Жизненный цикл древесных биокомпозитов

В настоящее время основное внимание уделяется биокомпозитам на древесных субстратах, в которых мономеры или термореактивные прекурсоры используются для пропитки древесного субстрата с последующей полимеризацией.

Весь жизненный цикл материала начиная с деревьев как возобновляемых ресурсов, из которых получают компоненты древесного материала. Их можно модифицировать и перерабатывать для получения биокомпозитных продуктов.

Дополнительные экологические и финансовые расходы при переработке

Отметим, что композитный материал часто создается при обработке «изделия», например, панели определенной формы. Он используется в приложении, и после обслуживания его можно перерабатывать, повторно использовать, перерабатывать или утилизировать различными способами. Управление окончанием срока службы зависит от качества и возможного загрязнения армирующего волокна. Устойчивое развитие означает экономический рост без истощения природных ресурсов, при сохранении экологического баланса.

Таким образом, материалов из возобновляемых ресурсов недостаточно. Нам необходимо учитывать переработку, потребность в энергии от дерева к материалу или продукту, выбросы парниковых газов, аспекты токсичности и управление по окончании срока службы, совокупная потребность в энергии (сумма энергии, необходимой на всех этапах обработки) продукта является важным экопоказателем. Низкий CED необходим для высокоэффективных, устойчивых легких материалов со свойствами, превосходящими современные материалы. Нам нужны материальные компоненты из возобновляемого сырья, модификация зеленой химии и низкоэнергетическая обработка.

Особенности лигноцеллюлозной биомассы

Лигноцеллюлозная биомасса ограничена чувствительностью к влаге и несовместимостью с гидрофобными полимерными системами. Для дерева субстрат требует модификации для решения этих проблем. Древесина содержит множество различных функциональных групп, таких как карбоновые кислоты, алифатические спирты и фенолы, пригодные для этой цели. Часто предпринимаются попытки новых химических обработок, основанных только на химической структуре древесных биополимеров.

Этого недостаточно, так как внутренние части древесной подложки, например, клеточная стенка древесины, труднодоступны. Химическая сложность и неоднородность также означают, что определенные реакции не так просто осуществить. Природа реакционной системы важна и будет контролировать как химическую, так и физическую доступность, например, благодаря ее способности набухать клеточную стенку древесины в более доступную гелевую структуру.

Структура древесины и альтернативы экологически чистым биокомпозитам

Древесина является отличным основанием для несущих конструкций. Путем заполнения пор в древесине реагентами (мономерами, термореактивными прекурсорами) с последующей полимеризацией можно получать крупномасштабные биокомпозиты для применения в инфраструктуре. Интересной особенностью древесины для модификации является ее иерархическая структура, которая простирается от макромасштаба до наномасштаба сборки слоев клеточной стенки и биополимеров..

Клетки древесины представляют собой удлиненные трубчатые волокна, состоит из клеточной стенки и центрального «просветного» пустотного пространства. Древесные волокна имеют длину несколько миллиметров и диаметр около 20–50 мкм. Основными биологическими функциями древесной ткани являются транспорт воды и механическая опора. В мягкой древесине волокнистые трахеиды имеют тонкие стенки и широкий просвет весной (ранняя древесина) для обеспечения транспорта воды, а осенью (поздняя древесина) утолщаются и становятся узкими просветами для механической стабильности.

Роль нанофибриллы целлюлозы

В клеточной стенке преобладает средняя пластинка и толстая вторичная стенка. Нанофибриллы целлюлозы укрепляют гидратированную смесь полимеров гемицеллюлозы и лигнина в клеточной стенке. (B) Деревянный субстрат до и после обработки делигнификации. Пористость создается также в наномасштабе внутри клеточной стенки. (C) Иллюстрация набухания клеточной стенки древесины, что способствует химической модификации.

Нанофибриллы целлюлозы, CNF, можно отделить от волокон химической древесной массы и использовать в качестве армирующего материала в биокомпозитах с помощью подходов «снизу вверх». Дезинтеграция происходит механическим путем, чему способствует предварительная химическая обработка.