten nanosilica, nano-zeoliet, etc. De incorporatie van nanomaterialen of nano-additieven in de papierindustrie kan helpen de prestaties van papierproducten te verbeteren.

De belangrijkste additieven die gebruikt worden of potentieel kunnen worden gebruikt in de pulp- en papierindustrie worden in de volgende secties besproken.

Nanocellulose als Nat of Droge Sterkte-agent

Nanocellulose is uitgebreid bestudeerd als sterkte-additief in pulp- en papierveld. Nanocellulose krijgt enorme interesse vanwege zijn overvloed, beschikbaarheid en ook vanwege zijn interessante kenmerken zoals biologisch afbreekbaar, lage toxiciteit, uitstekende mechanische en optische eigenschappen, hoog oppervlak en hernieuwbaarheid. Nanocellulose is eigenlijk cellulose op nanoschaal-dimensie die geïsoleerd en bereid kan worden uit elk lignocellulose-materiaal dat houtpulp, niet-houtplanten, hout en landbouwresten, bacteriële cellulose en tunicaten omvat. Cellulose is een lineair verbinding met β-1,4 gekoppelde glucose-eenheden die kristallijne en amorfe regio's omvat. De verwijdering van amorfe domeinen uit cellulose-keten met minerale zuren leidt tot de isolatie van nanokristallijne cellulose, terwijl celwand-delaminatie via hoge-afschuiving mechanische actie resulteert in de reductie van cellulose-breedte, wat nanofibrilleerde cellulose vormt. Deze twee categorieën van nanocellulose zijn de bestudeerde nanomaterialen in pulp- en papierveld voor productverbetering. In het afgelopen decennium zijn talrijke werken gericht op de bereiding van nanofibrilleerde cellulose (NFC) en nanokristallijne cellulose (NCC) uit diverse plantenbronnen. Figuur 1 toont afbeeldingen van nanokristallijne cellulose en nanofibrilleerde cellulose met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).

De eigenschappen van nanocellulose variëren volgens bereidingsmethoden en bron van cellulose. Tabel 1 toont de morfologie en kristalliniteit van nanofibrilleerde cellulose en nanokristallijne cellulose.

Van Cellulose naar Nanocellulose

Nanofibrilleerde cellulose is de bestudeerde nano-additief in papiermaken aangezien veel werken zijn gerapporteerd. Nanofibrilleerde cellulose wordt bereid door vezels te onderwerpen aan selectieve hoge-afschuiving mechanische behandelingen. Er zijn veel methoden en combinaties van methoden om nanofibrilleerde cellulose te produceren. Homogenisatie en microfluidisatie zijn de gangbare technieken gebruikt voor nanofibrilleerde cellulose-bereiding, wat het onderwerpen van de vezels aan een kleine monding onder hoge druk voor herhaalde passages, meestal tussen 10 en 15 passages, omvat. Dit type behandeling als alleen gebruikt vereist hoge energieconsumptie, dus pre-behandeling met chemicaliën zoals TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl)-gemedieerde oxidatie, carboxymethylatie of enzym is meestal vereist om energie te besparen. Met deze methode wordt nanofibrilleerde cellulose geproduceerd als resultaat van hoge afschuivingssnelheden geïnduceerd door hoge snelheid en kracht van de vloeistofstroom. Een andere populaire methode om nanofibrilleerde cellulose te produceren is via de maal-methode. De maalmachine bestaat uit statische en rotterende stenen schijven. De afschuivende kracht gegenereerd door de stenen breekt de celwandvezels af tot geïndividualiseerde nanofibrillen. Om een brede verdeling in breedte te vermijden met deze methode door agglomeratie, raden de auteurs aan dat de grondstoffen in water gehouden moeten na pulperen en bleken processen. Dit is om de vorming van waterstofbindingsnetwerk te hinderen wanneer het in een droge toestand is. De ultrasonificatie-methode is ook bestudeerd om nanovezels te bereiden. Sonificatie omvat de generatie van cavitatieve hoge-afschuivende kracht van ultrasoongolven die de vezelcelstructuur kunnen afbreken. De sonificatiemethode produceert naar verluidt goed-gedispergeerde en stabiele nanovezels. Daarnaast kan cryo-vergruizing ook worden toegepast om inheemse vezels om te zetten in nanovezels. De vezels moeten bevroren worden met vloeibare stikstof gevolgd door hoge-afschuivende krachten. De hoge-afschuivende kracht geïnduceerde druk op de ijs-kristallen die de celwanden dwingen te scheuren en de microfibrillen vrij te maken.

Nanokristallijne cellulose geëxtraheerd uit inheemse cellulose wordt doorgaans bereid met zuurhydrolyse. Andere methoden met het gebruik van specifieke chemicaliën zoals TEMPO-gemedieerde oxidatie en ionische vloeistoffen zijn ook bestudeerd voor nanocellulose-bereiding. Een toepassing van cellulase-enzym is ook gerapporteerd.

Tijdens zuurhydrolyse daalt de graad van polymerisatie van cellulose snel, maar het stabiliseert op een punt bekend als de level-off graad van polymerisatie. De reden voor dit gedrag kan zijn dat amorfe regio's snel gehydrolyseerd worden door het zuur. Als hydrolyse begint, valt het zuur preferentieel de amorfe regio aan vanwege zijn grote volume en hydrolyseert de gemakkelijk toegankelijke glycosidische binding. Eenmaal het de gemakkelijk toegankelijke binding hydrolyseert, vindt verdere hydrolyse plaats op een veel langzamere snelheid aan het reducerende einde van de glucose-keten en op kristallijne regio-oppervlak. Zuurhydrolyse wordt beïnvloed door factoren zoals zuursoort, zuurconcentratie, temperatuur en tijd. Elke verandering in zuurconcentratie, hydrolysetijd en temperatuurconditie heeft een effect op de morfologie van de nanokristallijne cellulose. Bijvoorbeeld, het verhogen van zowel hydrolysetijd als zuurconcentratie leidt tot kortere nanokristallijne cellulose, terwijl hoge temperatuur resulteert in complete conversie van cellulose naar glucose.

De toevoeging van nanocellulose in papiermaken leidt tot papier van betere prestaties, namelijk het verhoogt papiersterkte en dichtheid en verlaagt porositeit. De toevoeging van nanogestructureerde cellulose resulteert in vergelijkbare papiereigenschappen toegevoegd met geslagen vezels. In theorie kan de sterkte van papier worden verhoogd door de inclusie van natte en droge sterkte-agenten, toevoeging van gefunctionaliseerde vezels en kloppen. De verbetering resulteert in vezelbindingsvermogen. Boufi et al. stelden voor dat het mechanisme kan zijn door de toename in gebonden oppervlak als gevolg van nanocellulose die fungeert als connector tussen vezels wat leidt tot vezel-tot-vezel-binding. Daarnaast kan het ook zijn door verschillende netwerken gecreëerd in de vezel die resulteren in de toename in bindingscapaciteit. Gegeven de micrometer-lengte van nanocellulose kunnen ze fungeren als brug om de buren vezels te verbinden wat leidt tot sterker netwerk. De wederzijdse bindingsnetwerk toegeschreven aan vezel en nanocellulose verhoogt de sterkte van het papier.

Nanocellulose als nano-additief verbetert interne binding wat resulteert in toename in droge treksterkte, reductie in luchtdoorlatendheid en opaciteit, en hogere dichtheid. Als nanoschaal-materiaal heeft nanocellulose een hoog oppervlak, en dus kan waterstofbinding effectiever worden gevormd. Het wordt toegevoegd als nat-einde additief voor droge sterkte-verhoging en retentieverbetering. Nanocellulose die gemeenschappelijk gebruikt wordt voor droge sterkte-additief is in de vorm van nanofibrilleerde cellulose.

Er zijn verschillende strategieën om NFC toe te voegen aan de pulp-furnish aangezien het direct kan worden toegevoegd met of zonder retentie-hulpstof of gemengd met andere vullers of lange vezels gevolgd door een retentie-hulpstof. Een toename in treksterkte na NFC-toevoeging heeft betrekking op de toegevoegde hoeveelheid. Er werd gevonden dat een toename van 5% treksterkte werd waargenomen wanneer 3% NFC werd toegevoegd aan de pulp-furnish samengesteld uit geslagen pulp samen met kationische zetmeel. Het is interessant om te noteren dat het effect meer opmerkelijk was als de pulp minder geslagen was. Bijvoorbeeld, meer dan 100% toename in treksterkte toen 6% NFC werd toegevoegd aan thermomechanische pulp. Aan de andere kant had NFC een mindere impact wanneer toegevoegd aan goed geslagen chemische pulp. Dus, verbetering in treksterkte wordt verwacht te gebeuren wanneer NFC wordt toegevoegd aan gevuld papier, mechanische pulp en gerecyclde pulp. Hii et al. rapporteerden dergelijke waarneming dat NFC geadsorbeerd wordt op de vuller en vezels en de vuller overbrugt met het vezelnetwerk. Het enige grote tekortkoming van het gebruik van NFC in papiermaken is dat het de afwatering langzamer maakt. Afwatering speelt een zeer belangrijke rol in papiermaken aangezien het direct gerelateerd is aan de efficiëntie van papierproductie. Hoe langzamer de afwateringstijd, hoe langzamer het papier geproduceerd zal worden. Het is daarom zeer belangrijk om retentie-agent op specifieke dosering te gebruiken om de adsorptie van de nanovezels op het oppervlak van de vezel te verbeteren, wat leidt tot verbeterde ontwatering.

NFC heeft eigenschappen ertussenin van droge sterkte-additief zoals zetmeel en fijne deeltjes gecreëerd door de actie van kloppen aangezien beide leiden tot toename van het gebonden oppervlak. Dit wordt bereikt door het creëren van een zachte en dunne laag op het vezeloppervlak die helpt om vezelbinding tijdens het drogen te vergroten en ook door het vullen van gaten en poriën tussen vezels wat ook het gebonden oppervlak verhoogt.

Nanocellulose als Coatingmateriaal voor Barriere-eigenschap

Nanocellulose kan ook worden gebruikt als coatingmateriaal in verpakkingspapier aangezien het goede barrière-eigenschappen heeft. Het voordeel van het gebruik van nanocellulose als coating-element is dat het afwateringsprobleem geen kwestie meer is aangezien het wordt toegevoegd nadat het papier is gemaakt. Er zijn verschillende benaderingen die kunnen worden gebruikt om nanocellulose toe te passen, waaronder spuiten, balkcoaten, maatpersen en rolcoaten. De toepassing van nanocellulose, met name nanofibrilleerde cellulose, is gerapporteerd om de zuurstofbarrière en oliebestendigheid te verhogen. In één voorbeeld werd reductie in luchtdoorlatendheid waargenomen van 69.000 naar 4,8 en 660 naar 0,2 nm Pa⁻¹ voor ongebleekt papier en vetvrij papier, respectievelijk, met de staafcoater. Syverud en Stenius toepaste variërende hoeveelheden NFC van 0 tot 8% op naaldhoutpulp en vonden dat de barrière-eigenschappen merkbaar toegenamen van 6,5 tot 360 nm Pa⁻¹ s⁻¹. Dit is te wijten aan de verlaagde porositeit veroorzaakt door de toename in nanofibrillen. Toepassing van NFC en schellak werd ook geprobeerd door Hult et al. op papier en karton wat resulteerde in de reductie van luchtdoorlatendheid, zuurstoftransmissiesnelheid en waterdamp-transmissie wat het potentiëel maakt voor barrière-verpakking.

Niet alleen dat, nanocellulose, met name nanofibrilleerde cellulose, kan worden omgezet in vrijstaande dunne films of nanopapieren. Deze nanopapieren kunnen worden gebruikt als substraat voor elektronische toepassing aangezien het transparant en flexibel is.

Nanomateriaal als Retentie-agent voor Eigenschapsverbetering

Retentie-agenten worden toegevoegd aan het papiermaken om de retentie van functionele chemicaliën op papier te verbeteren. Sommige nanomaterialen zijn getest in papierproduct zoals het gebruik van nano-zeoliet en nano-titaniumdioxide. Nano-zeoliet wordt gebruikt als droogmiddel in papierindustrie om vocht te absorberen en fungeert ook om gasemissie te verwijderen als gebruikt voor specialiteitspapier. Het hoge oppervlak van nano-zeoliet bestaande uit gaten en poriën helpt tijdens zo'n proces. Nano-titaniumoxide toegevoegd in papier kan een papier vormen met betere dynamische elastische modulus vergeleken met controlemonster.

Nanovuller Effect voor Eigenschapsverbetering

Het gebruik van vuller in de papierindustrie is voornamelijk te wijten aan kostenreductie aangezien vuller meestal goedkoper is dan pulp zich. Naast bestudeerd als sterkte-additief, kan nanocellulose ook worden gebruikt als vuller. De toevoeging van nanofibrilleerde cellulose kan de hoeveelheid houtpulp verminderen en de hoeveelheid vuller verhogen, dus productiekosten verlagen. Verder heeft het geproduceerde papier verbeterde eigenschappen zoals lage porositeit en hoge opaciteit. Het is ook gerapporteerd dat het toevoegen van 2–10% nanofibrilleerde cellulose als vuller resulteert in 50–90% sterkte-toename. Nanoklei kan worden gebruikt als additief in papiermaken om gasdoorlatendheid te verminderen wat kan leiden tot langere houdbaarheid van het papier. Dit is essentieel in verpakkingsindustrie waarin gas- en waterbarrières een belangrijke rol spelen in het voorkomen van bededering van voedsel en drank.

Nano-calciumcarbonaat wordt gebruikt als vuller om lichtverstrooiing te verbeteren. Gemodificeerd neerslaande calciumcarbonaat met nanogestructureerde deeltjes had een positieve impact op de lichtverstrooiing. Neerslaande calciumcarbonaat was gecoat met silicium- en zinksulfide-nanodeeltjes. Wild et al. rapporteerden een vergelijkbare studie waarin nanodeeltjes-coating werd gebruikt op laboratorium-, proef- en molenschaal. De studie vond dat nanodeeltjes-coating goede afdrukkwaliteit, waterpermanentie en dimensionele stabiliteit geeft. Nano-zinkoxide toegevoegd aan papier-furnish verleent antibacteriële eigenschap aan papier. Tegelijkertijd verbeterden optische eigenschappen zoals helderheid en witheid alsmede printbaarheid van het papier ook bij toevoeging van nano-zinkoxide. Nano-titaniumoxide is ook bestudeerd in combinatie met bêta-cyclodextrine in gecoat papier. Het werd gevonden dat het nanomateriaal-mengsel betere degradatie-effect had op xyleen vergeleken met papier gecoat met alleen nano-titaniumoxide.

Nanomateriaal als Sizing-agent voor Eigenschapsverbetering

Een sizing-agent wordt toegevoegd aan papiermaken om de weerstand van water/vloeistof-penetratie te verbeteren zodat het papier geschikt is voor print- en schrijfdoeleinden. Het gebruik van nanosilica kan de optische eigenschappen verbeteren en reductie in print-door tot 30%. Papier gecoat met nanosilica bleek betere optische dichtheid, dimensionele stabiliteit, afdrukkwaliteit te produceren boven ongecoat papier.

Houtcomposieten

Hout is een gave van de natuur aan de mensheid omdat het een biologisch afbreekbaar en hernieuwbaar materiaal is dat in veel toepassingen kan worden gebruikt. Echter, het hout zelf bezit verschillende zwaktes zoals brosheid, niet-flexibel en niet-duurzaam vanwege termieten-aanvallen en anderen. De benutting van houtvezel in het produceren van houtcomposieten heeft zijn eigen nadelen aangezien ze een lage bulkdichtheid, lage thermische stabiliteit, hoge neiging om vocht te absorberen en vatbaarheid voor biologische afbraak hebben. Nanotechnologie is gebruikt in veel wetenschappen, en het kan worden gebruikt om de kwaliteit van veel materialen te verbeteren, inclusief hout en hout-composieten.

Nanocellulose als Versterkingsmateriaal

Het principe van het gebruik van nanocellulose als versterkingsmateriaal in de matrixmateriaal heeft geleid tot veel onderzoekswerken. Door nanoschaal-cellulose toe te voegen, bezitten de nancomposieten uitstekende eigenschappen op tal van manieren, wat niet bereikt kon worden door microcomposieten. Deze nanocellulose-geversterkte composieten zijn in staat om de conventionele composieten te vervangen. Door passende modificatie van NCC, kunnen diverse functionele nanomaterialen met uitstekende eigenschappen of aanzienlijk verbeterde fysieke, chemische, biologische, alsmede elektronische eigenschappen worden ontwikkeld. Eigenschappen van nancomposieten hangen af van enkele factoren zoals de eigenschappen van matrixmateriaal, kenmerken van nanocellulose, dispersie van nanocellulose in matrixmateriaal, en interfaciale interacties tussen vuller en matrixmateriaal.

Nanocellulose als versterking in diverse typen matrixmaterialen is breed bestudeerd. Polymernancomposieten bestehende uit natuurlijke of synthetische polymeren versterkt met nanocellulose hebben zich vestigd als een veelbelovende klasse van materialen. Verbetering van de mechanische eigenschappen is het meest voorkomende doelwit bij het bereiden van deze nanocellulose-geversterkte polymeren. Petroleum-gebaseerde polymeren zijn doorgaans ingedeeld in thermoplastische en thermohardende typen. Het verschil tussen thermoplastische en thermohardende polymeren is de binding die hun lang-keten moleculen vast houdt, de eerste wordt vastgehouden door zwakke van der Waals-bindingen, terwijl de laatste door sterke covalente bindingen. Een verscheidenheid aan thermohardende harsen is bestudeerd voor gebruik in nanocellulose-composieten. Epoxyhars, bijvoorbeeld, is gebruikt voor geavanceerde materiaalproducten vanwege zijn uitstekende bindingseigenschappen en goede mechanische eigenschappen na uitharding (hoge modulus, lage kreep, en redelijke verhoogde temperatuurprestaties). Echter, het kan gemakkelijk mislukken onder impact vanwege de sterk gekruiste structuur. Met de toevoeging van de gefunctionaliseerde nanocellulose als versterkingsmateriaal, zijn de mechanische eigenschappen van epoxy-gebaseerde cellulosenancomposieten aanzienlijk verbeterd. Een benadering is uitgevoerd om epoxy-cellulose nanovezel-composieten met een georiënteerde structuur te bereiden. Het proces combineerde de ijs-sjabloonmethode (of vries-gieten) om hoog porieuze nanocellulose-netwerken te bereiden vóór het gebruik als preforms voor impregnering met een bio-epoxyhars. De resultaten toonden aan dat de elastische en opslagmoduli van de nancomposieten beter waren dan die van zuivere epoxy in beide testrichtingen, en de sterkte was verbeterd in de longitudinale richting. Een andere meest gebruikte thermohardende hars is onverzadigde polyester (UP). Nanogestructureerde UP-biocomposieten met nanocellulose-inhoud zo hoog als 45 vol%, veel hoger dan in eerdere studies, werden met succes verwerkt en gekarakteriseerd. De nanogestructureerde nanocellulose-netwerk-versterking verbetert niet alleen modulus en sterkte van UP maar ook duktiliteit en zwaartekracht. Figuur 2 toont de breukmorfologieën van de hydrofobe polyester, poly(3-hydroxybutyraat-co-4-hydroxybutyraat) (PHB) ofwel versterkt met 15 wt% NCC of 15 wt% geacetyleerde NCC met behulp van veld-emissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM). De FE-SEM-afbeeldingen gaven duidelijk aan dat geacetyleerde NCC homogeen verdeeld was in de PHB vergeleken met NCC. De homogeniteit heeft bijgedragen aan de sterke interfaciale interactie tussen het versterkingsmateriaal en de polymermatrix.

Tabel 2 illustreert de incorporatie van nanocellulose in thermoplastische polymeren zoals PLA, PVA, zetmeel, PU, PP en enzovoort. De processen gebruikt om deze nancomposieten te ontwikkelen omvatten oplosmiddeluitwisseling, waterige dispersie, oplossinggieten, enten, kern-rug schuiminjectiegieten, electro-spinnen, coagulatie en thermocompressie, en in situ anionische ring-openings-polymerisatiereactie, onder anderen. De meeste studies rapporteerden dat de toevoeging van nanocellulose in nancomposieten resulteerde in verbetering van mechanische eigenschappen (sterkte, stijfheid, kreepweerstand, elasticiteit), thermische stabiliteit, barrière-eigenschappen en zelfs sommige gaven antibacteriële en antioxidante functies van de nancomposieten aan, afhankelijk van de componenten van de nancomposieten gebruikt. Algehele bevindingen rapporteerden positieve resultaten op de versterking van nanocellulose in thermoplastische matrix wat aanmoedigt tot meer studies in het produceren van groenere en duurzamere composietmaterialen.

Natuurlijke polymeren komen normaal in de natuur voor en kunnen worden geëxtraheerd. Natuurlijke polymeren zijn niet thermoplastisch, met slechts een paar uitzonderingen. Echter, chemische en fysieke modificatietechnieken zijn in staat om thermoplastische eigenschappen in natuurlijke polymeren van biomassa-bronnen zoals cellulose, lignine en chitine te activeren. Vanwege de toenemende milieubewustzijn en vraag naar groene producten, zijn diverse natuurlijke polymeren versterkt met nanocellulose gebruikt om bio-nancomposieten te produceren. Er zijn zeer beperkt aantal studies die rapporteren over het gebruik van plant-afgeleide nanocellulose in botweefselregeneratie. Een van de studies rapporteerde de bereiding van een nancomposiet door het synthetiseren van (TEMPO)-geoxideerde nanofibrilleerde cellulose (TNFC) of nanokristallijne cellulose (NCC) met hydroxyapatiet (HA). De composieten bleken betere druksterktes, elastische moduli en breukzwaartekracht te demonstreren, in het bereik van uiterste en dichte cortex-bot, dan de NCC-gebaseerde. Verder induceerden de composieten geen cytotoxiciteit aan door mensen afgeleide bot-osteoblast-cellen maar verbeterden hun levensvatbaarheid, wat ze veelbelovend maakt voor botweefselregeneratie in belastingsdragende toepassingen.

Onder andere natuurlijke biopolymeren die gebruikt worden zijn natriumalginate, cellulose en proteïnen die de kenmerkeigenschappen bezitten zoals biologisch afbreekbaar, biocompatibel en lage toxiciteit. Natriumalginate, bijvoorbeeld, is breed gebruikt als uitstekend biomateriaal in veel velden zoals weefseltechniek, geneesmiddelafgifte, voedselverpakking en biomedische toepassingen. Echter, de slechte mechanische sterkte en onbeheerste afbraakeigenschappen beperken de toepassing. Verschillende pogingen zijn gedaan om deze problemen op te lossen door het ontwikkelen van nancomposiet-films met de incorporatie van nanocellulose in de alginaat-matrix. Het werd gevonden dat de incorporatie van NFC in de alginaat-matrix de waterweerstand en mechanische eigenschappen verbeterde. Verdere onderzoek heeft getoond dat met ultrasonificatie-behandeling om de dispersie te vergemakkelijken, TEMPO-geoxideerde NCC betere efficiëntie had in het versterken van alginaat-biopolymer vergeleken met NFC. Vergelijkbaar concept van bio-geïnspireerde synergistische versterkingsstrategie in het integreren van nanocellulose in chitine, chitosaan, soja-eiwitisolaat (SPI) en lijnzaad-gom-matrix opent een nieuw pad voor het construeren van hoge-prestatie nancomposieten.

Nanodeeltjes voor Hout-gebaseerde Paneel Eigenschapsverbetering

Houtcomposieten worden doorgaans beschreven als een breed scala aan producten met combinatie van houtelementen zusammengehouden door een binder. Onder de voordelen van houtcomposieten zijn dat ze kunnen worden ontworpen voor specifieke kwaliteiten of prestatievereisten bij verschillende diktes, graden en formaten. Houtcomposieten worden gefabriceerd om voordeel te halen uit de natuurlijke sterktekenmerken van hout (en soms resulteert in een grotere structurele sterkte en stabiliteit dan gewoon hout). Aan de andere kant hebben houtcomposieten ook nadelen zoals dat ze meer primaire energie vereisen om te produceren vergeleken met massief hout. Daarom zijn houtcomposieten niet geschikt voor buitengebruik aangezien ze water kunnen absorberen en meer geneigd zijn tot vocht-geïnduceerde vervorming dan massief hout. De lijmen die gebruikt worden, geven giftige formaldehyde vrij in het eindproduct. Nanotechnologie kan worden benut om de kwaliteit van hout-gebaseerde composieten te verbeteren om te voldoen aan de toenemende vraag naar bestaande producten en voor nieuwe producten om in nieuwe toepassingen te worden gebruikt.

De belangrijkste nadelen van hout zijn zijn vatbaarheid en biologische afbreekbaarheid door microorganismen en ook dimensionele onstabiliteit wanneer onderworpen aan gevarieerd vochtgehalte. Deze zijn voornamelijk te wijten aan de celwand-hoofdpolymeren en hun hoge overvloed aan hydroxalgroepen (OH). Hout is van nature hygroskopisch, en vochtabsorptie door houtmaterialen is direct gerelateerd aan het blootgestelde oppervlak. De toevoeging van anorganische nanodeeltjes aan houtcomposieten is gerapporteerd om de anti-microbiële eigenschappen van de composieten te verbeteren. Nanodeeltjes van zinkoxide (ZnO) vertonen goede antimicrobiële activiteit. Deze nanodeeltjes worden toegevoegd aan melamine-ureum-formaldehyde (MUF) lijm vóór het gebruik voor spaanplaatproductie. De bevindingen tonen aan dat er toenames waren in bioresistentie van de spaanplaten tegen de Gram-positieve bacterie Staphylococcus aureus, de Gram-negatieve bacterie Escherichia coli, de schimmels Aspergillus niger en Penicillium brevicompactum alsook de bruinrot-schimmel Coniophora puteana. Zilver-nanodeeltjes die bekende biocide additieven zijn, vertoonden ook vergelijkbare antibacteriële en anti-schimmel-efficiëntie-effecten toen toegepast op de melamine-gelamineerde oppervlakken van spaanplaten. De combinatie van nano-koperoxide en alkaan-surfactant werd ook bevestigd om water- en termiet-weerstand van behandelde multiplex-monsters te verbeteren. Gemodificeerd zetmeel-gebaseerde lijm werd verkend als een andere optie om de vervalweerstand van spaanplaat te verhogen. Spanplaat gelijmd met gemodificeerde PVA/oliepalm-zetmeel toegevoegd met nano-siliciumoxide (SiO₂) en boorzuur bleek meer vervalweerstand te hebben dan spaanplaat gelijmd met hun inheemse zetmeel. De toevoeging van nano-SiO₂ en boorzuur als waterafstotende en antischimmel-agenten respectievelijk, hebben de activiteit van microorganismen in de eind-splaatvoorkomen.

De fabricage van houtcomposiet-panelen kan worden geïmproviseerd door methoden te ontwikkelen om de uithardingstijd van de hars tijdens warm-perssen te verkorten, wat de productie kan versnellen of de algehele kwaliteit van het plaat kan verbeteren. Warmte-overdracht die de perstijd van een hout-composiet-plaat beïnvloedt, varieert met dikte, perstemperatuur, sluit-snelheid, en mat-vochtverdeling. De toevoeging van ZnO-nanodeeltjes verhoogde de warmte-overdracht in het centrum van de spaanplaat tijdens warm-perssen wat een grotere graad van hars-uitharding veroorzaakte en de fysico-mechanische eigenschappen verbeterde. Hoog-geleidende nanodeeltjes zoals multi-walled koolstof-nanobuizen (CNTS) en aluminiumoxide (Al₂O₃) werden ook bewijzen om thermische en mechanische eigenschappen van medium-dichtheid-vezelplaat te verbeteren. De studie rapporteerde ook dat hoewel geactiveerde koolstof-nanodeeltjes geen significant effect gaven op fysieke en mechanische eigenschappen van het plaat, ze een meer versnelde effect hadden op de uitharding van ureum-formaldehyde (UF) en reductie in formaldehyde-emissie vergeleken met de andere twee nanovullers.

In het fabriceren van houtcomposieten spelen de lijmen een uitzonderlijk belangrijke rol die de composiet-eigenschappen beïnvloeden, waaronder de mechanische eigenschappen, hun vermogen om te presteren in natte condities en hun effecten op het milieu. Ureum-formaldehyde, melamine-ureum-formaldehyde en fenol-formaldehyde worden gemeenschappelijk gebruikt in de houtcomposieten-industrie. De benutting van nanodeeltjes heeft geleid tot verbeteringen van de eigenschappen van lijmen. Veel studies zijn uitgevoerd om nanomateriaal-geversterkte houtcomposieten te produceren met verbeterde fysieke en mechanische prestaties en verminderde formaldehyde-emissie. Nanokleien zijn getoond om uitstekende vullers en versterking voor de hars-matrix te zijn, en de sterkte, zwaartekracht en andere eigenschappen aanzienlijk te verbeteren. De modificatie van UF-lijm met nanoklei-deeltjes voor multiplex gefabriceerd met drie bossoorten van snel-groeiende plantages: Cordia alliodora, Gmelina arborea en Vochysia ferruginea werden gerapporteerd door Muñoz en Moya. Het werd bepaald dat nanomodificatie van de hars met nanoklei op 0,75% de buig- en elasticiteitsmoduli van het plaat verbeterde. Het effect van het gebruik van nanoklei-deeltjes in PF-lijmen verhoogde de mechanische eigenschappen van de lijm in de bindinglijn significant en droeg bij aan een toename in de macro-bindingssterkte van multiplex. Interessant, transitie-metal-ion-gemodificeerde bentoniet (TMI-BNT) nanoklei werd gebruikt om kristallijne UF-harsen om te zetten in amorfe polymeren door de waterstofbindingen te blokkeren via in situ intercalatie-methode. Dit resulteerde in 56,4% toename in hechtingsterkte en 48,3% reductie in formaldehyde-emissie.

Andere nanodeeltjes gebruikt om de fysieke en mechanische eigenschappen van houtcomposieten te verbeteren omvatten nanowollastoniet (NW), nano-ZnO, nano-SiO₂, nano-Al₂O₃, nanosilver en nanocellulose (NCC en NFC). De NCC werd gebruikt als vuller voor de lijm, terwijl NFC werd toegepast als binder aan de formulering van de composiet-platen. Recent is onthuld dat de toevoeging van micro- en nanovezels van cellulose voordelige effecten hebben op de eigenschappen van hars. Op basis van de onderzoeken werd gevonden dat de toevoeging van NCC de mechanische eigenschappen van multiplex aanzienlijk verbeterde in hoeveelheid van 10%/100 g vast hars. Aan de andere kant, de fysieke eigenschappen van spaanplaat na toevoeging van NCC aan UF-lijmen toonde gladde oppervlak, onbeduidend verschil in de dichtheid en vochtgehalte van de platen en alleen hoge waarde van nanocellulose-inhoud vertoonde significant hogere dikte-zwelling. Tussenwijl, spaanplaat-panelen gefabriceerd met NFC als het bindmiddel werden getoond om te voldoen aan de industriële vereisten in termen van mechanische eigenschappen voor lage-dichtheid-graden. Voor hoge-dichtheid spaanplaat, werd geschat dat de verhoogde NFC-verhouding en hogere druk de interne bindings-eigenschappen konden verbeteren. Zelfs de nagel- en gezichts-schroef-ontrekkingsterkte werd gevonden om te stijgen met de toename in NFC-toevoegingsverhouding en plaat-dichtheid.

Houtcoating

Bossen worden primair of deels gebruikt voor de productie van hout- en niet-hout-bosproducten. Niet-hout-bosproducten omvatten bamboe, rotan, vuurhout, houtskool, damar, palmen, etc. Er is een enorme vraag naar hoog-kwaliteit hout, maar de beschikbaarheid van hout uit natuurlijk bos is afgenomen. Gevolgd is de zoektocht naar niet-hout-bronnen als alternatief voor hout versneld. Vanwege de snelle groeieigenschap is bamboe ontwikkeld tot een van de belangrijkste niet-hout-bosproducten. Hout is een natuurlijke biologisch zelf-geassembleerde polymere structuur (cellulose, lignine, hemicellulose). Het is een van de meest veelzijdige materialen en is eeuwenlang gebruikt in de vorm van gebouwen en structuren. Echter, hout wordt onderworpen aan intense oxidatieve afbraakprocessen zoals foto-oxidatie, chemische oxidatie, thermische ontbinding en fotolyse-reacties uit het milieu, inclusief ultraviolette (UV) licht, vocht, chemische vervuiling en warmte/koude-variaties. Zelfs niet-hout-materialen zoals bamboe is zelf een natuurlijk organisch materiaal dat rijk is aan eiwitten, koolhydraten en andere nutriënten en geneigd is tot schimmel, door motten gegeten te worden en te rotten. Daarom omvatten de eindproducten van hout- en niet-hout-producten conventioneel additieven die kunnen worden gebruikt als coatings voor bescherming en esthetische verbetering, conserveringsmiddelen voor bescherming tegen brand en biologische factoren (schimmels en insecten).

Coating is een proces van het aanbrengen van een laag op het substraat-oppervlak. Voorbeelden van gangbare coatings toegepast op houtoppervlakken zijn vernissen, lakken en verf welke doeleinden kunnen zijn zowel beschermend als decoratief. De hoofdcomponenten van de coatings bepalen hun fundamentele eigenschappen zoals bindmiddelen, pigmenten, oplosmiddelen, vullers en additieven. Elk element draagt specifieke eigenschappen bij aan het houtoppervlak. Het bindmiddel draagt bij aan de hechting van het pigment aan het hout en creëert een beschermende laag, terwijl het pigment kleur geeft en niet-doorzichtige oppervlaktelaag vormt. De oplosmiddelen geven de benodigde viscositeit voor coating-toepassing, en de toevoeging van de vullers verandert de kleursterkte en de glans van de coating. Wat de additieven betreft, remmen ze schimmel en verval, helpen het droogproces, verbeteren de hechtingseigenschappen en controleren de afwerking. Echter, er zijn zwaktes van coatings zoals beperkte flexibiliteit, sterkteverlies, onevenredige hechting tussen coating-laag en substraat, inferieure slijtvasteheid en mindere duurzaamheid.

Nanocoating heeft de capaciteit om deze kwesties op te lossen. Nanocoating is een proces waarbij een dunne laag van dikte ongeveer < 100 nm op het substraat wordt gedeponeerd voor het verbeteren van sommige eigenschappen of voor het toekennen van nieuwe functionaliteit. De nanocoating kan niet alleen op nanomaterialen maar ook op een bulkier materiaal met een extreem dunne laag coating worden gebruikt zonder de topografie van het substraat-oppervlak te beïnvloeden. De toepassing van nanocoating in hout- en houtproducten is voornamelijk gericht op de verbetering van duurzaamheid, mechanische eigenschappen, brandweerstand en UV-absorptie alsmede afname van waterabsorptie. Een benadering om de functionaliteit en de eindgebruikerswaarde van nanocoating te verbeteren is de toevoeging van nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes hebben zeer grote oppervlakte-tot-volume-verhoudingen vanwege hun morfologie, wat hen in staat stelt om intens te interacteren met hun omgeving, en hun nanoschaal-grootte zorgt ervoor dat transparantie nog behouden blijft.

Nano-additief voor Duurzaamheidsverbetering

Nanocoatings zijn in staat om de duurzaamheid van hout- en niet-hout-producten te verbeteren door gebruik te maken van nanodeeltjes en nano-afgifte-systemen die veranderingen aanbrengen op moleculair niveau van de producten. Een van de doelen van coatings is om de groei van diverse microorganismen zoals schimmels en bacteriën te voorkomen. Nanogrootte deeltjes van metaaloxiden, zoals zinkoxide (ZnO), titaniumoxide en ceriumoxide (CeO₂) werden gerapporteerd om sterke antimicrobiële eigenschappen te demonstreren. Studies zijn uitgevoerd in de directe depositie van nanodeeltjes op houtoppervlakken of directe functionalisatie van houtoppervlakken met nanodeeltjes. ZnO-nanodeeltjes zijn met succes gefabriceerd op het oppervlak van bamboe-hout door een eenvoudige lage-temperatuur natte-chemische methode gebaseerd op sol-geprepareerde ZnO-zaadlagen. De bevindingen gaven aan dat het behandelde bamboe-hout betere weerstand had tegen Aspergillus niger V. Tiegh (A. niger) en Penicillium citrinum Thom (P. citrinum), maar slechte weerstand tegen Trichoderma viride Pers. ex Fr (T. viride). Grafene demonstreert ook superieure capaciteit om bacteriële groei te remmen. Daarom resulteerde de combinatie van het benutten van gereduceerde grafene-oxide en nano-ZnO om bamboe-gebaseerde buitensmaterialen te coaten via een twee-staps dip-droog en hydrothermale proces, in de verbetering van de schimmelweerstand en antibacteriële activiteitseigenschappen. Op dezelfde manier heeft de nanogestructureerde ZnO met behulp van een hydrothermale proces ook een effectieve bescherming van houtoppervlakken tegen bio-afbraak geboden.

Watergedragen polyurethaan (WPU) coatings geïncorporeerd met nanokristallijne cellulose (NCC) en zilver-nanodeeltjes (AgNPs) werden gebruikt om de antibacteriële eigenschap van houtplaat te verbeteren. De AgNPs waren bekend voor hun antimicrobiële materiaal, maar aggregeerden gemakkelijk tijdens het bereidingsproces. Daarom werd NCC geïntroduceerd om te helpen met de menging en dispergeerbaarheid van AgNPs met WPU of andere coatings. Daarnaast was NCC ook een goed versterkingsmiddel om de mechanische eigenschappen van nancomposieten te verbeteren. Mini-emulsie-polymerisatie werd ook gebruikt om een acrylaat-latex-coating te synthetiseren met AgNPs, wat de groei van zwarte-vlek-schimmels op houtoppervlakken zal beperken. De studie van het antibacteriële effect van zilver- en zinkoxide-nanodeeltjes in acrylaat-coatings toegepast tijdens de behandeling van commerciële houtcomposieten zoals spaanplaat en medium-dichtheid-vezelplaat werd uitgevoerd. Ag- en ZnO-nanodeeltjes waren deels effectiever tegen de Gram-negatieve bacterie Escherichia coli vergeleken met de Gram-positieve bacterie Staphylococcus aureus.

Nano-additief voor Waterabsorptie-verbetering

Het is bekend dat hout vatbaar is voor water of vocht. Dit is te wijten aan de hydrofiele aard van de celwand-bestandeerdende polymere en zijn capillair-porieuze structuur. De interactie tussen hout en water leidt tot biologische afbraak van hout, dimensionele onstabiliteit en versnelde verwering. Hoewel er conventionele chemische modificaties worden gebruikt om de hydrofobiciteit van hout te verbeteren, is de toegankelijkheid van water in hout nog niet volledig tegengehouden. Verder zijn de chemicaliën die in het behandelingsproces worden gebruikt, mogelijk gevaarlijk. Daarom wordt nanotechnologie gebruikt als een alternatieve benadering voor hout-modificatie en functionalisatie. De incorporatie van nanodeeltjes in polymere coatings wordt gebruikt om de waterabsorptie van houtoppervlakken te verbeteren. Twee benaderingen worden gebruikt om de nanodeeltjes in de coatings te integreren, namelijk oplossingsmenging en in situ-toevoeging. De eerste benadering (oplossingsmenging) is wanneer een oplosmiddel combineert met het polymereer voordat het op de houtoppervlakken wordt gedispergeerd. Deze fysieke methode kan worden toegepast door dippen, borstelen en spuiten. Wu et al. rapporteerden dat een superhydrofobe coating werd geconstrueerd op het oppervlak van populierenhout met een contacthoek van tot 158,4° door het watergedragen UV-lakproduct (WUV) dat werd gemodificeerd door ZnO-nanodeeltjes en stearinezuur. Vergeleken met WUV, was de waterweerstand van zinkstearaat/watergedragen UV-lak super-hydrofobe coating (ZnSt₂/WUV) sterker, wat gunstig was om superhydrofobe coatings op een eenvoudige en milieuvriendelijke manier te bereiden. Interessant, een water-gebaseerd vernis toegevoegd met TiO₂-nanodeeltjes werd gebruikt om de afwerking van negen tropische houtsoorten te evalueren. Het werd gevonden dat de incorporatie van TiO₂-nanodeeltjes de waarden van waterabsorptie verminderde en na een jaar van weerstellingsblootstelling, het vernis zonder toegevoegde TiO₂-nanodeeltjes volledig degradeerde, terwijl de gemodificeerde vernis-film duurde. Andere voorbeelden van superhydrofobe houtcoatings die met succes zijn bereid zijn lignine-gecoate nanokristallijne cellulose (L-NCC) deeltjes/polyvinylalcohol (PVA) composiet-verf-systeem, UV-licht-uitgehardde methacrylaat-siloxaan-cellulose-composiet-coatings, Fe³⁺-gedopte SiO₂/TiO₂-composiet-film en polydimethylsiloxaan (PDMS)/silica-hybride coating-systeem.

De tweede benadering is de in situ-toevoeging of een chemisch proces dat betrekking heeft op verbindingstoename direct aan monomeren en daaropvolgende polymerisatie. De nanodeeltjes worden in situ gesynthetiseerd door chemische reacties op het houtoppervlak zoals hydrothermale methoden of sol-gel-depositie. Gao et al. pasten een eenvoudige en effectieve methode toe bij het bereiden van superhydrofobe geleidende houtoppervlak met super olie-afstoting met behulp van AgNPs gemodificeerd door fluoroalky-silane. De multifunctionele coating kan gecommercialiseerd worden voor diverse toepassingen, met name voor zelf-reinigende en biomedische elektronische apparaten. In een andere studie werd bamboe behandeld met ZnO-sol, en de ZnO-nanosheet-netwerken werden hydrothermaal op het bamboe-oppervlak gekweekt en vervolgens gemodificeerd met fluoroalky-silane. Het met succes behandelde bamboe vertoonde superieure eigenschappen zoals robuuste superhydrofobiciteit, stabiele afstoting naar gesimuleerde zure regen, UV-bestendig en brandbestendig. Vergelijkbare superieure eigenschappen werden verkregen toen bamboe-hout bereid werd door de hydrothermale depositie van anatase TiO₂-nanodeeltjes en verder gemodificeerd met octadecyltrichloor-silane. Superhydrofobe houtoppervlakken kunnen ook worden bereid met benaderingen zoals laag-voor-laag assemblage van polyelectrolyet/TiO₂-nanodeeltjes multi-lagen en hydrofobe-modificatie met perfluoroalky-triethoxysilane (POTS), spuitcoating van een watergedragen perfluoroalky-methacrylaat-copolymere (PMC)/TiO₂-nanocomposieten op het PDMS-voor-gocoate substraat en een éénstaps hydrothermaal proces met tetrabutyltitaan (Ti(OC₄H₉)₄, TBOT) en vinyltriethoxysilane (CH₂CHSi(OC₂H₅)₃, VTES) als co-voorloper. Zelfs een biomimetische benadering om een lotusblad-achtige SiO₂ superhydrofobe bamboe-oppervlak te produceren gebaseerd op zachte lithografie werd met succes uitgevoerd.

Nano-additief voor Mechanische Eigenschappen-verbetering

De anorganische deeltjes geïntegreerd in organische polymeren worden gemeenschappelijk gebruikt in houtcoatings om de mechanische eigenschappen te verhogen. Als vullers worden de rigiditeit en hardheid van de anorganische materialen effectief gecombineerd met de verwerkbaarheid van het polymereer. De anorganische deeltjes wanneer toegepast in micron-grootte hebben nadelen zoals ze de flexibiliteit van het materiaal verminderen en de transparantie van het coating-systeem verlagen. De benutting van de anorganische deeltjes in nanoschaal vergroot het oppervlak en de verhouding van het interfaciale oppervlak, wat vervolgens de eigenschappen van het grondstof beïnvloedt. Recente studies hebben onderzoek gedaan naar het gebruik van nanocellulose als hernieuwbare versterking om een bio-gebaseerd nancomposiet-coating-systeem met verbeterde prestaties te ontwikkelen. Nanocellulose werd oppervlakte-gemodificeerd vanwege het onverenigbaarheidsprobleem met de polymermatrix. De toevoeging van TEMPO-geoxideerde cellulose-nanovezels verbeterde de mechanische eigenschappen van de WPU-coating. In het geval van de niet-polair polymermatrix, werd nanokristallijne cellulose gemodificeerd door twee methoden, met acryloylchloride of een kationische surfactant. Een toename in NCC-ladingsniveau tot 2% verhoogde hardheid, elastische modulus en treksterkte.

Nanosilica is een andere gemeenschappelijke nanodeeltje die wordt toegepast voor de verbetering van mechanische eigenschappen. Onder de voordelen van het gebruik van nanosilica zijn zijn hoge hardheid en kan gemakkelijk chemisch gemodificeerd worden om de compatibiliteit met de polymermatrix te verbeteren. Een recente studie van Meng et al. rapporteerde ricinusolie-gebaseerde watergedragen acrylaat (CWA)/SiO₂ hybride coatings met organisch-anorganische covalente gekruiste netwerkstructuren werden bereid via sol-gel en thiol-een reacties. De bevinding toonde aan dat naast de emulsies goede stabiliteit hadden, de thermische en mechanische eigenschappen van de coating aanzienlijk verbeterden bij 10 wt% SiO₂. De verbetering van mechanische eigenschappen met nanosilica-toevoeging werd ook beschreven in andere coating-systemen zoals watergedragen nitrocellulose en acrylaat.

Nano-additief voor UV-absorptie-verbetering

Het proces van hout-foto-afbraak begint direct na blootstelling aan zonlicht, en dan treden kleurveranderingen en progressieve erosie van het houtoppervlak op. De UV-straling is in staat om de polymere-structuurcomponenten van hout (lignine, cellulose en hemicellulose) fotochemisch te degraderen. Het fotodegradatieproces resulteert doorgaans in verminderde waterweerstand van hout- en hout-gebaseerde materialen wat leidt tot verdere biologische afbraak onder buitenblootstellingscondities. De intense schade aan materialen door de UV-component in zonnestraling kan worden voorkomen door het gebruik van licht-stabilisatietechnologieën, oppervlaktecoatings of door deze materialen te vervangen door materialen die meer weerstand bieden tegen UV-straling. Nanodeeltjes kunnen worden benut om de UV-weerstand voor oplosmiddel, watergedragen en UV-coatings te verbeteren om de houtoppervlakken te beschermen. Nanodeeltjes die functionele coatings bevatten om UV-blokkerende eigenschappen te bereiken, bieden een hoog niveau van bescherming tegen UV zonder de transparantie van het oppervlak te beïnvloeden. De kleine grootte van de nanodeeltjes geeft een significante toename in effectiviteit van het blokkeren van UV-licht vergeleken met natuurlijk materiaal vanwege hun grote oppervlakte-tot-volume-verhouding.

Het gebruik van UV-straling-absorberende coatings dient om lignine-degradatie door UV-licht te voorkomen. Onder de nanodeeltjes die als UV-absorbers worden gebruikt, zijn voornamelijk TiO₂ en ZnO. Wallenhorst et al. rapporteerden een systeem samengesteld uit een Zn/ZnO-coating en additionele polyurethaan-verzegeling dat de fotodiskleuring van het houtoppervlak sterk verminderde en chemisch stabiel bleek te zijn. De combinatie van benzotriazool (BTZ) en ZnO-nanodeeltjes werd toegepast als de UV-absorbers in acrylaat-gebaseerde bamboe-exterieur-coatings. Sterke synergistische effecten werden gedetecteerd in de BTZ-ZnO-coatings, met name voor de 2:1-verhoudingsformulering. Het coating-systeem bood hoge weerstand tegen fotodegradatie en remde effectief fotodiskleuring van de bamboe-substraten. Een ander mengsel van benzotriazolen, gehinderde amine-licht-stabilisatoren (HALS), en ZnO-nanodeeltjes in dikke-film watergedragen acrylaat-coating gaf ook het meest positieve effect in UV-beschermende oppervlaktemodificatie toen toegepast op eikenhout. Het mengsel van benzotriazolen, HALS en zowel TiO₂ als ZnO-nanodeeltjes werd bevestigd als een van de meest effectieve behandelingen voor kleurstabilisatie van hout door UV- en VIS-spectra. Het werd gerapporteerd dat houtmonsters gecoat met rutil TiO₂ en een mengsel van methyltrimethoxysilane en hexadecyltrimethoxysilane superieure weerprestaties toonden en verbeterde weerstand tegen oppervlakte-kleurverandering en gewichtsverlies. De TiO₂-coating werd ook gevonden om de kleurstabiliteit van hout tijdens UV-lichtblootstelling zonder waterbespuiting blijkbaar te verbeteren. Echter, het aangrenzende houtoppervlak degradeerde vanwege de fotokatalytische activiteit van TiO₂.

Nano-additief voor Brandvertraging-verbetering

De brandbaarheid van hout- en niet-hout-producten heeft de benutting beperkt, met brandveiligheid als een grote zorg voor de diverse toepassingen. Om de inherentie tekortkomingen te overwinnen en hout- en niet-hout op een veilige manier te gebruiken, moeten de brandvertragende eigenschappen serieus worden overwogen. Nanodeeltjes zijn recentelijk gebruikt om de nancomposieten te produceren voor de verbetering in brandvertragende eigenschappen. De benutting van nanodeeltjes, alleen of in combinatie met conventionele brandvertragers, dient om de ontbrandbaarheid van hout te verminderen. De nanoschaal-grootte en hoge oppervlakte van nanomaterialen maken ze effectiever bij lage concentraties dan andere conventionele verbindingen wat een enorm voordeel is industriëel en economisch. De oppervlaktemodificatie is noodzakelijk voor nanodeeltjes om betere compatibele en homogene dispersie te bereiken. TiO₂-gecoat hout bleek in staat te zijn om de brandbaarheid van het hout en de uitbreiding van de vlam te verminderen, vergeleken met het ongewijzigde monster. De ZnO–TiO₂-gelaagde dubbele-nanostructuren waren gesynthetiseerd op een bamboe-substraat. De bevindingen toonden aan dat de zuurstofindex steeg van 25,6 naar 30,2% na bedekt te zijn met een ZnO–TiO₂-coating, wat een significante verbetering van de brandvertragende eigenschap onthulde. Gelaagde dubbele hydroxiden kunnen een grote hoeveelheid warmte absorberen, de concentratie van brandbare gassen verwateren en schadelijke zuurgassen absorberen tijdens het ontbindingsproces; daarom is het een uitstekende brandvertragermiddel. Yao et al. pasteerden nanomagnesium-aluminium gelaagde dubbele hydroxiden (Mg-Al LDH) op bamboe in een in situ éénstaps-proces en vonden dat de totale warmtevrijgave en totale rookproductie met 33,3% en 88,9% respectievelijk werden verminderd, vergeleken met die van monsters zonder Mg-Al LDH. Wang et al. introduceerden zink-aluminium gelaagde dubbele hydroxiden (Zn-Al LDH) nanostructuren in hout en vonden dat de piek-warmtevrijgave-snelheid (PHRR) en totale rookproductie met 55% en 47% respectievelijk werden verminderd, vergeleken met die van het onbewerkte hout. Nanogestructureerde koolstofmaterialen zoals grafene werden ook bewijzen om een groot potentieel te hebben om als effectieve brandvertragermiddel in hout- en hout-composiet-materialen te worden gebruikt voor oppervlaktebescherming tegen brand.

Houtduurzaamheid

Hout is zo'n veelzijdig materiaal dat zijn toepassing vindt in diverse velden zoals bouw, meubelen en kunstwerken. Hout wordt toegepast als bouwmateriaal vanwege zijn hoge sterkte-gewichtsverhouding, eco-vriendelijke kenmerken, esthetische uitstraling en biologisch afbreekbaarheid. Helaas is hout erg gevoelig voor biologische aanvallen, met name door vervelende schimmels en insecten. Hout wordt ook beïnvloed door blootstelling aan UV-straling, brand en vocht. Vocht kan houtvervorming, scheuring en dimensionele onstabiliteit veroorzaken. De houtdegradatie kan esthetische en interne structurele schade veroorzaken. De degradatie van hout leidt tot onmeetbare verliezen elk jaar. Bovendien zal de groei van vervelende schimmels op houtstructuur gezondheidsproblemen voor de mens veroorzaken, inclusief allergieën, respiratoire symptomen en astma, met name na langdurige binnenblootstelling. Daarom kunnen de geassocieerde kwesties met betrekking tot hout niet simpelweg worden over het hoofd gezien. Behoud van hout met behulp van chemicaliën is de effectieve manier om hout te beschermen en de levensduur te verlengen.

Over de laatste decennia zijn veel chemische conserveringsmiddelen ontwikkeld en gebruikt om hout te beschermen tegen biologische afbraakingsagenten. Helaas kunnen de meeste van deze chemische conserveringsmiddelen ernstige effecten op mens, levende organismen en milieu vormen vanwege hun accumulatie in bodem en ecosystemen. Gechroomde koper-arsenaat (CCA) is een van de chemische conserveringsmiddelen breed gebruikt sinds midden jaren 1930 en beschermt effectief hout tegen vervelende schimmels, termieten en insecten-boorders. Echter, CCA bleek giftig voor mens en milieu. Een vergelijkbaar probleem wordt ook ervaren door een ander chemisch middel, namelijk pentachloorfenol (PCP). Het werd geacht gevaarlijk te zijn voor de menselijke gezondheid; dus de productie en gebruik werden verboden in veel landen.

Als reactie op deze kwesties, wordt een nieuwe reeks chemische conserveringsmiddelen geïntroduceerd die als veilig en minder-vervuilend worden beweerd. Deze chemische conserveringsmiddelen kunnen verkregen worden uit plantenextract of synthetisch geproduceerd en hebben plant-bioactieve-stof-eigenschappen. Bijvoorbeeld, pyrethroïden, afgeleid van pyrethrum-bloem (Chrysanthemum cinerariifolium), hebben een krachtige insecticidale activiteit en kunnen nu synthetisch geproduceerd worden. Helaas werden deze chemicaliën gemakkelijk afgebroken door licht en temperatuur, en hebben een smal efficiëntiespectrum. Andere beperking van organische bestrijdingsmiddelen is dat de meeste van hen oplossen in organische oplosmiddelen en niet kunnen geformuleerd worden als water-gebaseerde houtconserveringsmiddelen. Daarom is een slimme en intelligente organische bestrijdingsmiddelen-afgifte-systeem cruciaal. Door een slim afgifte-systeem kunnen biociden op een gecontroleerde en gerichte manier worden afgeleverd. Dit zal gevaren voor mens en milieu verminderen.

Houtbehandeling via nanotechnologie-methode kan de houtduurzaamheid verbeteren tegen biologische afbraakingsagenten en weer. Het hoofdbeloof van het toepassen van nanoproducten op hout is de unieke capaciteit om diep in de houtstructuur te penetreren, dus duurzaamheidseigenschappen verbeteren die resulteren in een lange levensduur. Aan de andere kant, complete penetratie met uniforme verdeling van nanoproducten kan ook worden bereikt. Tot op heden zijn veel kant-en-klaar nanoproducten (nanoconserveringsmiddelen) voor houtbescherming beschikbaar op de markt, terwijl sommigen nog in het onderzoek- en ontwikkelingsstadium zijn. Over het algemeen kunnen nanoproducten die gebruikt worden om hout te beschermen, worden geclassificeerd in twee typen, namelijk nanocapsules en nanomaterialen. Nanocapsule verwijst naar de bestrijdingsmiddelen ingebed in een polymere nanodrager, terwijl nanomateriaal nanoschaal-metalen zijn die direct in hout geïmpregneerd kunnen worden.

Biocide Verbeteringseigenschap via Nano-encapsulatie

Encapsulatie van bestrijdingsmiddelen in polymere nanodragers is een van de veelbelovende nanotechnologie-technieken in het verbeteren van de impregnering van hout met bestrijdingsmiddelen. Deze techniek is ontworpen om de oplosbaarheid van slecht water-oplosbare bestrijdingsmiddelen te verhogen en om bestrijdingsmiddelen op een langzame manier vrij te maken. Encapsulatie stelt die lage oplosbaarheid bestrijdingsmiddelen in staat om gemakkelijk te disperseren in vaste polymere nanodeeltjes. Het polymereer kan dan in water worden opgeschort en op hout toegepast via conventionele water-gebaseerde behandelingen. Encapsulatie is ook in staat om het hydrofiele actieve ingrediënt te beschermen tegen overmatige luiting. Vanwege de kleine diameter van de capsule, kan het gemakkelijk geïncorporeerd en gepenetreerd worden in de celwand van het hout. Dit verbetert dienovereenkomstig de duurzaamheid van behandeld hout tegen biologische afbraakingsagenten. Niet alleen kan deze technologie bestrijdingsmiddelen veilig afleveren, het kan ook de levensduur van het bestrijdingsmiddel verlengen, wat resulteert in uitgebreide bescherming voor het hout.

Encapsulatie van bestrijdingsmiddelen is een bottom-up-benadering. Het kan worden uitgevoerd door verschillende technieken zoals nanoneveling, emulsie-diffusie en dubbele emulsificatie (Tabel 3). De materialen gebruikt als polymere nanodragers kunnen afgeleid worden van natuurlijk polymereer, synthetisch polymereer of combinatie van beide. Bijvoorbeeld, natuurlijk polymereer omvat cellulose, zetmeel, alginaten, silica en halloysiet. Het synthetische polymereer dat meestal als polymere nanodragers wordt gebruikt omvat poly(vinylacetaat), poly(methylmethacrylaat), poly(melkzuur), etc. (Tabel 3).

Een eerdere studie van Liu et al. encapsuleerde met succes tebuconazool en chlorothalonil in polyvinylpyridine en polyvinylpyridine-co-styreen met behulp van de impregneringsmethode. De deeltjesgrootte van de capsules verkregen was tussen 100 en 250 nm. Ze impregneerden een suspensie van de capsules in het splinthout van zuidelijke geel-den en berk met behulp van conventionele drukbehandelingen. Het behandelde hout werd vervolgens blootgesteld aan bruinrot (Gloeophyllum trabeum) en witrot (Trametes versicolor) schimmels gedurende 55 dagen. De resultaten toonden grote weerstand tegen beide vervelende schimmels.

Salma et al. gebruikten de nanonevelingstechniek om tebuconazool te encapsuleren. De polymere capsules met tebuconazool werden bereid van amphiphiele copolymere van gelatine geent met methylmethacrylaat met de grootte-diameters variërend van 200 tot 400 nm of 10 tot 100 nm afhankelijk van kern/polymeer-schelp massaverhouding. De geencapsuleerde tebuconazool werd gerapporteerd in staat te zijn om hout te bewaren tegen een bruinrot-schimmel. Aan de andere kant, het formuleringssysteem ontwikkeld door Salma et al. is flexibel en kan gemakkelijk gewijzigd worden door copolymereisatie van andere acrylaat-monomen zoals hydroxyethylmethacrylaat. Dit geeft aan dat de tebuconazool-vrijgifte-snelheid op maat gemaakt kan worden. Echter, het nadeel van deze nanocapsules is dat ze geneigd zijn tot aggregatie, wat de leveringsefficiëntie van de nanocapsules in het hout vermindert.

Can et al. encapsuleerden met succes nano-zilver in poly-styreen-soja-co-polymer. In hun studie werd de grove den geïmpregneerd met de capsules en getest tegen witrot-schimmels (Trametes versicolor). De bevinding verkregen uit de studie geeft aan dat de soja-olie, poly-styreen en nano-zilver belangrijke rollen speelden in het synergistische effect van het verhogen van de vervalweerstand van grove den.

Impregnatie van Metaal-nanodeeltjes voor Duurzaamheidsverbetering

Metaal-nanodeeltjes zijn al decennia gebruikt om hout te beschermen tegen biologische afbraakingsagenten en verwering. Nanodeeltjes bieden betere kenmerken dan hun bulk-vorm, voornamelijk vanwege hun verkleinde grootte die leidt tot hoge specifieke oppervlakte-tot-volume-verhouding, uniforme grootteverdeling en goede stabiliteit. Vanwege de zeer kleine grootte kunnen nanodeeltjes diep en uniform in de houtporiën penetreren wat leidt tot bescherming van hout. Daarnaast wordt de dispersie-stabiliteit verbeterd vanwege de grootte en ook door toevoeging van surfactant. Dispersie-stabiliteit gekoppeld met kleine deeltjesgrootte kan de volgende aspecten aanzienlijk verbeteren: (1) conserveringsmiddel-penetratie, (2) behandelbaarheid van hout, (3) stabiliteit van afwerkingen en coating-producten, (4) lage viscositeit, en (5) niet-luiting. Daarnaast kan het de compatibiliteit met bindmiddelen verbeteren waardoor de affiniteit met houtpolymeren kan toenemen.

Metaal-nanodeeltje kan worden bereid door de deeltjesgrootte van metaal te veranderen via chemische reacties, mechanische behandeling, verwarmen of refluxen. Tot op heden zijn veel nanodeeltjes gebruikt voor houtbescherming. Metaal-nanodeeltjes voornamelijk koper, zilver, boor en zink vertoonden goede prestaties tegen witrot en bruinrot maar minder efficiënt tegen schimmel. Titaniumdioxide (TiO₂) is een ander nanodeeltje dat goed potentieel heeft om als houtconserveringsmiddel te worden gebruikt. Het potentieel van TiO₂ is gerelateerd aan zijn antibacteriële en antischimmel- en UV-weerstandseigenschappen. Echter, de studie op hout behandeld met TiO₂ is nog steeds in voorlopig onderzoeksstadium. Tabel 4 lijst de werken op de benutting van TiO₂ voor houtbehoud. De verdeling van TiO₂ in hout werd bestudeerd door Mohammadnia-Afrouzi et al. (Fig. 3).

Koper is een essentiële biocide voor houtbescherming. Echter, koper alleen faalt om hout te beschermen tegen koper-tolerante houtvernietigende schimmels. Koper-nanodeeltjes is een nieuwe generatie houtconserveringsmiddel gebaseerd op koper. Het gebruik van koper-nanodeeltjes in plaats van conventionele koper toont verbeterde duurzaamheid van hout tegen vervelende schimmels. Dit toont aan dat koper-nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om hout te beschermen zonder de aanwezigheid van chroom en arseen.

Cristea et al. bestudeerden de effecten van de toevoeging van ZnO-nanodeeltjes en zilver-nanodeeltjes in exterieur-houtcoatings. Het doel van de studie is om de duurzaamheid en houtbescherming te verbeteren door UV-scherming. Naast het bieden van een efficiënte bescherming tegen UV, werden de mechanische eigenschappen van hout zoals hardheid, hechtingsterkte, slijtvasteheid en de barrière-effect voor waterdamp-diffusie iets verbeterd.

Het mengsel van ZnO-nanodeeltjes met zilver-nanodeeltjes was in staat om hout te beschermen van verweringsproblemen zoals UV-stralen. Ze impregneerden splinthout van katoenenhout met drie verschillende concentraties van mengsel door vol-cel-proces. De monsters werden vervolgens blootgesteld aan natuurlijke verwering. De kleurveranderingen van behandelde houtmonsters werden gemeten met spectrofotometer. Het hout behandeld met ZnO-nanodeeltjes alleen werd gebruikt als controle. De bevinding geeft aan dat hout behandeld met het mengsel van ZnO-nanodeeltje en zilver-nanodeeltjes de laagste kleurveranderingen heeft vergeleken met de monsters behandeld met elk metaal-nanodeeltje afzonderlijk.

In een andere studie behandelden Mantanis et al. zwarte den met ZnO, zinkboraat en koperoxide-nanodeeltjes onder vacuüm. Ze gebruikten acrylaat-emulsie om de metaal-nanodeeltjes in de houtstructuur te forceren om luiting te vermijden. De duurzaamheid van behandeld hout tegen schimmel, vervelende schimmels en ondergrondse termieten werd geëvalueerd. Resultaten toonden aan dat hout behandeld met zinkboraat de schimmel iets remde, terwijl de andere metaal-nanodeeltjes geen schimmel vertoonden. Een vergelijkbare bevinding werd gerapporteerd door Terzi et al. dat ZnO-nanodeeltjes de schimmeligheid op houtmonsters niet vertoonden. Echter, alle metaal-nanodeeltjes remden witrot-schimmels en termieten significant.

Een andere studie toont aan dat metaal-nanodeeltjes in staat zijn om de brandvertragende eigenschappen van hout te verbeteren. Francĕs et al. bestudeerden het effect van SiO₂, TiO₂ en ZnO₂ geïnfiltreerd in den-fineer. Ze rapporteerden dat fineer behandeld met 3 wt% SiO₂ het meest effectief was om het brandvertragende gedrag te verbeteren.

Ondanks de opmerkelijke voordelen van nanotechnologie in de houtbehoud-sector zoals hierboven besproken, moet het fundamentele begrip over synthese, verwerking en karakterisatie van nanocapsules en metaal-nanodeeltjes voor houtbescherming nog worden verbeterd. De meest interessante kenmerken die moeten worden overwogen tijdens het ontwerp en de ontwikkeling van nanocapsules of metaal-nanodeeltjes voor houtbescherming zijn opgesomd in Tabel 5.

Potentieel van Nanocellulose-gebaseerd Materiaal in Energie-sector

Energie is een belangrijke hulpbron die een sterke correlatie heeft tussen economische groei en ontwikkeling. Vandaag de dag zijn de belangrijkste energiebronnen van fossiele brandstoffen en hydro-elektrische bronnen, wat zeer schadelijk is voor het milieu omdat ze klimaatverandering en wereldwijde opwarming alsook ozonlaag-uitputting, vervuiling, broeikasgas-emissie en ecologische vernietiging kunnen veroorzaken. Ongeveer 80% van koolstofdioxide (CO₂)-emissies in de wereld komen van de energiesector en technologische vooruitgang is vereist om duurzame hernieuwbare energiebronnen te ontwikkelen om de CO₂-emissies te verminderen alsook om de wereldwijde opwarming-impact op leven en gezondheid te overwinnen in lijn met de behoeften van versnellende technologie-ontwikkeling.

Om de milieueffecten te minimaliseren, is een duurzame en laag-kostenefficiënte koolstof-gebaseerde materiaal verkend als potentieel om sommige conventionele materialen in de fabricage van energie-apparaten te vervangen. Een van de natuurlijke koolstof-gebaseerde materialen is cellulose wat de meest veelbelovende natuurlijke polymereer is met veel gebruiken, inclusief energie.

Nanotechnologie is een van de geavanceerde technologieën die het potentieel en vooruitzichten hebben om de vraag te vervullen om schone en groene energie te creëren. Het ontwikkelen van dit nieuwe materiaal in nanoschaal stelt nieuwe toepassing en zijn interactie met huidige energietechnologie in die de energievak zou revolutioneren van gebruik tot voorziening, conversie tot opslag en transmissie tot distributie. Door deze nanotechnologie aan te passen, zal het een hoge impact hebben op de ontwikkeling van schone en groene energie en het milieu en natuurlijke hulpbronnen ten goede komen.

Volgens Serrano et al. en Hut et al. is de meest veelbelovende toepassing van nanotechnologie voor energieconversie voornamelijk gericht op zonne-energie, geleidende materialen, waterstofproductie, brandstofcellen, batterijen, stroomopwekking en energie-apparaten. Het begrijpen van de structurele en morfologische eigenschappen van nanomateriaal is essentieel om de vaardigheid en duurzaamheid voor veel toepassingen te verkrijgen. De grootste toepassing van nanotechnologie in energie-opwekking is zonne-energie met behulp van fotovoltaïsche (PV) cellen wat zich richt op het benutten van efficiëntie. Verbruik van energie gegenereerd van deze zonnecel met natuurlijke hulpbronnen zal het gebruik van fossiele brandstoffen verminderen en de vervuiling verminderen in de richting van het creëren van milieuvriendelijke en groene energie. Bovendien kan de ontwikkeling van nano-apparaten met zonnecel de bestaande materialen-efficiëntie verbeteren alsook de productiekosten verminderen die de economische groei kunnen verhogen.

Nanotechnologie is gebruikt in diverse toepassingen om het milieu te verbeteren, menselijkheidsproblemen op te lossen en meer efficiënte en kosteneffectieve energie te produceren, zoals het genereren van minder vervuiling tijdens productfabricage, het produceren van zonne- en brandstofcellen tegen een competitieve kost, waterstofproductie, het opruimen van organische chemicaliën die grondwater vervuilen en het overwinnen van het probleem van energie-zelfvoorziening, klimaatverandering en ziekten alsook om de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare energiebronnen te verminderen.

Nanocellulose-gebaseerd Materiaal voor Zonne-energie

Zonne-energie is beschikbaar in diverse delen van de wereld en kan worden vastgelegd van de zon met 15.000 keer meer energie per jaar. Deze energiebron kan op verschillende manieren worden gebruikt: fotovoltaïsche (PV) technologie, zonne-thermische systemen, kunstmatige fotosynthese, passieve zonne-technologieën en biomassa-technologie, die worden gebruikt om elektriciteit, stoom of biobrandstoffen te produceren.

In de toekomst kan nanotechnologie bijdragen aan het ontwikkelen van een effectief en laag-kostensysteem voor productie, opslag en transport van energie. Volgens Serrano et al. en Hut et al. is de huidige fotovoltaïsche (PV) markt gebaseerd op silicium-wafer-gebaseerde zonnecellen (eerste generatie) en dunne-film-lagen van halfgeleider-materialen (tweede generatie). Huidig nadeel van het gebruik van zonnecellen is de productiekost voornamelijk op de hoge kost van conventionele PV-cellen met slechte energie-absorptie-efficiëntie (minder dan 40%).

Nanocellulose toont een goed potentieel om in het zonne-energiesysteem te worden gebruikt vanwege zijn hernieuwbaarheid, biologisch afbreekbaarheid, biocompatibiliteit, brede modificatiecapaciteit, aanpasbaarheid en veelzijdige morfologie. Laag-kost, flexibele en porieuze substraat van cellulose kan worden gebruikt om zonnecellen te produceren. Nanofibrilleerde cellulose (NFC) met grootte zo laag als 4 nm kan de uitstekende kandidaat worden voor productie van ultra-dun papier voor gebruik in zonnecel-component om de energie op te slaan. Klochko et al. gebruikten nanocellulose uit biomassa voor de ontwikkeling van biologisch afbreekbare eco-vriendelijke flexibele dunne film als thermo-elektrisch materiaal. De dunne film werd gebruikt om laag-gradig afvalwarmte van zonnestraling om te zetten in elektriciteit bij nabij-kamertemperatuur.

Nanocellulose-gebaseerde Geleidende Materialen

Geleidende materialen staan de stroom van elektrische stroom toe wat nodig is in de fabricage van energie-apparaten. Er zijn veel typen geleidende materialen zoals geleidende polymeren en geleidende koolstof-materialen (bijv. koolstof-nanobuizen, grafene, en koolstofzwart) en metaal-deeltjes met verschillende niveaus van geleidbaarheid. Deze geleidende materialen kunnen gecombineerd worden met nanocellulose om nieuwe composieten te vormen. Het productieproces van geleidende nanocellulose wordt getoond in Fig. 2. Er zijn twee grote strategieën betrokken in nanocellulose-gebaseerde geleidende hybriden fabricageproces; een is coating van geleidende materialen-laag op het oppervlak van nanocellulose-substraten, en een andere is mengen van de geleidende materialen binnenin het nanocellulose-substraat om composiet te maken. Geleidende polymeren zijn een alternatief voor metaal-materialen vanwege hun goede electrochemische prestaties, licht gewicht en lage kost. Een van de meest veelbelovende geleidende polymeren is polyaniline (PANI) vanwege zijn eenvoudige synthese-route, controleerbare geleidbaarheid en hoge specifieke capaciteit.

Nanocellulose-gebaseerde geleidende materialen worden ontwikkeld voor supercondensatoren en energie-opslagtoepassingen met behulp van diverse typen methoden zoals in situ-polymerisatie, doping, coating, inktstraal-printen en in situ-depositie. Modificatie van de bestaande supercondensator door het toevoegen van nanoc componenten heeft de capaciteit om grote hoeveelheden energie op te slaan met langere tijd van voorziening verhoogd.

Daarnaast kunnen nanocellulose-gebaseerde composiet-membraan-elektroden worden ontwikkeld via in situ-polymerisatie van nanocellulose met behulp van geleidende componenten via een eenvoudige filtratie-eenheid. Een goed-gemengd geleidende-materialen/nanocellulose-composiet-membraan blijft op het filter achter nadat de vloeistof door het filter is gegaan en luchtgedroogd composiet-membraan kan worden afgehield van het filter-membraan voor verder gebruik als supercondensatoren.

Nanocellulose voor Energie-opslag

De potentiële toepassing van nanocellulose voor energie-opslagtoepassing heeft recentelijk veel aandacht gekregen. Dit is te wijten aan de nanoschaal-dimensie, hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding, en rijk aan hydroxalgroep, wat hun oppervlaktechemie gemakkelijk wijzigbaar maakt voor composiet-verwerking. Het meest belangrijke aspect in energie-opslag is om nanocellulose met geleidbaarheid en flexibiliteit-eigenschappen te ontwikkelen. Dit kan bereikt worden door het toevoegen van geleidende polymeren zoals polyaniline en polypyrrole. Bijvoorbeeld, de nanocellulose/polyaniline-composiet-film wordt breed gebruikt als papier-gebaseerde sensoren, flexibele elektrode, en geleidende lijm. Razaq et al. produceerden elektroden van het composiet van nanocellulose/polypyrrole en koolstof-filament voor papier-gebaseerde energie-opslagapparaten. Wang et al. rapporteerden dat hun apparaten die ontwikkeld werden met composiet van nanocellulose/polypyrrole hoge laad- en ontlaad-snelheidscapaciteiten, hoge cel-capaciteiten en cyclische prestaties bieden.

Nanocellulose-gebaseerde Materialen voor Lithium- en Vanadium-batterij

Hoge vraag naar flexibele draagbare elektronische apparaten recentelijk zoals slimme telefoons, elektrische voertuigen, laptops, en zelfs het netwerk-energie-opslag veroorzaakt toenemende vraag naar herlaadbare lithium-ion-batterij (LIBs) en supercondensatoren. LIBs zijn een van de meest ideale energie-opslagkandidaten voor elektronische apparaten, vanwege hun hoge energiedichtheid, matige vermogendichtheid en cyclische stabiliteit. In LIBs is elektrolyt belangrijk voor lithium-ion (Li⁺)-overdracht tussen anode en kathode. Organische vloeibare elektrolyt wordt gebruikt voor LIBs-systeem, maar het kan enorme veiligheidszorgen opleveren vanwege de hoge toxiciteit en brandbaarheid. Vaste-stof elektrolyt is van belang geworden omdat het duidelijke voordelen van lage brandbaarheid en lage toxiciteit demonstreert. Volgens Janek et al. wordt vaste-stof elektrolyt geclassificeerd als vast-polymereer elektrolyt (SPE) en anorganische vaste elektrolyt (ISE). Echter, SPE biedt de voordelen van eenvoudige verwerking en flexibiliteit.

Qin et al. ontwikkelden SPE door polyethyleenoxide (PEO) te incorporeren met nanofibrilleerde aerogel en bis(trifluormethaansulfonyl)imide lithium-zout (LiTFSI). De resultaten toonden aan dat de ionische geleidbaarheidseigenschappen van SPE aanzienlijk verbeterden door de negatief geladen nanofibrilleerde cellulose. De resultaten bewijzen ook dat de gefabriceerde SPE electrochemisch stabiel, mechanisch robuust en thermisch stabiel alsook flexibel is, verwacht voor gebruik in flexibele elektronische apparaten.

Nair el at. fabriceerden nanocellulose-beladen composiet-polymerelektrolyt voor hoge-prestatie lithium-zwavel-batterijen met behulp van een thermisch geïnduceerde polymerisatiemethode. De composiet-polymerelektrolyt demonstreert uitstekende ionische geleidbaarheid, thermische stabiliteit tot meer dan 200 °C en stabiele interface richting lithium. De elektrolyt heeft ook stabiele cyclische profielen die toegeschreven worden aan significante reductie van de migratie van polysulfiden naar anode door insluitsel van nanocellulose in de polymermatrix.

Een andere studie werd uitgevoerd door Zhang et al. op robuuste protonen-uitwisselingsmembraan ontwikkeld met gesulfoneerde poly(ether-sulfon) versterkt door kern-schelp nanocellulose voor vanadium-redox-stroombatterijen (VRFBs). Het werd gevonden dat met de incorporatie van silica-geencapsuleerde nanocellulose, de protonen-uitwisselingsmembraan uitstekende mechanische sterkte van 54,5 MPa en hoge energie-efficiëntie boven 82% bij 100 mA cm⁻² vertoont, wat stabiel is tijdens 200 laad-ontlad-cycli. Protonen-uitwisselingsmembraan is een van de sleutelcomponenten in VRFBs. Het fungeert als scheider om vanadium-ionen-kruisover te vermijden. Het fungeert ook als protonen-geleiders die bijdragen aan hoge-spannings-efficiëntie in VRFBs.

Nanocellulose-gebaseerde Materialen voor Flexibele Supercondensator

Supercondensator of bekend als elektrochemische dubbele-laag-condensator of ultracapacitator is een andere veelzijdige energie-opslagsystemen die de aandacht van onderzoekers wereldwijd heeft getrokken. Met de hoge vermogendichtheid, lange levenscyclus, eenvoudige principes, lage onderhoud, draagbaarheid, stabiele prestaties en snelle laad/ontlaad-snelheid maken supercondensatoren in staat om de kloof te vullen tussen batterijen en conventionele condensatoren. Deze eigenschappen bieden een veelbelovende benadering om te voldoen aan de groeiende stroomvraag.

Elektrode is een heel belangrijk component in supercondensator. Het vereist goede electrochemische prestaties en flexibiliteit met name voor het bereiden van een hoge-prestatie flexibele supercondensator. Him et al. en Zhe et al. vonden dat grafene en nanocellulose uitstekende flexibele elektrode-materialen zijn voor supercondensatoren. Nanocellulose is gebruikt als substraatmateriaal vanwege zijn goede biologisch afbreekbaarheid, mechanische sterkte, flexibiliteit en chemische reactiviteit. De porieuze structuur en hydrofiele eigenschappen van nanocellulose kunnen de heching van andere materialen faciliteren, bijvoorbeeld grafene in hun vezelnetwerkstructuur. Tegelijkertijd stelt de overvloed aan hydroxalgroepen op het nanocellulose-oppervlak de interactie van nanocellulose met andere polymereer in staat om sterke composieten te vormen.

Khosrozadeh et al. ontwikkelden een elektrode voor supercondensator met behulp van nanocellulose-gebaseerde polyaniline/grafene/zilver-nanodraad-composiet en na toepassing voor 2400 cycli, bij een stroomdichtheid van 1,6 A/g, toonde de supercondensator een vermogendichtheid, energie-dichtheid en capaciteit van 108%, 98% en 84% respectievelijk. Dit toont aan dat de elektrode een uitstekende cyclische stabiliteit en goede mechanische flexibiliteit heeft. Aan de andere kant ontwikkelden Ma et al. een elektrode met behulp van bacteriële-cellulose/polypyrrole gecoat met grafene. De bereide elektrode heeft een goede mechanische flexibiliteit waarin het op elke hoek kan buigen. De oppervlakte-capaciteit en energie-dichtheid kunnen 790 mF cm⁻² en 0,11 mWh cm⁻² respectievelijk bereiken, wanneer samengesteld in symmetrische supercondensatoren. De nanocellulose-grafene-elektrode kan worden gefabriceerd met behulp van chemische kruising of fysieke kruising-methode. Nanocellulose als een elektrode-component van supercondensator speelt ook de rol van interne elektrolyt-reservoir. Dit is omdat nanocellulose een effectieve manier kan bieden voor ion-transport. De hoge pori-structuur en hydrofiele eigenschappen van nanocellulose maken het gemakkelijker om elektrolyt-ion te transporteren.

Nanocellulose-gebaseerd Papier voor Elektronische Apparaten

Nanocellulose-gebaseerd papier is een groen substraat dat kan worden gebruikt voor elektronische en opto-elektronische apparaten. Momenteel heeft commercieel papier een relatief ruw oppervlak en zwakke mechanische eigenschappen wat best wel problematisch kan zijn voor elektronische apparaatfabricage. De meeste elektronische apparaatfabricage gebruikt niet-biologisch-afbreekbare en niet-recycleerbare componenten zoals kunststoffen, glazen en siliconen als substraten. Vorming van nanocellulose-gebaseerd papier van NFC via eenvoudige filtratiemethode kan mechanisch sterk en lage-coëfficiënt-thermische-uitbuiging papier produceren als alternatief voor commercieel papier. Volgens Li en Lee is transparant nanocellulose-gebaseerd papier voor elektronische apparaten ontworpen en wordt toegepast voor electrochromisch, touch-sensor, zonnecellen, transistoren, organische light-emitting diodes (OLEDs), diepdruk-printproef en radio-frequentie-identificatie (RFID).

Een van de toepassingen van transparant nanocellulose-papier is voor de productie van flexibele elektronische materialen door het printen van circuits direct op het oppervlak van substraten via coating of thermische depositietechnieken. Ten eerste werd de fabricage van flexibele elektronica gebouwd op speciaal silicium-wafer dat de silicium-nanomembranen (Si NMs) toestaat om vrijgegeven te worden en dan overgebracht te worden naar NFC-substraat met een hechting-laag, en het apparaat werd voltooid door fotoresist-patronering en droog-ets-stappen zoals geïllustreerd in Fig. 4.

Bovendien is NFC ook de hoofdsusbtraten voor organische light-emitting diodes (OLEDs) (Fig. 5). Okahisa et al. rapporteerden dat het OLEDs-apparaat gefabriceerd was op hout-gebaseerde nano-fibrilleerde cellulose (NFC) composiet.

Potentieel van Nanocellulose-gebaseerd Composiet voor Ontwikkeling van Sensor

Nanocellulose is breed gebruikt om nieuwe sensoren te ontwikkelen en de gevoeligheid van sensoren te verbeteren. In de voedselindustrie bijvoorbeeld, zijn sensoren een belangrijk instrument geworden om mensen te beschermen van gezondheidsgevaren en risico's veroorzaakt door voedselverontreinigingen. Sensoren kunnen helpen om snel mycotoxinen, pathogenen, zware metalen, bestrijdingsmiddelen, metalen-ionen, enzovoort in voedsel te identificeren. Bovendien kan sensor-technologie de gecompliceerde, arbeidszame en tijdrovende proces met dure instrumenten die doorgaans goed-getrainde personeel vereisen, overwinnen. Sensor biedt ook snelle en gevoelige voedselveiligheidsdetectie.

In het afgelopen decennium zijn veel sensoren (elektrochemische sensoren, biosensoren en chemische sensoren) met succes ontwikkeld als alternatief of als complementaire detectie-instrumenten voor de snelle en gevoelige detectie. Echter, conventionele sensoren werden ontwikkeld met behulp van kunststoffen, petrochemische-producten en anorganische materialen wat leidt tot milieuproblemen. Bovendien zijn kwesties zoals broeikasgas-emissie, toxiciteit en duurzaamheid van de materialen steeds meer aan het toenemen. Daarom is de vraag naar duurzame sensor-apparaten in de laatste jaren snel toegenomen.

Nanocellulose uit planten en bacteriën hebben veelbelovende potentiëlen getoond vanwege hun uitstekende fysieke, thermische, mechanische, optische en fysieke eigenschappen, wat belangrijk is voor het fabriceren van hoge-prestatie sensor-apparaten. Deze eigenschappen maken nanocellulose meer geprefereerd als biomaterialen aangezien het de selectiviteit en gevoeligheid van sensoren kan verbeteren voor de detectie van analyte-soorten. Aan de andere kant voorkomen de hechtingseigenschappen van nanocellulose de luitingsproblemen van geïmmobiliseerde reagentia. Dus een opmerkelijke verbetering kan worden verkregen voor de lange-termijn-stabiliteit van de sensor. Bovendien kunnen de hydroxalgroepen -OH op nanocellulose worden gemodificeerd voor de incorporatie van bindingsplaatsen voor de selectieve adsorptie van verschillende analyte-soorten. De combinatie van die kenmerken maakt de nanogestructureerde nanocellulose-vezels een ideaal bouwblok voor conjugatie met andere functionele materialen (Tabel 6).

Ontwikkeling van Biosensoren

Kim et al. immobiliseerden enzymen candida rigosa lipase in de verschillende cellulose-nanokristallen. De bevindingen geven aan dat candida rigosa lipase geadsorbeerd op nanocellulose relatief hoger was vergeleken met die van microcellulose. Dit kan gerelateerd zijn aan het hoge oppervlak op nanocellulose en dus de ionische interactie tussen nanocellulose-anionische-groep en candida rigosa lipase verhogen. In deze studie vonden ze dat de halfwaarde-tijd van de candida rigosa lipase geïmmobiliseerd in nanocellulose 27 keer hoger was vergeleken met in vrije vorm. Bovendien steeg de stabiliteit van het enzym ook.

Een andere groep onderzoekers, Edwards et al., bestudeerden de kinetische profielen van tri- en tetrapeptide-substraat van elastase voor de fabricage van elastase-biosensor bekend als humane neutrofiele elastase (HNE) en varkens-pancreas-elastase (PPE). Om HNE en PPE te ontwikkelen, werden geïmmobiliseerde tri- en tetrapeptiden gebruikt in katoen-celulose-nanokristallen. Ze vonden dat 2 mg van tripeptide-geconjugeerde katoen-celulose-nanokristallen in 1 uur in staat was om 0,03 U mL⁻¹ PPE te detecteren, terwijl 0,2 mL tetrapeptide-geconjugeerde katoen-celulose-nanokristallen over 15 min 0,05 U mL⁻¹ HNE-activiteit kon detecteren. Incani et al. fabriceerden een biosensor door glucose-oxidase (GOx) enzym te immobiliseren in een nanocellulose/polyethyleenimine (PEI)/goud-nanodeeltjes (AuNPs) nancomposiet. De AuNPs werden geadsorbeerd op de kationische PEI en nanocellulose. De Fourier-transformatie-infrarood (FTIR) spectra bevestigden dat GOx met succes geïmmobiliseerd was op de polymere-composieten.

Abd Manan et al. ontwikkelden met succes een biosensor gebaseerd op nanokristallijne cellulose (NCC)/cadmium-sulfide (CdS) kwantum-deeltjes (QDs) nancomposieten voor fenol-bepaling. Ze modificeerden de NCC met kationische surfactant van cetyltrimethylammonium-bromide (CTAB) en verder gedecoreerd met 3-mercaptopropionzuur (MPA) gecapte CdS QDs als steiger voor immobilisatie van tyrosinase-enzym (Tyr). De TEM-afbeeldingen van NCC en CTAB-NCC geven aan dat de geagglomereerde kwasten-achtige structuur van NCC niet beïnvloed werd door modificatie, terwijl de MPA QDs sferische vorm hebben. De FESEM-afbeeldingen van CTAB-NCC nanogestructureerde film toonden een homogene, uniforme en dichte vezelstructuren geagglomereerd, terwijl voor CTAB-NCC/QDs nancomposieten-film, de CdS QDs leken op kleine witte stipjes. EDX-analyse toont de aanwezigheid van respectieve elementen van koolstof (C), zuurstof (O), zwavel (S) en cadmium (Cd), wat aangeeft dat de CdS QDs met succes bevestigd was in de CTAB-NCC-film. De testbevinding tegen fenol toont de biosensor vertoont goede lineariteit richting fenol in de concentratiebereik van 5–40 µM (R2 = 0,9904) met gevoeligheid en detectielimiet van 0,078 µA/µM en 0,082 µM respectievelijk.

In de voedselindustrie worden sensoren gebruikt om de kwaliteit of versheid van voedsel te monitoren. Moradi et al. ontwikkelden een pH-gevoeligheidsindicator gebaseerd op bacteriële cellulose-nanovezels voor het monitoren van versheid van vis. Ze gebruikten wortelanthocyaninen als indicator. De gefabriceerde sensor toonde brede kleurverschillen van rood tot grijs over het 2–11 pH-bereik. De kleurveranderingen waren onderscheidbaar waarbij diepe karmijnkleur verse vis aangeeft, charmante roze-kleur aangeeft dat vis het best direct gegeten wordt, en bedorven vis wordt aangegeven door jelly-boon-blauw en kakikleuren.

Ontwikkeling van Chemische Sensoren

Nanocellulose-hydrogel-structuur werd eerder gebruikt om zwavel-en-stikstof-co-gedopte grafene-kwantum-deeltjes te immobiliseren als een laag-kosten-sensor voor het detecteren van het laccase-enzym. Laccase is het multicopper-oxidase-gezins-enzym. Het is betrokken in de mono-elektronische oxidatie van diverse aromatische verbindingen en alifatische amines. Daarom wordt het meestal gebruikt in de-kleuring en kleuring-producten. Daarom is het monitoren van laccase-activiteit in commerciële producten van groot belang. Uit deze studie vonden de auteurs dat de zwavel-en-stikstof-co-gedopte grafene-kwantum-deeltjes zichzelf organiseerden via electrostatische interacties.

Faham et al. beschreven de ontwikkeling van een nanocellulose-gebaseerde colorimetrische assay-kit voor smartphone-detectie van ijzer, Fe(II) en ijzer-chelerend deferoxamine-medicijn (DFO) in bio-vloeistoffen. Ze insloten kurkuma in een transparant bacteriële-cellulose-nanopapier, als een colorimetrische assay-kit. De assay-kit werd vervolgens gebruikt voor monitoring van ijzer en deferoxamine als ijzer-chelerend medicijn in biologische vloeistof zoals urine, bloed, speeksel en serum. De assay-kit kan gemakkelijk gekoppeld worden met smartphone-technologie voor colorimetrische monitoring van Fe(II) en DFO.

Ontwikkeling van Elektrochemische Sensoren

Burrs et al. demonstreerden de elektrochemische biosensor-gebaseerde glucose voor de detectie van pathogene bacteriën. Het geleidende papier gebruikt voor de ontwikkeling van elektrochemische sensor werd bereid met behulp van grafene-nanocellulose-composieten. Platina werd geëlectrodeerd op grafene-cellulose-composieten met behulp van gepulste sono-elektrodepositie. Vervolgens werd de sensor gefabriceerd door het nano-platina te functionaliseren met glucose-oxidase (GOx) ingesloten in een chitosaan-hydrogel op het geleidende papier. Ze vonden dat de sensor extreem efficiënt is voor gebruik in elektrochemische biosensing met een lage detectielimiet voor glucose of pathogene bacteriën.

Ortolani et al. ontwikkelden een elektrochemische detectie-apparaat met behulp van nanocellulose en single-walled koolstof-nanohoorns (SWCNH) voor guanine-en-adenine-bepaling. Zowel nanocellulose als SWCNH hebben groot oppervlak, goede geleidbaarheid, hoge porositeit en chemische stabiliteit. De bereide sensor toonde hoog-gevoelige en hoge electrokatalytische activiteit richting gelijktijdige bepaling van guanine en adenine. De sensor presenteerde ook een lagere detectielimiet. Een andere studie uitgevoerd door Shalauddin et al. gebruikte hybride nanocellulose/gefunctionaliseerde multi-walled koolstof-nanobuizen (f-MWCNTs) voor de ontwikkeling van elektrochemische sensing. De sensor voor bepaling van diclofenac-natrium in farmaceutische geneesmiddelen en biologische vloeistoffen monsters werd gebruikt. De aanwezigheid van –OH-groepen in de nanocellulose werd gerapporteerd om meer bindingsplaatsen te bieden voor verschillende analyteen wat een axiale-modulus-herrangschikking en incorporatie van f-MWCNTs waarborgt.

Toxiciteit van Nanomateriaal

Hoewel nanomateriaal veel goede potentiëlen biedt aan diverse industriële sectoren, kan zijn potentiële gevaar voor mens en milieu niet simpelweg worden over het hoofd gezien. De veiligheids- of toxiciteitskwestie moet worden aangepakt door een complete studie uit te voeren vanuit verschillende hoeken. Nanotoxiciteit of de studie van nanomaterialen-toxiciteit kan worden geclassificeerd in verschillende gebieden namelijk oxidatieve stress, genotoxiciteit en ecotoxiciteit. In mensen kan toxiciteit optreden via long-, orale- en dermale-routes. Nanomaterialen kunnen mensen voornamelijk beïnvloeden tijdens extractie of productie, hantering, gebruik en afvalverwerking. Anorganische nanodeeltjes (NPs) zoals ZnO en nikkel-oxide (NiO) worden geloofd meer giftig te zijn vergeleken met organische nano-materialen zoals nanocellulose. Verteerde organische NPs zijn minder geneigd om toxiciteit te induceren aangezien de afbraakproducten door maagzuur eenvoudige suikers zijn, hoewel in het geval van nanocellulose, het gebrek aan enzym in de menselijke darm capabel van cellulose af te breken, resulteert in de cellulose die redelijk snel door de darm beweegt. Een 90-daagse subchronische toxiciteitsstudie op Sprague-Dawley-ratten uitgevoerd door Ong et al. gaf aan dat geen systemische toxiciteit toeschrijfbaar aan 4% dieetconsumptie van gefibrilleerde cellulose werd waargenomen. In dezelfde studie gaf een hogere concentratie van 30% nanofibrilleerde cellulose gedurende 72 weken ook geen nadelige effecten aan. Wanneer in de lucht aanwezig, kunnen nanodeeltjes ook schadelijke effecten op de menselijke gezondheid hebben. Multi-walled koolstof-nanobuizen (MWCNT) zijn mogelijk een van de bestudeerde NPs voor toxiciteitseffecten. In de studie vonden Poulsen et al. dat zowel dikke en lange als dunne en korte MWCNT genotoxic potentieel induceerden en langdurige ontsteking en kunnen leiden tot hart- en vaatziekten. In tegenstelling, een studie op inhalatie NCC-toxiciteit in albinoratton werd uitgevoerd en toonde geen ongunstige effecten waargenomen bij een maximale concentratie van 0,26 mg/L voor een periode van vier (4) uur. Op cellulaire niveau, cytotoxiciteit op NCC op verschillende celtypen is bestudeerd met de meeste studies concludeerden dat NCC niet-giftig is voor een verscheidenheid aan zoogdiercellen bij concentraties onder 0,25 mg/L, maar kan cytotoxische effecten vertonen bij concentraties van 0,5 mg/L en hoger. Primaire nanogenotoxiciteit verwijst naar de mogelijkheid van nanodeeltjes of hun bijproducten om DNA direct of indirect te beschadigen. Secundaire genotoxiciteit wordt veroorzaakt door immuunsysteem-interactie met storingen veroorzaakt door nanodeeltjes. Een studie door Akerlund et al. gaf aan dat anorganische NPs van Ni en NiO-geïnduceerde cytocine-ontstekingen die leidden tot secundaire genotoxiciteit in humane long-epitheelecellen. Echter, ze vereisen verder onderzoek om de factoren te begrijpen die deze secundaire genotoxiciteit veroorzaken en of dergelijke resultaten ook door andere nanodeeltjes worden veroorzaakt.

Nano-TiO₂ in houtcoatings is gerapporteerd om lage toxiciteit te hebben voor terrestrische organismen, en geen bioaccumulatie werd waargenomen. Een andere studie uitgevoerd op cerium-oxide (CeO₂) nanodeeltje of ceria toonde aan dat geen acute toxiciteit werd waargenomen voor Daphnia magna en Thamnocephalus platyurus en D. rerio-embryo's bij testconcentraties van 1000, 5000 en 200 mg/L respectievelijk. Echter, dezelfde studie gaf aan dat een significante chronische toxiciteit op P. subcapitata werd waargenomen met 10% effect-concentraties (EC10s) tussen 2,6 en 5,4 mg/L. Pulido-Reyes et al. verklaarden dat de redox-cycli tussen Ce³⁺ en Ce⁴⁺ een unieke chemie van nanoceria is wat afhangt van de heersende omgevingscondities. Ze concludeerden dat in de meeste cerium-oxide NP-studies, de hoeveelheid oppervlakte Ce³⁺ correleert met toxiciteit en dit kan worden overwonnen door het blokkeren van Ce³⁺-plaatsen met anionen zoals fosfaten (PO₄³⁻) wat de reactieve-zuurstofsoorten-niveaus zal verminderen en oxidatieve stress zal overwinnen. Tijdens en na afvalverwerking is er een waarschijnlijkheid dat NPs kunnen interacteren met het milieu, of in bodem of aquatisch milieu. De oxidatieve stress of koolstof-gebaseerde nanodeeltjes-geïnduceerde toxiciteit is primair van belang aangezien deze toestand de zuurstofbalans in het milieu zal beïnvloeden. Wang et al. toonden aan dat NCC's geactiveerde oxidatieve stress in aquatische organismen (Schijntjes-algen, planktonische kreeftjes Daphnia magna en zoetwatervis-larven Danio rerio) bij concentraties boven 0,1 mg/L. De NCC-vorm, morfologie en concentratie worden geloofd de bijdragende factoren te zijn, wat suggestie geeft voor evaluatie van nanocellulose-ecotoxicologische impacten wanneer op grote schaal gebruikt. Een methode om de ongewenste effecten op het milieu te verminderen is door een mechanisme te bieden om de NPs vast te leggen, te behouden of te recyclen tijdens verwerking. Magnetische NPs (bijv. magnetiet) of oppervlaktemodificatie kan hiervoor worden gebruikt. Bijna alle toxiciteitsstudies op nanodeeltjes bevelen meer onderzoek aan om te worden uitgevoerd over het vinden van geschikte analytische technieken en protocollen in het detecteren van organische NPs binnen biologische matrices alsook mechanistische en milieukundige onderzoeken om potentiële NPs-risico's op het ecosysteem te begrijpen.

Conclusies

Het potentieel van nanotechnologie in de houtgebaseerde productensector is enorm. Nanotechnologie biedt de mogelijkheid om het landschap van de houtgebaseerde productenindustrie lokaal en wereldwijd te veranderen. Het bos zelf via bosplantages kan duurzame bronnen bieden naar de creatie van nieuwe generatie cellulose genaamd nanocellulose die myriaden toepassingen in diverse industriële velden kan bieden. Daarnaast is nanocellulose goedkoper dan koolstof-gebaseerd materiaal (bijv. koolstof-nanobuizen, grafene), milieuvriendelijk en kan de recycleerbaarheid en prestaties van talloze producten verbeteren. Bijvoorbeeld, nanocellulose kan worden gebruikt om de prestaties van papier te verbeteren en het gebruik van pulp in papiermaken te verminderen, wat resulteert in kostenbesparing. Nanocellulose kan ook worden gemaakt tot nanopapier of dunne film voor gebruik in papierverpakking of andere sectoren zoals elektronica wat alternatief biedt voor niet-hernieuwbaar plastic. Nanocellulose gebruikt in houtcomposiet kan leiden tot de ontwikkeling van geavanceerde composieten die kunnen worden afgestemd op specifieke gebruiken. Samen met hun sterkte-eigenschappen en betaalbaarheid maakt ze een haalbare oplossing om de behoefte aan massief hout te verminderen. Industriële sectoren anders dan houtgebaseerde producten kunnen ook profiteren van het gebruik van nanocellulose zoals in energie-apparaten en sensoren. Verschillende nanocellulose-gebaseerde producten voor energie-opslag en energie-opwekking-toepassingen alsook sensoren zijn op laboratoriumschaal ontwikkeld. In het licht van deze interessante ontwikkeling, heeft Maleisië de productie van nanocellulose uit diverse tropische lignocellulose-materialen gestart. Helaas is de toepassing van nanocellulose op commerciële schaal in Maleisië nog steeds niet-bestaand. Dus vereist het collectieve, gecoördineerde en intensieve inspanningen van diverse spelers die stakeholders, industrie en onderzoekers omvatten om het gebruik van nanocellulose te bevorderen en te zorgen dat nanocellulose de volgende fase van toepassing en commercialisatie kan bereiken. Het gebruik van nanogrootte-materiaal anders dan nanocellulose heeft al voordeel gegeven en ook voordeel gegeven aan het houtgebaseerde productengebied wat pulp en papier, houtcomposiet, houtcoating en houtconserveringsmiddel omvat.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data en materialen zijn beschikbaar zonder beperking.

Afkortingen

AgNPs:

Zilver-nanodeeltjes

Al₂O₃:

Aluminiumoxide

AuNPs:

Goud-nanodeeltjes

BTZ:

Benzotriazool

C:

Koolstof

CCA:

Gechroomde koper-arsenaat

Cd:

Cadmium

CdS:

Cadmium-sulfide

CeO₂:

Cerium-oxide

CH₂CHSi(OC₂H₅)₃:

Vinyltriethoxysilane

CMC:

Carboxymethyl-cellulose

CNT:

Koolstof-nanobuizen

CO₂:

Koolstofdioxide

CTAB:

Cetyltrimethylammonium-bromide

CTAB-NCC:

Cetyltrimethylammonium-bromide-nanokristallijne-cellulose

CWA:

Ricinusolie-gebaseerde watergedragen acrylaat

DFO:

Deferoxamine-medicijn

FESEM:

Veld-emissie scanning elektronenmicroscopie

f-MWCNTs:

Gefunctionaliseerde multi-walled koolstof-nanobuizen

FTIR:

Fourier-transformatie Infrarood

GOx:

Glucose-oxidase

HALS:

Gehinderde amine-licht-stabilisatoren

HNE:

Humane neutrofiele elastase

ISE:

Anorganische vaste elektrolyt

LDH:

Gelaagde dubbele hydroxiden

LIBs:

Lithium-ion-batterij

LiTFSI:

Bis(trifluormethaansulfonyl)imide lithium-zout

L-NCC:

Lignine-gecoate nanokristallijne-cellulose

MC:

Vochtgehalte

Mg–Al LDH:

Magnesium-aluminium gelaagde dubbele hydroxiden

MPA:

3-Mercaptopropionzuur

MUF:

Melamine-ureum-formaldehyde

MWCNT:

Multi-walled koolstof-nanobuizen

NCC:

Nanokristallijne cellulose

NFC:

Nanofibrilleerde cellulose

Ni:

Nikkel

NiO:

Nikkel-oxide

NPs:

Nanodeeltjes

NW:

Nanowollastoniet

O:

Zuurstof

OH:

Hydroxal

OLEDs:

Organische light-emitting diodes

PA:

Polyamide

PCL:

Polycaprolacton

PCP:

Pentachloorfenol

PDMS:

Polydimethylsiloxaan

PE:

Polyethyleen

PEG:

Poly(ethyleenglycol)

PEO:

Polyethyleenoxide

PHB:

Poly(3-hydroxybutyraat-co-4-hydroxybutyraat)

PHRR:

Piek-warmtevrijgave-snelheid

PLA:

Polymelkzuur

PMC:

Perfluoroalky-methacrylaat-copolymere

PMMA:

Poly(methylmethacrylaat)

PO₄³⁻:

Fosfaten

POTS:

Perfluoroalky-triethoxysilane

PP:

Polypropyleen

PPE:

Varkens-pancreas-elastase

PPG:

Propyleenglycol

PS:

Poly-styreen

PSU:

Polysulfon

PU:

Polyurethaan

PV:

Fotovoltaïsch

QDs:

Kwantum-deeltjes

RFID:

Radio-frequentie-identificatie

S:

Zwafel

SC:

Supercondensator

Si NMs:

Silicium-nanomembranen

SiO₂:

Siliciumoxide

SPE:

Vast-polymereer elektrolyt

SPI:

Soja-eiwitisolaat

SWCNH:

Single-walled koolstof-nanohoorns

TBOT:

Tetrabutyltitaan

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TEMPO:

2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl

Ti(OC4H9)4:

Tetrabutyltitaan

TiO₂:

Titaniumdioxide

TMI-BNT:

Transitie-metal-ion-gemodificeerde bentoniet

TNFC:

TEMPO-geoxideerde nanofibrilleerde cellulose

Tyr:

Tyrosinase

UF:

Ureum-formaldehyde

UP:

Onverzadigde polyester

UV:

Ultraviolett

VRFBs:

Vanadium-redox-stroombatterijen

VTES:

Vinyltriethoxysilane

WPU:

Watergedragen polyurethaan-coating

WUV:

Watergedragen

Zn-Al LDH:

Zink-aluminium gelaagde dubbele hydroxiden

ZnO:

Zinkoxide

ZnSt₂:

Zinkstearaat

ZnSt₂/WUV:

Zinkstearaat/watergedragen UV