Transparant Hout & Koolstof-neutrale Innovaties: De Toekomst van Duurzame Materialen

Veilig, koolstof-neutraal, hernieuwbaar. Nee, dit is geen marketing-slogan voor een speciaal nieuw materiaal dat zojuist ontwikkeld is, maar drie van de kenmerken van een heel bekend materiaal — hout — een materiaal dat tot op de dag van vandaag ons nog verrast met zijn aanpasbaarheid en voortdurend aan de voorhoede staat van materialenontwikkeling. In dit artikel duik ik in enkele van deze opwindende ontwikkelingen — van transparant hout tot gecarboniseerd houtcomposieten.

Eerst een snelle refresher over hout. Hout is een natuurlijk composiet van cellulosevezels ingebettet in een lignine matrix. Cellulose fungeert als lange staven langs de lengte van de stam en geeft hout zijn trekkracht, terwijl de ligninematrix hout zijn druksterkte geeft.

Dit artikel richt zich op drie voorbeelden die de eigenschappen van hout verbeteren en de toepassingen uitbreiden, namelijk gedensificeerd hout, transparant hout, en nano-coating voor hout. We zullen ook hout verkennen als bron van hoogwaardig koolstof met een voordelige structuur.

Gedensificeerd Hout

Hout is een wijd gebruikt structureel materiaal vanwege de hoge specifieke modulus, hoge sterkte, lage kosten en hernieuwbare aard [1]. Echter, breder gebruik vandaag de dag wordt belemmerd door de hoge variantie in de eigenschappen [1]. Dit komt door de grote verscheidenheid aan groeiomstandigheden die een boom kan ondergaan (bijv. bodemtype, beschikbaarheid van water en voedingsstoffen), leidend tot verschil in structuren en variaties in granenhelling, ringbreedte en prevalentie van knopen [1][2].

Om deze natuurlijke variaties te overwinnen, hebben wetenschappers en ingenieurs geëngineerde houtproducten ontwikkeld, waaronder gekruist gelaagd hout en gelamineerd gelamineerd hout (glulam) [1]. Deze hebben de houteigenschappen aanzienlijk verbeterd en zijn milieuvriendelijke alternatieven voor staal en beton geworden [2]. Echter, huidige geëngineerde houtproducten vereisen grote hoeveelheden lijmen en metalen bevestigingsmiddelen, wat hun duurzaamheid en herbruikbaarheid reduceert, met name wanneer bepaalde lijmen gebruikt worden omdat ze giftige gassen uitstralen (bijv. Formaldehyde en Vluchtige Organische Stoffen) [1].

Als resultaat heeft het onderzoek zich gericht op een verscheidenheid aan alternatieven, en in het bijzonder, gedensificeerd hout. Dit is waar de dichtheid van hout wordt verhoogd:

• Bulk densificatie: Doorheen het volume van het hout [1] [2]
• Oppervlakte densificatie: Alleen op de oppervlaktelaag van het hout [2]
• Infiltratie densificatie: Doorheen het volume via impregnatie van gaten met gesmolten metalen/zwavel of polymeren [3]

Deze verhoogde dichtheid leidt tot verbeterde mechanische eigenschappen (Tabel 1) en breidt de houtsoorten uit die gebruikt kunnen worden, aangezien lage-dichtheid houtsoorten nu verwerkt kunnen worden tot levensvatbare structurele materialen [1]. Alle drie de methodes beloven goed.

Tabel 1: Longitudinale trekkracht van hout voor en na compressie.[1]

Een van de beperkende factoren voor bulk densificatie is de celwanden van hout (lignine), die densificatie belemmeren en geen significante algehele bijdrage leveren aan de eigenschappen van gedensificeerd hout [3]. Tegelijkertijd is er lopend onderzoek naar het ontbinden van hout tot op de nanoschaal en het gebruik van het gedelignificeerde nano-cellulosemateriaal, dat uitstekende materiaaleigenschappen heeft [3]. Maar het onderzoek heeft worsteld om dit op te schalen/monteren met 3D of 4D printen [3].

Een gedeeltelijke oplossing is het veranderen van een bottom-up benadering naar een top-down benadering door hout volledig te delignificeren en te densificeren. Effectief voegt dit een voorlopige stap toe aan het densificatieproces en helpt een nieuw cellulosemassa-materiaal vormen met verbeterde mechanische eigenschappen vergeleken met gedensificeerd hout (elastische modulus ≈ 40 GPa en trekkracht ≈ 270 MPa) [3]. Ook kan het gemakkelijk in complexe gevormen gevormd worden [3], wat toepassingen verder open dan structurele toepassingen en misschien een nieuw type vezel-versterkte biocomposieten inlaat.

Figuur 2: De cellulosemassa-materialen kunnen gemakkelijk in een verscheidenheid aan geometrische vormen gevormd worden. [3]

Transparant Hout

Zoals u misschien heeft opgemerkt, is het hout in figuur 2 bijna doorschijnend. Nou, het blijkt dat transparant hout momenteel een onderzoeksgebied is, en de eerste stap in het proces is delignificatie. Dit wordt gevolgd door infiltratie met een polymeer met een matchende brekingsindex, wat een nabij-transparant hout creëert [4] met enige residuele verstrooiing door een paar gaten die voortkomen uit krimp van het polymeer tijdens polymerisatie [4]. Toch, aangezien polymeerinfiltratie een vorm van densificatie is, leidt dit tot sterk en transparant hout. Polymeerinfiltratie reduceert ook de anisotrope aard van hout met een factor van vijf [5]. Dit is te danken aan de zwakke transversale richting van het hout die wordt verbeterd door het polymeer, het onderdrukken van celwandbuiging, het dominante falenmechanisme in deze richting [5].

Figuur 3: Voor- en na-beelden van een houtmonster dat delignificatie en polymeerinfiltratie heeft ondergaan.[4]

Naast een fascinerend materiaal, heeft het een reeks potentiële toepassingen, waaronder transparante daken, ramen en zonnepaneelkappen. Transparante daken, secties en ramen kunnen glas vervangen met hun superieure mechanische eigenschappen en thermische isolatie. De hoge haze (maat van lichtverstrooiing) waarde van transparant hout betekent ook dat het een zachter, meer diffuse licht biedt dan traditioneel glas. Deze diffusie van licht maakt het ook een heel effectieve zonnepaneelkap, het verlengen van het pad van het licht in de zonnecel en meer tijd toelaten om energie te onttrekken, leidend tot hogere efficiëntie [4].

Nano-coating voor Hout

Hier kijken we naar gevallen buiten het veranderen van houteigenschappen, waarbij het bekleden ervan met nanomaterialen kan helpen om zwaktes van hout te overwinnen en de mechanische eigenschappen te verbeteren [6]. Deze zwaktes zijn brandbaarheid, fotodegradatie en waterabsorptie.

Nano-coating van hout kan op twee manieren gedaan worden: nanopartikels worden aan de coating toegevoegd om de eigenschappen te verbeteren voor toepassing, of nanopartikels worden direct op het hout gedeponeerd [6].

De tweede methode is gebruikt om de brandbaarheid van hout te reduceren via deposities van TiO2/ZnO deeltjes. Ze worden eerst gemengd in een oplossing met ethanol, en dan wordt het met de oplossing bedekte hout in een autoklaaf geseald. Dit leidt tot de vorming van nanopartikels met groottes variërend van 80-200 nm op het oppervlak, wat de tijd tot ontbranding verviervoudigt [7].

Fotodegradatie is wanneer geabsorbeerde UV-straling leidt tot foto-oxidatie, resulterend in oppervlakteverkleuring en ernstige reductie in mechanische eigenschappen. Hier genereert het depositeren van een laag ZnO een nanopartikellaag die UV-geïnduceerde veroudering en de groei van schimmel- en microbiële agenten reduceert. Deze weerstand tegen UV-veroudering is te danken aan ZnO preferentieel UV-straling absorberend en het onderliggende hout beschermend [8]. Wanneer het gaat om het verbeteren van mechanische eigenschappen, wordt nanosilica gebruikt. Nanosilica deeltjes bezitten hoge hardheid en thermische eigenschappen. Ze kunnen reageren wanneer sol-gel reacties gebruikt worden met polymeren om gekruiste netwerkstructuren te vormen die op hout aangebracht kunnen worden [6].

Gecarboniseerde Houtcomposieten/Keramieken

Deze toepassing gebruikt wellicht het oudste synthetische materiaal, houtskool. Houtskool is gecarboniseerd cellulaire materiaal geproduceerd onder pyrolyse. Het werd gebruikt bij de creatie van grottekeningen [9]. Tegenwoordig gebruiken we nog houtskool voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder bio-sjablonen voor geavanceerde keramieken en composieten en barbecueën. Het carboniseren van hout omvat een tweestapsproces [9].

• Stap 1 is de ontbinding van een bio-organisch materiaal (vaak hout maar ook natuurlijke vezels en papier) in een koolstofsjabloon.
• Stap 2 is het converteren van de koolstofsjabloon via transformatie of substitutie in keramische of composietstructuren.

Beide methoden vereisen infiltratie van de koolstofsjabloon door een gekozen materiaal aangezien dit, van nature, een porieus medium is. Het materiaal moet of in een gasvormige toestand, een vloeibare toestand, of in een nanopartikulierte vorm zijn [9].
Transformatie betreft het mengen van de koolstofsjabloon met Si of Ti in verschillende vormen, inclusief gas, gesmolten of sol-gel [9][10]. Substitutie is wanneer een keramisch oxide op de sjabloon gedeponeerd wordt als sol-gel of nanopartikeltje en vervolgens gesinterd [9][10].

Beide paden kunnen ofwel poreuze ofwel dichte materialen genereren met een microcellulaire morfologie gebaseerd op die van het initiële hout [10]. Deze vorm van verwerking opent een host van ontwerpopties aangezien de geometrie van het composiet nu eenvoudig gewijzigd kan worden door de houtsjabloon in de vereiste vorm te brengen — een veel eenvoudiger proces dan het vormgeven of bewerken van het eindproduct. Er is ook de optie om de morfologie van de materialen af te stemmen via de keuze van hout voor de sjabloon. Bijvoorbeeld, naaldhout geeft een unimodale poriënverdeling, terwijl bepaalde loofhoutsoorten een multimodale poriënverdeling geven [10].

Figuur 4: SEM-afbeelding van TiC-kristallen die zich hebben gevormd op een gecarboniseerd houtsubstraat. [9]

Deze gecarboniseerde houtcomposieten hebben de massamarkt nog niet bereikt, maar worden overwogen voor een host van toepassingen, waar hun hoge porositeit (filters, warmtewisselaars en katalysator-ondersteuningsstructuren) en hun vormbaarheid (keramische buizen en slijtvaste materialen) voordelig kunnen zijn voor veel toepassingen [9][10][11].

Koolstofvezels uit Hout

Koolstofvezels (CF) hebben een uitstekende sterkte-tot-gewicht verhouding, die, gekoppeld met versterkte kunststoffen, ze extrem effectieve lichte composieten maakt. Echter, vanwege hun relatief hoge kosten, zijn ze beperkt tot voornamelijk high-end toepassingen, zoals windturbinebladen, Formule 1 auto's en luchtvaartonderdelen. Ze hebben nog geen wijdverspreid gebruik gevonden in automobiele toepassingen, de energiesector en bouw [12], waar hun toepassing zou kunnen resulteren in significante verbeteringen in energie-efficiëntie en reducties in CO2-uitstoot. Bijvoorbeeld, een 10% gewichtsreductie in een auto kan de brandstofefficiëntie met ongeveer 7% verbeteren [12].

De hoge kosten van CF zijn te danken aan het feit dat ze overwegend geproduceerd worden (>96%) met fossiel-gebaseerd polyacrylonitril (PAN) [12][13], een relatief duur materiaal. Het wordt verwerkt tot koolstofvezels via oplossingsspinnen, een reeks thermische behandelingen (200-350 ºC) en carbonisatie (> 1000 ºC) [12]. Om dit prijsprobleem op te lossen, heeft het onderzoek gezocht naar laag-kostende precursor materialen, bij voorkeur van een hernieuwbare bron, dus het vermijden van fossiele brandstoffen.

Twee materialen zijn als levensvatbare kandidaten naar voren gekomen, lignine en cellulose [12][13].

Lignine wordt gebruikt vanwege de hoge koolstofinhoud, wat een hoge opbrengst van CF na conversie mogelijk maakt [12]. Cellulose wordt gebruikt vanwege de gunstige moleculaire structuur, die de mogelijkheid geeft om CF te genereren met equivalente mechanische eigenschappen als PAN CF [13]. Beide materialen lijden echter onder problemen, aangezien de structurele heterogeniteit van lignine betekent dat de geproduceerde CF inferieure mechanische eigenschappen heeft, en de lage koolstofinhoud van cellulose betekent dat het een lage conversie-opbrengst heeft (10-30%) [12][13].

Zoals je kunt zien, is het nadeel van de ene het voordeel van de ander. Daarom combineerden onderzoekers beide materialen met 70:30 mengsels van naaldhout kraft lignine en kraft pulps (cellulose) [12], die geconverteerd werden tot filamenten via droog-jet nat spinnen en daarna CF via oxidatie en carbonisatie (1000 ºC) [13].

Tabel 2: Eigenschappen van CF gevormd uit verschillende precursor materialen.[1]

Uit tabel 2 zien we dat deze mengeling de mechanische eigenschappen verbetert vergeleken met lignine en de opbrengst verbetert vergeleken met cellulose. De mechanische eigenschappen en opbrengst blijven echter lager dan die van PAN CF. Dit is geen grote barrière omdat de voorbeelde toepassingen in energie, bouw en auto's geen > 3GPa trekkracht vereisen die door PAN-gebaseerde CF geboden wordt. Daarom kan de mengeling deze eisen adequaat vervullen.
Er zijn nog een paar kwesties voordat dit de massaproductie bereikt, zoals dynamische spanning tijdens fabricage en het veranderen van fabricage van batch naar continu. We zijn nog jaren verwijderd van commercieel-niveau productie [13]. Niettemin, de sleutel tot de massamarkt koolstofvezel kan hout zijn.

Conclusie

Hopelijk heeft dit artikel getoond dat hout nog onbenut potentieel heeft als structureel/functioneel materiaal en als basis voor verwerking in nieuwe materialen. Dit artikel dekt een deel van de huidige vooruitgang in het veld, en elk van deze onderwerpen verdient zijn eigen artikel, waaronder hybride houtmaterialen of nanovullers voor hout. Om het onbenutte potentieel van hout nadrukker te benadrukken, is er actief onderzoek door de Universiteit van Kyoto om een houtsatelliet in de ruimte te sturen. Dit is slechts het begin in het proberen het volledige potentieel van hout te bereiken.