Applications de la nanotechnologie dans l'industrie des produits à base de bois : revue complète
Résumé
L'industrie du bois est l'un des principaux moteurs de la croissance économique en Malaisie. La forêt, source de divers matériaux lignocellulosiques, recèle de nombreux potentiels inexploités pour produire des matériaux nanosize durables et biodégradables aux caractéristiques très intéressantes pour l'industrie du bois elle-même ou de nombreux autres domaines d'application. Le secteur des produits à base de bois pourrait également utiliser divers nanomatériaux facilement disponibles pour améliorer la performance des produits existants ou créer de nouveaux produits à valeur ajoutée à partir de la forêt. Cette revue met en lumière les développements récents dans l'application de la nanotechnologie dans l'industrie des produits à base de bois.
Introduction
La nanotechnologie est définie comme la manipulation de la matière entre 1 et 100 nm. C'est un domaine multidisciplinaire combinant science et technologie pour développer de nouveaux matériaux améliorés avec des fonctions, propriétés physiques et chimiques significatives. La matière à cette échelle a des propriétés uniques comparée à la même matière à des dimensions supérieures. Pour cette raison, diverses applications innovantes par la nanotechnologie peuvent être explorées dans de nombreuses disciplines.
Non seulement comme technologie habilitante, la nanotechnologie peut aussi être un moteur vers la croissance économique nationale. L'industrie des produits forestiers en Malaisie contribue environ 22,5 milliards RM de valeur d'exportation en 2019. Les produits en bois exportés incluent bois sciés, placages, contreplaqués et moulures. L'industrie du bois en Malaisie a l'opportunité d'exploiter pleinement la nanotechnologie à ses avantages. Il est impératif que l'effort d'appliquer la nanotechnologie dans l'industrie du bois, particulièrement en Malaisie, soit soutenu et reçoive de l'attention afin de diversifier et ajouter de la valeur aux produits en bois existants, ce qui stimulera finalement la croissance économique dans ce domaine.
Le fait que la forêt joue un rôle essentiel pour la civilisation depuis tant d'années ne peut être écarté, car elle est devenue la source de matériaux lignocellulosiques pour diverses exploitations et développements de produits. En fait, les produits en bois sont depuis longtemps disponibles dans la société sous forme de bois d'œuvre, meubles, papiers et nombreux autres matériaux fonctionnels. L'application de la nanotechnologie dans le secteur forestier, particulièrement dans les produits forestiers ou produits à base de bois, mérite l'attention de tous les acteurs et parties prenantes. L'utilisation de la nanotechnologie pourrait aboutir à des produits à base de bois plus résistants, multifonctionnels mais plus légers. Les produits forestiers traditionnels tels que pâte et papier, composites bois, revêtements bois et conservateurs bois peuvent être étendus ou transformés en nouveaux produits à valeur ajoutée pour trouver des applications plus larges et/ou plus avancées.
Dans cette revue, l'application de la nanotechnologie dans l'industrie des produits à base de bois peut être divisée en deux voies :
Dérivation de nanomatériau(x) depuis la forêt
Les préoccupations croissantes pour l'environnement ont déclenché un besoin immense d'introduire des matériaux nanosize durables et biodégradables. Ce nouveau matériau appelé nanocellulose peut être produit à partir des ressources forestières de manière sûre et durable. L'abondance de matériau lignocellulosique de la forêt a créé un regain d'intérêt pour convertir la cellulose en nanocellulose. La nanocellulose est principalement de la cellulose au niveau moléculaire avec plusieurs caractéristiques clés : résistance et rigidité élevées, rapport résistance/poids élevé, réponse électromagnétique et grande surface spécifique. Ces caractéristiques exceptionnelles offrent d'énormes potentiels d'application au-delà de l'industrie des produits forestiers elle-même. Dans le domaine des produits à base de bois, elle peut être appliquée comme agent de renforcement dans la pâte et papier et composites bois ou comme matériau de revêtement dans le revêtement bois. En raison de sa polyvalence, la nanocellulose pourrait être utilisée comme composant (substrat, stabilisateur, électrode) pour le secteur non-forestier comme l'électronique, capteurs, batteries, alimentaire, pharmaceutique et cosmétique.
Utilisation de nanomatériau(x) pour produits à base de bois
Les nanomatériaux pourraient être utilisés pour améliorer les produits à base de bois existants en termes de fonctionnalité. Par exemple, l'utilisation de nanomatériaux dans le revêtement bois comme nanoxyde de zinc ou nanoxyde de titane peut améliorer la fonctionnalité du bois en termes de durabilité, résistance au feu, absorption UV et diminution de l'absorption d'eau. D'autre part, l'application de nanoencapsulation dans les conservateurs bois pourrait améliorer l'imprégnation du bois avec pesticides en assurant que les produits chimiques pénètrent plus profondément dans le bois, réduisant ainsi le problème de lessivage excessif. Cela améliore la durabilité des bois traités contre les agents de biodégradation.
Plusieurs articles de revue sur l'application de la nanotechnologie en foresterie et produits forestiers ont été publiés. Un article de McCrank donne un aperçu global de l'application de la nanotechnologie dans le secteur forestier, tandis que Moon et al. discutent davantage de nanoindentation. À la connaissance des auteurs, il y a peu de publications sur ce sujet couvrant spécifiquement certains secteurs de l'industrie du bois. Cette revue fournira un aperçu des progrès récents des applications de la nanotechnologie sur les secteurs sélectionnés du bois, à savoir pâte et papier, composite bois, revêtement bois et durabilité bois. De plus, certaines applications potentielles de la nanocellulose, nouvelle génération de cellulose, dans l'industrie des produits à base de bois sont aussi mises en lumière dans des domaines comme l'énergie et les capteurs.
Applications
Pâte et Papier
La production annuelle mondiale de papier et carton dépasse 400 millions de tonnes. Cela montre que l'ère numérique actuelle n'a pas arrêté l'utilisation continue des produits en papier dans la communauté. Néanmoins, la demande croissante concerne principalement divers produits d'emballage. Cette hausse peut être stimulée par le changement de préférence des consommateurs vers le commerce en ligne et l'essor du e-commerce offrant la commodité d'acheter depuis chez soi avec livraison sécurisée.
Le papier est fabriqué à partir de matériaux lignocellulosiques ayant subi une série de traitements primaires, traitement, fabrication du papier, séchage et revêtement. L'étape de fabrication du papier est où tout le mélange de pâte et additifs est ajouté et ajusté pour différents produits finis. La nanotechnologie est appliquée dans la pâte et papier sous forme de nanomatériaux ou nanoadditifs. Par exemple, les ressources forestières ou matériaux lignocellulosiques peuvent être exploitées pour extraire le bloc de construction nanosize ou nanocellulose servant d'unité de renforcement pour fournir résistance mécanique unique, fonctionnalité et flexibilité. Cette nouvelle génération de cellulose est produite via délamination de paroi cellulaire pour obtenir nanofibrille ou par extraction de cellulose cristalline à l'échelle nanométrique. La nanocellulose est ajoutée dans la fabrication du papier principalement pour augmenter la résistance du papier. D'autres nanomatériaux utilisés pendant le processus de production du papier incluent nanosilice, nanozéolithe, etc. L'incorporation de nanomatériaux ou nanoadditifs dans l'industrie du papier peut aider à améliorer la performance des produits en papier.
Nanocellulose comme agent de résistance humide ou sèche
La nanocellulose a été largement étudiée comme additif de résistance dans le domaine pâte et papier. Elle suscite un intérêt considérable en raison de son abondance, disponibilité et caractéristiques intéressantes : biodégradable, faible toxicité, excellentes propriétés mécaniques et optiques, grande surface spécifique et renouvelabilité. La nanocellulose est en fait de la cellulose à dimension nanométrique qui peut être isolée et préparée à partir de tout matériau lignocellulosique incluant pâte de bois, plantes non-ligneuses, bois et résidus agricoles, cellulose bactérienne et tuniciers. La cellulose est un composé linéaire avec unités glucose liées β-1,4 comprenant régions cristallines et amorphes. L'élimination des domaines amorphes de la chaîne cellulose par acide minéral mène à l'isolement de cellulose nanocristalline, tandis que la délamination de paroi cellulaire par action mécanique de cisaillement élevé réduit la largeur de la cellulose formant cellulose nanofibrillée. Ces deux catégories de nanocellulose sont les nanomatériaux les plus étudiés dans le domaine pâte et papier pour l'amélioration des produits. Depuis une décennie, de nombreux travaux se sont concentrés sur la préparation de cellulose nanofibrillée (NFC) et cellulose nanocristalline (NCC) à partir de diverses ressources végétales. La figure 1 montre des images de cellulose nanocristalline et nanofibrillée par microscopie électronique à transmission (MET).
De la cellulose à la nanocellulose
La cellulose nanofibrillée est le nanoadditif le plus étudié dans la fabrication du papier car de nombreux travaux ont été rapportés. Elle est préparée en soumettant les fibres à des traitements mécaniques sélectifs de cisaillement élevé. Il existe de nombreuses méthodes et combinaisons pour produire de la cellulose nanofibrillée. L'homogénéisation et la microfluidisation sont les techniques courantes qui impliquent de soumettre les fibres dans une petite buse sous haute pression pour des passages répétés généralement entre 10 et 15 passages. Ce type de traitement utilisé seul nécessite une haute consommation d'énergie, ainsi un pré-traitement chimique comme oxydation médiate par TEMPO (2,2,6,6-tétraméthylpipéridin-1-oxyl), carboxyméthylation ou enzyme est généralement requis pour économiser l'énergie. Par cette méthode, la cellulose nanofibrillée est produite suite aux taux de cisaillement élevés induits par la vitesse et la force du flux fluide. Une autre méthode populaire est le broyage. La machine de broyage consiste en disques de pierre statique et rotatif. La force de cisaillement générée par les pierres décompose les fibres de paroi cellulaire en nanofibrilles individualisées. Pour éviter une large distribution en largeur due à l'agglomération, il est recommandé que les matières premières soient maintenues dans l'eau après les processus de pâte et blanchiment pour entraver la formation de réseau de liaisons hydrogène à l'état sec. La méthode d'ultrasonication a aussi été étudiée pour préparer des nanofibres. La sonication implique la génération de force de cisaillement cavitationnelle haute par ondes ultrasoniques qui peut décomposer la structure cellulaire de la fibre. La technique de sonication produit des nanofibres bien dispersées et stables. Le cryo-broyage peut aussi être appliqué pour convertir fibres natives en nanofibres. Les fibres doivent être congelées à l'azote liquide suivies de forces de cisaillement élevées. La force de cisaillement induit une pression sur les cristaux de glace forçant les parois cellulaires à se rompre et libérer les microfibrilles.
La cellulose nanocristalline extraite de la cellulose native est communément préparée par hydrolyse acide. D'autres méthodes impliquant l'utilisation de produits chimiques spécifiques comme oxydation médiate par TEMPO et liquides ioniques ont aussi été étudiées. Une application d'enzyme cellulase a aussi été rapportée.
Pendant l'hydrolyse acide, le degré de polymérisation de la cellulose diminue rapidement mais se stabilise à un point appelé niveau de polymérisation d'équilibre. Ce comportement pourrait être dû aux régions amorphes hydrolysées rapidement par l'acide. Au début, l'acide attaque préférentiellement la région amorphe en raison de son volume élevé et hydrolyse la liaison glycosidique facilement accessible. Une fois cette liaison hydrolysée, l'hydrolyse supplémentaire se produit à un taux bien plus lent à l'extrémité réductrice de la chaîne glucose et sur la surface de la région cristalline. L'hydrolyse acide est influencée par type d'acide, concentration, température et temps. Tout changement dans ces conditions affecte la morphologie de la cellulose nanocristalline. Par exemple, augmenter temps d'hydrolyse et concentration d'acide mène à une cellulose nanocristalline plus courte, tandis qu'une température élevée résulte en conversion complète de la cellulose en glucose.
L'addition de nanocellulose dans la fabrication du papier mène à un papier de meilleure performance : augmentation de la résistance du papier et de la densité, réduction de la porosité. L'addition de cellulose nanostructurée résulte en propriétés similaires au papier avec fibres battues. En théorie, la résistance du papier peut être augmentée par inclusion d'agents de résistance humide et sèche, addition de fibres fonctionnalisées et battage. L'amélioration résulte en capacité de liaison des fibres. Boufi et al. ont proposé que le mécanisme soit dû à l'augmentation de la surface liée par la nanocellulose agissant comme connecteur entre fibres menant à la liaison fibre-à-fibre. Cela pourrait aussi être dû à différents réseaux créés dans la fibre augmentant la capacité de liaison. Donnant la longueur micrométrique de la nanocellulose, elle peut agir comme pont connectant les fibres voisines menant à un réseau plus fort. Le réseau de liaison mutuel attribué par la fibre et la nanocellulose augmente la résistance du papier.
La nanocellulose comme nanoadditif améliore la liaison interne résultant en augmentation de la résistance à la traction sèche, réduction de la perméabilité à l'air et opacité, et densité plus élevée. Étant un matériau à l'échelle nanométrique, la nanocellulose a une grande surface spécifique, et ainsi les liaisons hydrogène peuvent être formées plus efficacement. Elle est ajoutée comme additif bout humide pour amélioration de la résistance sèche et rétention. La nanocellulose couramment utilisée pour additif de résistance sèche est sous forme de cellulose nanofibrillée.
Il existe différentes stratégies pour ajouter NFC dans la pâte : directement avec ou sans agent de rétention, ou mélangé avec autres charges ou fibres longues suivi d'un agent de rétention. L'augmentation de la résistance à la traction après ajout NFC est liée à la quantité ajoutée. Une augmentation de 5% de la résistance à la traction a été observée quand 3% NFC ajouté dans la pâte composée de pâte battue avec amidon cationique. L'effet était plus remarquable si la pâte est moins battue. Par exemple, plus de 100% d'augmentation de la résistance à la traction quand 6% NFC ajouté à la pâte thermomécanique. D'autre part, NFC avait un impact moindre ajouté sur pâte chimique bien battue. Ainsi, l'amélioration de la traction est attendue quand NFC ajouté dans papier chargé, pâte mécanique et pâte recyclée. Hii et al. ont rapporté que NFC s'adsorbe sur la charge et les fibres et fait le pont entre la charge et le réseau de fibres. Le seul inconvénient majeur de l'utilisation NFC dans la fabrication du papier est qu'il ralentit le drainage. Le drainage joue un rôle très important car il se rapporte directement à l'efficacité de la production de papier. Plus le temps de drainage est lent, plus le papier sera produit lentement. Il est donc très important d'utiliser un agent de rétention à dosage spécifique pour améliorer l'adsorption des nanofibres sur la surface de la fibre, menant à un déshydratation améliorée.
NFC a des propriétés entre additif de résistance sèche comme l'amidon et fines créées par l'action du battage car les deux mènent à augmenter la surface liée. Ceci est réalisé en créant une couche mince et douce sur la surface de la fibre qui aide à augmenter la liaison des fibres pendant le séchage et en comblant les vides et pores entre fibres augmentant aussi la surface liée.
Nanocellulose comme matériau de revêtement pour propriété barrière
La nanocellulose peut aussi être utilisée comme matériau de revêtement dans le papier d'emballage car elle a de bonnes propriétés barrières. L'avantage d'utiliser la nanocellulose comme élément de revêtement est que le problème de déshydratation n'est plus un problème car elle est ajoutée après la fabrication du papier. Il existe différentes approches pour appliquer la nanocellulose : pulvérisation, revêtement au bar, pressage de taille et revêtement au rouleau. L'application de nanocellulose particulièrement nanofibrillée a été rapportée pour augmenter la barrière à l'oxygène et la résistance à l'huile. Dans un exemple, réduction de la perméabilité à l'air observée de 69 000 à 4,8 et 660 à 0,2 nm Pa−1 pour papier non blanchi et papier anti-graisse respectivement, en utilisant le coater à barre. Syverud et Stenius ont appliqué des quantités variables de NFC de 0 à 8% sur pâte de bois tendre et trouvé que les propriétés barrières augmentaient remarquablement de 6,5 à 360 nm Pa−1 s−1. Ceci est dû à la porosité réduite causée par l'augmentation des nanofibrilles. L'application de NFC et gomme-laque a aussi été tentée sur papier et carton donnant réduction de la perméabilité à l'air, taux de transmission d'oxygène et vapeur d'eau, potentiel pour emballage barrière.
Non seulement cela, la nanocellulose particulièrement nanofibrillée peut être convertie en films minces autonomes ou nanopapiers. Ce nanopapier peut être utilisé comme substrat pour application électronique car il est transparent et flexible.
Nanomatériau comme agent de rétention pour amélioration des propriétés
Les agents de rétention sont ajoutés à la fabrication du papier pour améliorer la rétention des produits chimiques fonctionnels sur les papiers. Certains nanomatériaux ont été testés dans le produit papier comme l'utilisation de nanozéolithe et nanodioxyde de titane. La nanozéolithe est utilisée comme dessiccant dans l'industrie du papier pour absorber l'humidité et aussi pour éliminer l'émission de gaz si utilisée pour papier spécial. La grande surface spécifique de la nanozéolithe consistant en vides et pores aide lors de tel processus. Le nanodioxyde de titane ajouté dans le papier peut former un papier avec meilleur module élastique dynamique comparé à l'échantillon témoin.
Effet nanocharge pour amélioration des propriétés
L'utilisation de charge dans l'industrie du papier est principalement due à la réduction des coûts car la charge est généralement moins chère que la pâte elle-même. Outre être étudiée comme additif de résistance, la nanocellulose peut aussi être utilisée comme charge. L'addition de cellulose nanofibrillée peut réduire la quantité de pâte de bois et augmenter la quantité de charge, réduisant ainsi les coûts de production. De plus, le papier produit a des propriétés améliorées comme faible porosité et haute opacité. Il a été rapporté qu'ajouter 2–10% cellulose nanofibrillée comme charge résulte en 50–90% d'augmentation de la résistance. La nanoargile peut être utilisée comme additif dans la fabrication du papier pour réduire la perméabilité au gaz menant à une durée de conservation plus longue du papier. C'est essentiel dans l'industrie de l'emballage où les barrières gaz et eau jouent un rôle important pour prévenir la détérioration des aliments et boissons.
Le nanocarbonate de calcium est utilisé comme charge pour améliorer la diffusion de la lumière. Le carbonate de calcium précipité modifié utilisant des particules nanostructurées a eu un impact positif sur la diffusion de la lumière. Le carbonate de calcium précipité a été revêtu de nanoparticules de silicate et sulfure de zinc. Wild et al. ont rapporté une étude similaire où le revêtement nanoparticules a été utilisé aux essais laboratoire, pilote et usine. L'étude a trouvé que le revêtement nanoparticules donne bonne qualité d'impression, permanence de l'eau et stabilité dimensionnelle. Le nanoxyde de zinc ajouté dans la charge de papier confère une propriété antibactérienne au papier. En même temps, les propriétés optiques comme brillance et blancheur ainsi que l'imprimabilité du papier s'améliorent aussi. Le nanodioxyde de titane a aussi été étudié en combinaison avec bêta-cyclodextrine dans le papier couché. Il a été trouvé que le mélange nanomateriau avait meilleur effet de dégradation sur le xylène comparé au papier couché avec seulement nanodioxyde de titane.
Nanomatériau comme agent de collage pour amélioration des propriétés
Un agent de collage est ajouté à la fabrication du papier pour améliorer la résistance à la pénétration d'eau/liquide afin que le papier soit adapté à l'impression et l'écriture. L'utilisation de nanosilice peut améliorer les propriétés optiques et réduire le print-through jusqu'à 30%. Le papier couché avec nanosilice produit meilleure densité optique, stabilité dimensionnelle, qualité d'impression sur papier non couché.
Composites Bois
Le bois est un don de la nature à l'humanité comme matériau biodégradable et renouvelable utilisable dans de nombreuses applications. Cependant, le bois lui-même possède plusieurs faiblesses comme délicatesse, non-flexibilité et non-durabilité à cause des attaques de termites et autres. L'utilisation de fibres de bois pour produire des composites bois a ses propres inconvénients : faible densité apparente, faible stabilité thermique, forte tendance à absorber l'humidité et sensibilité à la dégradation biologique. La nanotechnologie a été utilisée dans de nombreuses sciences et peut améliorer la qualité de nombreux matériaux, incluant le bois et composites bois.
Nanocellulose comme matériau de renforcement
Le principe d'utiliser la nanocellulose comme matériau de renforcement dans le matériau matrice a mené à de nombreux travaux de recherche. En ajoutant de la cellulose à l'échelle nanométrique, les nanocomposites possèdent des propriétés exceptionnelles de nombreuses manières, impossibles à atteindre par les microcomposites. Ces nanocomposites renforcés nanocellulose sont capables de remplacer les composites conventionnels. Par modification appropriée du NCC, divers nanomatériaux fonctionnels avec propriétés exceptionnelles ou propriétés physiques, chimiques, biologiques et électroniques significativement améliorées peuvent être développés. Les propriétés des nanocomposites dépendent de quelques facteurs : propriétés du matériau matrice, caractéristiques de la nanocellulose, dispersion de la nanocellulose dans le matériau matrice, et interactions interfaciales entre charge et matrice.
La nanocellulose comme renforcement dans divers types de matériaux matrices a été largement étudiée. Les nanocomposites polymères consistant en polymères naturels ou synthétiques renforcés avec nanocellulose se sont établis comme une classe prometteuse de matériaux. L'amélioration des propriétés mécaniques est l'objectif le plus commun visé lors de la préparation de ces polymères renforcés nanocellulose. Les polymères à base de pétrole sont généralement divisés en thermoplastiques et thermodurcissables. La différence est la liaison tenant leurs molécules à chaîne longue : le premier par faibles liaisons van der Waals, le second par fortes liaisons covalentes. Une variété de thermodurcissables a été étudiée pour utilisation dans nanocomposites nanocellulose. La résine époxy, par exemple, a été utilisée pour produits matériaux avancés grâce à ses excellentes propriétés de liaison et bonnes propriétés mécaniques après durcissement (haut module, faible fluage, performance raisonnable à température élevée). Cependant, elle peut facilement échouer sous impact à cause de sa structure hautement réticulée. Avec l'ajout de nanocellulose fonctionnalisée comme matériau de renforcement, les propriétés mécaniques des nanocomposites cellulose-époxy ont été significativement améliorées. Une approche a été menée pour préparer des composites époxy-cellulose nanofibre avec structure orientée. Le processus combinait la méthode de templating par glace (ou coulée par gel) pour préparer des réseaux nanocellulose hautement poreux avant utilisation comme préformes pour imprégnation avec résine bioépoxy. Les résultats ont montré que les modules élastique et de stockage des nanocomposites étaient meilleurs que ceux de l'époxy pur dans les deux directions de test, et la résistance améliorée dans la direction longitudinale. Un autre thermodurcissable couramment utilisé est le polyester insaturé (UP). Des biocomposites UP nanostructurés avec contenu nanocellulose jusqu'à 45% vol%, bien plus élevé que dans études précédentes, ont été traités et caractérisés avec succès. Le renforcement par réseau nanocellulose nanostructuré améliore fortement non seulement module et résistance de l'UP mais aussi ductilité et ténacité. La figure 2 montre les morphologies de fracture du polyester hydrophobe poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) (PHB) renforcé avec 15% pds NCC ou 15% pds NCC acétylé par MEB à émission de champ (FE-MEB). Les images FE-MEB indiquent clairement que NCC acétylé était homogènement dispersé dans le PHB comparé au NCC. L'homogénéité a contribué à la forte interaction interfaciale entre matériau de renforcement et matrice polymère.
Le tableau 2 illustre l'incorporation de nanocellulose dans polymères thermoplastiques comme PLA, PVA, amidon, PU, PP, etc. Les processus utilisés pour développer ces nanocomposites incluent échange de solvant, dispersion aqueuse, coulée en solution, greffage, injection mousse noyau-dos, électrofilature, coagulation et thermocompression, et polymérisation anionique d'ouverture de cycle in situ, parmi d'autres. La plupart des études rapportent que l'addition de nanocellulose dans nanocomposites résulte en amélioration des propriétés mécaniques (résistance, rigidité, résistance au fluage, élasticité), stabilité thermique, propriétés barrières et même fonctions antibactériennes et antioxydantes selon les composants. Dans l'ensemble, les résultats rapportés sont positifs sur le renforcement nanocellulose dans matrice thermoplastique, encourageant plus d'études pour produire des matériaux composites plus verts et durables.
Les polymères naturels se produisent normalement dans la nature et peuvent être extraits. Ils ne sont pas thermoplastiques, avec quelques exceptions. Cependant, techniques de modification chimique et physique peuvent déclencher la thermoplastique dans polymères naturels de ressources biomasses comme cellulose, lignine, chitine. Du fait de la conscience environnementale croissante et demande de produits verts, divers polymères naturels renforcés nanocellulose ont été utilisés pour produire des bio-nanocomposites. Il y a très peu d'études rapportant l'utilisation de nanocellulose dérivée de plantes dans la régénération de tissu osseux. Une étude a rapporté la préparation d'un nanocomposite en synthétisant cellulose nanofibrillée oxydée (TEMPO) (TNFC) ou cellulose nanocristalline (NCC) avec hydroxyapatite (HA). Les composites démontraient meilleures résistances à la compression, modules élastiques et ténacité à la fracture, dans la gamme de l'os cortical externe et dense, que ceux basés sur NCC. De plus, les composites n'induisaient pas de cytotoxicité aux cellules ostéoblastes humaines dérivées d'os mais amélioraient leur viabilité, les rendant prometteurs pour régénération osseuse en applications portantes.
Parmi autres biopolymères naturels utilisés : alginate de sodium, cellulose et protéines avec propriétés biodégradables, biocompatibles et faible toxicité. L'alginate de sodium, par exemple, largement utilisé comme excellent biomatériel dans ingénierie tissulaire, administration de médicaments, emballage alimentaire et applications biomédicales. Cependant, sa faible résistance mécanique et propriétés de dégradation non contrôlées limitent son application. Plusieurs tentatives ont été menées pour surmonter ces problèmes en développant films nanocomposites avec incorporation de nanocellulose dans matrice alginate. Il a été trouvé que l'incorporation de NFC dans matrice alginate améliorait sa résistance à l'eau et propriétés mécaniques. Une investigation plus approfondie a montré qu'avec traitement par ultrasonication pour faciliter la dispersion, NCC oxydé médiate par TEMPO a meilleure efficacité pour renforcer biopolymère alginate comparé à NFC. Le concept similaire de stratégie de renforcement synergique bioinspiré intégrant nanocellulose dans chitine, chitosane, isolat de protéine de soja (SPI) et gomme de lin ouvre une nouvelle voie pour construire nanocomposites haute performance.
Nanoparticules pour amélioration des propriétés des panneaux à base de bois
Les composites bois sont généralement décrits comme une large gamme de produits ayant combinaison d'éléments bois maintenus par un liant. Parmi les avantages : ils peuvent être conçus pour qualités ou exigences de performance spécifiques à différentes épaisseurs, grades et tailles. Les composites bois sont fabriqués pour tirer avantage des caractéristiques de résistance naturelle du bois (parfois résultant en résistance structurelle et stabilité supérieures au bois massif). D'autre part, inconvénients : ils nécessitent plus d'énergie primaire à fabriquer comparé au bois massif. Donc composites bois ne conviennent pas pour usage extérieur car ils absorbent l'eau et sont plus sujets au gauchissement induit par l'humidité que bois massifs. Les adhésifs utilisés libèrent du formaldéhyde toxique dans le produit fini. La nanotechnologie peut être utilisée pour améliorer la qualité des composites à base de bois pour répondre à la demande croissante de produits existants et nouveaux pour nouvelles applications.
Les principaux inconvénients du bois sont sa sensibilité et biodégradabilité par microorganismes et instabilité dimensionnelle soumise à teneur en humidité variable. Cela est dû principalement aux polymères principaux de la paroi cellulaire et leur forte abondance de groupes hydroxyles (OH). Le bois est naturellement hygroscopique, et l'absorption d'humidité par les matériaux bois est directement liée à la surface exposée. L'addition de nanoparticules inorganiques aux composites bois a été rapportée pour améliorer les propriétés antimicrobiennes des composites. Les nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) exhibent une bonne activité antimicrobienne. Ces nanoparticules sont ajoutées dans la colle mélamine-urée formaldéhyde (MUF) avant production de panneaux de particules. Les résultats montrent des incréments de biorésistance des panneaux contre bactérie Gram-positive Staphylococcus aureus, bactérie Gram-négative Escherichia coli, moisissures Aspergillus niger et Penicillium brevicompactum ainsi que champignon pourriture brune Coniophora puteana. Les nanoparticules d'argent, bien connues additifs biocides, exhibent aussi effets antibactériens et anti-moisissures similaires appliquées sur surfaces mélamine-stratifiées de panneaux de particules. La combinaison nanoxyde de cuivre et surfactant alcane a aussi confirmé améliorer résistances eau et termites de contreplaqués traités. Adhésif à base d'amidon modifié exploré comme autre option pour augmenter résistance à la pourriture de panneau de particules. Panneau de particules collé avec PVA/amidon huile de palme modifié ajouté nanosilice (SiO2) et acide borique trouvé plus résistant à la pourriture que panneau collé avec amidon natif. L'ajout de nano-SiO2 et acide borique comme agents hydrofuges et antifongiques respectivement a prévenu l'activité des microorganismes dans le panneau final.
La fabrication de panneaux composites bois peut être améliorée en développant méthodes pour raccourcir le temps de durcissement de la résine pendant pressage à chaud, accélérant la production ou améliorant la qualité globale du panneau. Le transfert de chaleur affectant le temps de pressage d'un panneau composite bois varie avec épaisseur, température de presse, taux de fermeture, et distribution d'humidité du tapis. L'addition de nanoparticules ZnO a augmenté le transfert de chaleur au centre du panneau de particules pendant pressage à chaud causant un plus grand degré de durcissement de la résine et amélioré les propriétés physico-mécaniques. Nanoparticules hautement conductrices comme nanotubes de carbone multi-parois (CNTs) et oxyde d'aluminium (Al2O3) ont aussi prouvé améliorer propriétés thermiques et mécaniques de panneaux de fibres densité moyenne. L'étude a aussi rapporté que bien que nanoparticules de carbone activé n'aient pas d'effet significatif sur propriétés physiques et mécaniques du panneau, elles ont un effet plus accéléré sur le durcissement de l'urée formaldéhyde (UF) et réduction d'émission de formaldéhyde comparé aux deux autres nanofillers.
Dans la fabrication des composites bois, les adhésifs jouent un rôle exceptionnellement significatif affectant les propriétés des composites : propriétés mécaniques, capacité à performer en conditions humides, effets sur l'environnement. Urée formaldéhyde, mélamine urée formaldéhyde et phénol formaldéhyde sont couramment utilisés dans l'industrie des composites bois. L'utilisation de nanoparticules a mené à des améliorations des propriétés des adhésifs. De nombreuses études ont été menées pour produire composites bois renforcés nanomatériaux avec performance physique et mécanique améliorée et émission de formaldéhyde réduite. Les nanoargiles ont montré être excellents fillers et renforcement pour la matrice résine, améliorant significativement résistance, ténacité et autres propriétés. La modification d'adhésif UF utilisant particules nanoargile pour contreplaqué fabriqué avec trois espèces forestières de plantations à croissance rapide : Cordia alliodora, Gmelina arborea et Vochysia ferruginea a été rapportée par Muñoz et Moya. Il a été déterminé que la nanomodification de la résine avec nanoargile à 0,75% améliorait les modules de rupture et élasticité du panneau. L'effet d'utilisation de particules nanoargile dans adhésifs PF a significativement élevé les propriétés mécaniques de l'adhésif dans la ligne de collage et contribué à l'augmentation de la résistance macro-liason du contreplaqué. Intéressant, nanoargile bentonite modifiée par ions métaux de transition (TMI-BNT) a été utilisée pour convertir résines UF cristallines en polymères amorphes en bloquant liaisons hydrogène via méthode d'intercalation in situ. Cela a résulté en 56,4% d'augmentation de la résistance d'adhésion et 48,3% de réduction d'émission de formaldéhyde.
Autres nanoparticules utilisées pour améliorer propriétés physiques et mécaniques des composites bois : nanowollastonite (NW), nano-ZnO, nano-SiO2, nano-Al2O3, nanosilver, nanocellulose (NCC et NFC). Le NCC utilisé comme charge pour l'adhésif, NFC comme liant pour formulation des panneaux composites. Récemment, il a été révélé que l'addition de micro- et nanofibres de cellulose ont effets avantageux sur propriétés de la résine. Basé sur investigations, l'addition NCC a significativement amélioré propriétés mécaniques du contreplaqué à hauteur de 10%/100 g résine solide. D'autre part, propriétés physiques de panneau de particules après ajout NCC aux adhésifs UF montraient surface lisse, différence insignifiante en densité et teneur en humidité des panneaux et seulement haute teneur en nanocellulose exhibait significativement plus haut gonflement d'épaisseur. Pendant ce temps, panneaux de particules fabriqués avec NFC comme matériaux de liaison montraient conformité aux exigences industrielles en termes de propriétés mécaniques pour grades faible densité. Pour panneau de particules haute densité, il a été estimé qu'un ratio NFC accru et pression plus élevée pourraient améliorer propriétés de liaison interne. Même la résistance au retrait de clou et vis de face augmentait avec l'augmentation du ratio d'addition NFC et densité du panneau.
Revêtement Bois
Les forêts sont principalement ou partiellement utilisées pour la production de produits forestiers ligneux et non-ligneux. Produits non-ligneux incluent bambou, rotin, bois de feu, charbon, damar, palmier, etc. Il y a une énorme demande pour bois de haute qualité, mais la disponibilité du bois de forêt naturelle a décliné. Conséquemment, la recherche de ressources non-ligneuses comme alternative au bois s'est accélérée. Du fait de sa propriété de croissance rapide, le bambou a été développé en un des produits forestiers non-ligneux les plus importants. Le bois est une structure polymérique biologiquement auto-assemblée naturelle (cellulose, lignine, hémicellulose). C'est un des matériaux les plus polyvalents utilisé depuis des siècles sous forme de bâtiments et structures. Cependant, le bois est soumis à des processus intenses de dégradation oxydative comme photo-oxydation, oxydation chimique, décomposition thermique et réactions de photolyse de l'environnement, incluant lumière ultraviolette (UV), humidité, polluant chimique et variations chaud/froid. Même matériaux non-ligneux comme le bambou est matériel organique naturel riche en protéines, glucides et autres nutriments et sujet à moisissure, être mangé par mites et pourriture. Donc, les produits finis de bois et non-bois conventionnellement comprennent additifs utilisés comme revêtements pour protection et amélioration apparence esthétique, conservateurs pour protection contre feu et facteurs biologiques (champignons et insectes).
Le revêtement est un processus d'application d'une couche sur la surface du substrat. Exemples de revêtements courants appliqués sur surfaces bois : vernis, laques, peintures dont le but peut être protecteur et décoratif. Les composants principaux des revêtements déterminent leurs propriétés fondamentales : liants, pigments, solvants, charges, additifs. Chaque élément contribue propriétés spécifiques à la surface bois. Le liant contribue à l'adhérence du pigment au bois et crée une couche protectrice, le pigment fournit couleur et forme couche de surface non-translucide. Les solvants donnent viscosité nécessaire pour application du revêtement, l'addition de charges modifie la force de couleur et le brillant. Quant aux additifs, ils inhibent moisissure et pourriture, assistent le séchage, améliorent propriétés d'adhérence et contrôlent la finition. Cependant, il y a des faiblesses des revêtements : flexibilité limitée, perte de résistance, adhérence disproportionnée entre couche revêtement et substrat, résistance à l'abrasion inférieure et moins de durabilité.
Le nanorevêtement a la capacité de résoudre ces problèmes. Le nanorevêtement est un processus par lequel une mince couche d'épaisseur ~<100 nm est déposée sur le substrat pour améliorer certaines propriétés ou impartir nouvelle fonctionnalité. Le nanorevêtement peut être utilisé non seulement sur nanomatériaux mais aussi sur matériau plus volumineux avec couche extrêmement mince sans affecter la topographie de la surface du substrat. L'application du nanorevêtement dans le bois et produits bois est principalement focalisée sur l'amélioration de la durabilité, propriétés mécaniques, résistance au feu, absorption UV et diminution de l'absorption d'eau. Une approche pour améliorer la fonctionnalité et la valeur utilisateur final du nanorevêtement est l'addition de nanoparticules. Ces nanoparticules ont de très grands rapports surface/volume dus à leur morphologie, leur permettant d'interagir intensément avec leur environnement, et leur nanosize assure que la transparence est maintenue.
Nanoadditif pour amélioration de la durabilité
Les nanorevêtements peuvent améliorer la durabilité du bois et produits non-bois en utilisant nanoparticules et systèmes de nanolivraison qui font des changements au niveau moléculaire des produits. Un des objectifs des revêtements est de prévenir la croissance de divers microorganismes comme champignons et bactéries. Des particules nanosize d'oxydes métalliques, comme oxyde de zinc (ZnO), oxyde de titane et oxyde de cérium (CeO2) ont démontré de fortes propriétés antimicrobiennes. Des études ont été menées sur le dépôt direct de nanoparticules sur surfaces bois ou fonctionnalisation directe de surfaces bois avec nanoparticules. Nanoparticules ZnO ont été fabriquées avec succès sur surface de bambou par méthode chimique humide simple à basse température basée sur couches d'amorçage ZnO préparées par sol-gel. Les résultats indiquaient que le bambou traité avait meilleure résistance contre Aspergillus niger V. Tiegh et Penicillium citrinum Thom, mais faible résistance contre Trichoderma viride Pers. ex Fr. Le graphène démontre aussi une capacité supérieure à inhiber la croissance bactérienne. Donc, la combinaison graphène oxydé réduit et nano-ZnO pour revêtir matériaux bambou extérieur via processus trempage-séchage et hydrothermal en deux étapes, résultant en amélioration de la résistance aux moisissures et activité antibactérienne. De même, ZnO nanostructuré par processus hydrothermal a aussi fourni protection efficace des surfaces bois contre biodétérioration.
Revêtements polyuréthane aqueux (WPU) incorporant cellulose nanocristalline (NCC) et nanoparticules d'argent (AgNPs) utilisés pour améliorer propriété antibactérienne de panneau bois. Les AgNPs connus pour leur matériau antimicrobien mais s'agrègent facilement pendant la préparation. Donc NCC introduit pour assister le mélange et la dispersibilité des AgNPs avec WPU ou autres revêtements. En plus, NCC bon agent de renforcement pour améliorer propriétés mécaniques des nanocomposites. Mini polymérisation en émulsion aussi utilisée pour synthétiser revêtement latex acrylique contenant AgNPs, limitant croissance champignons tache noire sur surfaces bois. L'étude de l'effet antibactérien de nanoparticules argent et oxyde de zinc dans revêtements acryliques appliqués lors traitement de composites bois commerciaux comme panneaux de particules et panneaux fibres densité moyenne a été conduite. Ag et ZnO nanoparticules partiellement plus efficaces contre bactérie Gram-négative Escherichia coli comparé à Gram-positive Staphylococcus aureus.
Nanoadditif pour amélioration de l'absorption d'eau
Il est bien connu que le bois est sensible à l'eau ou l'humidité. Ceci est dû à la nature hydrophile du polymère constituant de la paroi cellulaire et sa structure poreuse capillaire. L'interaction entre bois et eau mène à biodégradation du bois, instabilité dimensionnelle et vieillissement accéléré. Bien qu'il y ait des modifications chimiques conventionnelles pour améliorer l'hydrophobie du bois, l'accessibilité de l'eau dans le bois n'est pas complètement retardée. De plus, les produits chimiques utilisés dans le processus de traitement sont potentiellement dangereux. Donc, la nanotechnologie est utilisée comme approche alternative pour modification et fonctionnalisation du bois. L'incorporation de nanoparticules dans revêtements polymériques est utilisée pour améliorer l'absorption d'eau des surfaces bois. Deux approches sont utilisées pour intégrer les nanoparticules dans les revêtements : mélange en solution et addition in situ. La première (mélange en solution) est quand un solvant combine avec le polymère avant dispersion sur surfaces bois. Cette méthode physique peut être appliquée par trempage, brossage et pulvérisation. Wu et al. ont rapporté qu'un revêtement superhydrophobe était construit sur surface de peuplier avec angle de contact jusqu'à 158,4° via produit laque UV aqueuse (WUV) modifiée par nanoparticules ZnO et acide stéarique. Comparé au WUV, la résistance à l'eau du revêtement superhydrophobe stéarate de zinc/laque UV aqueuse (ZnSt2/WUV) était plus forte, propice à préparer revêtements superhydrophobes facilement et écologiquement. Intéressant, un vernis aqueux ajouté de nanoparticules TiO2 a été utilisé pour évaluer la finition de neuf espèces bois tropicales. Il a été trouvé que l'incorporation de nanoparticules TiO2 diminuait les valeurs d'absorption d'eau et après un an d'exposition aux intempéries, le vernis sans TiO2 ajouté se dégradait complètement, tandis que le film vernis modifié endurait. Autres exemples de revêtements bois superhydrophobes préparés avec succès : particules cellulose nanocristalline revêtue lignine (L-NCC)/polyvinyl alcool (PVA) système peinture composite, revêtements composites méthacrylique-siloxane-cellulose durcissables UV, film composite Fe3+-dopé SiO2/TiO2 et système revêtement hybride polydiméthylsiloxane (PDMS)/silice.
La seconde approche est l'addition in situ ou processus chimique impliquant addition de composé directement aux monomères et polymérisation subséquente. Les nanoparticules sont synthétisées in situ par réactions chimiques sur la surface bois comme méthodes hydrothermales ou dépôt sol-gel. Gao et al. ont appliqué une méthode simple et efficace pour préparer surface bois superhydrophobe conductrice avec super répulsion à l'huile utilisant AgNPs modifiés par fluoroalkyl silane. Le revêtement multifonctionnel pourrait être commercialisé pour diverses applications, surtout auto-nettoyant et dispositifs électroniques biomédicaux. Dans une autre étude, bambou traité avec sol ZnO, et réseaux nanofeuilles ZnO cultivés hydrothermalement sur surface bambou puis modifiés avec fluoroalkyl silane. Le bambou traité avec succès exhibait propriétés supérieures : superhydrophobicité robuste, répulsion stable vers pluie acide simulée, résistant UV et feu. Propriétés supérieures similaires obtenues quand bambou préparé par dépôt hydrothermal de nanoparticules TiO2 anatase et modifié avec octadécyltrichlorosilane. Surfaces bois superhydrophobes peuvent aussi être préparées par approches comme assemblage couche-par-couche de polyélectrolyte/nanoparticules TiO2 multicouches et modification hydrophobe avec perfluoroalkyltriethoxysilane (POTS), pulvérisation de nanocomposites copolymère perfluoroalkyl méthacrylique (PMC)/TiO2 sur substrat pré-couché PDMS et procédé hydrothermal en une étape utilisant tétrabutyltitanate (Ti(OC4H9)4, TBOT) et vinyltriethoxysilane (CH2CHSi(OC2H5)3, VTES) comme co-précurseurs. Même une approche biomimétique pour produire surface bambou superhydrophobe type feuille de lotus SiO2 basée sur lithographie molle a été réalisée avec succès.
Nanoadditif pour amélioration des propriétés mécaniques
Les particules inorganiques intégrées dans polymères organiques sont couramment utilisées dans les revêtements bois pour augmenter les propriétés mécaniques. Comme charges, la rigidité et dureté des matériaux inorganiques sont combinées efficacement avec la procesabilité du polymère. Les particules inorganiques appliquées en taille micron ont des inconvénients : elles réduisent la flexibilité du matériau et diminuent la transparence du système de revêtement. L'utilisation de particules inorganiques en nanosize augmente la surface et le rapport de surface interfaciale, influençant ensuite les propriétés de la matière première. Des études récentes ont investigué l'utilisation de nanocellulose comme renforcement renouvelable pour développer un système de revêtement nanocomposite biosourcé avec performance améliorée. La nanocellulose a été modifiée en surface à cause du problème d'incompatibilité avec la matrice polymère. L'addition de nanofibres cellulose oxydées TEMPO a amélioré les propriétés mécaniques du revêtement WPU. Dans le cas de matrice polymère non-polaire, la cellulose nanocristalline a été modifiée par deux méthodes : avec chlorure d'acryloyl ou surfactant cationique. Une augmentation du niveau de charge NCC jusqu'à 2% augmentait dureté, module élastique et résistance à la traction.
La nanosilice est une autre nanoparticule commune appliquée pour l'amélioration des propriétés mécaniques. Parmi les avantages de la nanosilice : sa haute dureté et peut être facilement modifiée chimiquement pour améliorer sa compatibilité avec la matrice polymère. Une étude récente de Meng et al. a rapporté des revêtements hybrides acrylate aqueux à base d'huile de ricin (CWA)/SiO2 avec structures de réseau croisé covalent organique-inorganique préparés via sol-gel et réactions thiol-ène. La découverte montrait qu'à côté des émulsions ayant bonne stabilité, les propriétés thermiques et mécaniques du revêtement s'amélioraient significativement à 10% pds SiO2. L'amélioration des propriétés mécaniques avec addition nanosilice a aussi été décrite dans d'autres systèmes de revêtement comme nitrocellulose aqueuse et acrylate.
Nanoadditif pour amélioration de l'absorption UV
Le processus de photodégradation du bois commence directement après exposition à la lumière solaire, puis changements de couleur et érosion progressive de la surface bois se produisent. Le rayonnement UV est capable de dégrader photochimiquement les composants de structure polymère du bois (lignine, cellulose, hémicellulose). Le processus de photodégradation résulte généralement en résistance à l'eau réduite du bois et matériaux à base de bois menant à biodégradation supplémentaire sous conditions d'exposition extérieure. Les dommages intenses aux matériaux dus au composant UV dans le rayonnement solaire peuvent être prévenus par technologies de stabilisation à la lumière, revêtements de surface ou remplacement par matériaux plus résistants au rayonnement UV. Les nanoparticules peuvent être utilisées pour améliorer la résistance UV pour revêtements solvant, aqueux et UV afin de protéger les surfaces bois. Les nanoparticules contenant revêtements fonctionnels pour propriétés bloquantes UV offrent haut niveau de protection contre UV sans affecter la transparence de la surface. La petite taille des nanoparticules donne augmentation significative de l'efficacité de blocage UV comparé au matériel naturel due à leur grand rapport surface/volume.
L'utilisation de revêtements absorbants rayonnement UV sert à prévenir la dégradation de la lignine par lumière UV. Parmi nanoparticules utilisées comme absorbeurs UV principalement TiO2 et ZnO. Wallenhorst et al. ont rapporté un système composé de revêtement Zn/ZnO et scellement polyuréthane additionnel réduisant fortement la photodécoloration de la surface bois et prouvé chimiquement stable. La combinaison benzotriazole (BTZ) et nanoparticules ZnO appliquée comme absorbeurs UV dans revêtements acryliques bambou extérieur. Effets synergiques forts détectés dans revêtements BTZ-ZnO, surtout pour formulation ratio 2:1. Le système de revêtement fournissait haute résistance à la photodégradation et inhibait efficacement la photodécoloration des substrats bambou. Un autre mélange benzotriazoles, stabilisateurs de lumière amines entravées (HALS), et nanoparticules ZnO dans revêtement acrylique aqueux épais donnaient l'effet le plus positif en modification de surface protectrice UV appliqué au chêne. Le mélange benzotriazoles, HALS et nanoparticules TiO2 et ZnO confirmé comme un des traitements les plus efficaces pour stabilisation couleur du bois due aux spectres UV et VIS. Il a été rapporté que spécimens bois revêtus de TiO2 rutile et mélange méthyltriméthoxysilane et hexadécyltriméthoxysilane montraient performance de vieillissement supérieure et résistance améliorée au changement de couleur surface et perte de poids. Le revêtement TiO2 aussi trouvé apparemment améliorer la stabilité couleur du bois pendant irradiation UV sans pulvérisation d'eau. Cependant, la surface bois adjacente se dégradait à cause de l'activité photocatalytique du TiO2.
Nanoadditif pour amélioration du retard au feu
L'inflammabilité du bois et produits non-bois a restreint l'utilisation, la sécurité incendie étant une préoccupation majeure pour diverses applications. Pour surmonter les déficiences inhérentes et utiliser bois et non-bois de manière sûre, les propriétés retardatrices de flamme ont besoin d'une considération sérieuse. Les nanoparticules ont récemment été utilisées pour produire nanocomposites pour l'amélioration des propriétés retardatrices de flamme. L'utilisation de nanoparticules, seules ou en combinaison avec retardateurs de flamme conventionnels, sert à réduire l'inflammabilité du bois. La nanosize et grande surface des nanomatériaux les rend plus efficaces à faibles concentrations que composés conventionnels, avantage énorme industriellement et économiquement. La modification de surface est nécessaire pour nanoparticules pour atteindre meilleure compatibilité et dispersion homogène. Le bois revêtu TiO2 a été trouvé capable de réduire l'inflammabilité du bois et la propagation de la flamme, comparé à l'échantillon non revêtu. Les nanostructures doubles couches ZnO-TiO2 ont été synthétisées sur substrat bambou. Les résultats montraient que l'indice d'oxygène augmentait de 25,6 à 30,2% après revêtement ZnO-TiO2, révélant amélioration significative de sa propriété retardatrice de flamme. Les hydroxydes doubles couche [180] peuvent absorber grande quantité de chaleur, diluer concentration gaz inflammables, absorber gaz acides nocifs pendant décomposition ; donc excellent retardateur de flamme. Yao et al. ont appliqué nanomagnésium aluminium hydroxyde double couche (Mg-Al LDH) sur bambou par processus in situ en une étape et trouvé que dégagement de chaleur total et production fumée totale réduits de 33,3% et 88,9% respectivement comparé aux échantillons sans Mg-Al LDH. Wang et al. ont introduit nanostructures hydroxyde double couche zinc-aluminium (Zn-Al LDH) dans bois et trouvé que taux de dégagement de chaleur maximal (PHRR) et production fumée totale réduits de 55% et 47% respectivement comparé au bois pristine. Matériaux carbonés nanostructurés comme graphène aussi prouvé grand potentiel comme retardateur de flamme efficace dans bois et matériaux composites bois pour protection surface contre feu.
Durabilité Bois
Le bois est un matériau si polyvalent qu'il trouve son utilisation dans divers domaines comme construction, meubles et œuvres d'art. Le bois est appliqué comme matériau de construction en raison de son rapport résistance/poids élevé, caractéristique écologique, apparence esthétique et biodégradabilité. Malheureusement, le bois est très sensible aux attaques biologiques, surtout par champignons de pourriture et insectes. Le bois est aussi affecté par exposition aux rayonnements UV, feu et humidité. L'humidité peut causer gauchissement, fissuration et instabilité dimensionnelle du bois. La dégradation du bois cause dommages esthétiques et structurels internes. La dégradation du bois mène à des pertes incommensurables chaque année. De plus, la croissance de champignons de pourriture sur structure bois déclenche problèmes de santé humains incluant allergies, symptômes respiratoires et asthme surtout après expositions prolongées en intérieur. Donc, les problèmes associés au bois ne peuvent être simplement ignorés. La préservation du bois par produits chimiques est la voie efficace pour protéger et prolonger la durée de service du bois.
Au cours des dernières décennies, de nombreux conservateurs chimiques ont été développés et utilisés pour protéger bois contre agents de biodégradation. Malheureusement, la plupart de ces conservateurs chimiques peuvent poser effets sérieux sur humains, organismes vivants et environnement du fait de leur accumulation dans sols et écosystèmes. Arseniate de cuivre chromé (CCA) est un des conservateurs chimiques largement utilisé depuis les années 1930 et protège efficacement bois contre champignons pourriture, termites et insectes foreurs. Cependant, CCA s'est avéré toxique pour humains et environnement. Un problème similaire est affronté par un autre chimique, pentachlorophénol (PCP). Considéré dangereux pour la santé humaine, sa production et utilisations interdites dans de nombreux pays.
En réponse à ces problèmes, une nouvelle série de conservateurs chimiques prétendus sûrs et moins polluants sont introduits. Ces conservateurs peuvent être obtenus d'extraits de plantes ou produits synthétiquement et avoir propriétés composés bioactifs végétaux. Par exemple, pyréthroïdes, dérivés de fleur pyrèthre (Chrysanthemum cinerariifolium), ont activité insecticide puissante et peuvent maintenant être produits synthétiquement. Malheureusement, ces chimiques étaient trouvés facilement dégradables par lumière et température, et ont spectre d'efficacité étroit. Autre limitation des pesticides organiques : la plupart se dissolvent dans solvants organiques et ne peuvent être formulés comme conservateurs bois aqueux. Donc, système de livraison intelligent et intelligent de pesticides organiques est crucial. Par un système de livraison intelligent, biocides peuvent être livrés de manière contrôlée et ciblée. Cela réduira dangers pour humains et environnement.
Le traitement du bois via méthode nanotechnologie peut améliorer la durabilité du bois contre agents de biodégradation et intempéries. L'avantage principal d'appliquer nanoproduits au bois est sa capacité unique à pénétrer profondément dans la structure du bois, améliorant ainsi les propriétés de durabilité résultant en longue durée de service. D'autre part, pénétration complète avec distribution uniforme de nanoproduits peut aussi être réalisée. À ce jour, de nombreux nanoproduits prêts à l'emploi (nanoconservateurs) pour protection bois sont disponibles sur le marché, tandis que certains sont encore en recherche et développement. Généralement, nanoproduits utilisés pour protéger bois peuvent être classés en deux types : nanocapsules et nanomatériaux. Nanocapsule fait référence aux pesticides incorporés dans un nanotransporteur polymérique, tandis que nanomatériau est métaux nanosize qui peuvent être directement imprégnés dans le bois.
Propriété d'amélioration biocide via nanoencapsulation
L'encapsulation de pesticides dans nanotransporteurs polymériques est une des techniques nanotechnologie prometteuses pour améliorer l'imprégnation du bois avec pesticides. Cette technique est conçue pour augmenter la solubilité de pesticides peu solubles dans l'eau et libérer pesticides de manière lente. L'encapsulation permet à ces pesticides de faible solubilité de se disperser facilement en nanoparticules polymériques solides. Le polymère peut alors être suspendu dans l'eau et appliqué au bois via traitements aqueux conventionnels. L'encapsulation est aussi capable de protéger l'ingrédient actif hydrophile du lessivage excessif. Du fait du petit diamètre de la capsule, elle peut être facilement incorporée et pénétrer dans la paroi cellulaire du bois. Cela améliore accordingly la durabilité du bois traité contre agents de biodégradation. Non seulement cette technologie peut livrer pesticides en sécurité, elle peut aussi prolonger la durée de vie du pesticide, résultant en protection étendue pour le bois.
L'encapsulation de pesticides est une approche bottom-up. Elle peut être réalisée par plusieurs techniques comme nanoprécipitation, émulsion-diffusion et double émulsification (tableau 3). Les matériaux utilisés comme nanotransporteurs polymériques peuvent être dérivés de polymère naturel, polymère synthétique ou combinaison des deux. Par exemple, polymère naturel inclut cellulose, amidon, alginates, silice et halloysite. Le polymère synthétique généralement utilisé comme nanotransporteurs inclut poly(acétate de vinyle), poly(méthacrylate de méthyle), poly(acide lactique), etc. (tableau 3).
Une étude précédente de Liu et al. a encapsulé avec succès tebuconazole et chlorothalonil dans polyvinylpyridine et polyvinylpyridine-co-styrène par méthode d'imprégnation. La taille des particules de capsules obtenue était entre 100 et 250 nm. Ils ont imprégné une suspension des capsules dans aubier de pin jaune du sud et bouleau en utilisant traitements de pression conventionnels. Le bois traité a été exposé à pourriture brune (Gloeophyllum trabeum) et pourriture blanche (Trametes versicolor) pendant 55 jours. Les résultats montraient grande résistance contre les deux champignons de pourriture.
Salma et al. ont utilisé la technique de nanoprécipitation pour encapsuler tebuconazole. Les capsules polymères contenant tebuconazole étaient préparées à partir de copolymères amphiphiles de gélatine greffée avec méthacrylate de méthyle avec diamètres de 200 à 400 nm ou 10 à 100 nm selon ratio masse noyau/coquille polymère. Le tebuconazole encapsulé était rapporté capable de préserver bois contre champignon pourriture brune. D'autre part, le système de formulation développé par Salma et al. est flexible et peut être facilement modifié par copolymérisation d'autres monomères acryliques comme méthacrylate d'hydroxyéthyle. Cela indique que le taux de libération de tebuconazole peut être fait sur mesure. Cependant, le désavantage de ces nanocapsules est qu'elles sont sujettes à l'agrégation, réduisant l'efficacité de livraison des nanocapsules dans le bois.
Can et al. ont encapsulé avec succès nano argent dans copolymère polystyrène-soja. Dans leur étude, pin sylvestre était imprégné avec les capsules et testé contre champignons pourriture blanche (Trametes versicolor). La découverte indiquait que l'huile de soja, polystyrène et nanosilver jouaient rôles importants dans l'effet synergique d'augmentation de la résistance à la pourriture du pin sylvestre.
Imprégnation de nanoparticules métalliques pour amélioration de la durabilité
Les nanoparticules métalliques ont été utilisées pour protéger bois contre agents de biodégradation et intempéries depuis des décennies. Les nanoparticules offrent de meilleures caractéristiques que leur forme en vrac, principalement à cause de leur taille réduite menant à haut rapport surface/volume spécifique, distribution de taille uniforme et bonne stabilité. Du fait de leur très petite taille, les nanoparticules peuvent pénétrer profondément et uniformément dans les pores du bois menant à une protection du bois. En plus, la stabilité de dispersion est améliorée à cause de la taille et aussi par addition de surfactant. Stabilité de dispersion couplée avec petite taille de particule peut grandement améliorer : (1) pénétration du conservateur, (2) traitabilité du bois, (3) stabilité des finis et produits de revêtement, (4) faible viscosité, et (5) non-lessivabilité. En plus, cela peut améliorer la compatibilité avec liants augmentant ainsi l'affinité avec polymères bois.
Les nanoparticules métalliques peuvent être préparées en modifiant la taille particulaire du métal via réactions chimiques, traitement mécanique, chauffage ou reflux. À ce jour, beaucoup de nanoparticules ont été utilisées pour protection bois. Nanoparticules métalliques principalement cuivre, argent, bore et zinc exhibent bonne performance contre pourriture blanche et brune mais moins efficaces contre moisissure. Dioxyde de titane (TiO2) est une autre nanoparticule avec bon potentiel comme conservateur bois. Le potentiel du TiO2 est lié à ses propriétés antibactériennes, antifongiques et UV-résistantes. Cependant, l'étude sur bois traité TiO2 est encore en investigation préliminaire. Le tableau 4 liste les travaux sur l'utilisation du TiO2 pour préservation bois. La distribution du TiO2 dans le bois a été étudiée par Mohammadnia-Afrouzi et al. (fig. 3).
Le cuivre est un biocide essentiel pour protection bois. Cependant, le cuivre seul échoue à protéger bois contre champignons destructeurs de bois tolérants au cuivre. Nanoparticules de cuivre est une nouvelle génération de conservateur bois à base de cuivre. L'utilisation de nanoparticules de cuivre au lieu de cuivre conventionnel montre durabilité améliorée du bois contre champignons pourriture. Cela montre que nanoparticules cuivre peuvent être utilisées pour protéger bois sans présence de chrome et arsenic.
Cristea et al. ont étudié les effets de l'addition de nanoparticules ZnO et argent dans revêtements bois extérieur. Le but était d'améliorer durabilité et protection bois par écran UV. Outre fournir protection efficace contre UV, les propriétés mécaniques du bois comme dureté, résistance adhérence, résistance à l'abrasion et effet barrière pour diffusion vapeur d'eau étaient légèrement améliorées.
Le mélange nanoparticules ZnO avec nanoparticules argent était capable de protéger bois des problèmes de vieillissement comme rayons UV. Ils ont imprégné aubier de peuplier en utilisant trois concentrations différentes de mélange par procédé cellule pleine. Les échantillons étaient exposés au vieillissement naturel. Les changements de couleur des échantillons bois traités mesurés par spectrophotomètre. Le bois traité avec nanoparticules ZnO seul utilisé comme témoin. La découverte indique que bois traité avec mélange nanoparticules ZnO et argent a les plus faibles changements de couleur comparé aux échantillons traités avec chaque nanoparticule métallique individuellement.
Dans une autre étude, Mantanis et al. ont traité bois pin noir avec ZnO, borate de zinc et nanoparticules oxyde de cuivre sous vide. Ils ont utilisé émulsion acrylique pour forcer les nanoparticules métalliques dans la structure bois pour éviter lessivage. La durabilité du bois traité contre moisissure, champignons pourriture et termites souterrains évaluée. Résultats montraient que bois traité avec borate de zinc inhibait légèrement la moisissure, tandis que les autres nanoparticules métalliques n'exhibaient pas moisissure. Une découverte similaire rapportée par Terzi et al. que nanoparticules ZnO n'exhibaient pas croissance moisissure sur spécimens bois. Cependant, toutes nanoparticules métalliques inhibaient significativement champignons pourriture blanche et termites.
Une autre étude montre que nanoparticules métalliques peuvent améliorer propriétés retardatrices de feu du bois. Francĕs et al. ont étudié l'effet de SiO2, TiO2 et ZnO2 infiltrés dans placages pin. Ils ont rapporté que placage traité avec 3% pds SiO2 était le plus efficace pour améliorer comportement retardateur de feu.
Malgré les avantages remarquables de la nanotechnologie dans le secteur préservation bois comme discuté ci-dessus, la compréhension fondamentale sur synthèse, traitement et caractérisation des nanocapsules et nanoparticules métalliques pour protection bois a encore besoin d'être améliorée. Les caractéristiques les plus intéressantes à considérer pendant la conception et développement de nanocapsules ou nanoparticules métalliques pour protection bois sont listées au tableau 5.
Potentiel des matériaux à base de nanocellulose dans le secteur énergie
L'énergie est une ressource importante ayant forte corrélation entre croissance économique et développement. Aujourd'hui, principales sources d'énergie sont combustibles fossiles et sources hydroélectriques, très nuisibles à l'environnement car elles causent changement climatique, réchauffement global, appauvrissement couche ozone, pollution, émissions gaz à effet de serre et destruction écologique. Environ 80% des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO2) viennent du secteur énergie et l'avancement technologique est requis pour développer ressources énergétiques renouvelables durables pour réduire émissions CO2 et surmonter impact réchauffement global sur vie et santé en ligne avec besoins d'accélération développement technologique.
Afin de minimiser effets environnementaux, un matériau carboné durable et faible coût énergétiquement efficace a été exploré comme potentiel pour remplacer certains matériaux conventionnels dans fabrication dispositifs énergie. Un des matériaux carbonés naturels est la cellulose, polymère naturel le plus prometteur avec nombreux usages, incluant énergie.
La nanotechnologie est une des technologies avancées ayant potentiel et perspective pour répondre à la demande de créer énergie propre et verte. Développer ce nouveau matériau à l'échelle nanométrique permet nouvelles applications et son interaction avec technologie énergie actuelle qui révolutionnerait le domaine énergie de l'usage à l'approvisionnement, conversion au stockage et transmission à la distribution. En adaptant cette nanotechnologie, cela aura haut impact sur développement énergie propre et verte et bénéficiera environnement et ressources naturelles.
Selon Serrano et al. et Hut et al., l'application la plus prometteuse de la nanotechnologie pour conversion énergie est principalement focalisée sur énergie solaire, matériaux conducteurs, hydrogène solaire, piles à combustible, batteries, génération d'énergie et dispositifs énergie. Comprendre propriétés structurales et morphologiques des nanomatériaux est essentiel pour obtenir proficiency et durabilité pour nombreuses applications. La plus grande application de la nanotechnologie dans génération énergie est énergie solaire utilisant cellules photovoltaïques (PV) focalisée sur efficacité de captage. Consommation d'énergie générée par cette cellule solaire utilisant ressources naturelles réduira usage combustibles fossiles et diminuera pollution vers création énergie verte et respectueuse environnement. En plus, développement nano-dispositifs utilisant cellule solaire pourrait améliorer efficacité matériaux existants et réduire coûts fabrication qui pourrait augmenter croissance économique.
La nanotechnologie a été utilisée dans diverses applications pour améliorer environnement, résoudre problèmes humanité et produire énergie plus efficace et rentable, comme générer moins pollution pendant fabrication produits, produire cellules solaires et piles à combustible à coût compétitif, production hydrogène, nettoyage produits chimiques organiques polluant eaux souterraines et surmonter problème suffisance énergie, changement climatique et maladies ainsi que réduire dépendance sources énergie non-renouvelables.
Matériau à base de nanocellulose pour énergie solaire
L'énergie solaire est disponible dans diverses parties du monde et peut être captée du soleil avec 15 000 fois plus d'énergie annuellement. Cette source énergie peut être utilisée de différentes façons : technologie photovoltaïque (PV), systèmes thermiques solaires, photosynthèse artificielle, technologies solaires passives et technologie biomasse, utilisées pour produire électricité, vapeur ou biocarburants.
Dans le futur, la nanotechnologie pourrait contribuer à développer système efficace et faible coût pour production, stockage et transport d'énergie. Selon Serrano et al. et Hut et al., le marché photovoltaïque (PV) actuel est basé sur cellules solaires à wafer silicium (première génération) et couches minces de matériaux semi-conducteurs (deuxième génération). Inconvénient actuel des cellules solaires est le coût de fabrication principalement sur coût élevé cellules PV conventionnelles avec faible efficacité absorption énergie (moins de 40%).
La nanocellulose montre bon potentiel pour être utilisée dans système énergie solaire due à sa renouvelabilité, biodégradabilité, biocompatibilité, large capacité de modification, adaptabilité et morphologie versatile. Substrat cellulose faible coût, flexible et poreux pourrait être utilisé pour produire cellules solaires. Nanocellulose fibrillée (NFC) avec taille aussi bas que 4 nm pourrait devenir excellent candidat pour production papier ultra-mince pour composant cellule solaire stocker énergie. Klochko et al. ont utilisé nanocellulose de biomasse pour développement film mince biodégradable éco-friendly flexible comme matériau thermoélectrique. Le film mince utilisé pour convertir chaleur faible qualité de rayonnement solaire en électricité à température proche ambiante.
Matériaux conducteurs à base de nanocellulose
Les matériaux conducteurs permettent le flux de courant électrique nécessaire dans fabrication dispositifs énergie. Il y a plusieurs types de matériaux conducteurs : polymères conducteurs, matériaux carbonés conducteurs (nanotubes carbone, graphène, noir de carbone) et particules métalliques avec différents niveaux de conductivité. Ces matériaux conducteurs peuvent être combinés avec nanocellulose pour former nouveaux composites. Le processus de production matériaux conducteurs nanocellulose est montré figure 2. Il y a deux stratégies majeures impliquées dans processus fabrication hybrides conducteurs nanocellulose : revêtement de couche matériaux conducteurs sur surface substrats nanocellulose, et mélange matériaux conducteurs à l'intérieur substrat nanocellulose pour faire composite. Les polymères conducteurs sont alternative aux matériaux métalliques grâce à leur bonne performance électrochimique, légèreté et faible coût. Un des polymères conducteurs les plus prometteurs est polyaniline (PANI) grâce à sa voie de synthèse simple, conductivité contrôlable et capacitance spécifique élevée.
Les matériaux conducteurs à base de nanocellulose sont développés pour applications supercondensateurs et dispositifs stockage énergie utilisant diverses méthodes comme polymérisation in situ, dopage, revêtement, impression jet d'encre et dépôt in situ. La modification du supercondensateur existant en ajoutant nanocomposants a augmenté sa capacité à stocker grande quantité d'énergie avec plus longue durée d'approvisionnement.
De plus, électrodes membranes composites nanocellulose peuvent être développées via polymérisation in situ de nanocellulose utilisant composants conducteurs via unité de filtration simple. Une membrane composite bien mélangée matériaux conducteurs/nanocellulose est laissée sur le filtre après passage du liquide et membrane composite séchée à l'air peut être décollée du filtre pour utilisation ultérieure comme supercondensateurs.
Nanocellulose pour stockage énergie
L'application potentielle de la nanocellulose pour application stockage énergie a gagné beaucoup d'attention récemment. Ceci est dû à sa dimension nanométrique, grand rapport surface/volume, et riche en groupe hydroxyle, rendant leur chimie de surface facilement modifiable pour traitement composite. L'aspect le plus important dans stockage énergie est de développer nanocellulose avec propriétés conductivité et flexibilité. Cela peut être réalisé en ajoutant polymères conducteurs comme polyaniline et polypyrrole. Par exemple, film composite nanocellulose/polyaniline largement utilisé comme capteurs base papier, électrode flexible, adhésif conducteur. Razaq et al. ont fabriqué électrodes à partir de composite nanocellulose/polypyrrole et filament carbone pour dispositifs stockage énergie base papier. Wang et al. ont rapporté que leurs dispositifs développés avec composite nanocellulose/polypyrrole fournissent haute capacité charge/décharge, hautes capacitances cellule, et performance cyclage.
Matériaux à base de nanocellulose pour batteries lithium et vanadium
La forte demande sur dispositifs électroniques portables flexibles récemment comme smartphones, véhicules électriques, ordinateurs portables, et même stockage énergie réseau cause demande croissante sur batteries lithium-ion rechargeables (LIBs) et supercondensateurs. Les LIBs sont un des candidats stockage énergie les plus idéaux pour dispositifs électroniques, dus à leur haute densité énergie, densité puissance modérée et stabilité cyclage. Dans LIBs, électrolyte est important pour transfert ion lithium (Li+) entre anode et cathode. Électrolyte liquide organique utilisé pour systèmes LIBs, mais peut poser préoccupation sécurité tremendeuse due à haute toxicité et inflammabilité. Électrolyte solide est devenu d'intérêt car il démontre avantages évidents de faible inflammabilité et faible toxicité. Selon Janek et al., électrolyte solide classé comme électrolyte polymère solide (SPE) et électrolyte solide inorganique (ISE). Cependant, SPE offre avantages traitement facile et flexibilité.
Qin et al. ont développé SPE en incorporant oxyde de polyéthylène (PEO) avec aérogel nanofibrillé cellulose et sel lithium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (LiTFSI). Les résultats montraient que propriétés conductivité ionique du SPE étaient significativement améliorées due à cellulose nanofibrillée chargée négativement. Les résultats prouvaient aussi que SPE fabriqué est électrochimiquement stable, mécaniquement robuste et thermiquement stable ainsi que flexible, attendu pour utilisation dans dispositifs électroniques flexibles.
Nair et al. ont fabriqué électrolyte polymère composite chargé nanocellulose pour batteries lithium-soufre haute performance par méthode polymérisation induite thermiquement. L'électrolyte polymère composite démontre excellente conductivité ionique, stabilité thermique jusqu'à plus de 200 °C et interface stable vers lithium. L'électrolyte a aussi profils cyclage stables attribués à réduction significative migration polysulfure vers anode par piégeage nanocellulose dans matrice polymère.
Une autre étude menée par Zhang et al. sur membrane échange protons robuste développée en utilisant poly(éther sulfone) sulfoné renforcé par nanocellulose core-coquille pour batteries redox vanadium (VRFBs). Il a été trouvé qu'avec incorporation nanocellulose encapsulée silice, membrane échange protons exhibe résistance mécanique exceptionnelle 54,5 MPa et efficacité énergétique haute au-dessus 82% à 100 mA cm−2, stable pendant 200 cycles charge-décharge. La membrane échange protons est un des composants clés dans VRFBs. Elle fonctionne comme séparateur pour éviter crossover ions vanadium. Elle agit aussi comme conducteurs protons contribuant à haute efficacité tension dans VRFBs.
Matériaux à base de nanocellulose pour supercondensateur flexible
Le supercondensateur ou condensateur double couche électrochimique ou ultracapacitateur est un autre système stockage énergie versatile qui a gagné l'attention des chercheurs mondiaux. Avec haute densité puissance, long cycle vie, principes simples, faible maintenance, portabilité, performance stable et taux charge/décharge rapide, les supercondensateurs sont capables de combler l'écart entre batteries et condensateurs conventionnels. Ces propriétés offrent approche prometteuse pour répondre aux demandes de puissance croissantes.
L'électrode est un composant très important dans supercondensateur. Elle nécessite bonne performance électrochimique et flexibilité surtout pour préparer supercondensateur flexible haute performance. Him et al. et Zhe et al. ont trouvé que graphène et nanocellulose sont excellents matériaux électrode flexibles pour supercondensateurs. La nanocellulose a été utilisée comme matériau substrat grâce à sa bonne biodégradabilité, résistance mécanique, flexibilité et réactivité chimique. La structure poreuse et hydrophilie de la nanocellulose peuvent faciliter l'attachement d'autres matériaux comme graphène dans leur structure réseau fibreux. En même temps, l'abondance de groupes hydroxyles sur surface nanocellulose permet l'interaction de nanocellulose avec autre polymère pour former composites forts.
Khosrozadeh et al. ont développé une électrode pour supercondensateur utilisant composite nanocellulose-polyaniline/graphène/nanofil argent et après 2400 cycles, à densité courant 1,6 A/g, le supercondensateur montrait densité puissance, densité énergie et capacitance de 108%, 98% et 84% respectivement. Cela montre que l'électrode a une excellente stabilité cyclique et bonne flexibilité mécanique. D'autre part, Ma et al. ont développé une électrode utilisant cellulose bactérienne/polypyrrole revêtu graphène. L'électrode préparée a bonne flexibilité mécanique pouvant se plier à tout angle. La capacitance surfacique et densité énergie peuvent atteindre 790 mF cm−2 et 0,11 mWh cm−2 respectivement quand assemblée en supercondensateurs symétriques. L'électrode nanocellulose-graphène peut être fabriquée par réticulation chimique ou physique. La nanocellulose comme composant électrode de supercondensateur joue aussi rôle de réservoir électrolyte interne. Ceci car nanocellulose peut fournir voie efficace pour transport ion. La structure poreuse haute et propriétés hydrophiles de la nanocellulose facilitent le transport d'ions électrolyte.
Papier à base de nanocellulose pour dispositifs électroniques
Le papier à base de nanocellulose est un substrat vert utilisable pour dispositifs électroniques et optoélectroniques. Actuellement, le papier commercial a surface relativement rugueuse et propriétés mécaniques faibles ce qui peut être problématique pour fabrication dispositifs électroniques. La plupart des fabrications dispositifs électroniques utilisent composants non-biodégradables et non-recyclables comme plastiques, verres et silicones comme substrats. La formation de papier nanocellulose à partir de NFC via méthode de filtration simple peut produire papier mécaniquement fort et faible coefficient expansion thermique comme alternative au papier commercial. Selon Li et Lee, papier nanocellulose transparent pour dispositifs électroniques a été conçu et appliqué pour electrochromique, capteur tactile, cellules solaires, transistors, diodes électroluminescentes organiques (OLEDs), épreuve gravure et identification radiofréquence (RFID).
Une des applications du papier nanocellulose transparent est pour production matériaux électroniques flexibles par impression circuit directement sur surface substrats via techniques revêtement ou dépôt thermique. Premièrement, la fabrication électronique flexible était construite sur wafer silicium spécial permettant aux nanomembranes silicium (Si NMs) d'être libérées et transférées sur substrat NFC avec couche adhésive, et dispositif complété par étapes patronnage photorésist et gravure sèche comme illustré figure 4.
De plus, NFC est aussi le substrat principal pour diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) (fig. 5). Okahisa et al. ont rapporté que dispositif OLEDs était fabriqué sur composite nano cellulose fibrillée (NFC) à base de bois.
Potentiel des composites à base de nanocellulose pour développement de capteurs
La nanocellulose a été largement utilisée pour développer nouveaux capteurs et améliorer la sensibilité des capteurs. Dans l'industrie alimentaire par exemple, les capteurs sont devenus un outil important pour protéger humains des dangers et risques sanitaires causés par contaminants alimentaires. Les capteurs peuvent aider à identifier rapidement mycotoxines, pathogènes, métaux lourds, pesticides, ions métalliques, etc. dans l'alimentation. En plus, la technologie capteur peut surmonter le processus compliqué, laborieux et chronophage utilisant instruments coûteux qui requièrent généralement personnel bien formé. Le capteur fournit aussi détection rapide et sensible de la sécurité alimentaire.
Dans la dernière décennie, beaucoup de capteurs (capteurs électrochimiques, biosenseurs, capteurs chimiques) ont été développés avec succès comme alternatives ou outils de détection complémentaires pour détection rapide et sensible. Cependant, capteurs conventionnels étaient développés utilisant plastiques, produits pétrochimiques et matériaux inorganiques menant à problèmes environnementaux. De plus, problèmes comme émissions gaz à effet de serre, toxicité et durabilité des matériaux deviennent croissants. Donc, la demande pour dispositifs capteurs durables a augmenté rapidement ces dernières années.
Les nanocelluloses de plantes et bactéries ont montré des potentiels prometteurs dus à leurs excellentes propriétés physiques, thermiques, mécaniques, optiques et physiques, importantes pour fabriquer dispositifs capteurs haute performance. Ces propriétés font la nanocellulose plus préférée comme biomatériaux car elle peut améliorer la sélectivité et sensibilité des capteurs pour détection d'analytes. D'autre part, les propriétés d'adhérence de la nanocellulose préviennent les problèmes de lessivage des réactifs immobilisés. Ainsi une amélioration remarquable peut être obtenue pour la stabilité à long terme du capteur. En plus, les groupes hydroxyle –OH sur nanocellulose peuvent être modifiés pour incorporation de sites de liaison pour adsorption sélective de différentes espèces d'analytes. La combinaison de ces caractéristiques fait les fibres nanocellulose nanostructurées un bloc de construction idéal pour conjugaison avec autres matériaux fonctionnels (tableau 6).
Développement de biosenseurs
Kim et al. ont immobilisé enzymes candida rigosa lipase dans différents nanocristaux cellulose. Les résultats indiquent que candida rigosa lipase absorbée sur nanocellulose était relativement plus élevée comparée à microcellulose. Cela peut être lié à la grande surface spécifique sur nanocellulose augmentant l'interaction ionique entre groupe anionique nanocellulose et candida rigosa lipase. Dans cette étude, ils ont trouvé que la demi-vie de candida rigosa lipase immobilisée dans nanocellulose augmentait 27 fois comparée à forme libre. De plus, la stabilité de l'enzyme augmentait aussi.
Un autre groupe de chercheurs, Edwards et al., ont étudié les profils cinétiques de substrats tri- et tétrapeptides d'élastase pour fabrication biosenseur élastase connu comme élastase neutrophile humaine (HNE) et élastase pancréatique porcine (PPE). Pour développer HNE et PPE, tri- et tétrapeptides immobilisés étaient utilisés dans nanocristaux cellulose coton. Ils ont trouvé que 2 mg tripeptide conjugué nanocristaux cellulose coton en 1 h pouvait détecter 0,03 U mL−1 PPE, tandis que 0,2 mL tétrapeptide conjugué nanocristaux cellulose coton sur 15 min pouvait détecter 0,05 U mL−1 activité HNE. Incani et al. ont fabriqué un biosenseur en immobilisant enzyme glucose oxydase (GOx) dans nanocomposite nanocellulose/polyéthylèneimine (PEI)/nanoparticules or (AuNPs). Les AuNPs étaient adsorbés sur PEI cationique et nanocellulose. Les spectres Transformée de Fourier Infrarouge (FTIR) confirmaient que GOx était immobilisé avec succès sur composites polymères.
Abd Manan et al. ont développé avec succès biosenseur basé sur nanocomposite nanocellulose cristalline (NCC)/sulfure de cadmium (CdS) points quantiques (QDs) pour détermination phénol. Ils ont modifié NCC avec surfactant cationique bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) et décoré avec points quantiques CdS capés acide 3-mercaptopropionique (MPA) comme échafaudage pour immobilisation enzyme tyrosinase (Tyr). Les images MET de NCC et CTAB-NCC indiquent que structure type moustaches agglomérées de NCC n'était pas affectée par modification, tandis que QDs MPA sont de forme sphérique. Les images MEB à émission de champ de film nanostructuré CTAB-NCC exhibaient structure fibreuse homogène, uniforme et dense agglomérée, tandis que pour film nanocomposite CTAB-NCC/QDs, les QDs CdS apparaissaient comme minuscules points blancs. L'analyse EDX montre présence éléments respectifs carbone (C), oxygène (O), soufre (S) et cadmium (Cd), indiquant QDs CdS attaché avec succès dans film CTAB-NCC. Le test contre phénol montre le biosenseur exhibe bonne linéarité vers phénol dans gamme concentration 5–40 µM (R2 = 0,9904) avec sensibilité et limite détection de 0,078 µA/µM et 0,082 µM respectivement.
Dans l'industrie alimentaire, les capteurs sont utilisés pour surveiller la qualité ou fraîcheur des aliments. Moradi et al. ont développé un indicateur détection pH basé sur nanofibres cellulose bactérienne pour surveiller fraîcheur poisson. Ils ont utilisé anthocyanes de carotte comme indicateur. Le capteur fabriqué affichait larges différences de couleur du rouge au gris sur gamme pH 2–11. Les changements de couleur étaient distinguables : couleur carmin profond indique poisson frais, couleur rose charme indique poisson meilleur à manger immédiatement, poisson avarié indiqué par couleurs bleu haricot gélatine et kaki.
Développement de capteurs chimiques
La structure hydrogel nanocellulose a été utilisée précédemment pour immobiliser points quantiques graphène co-dopés soufre et azote comme capteur faible coût pour détection enzyme laccase. La laccase est la famille enzyme multicuivre oxydase. Elle est impliquée dans monooxydation électronique de plusieurs composés aromatiques et amines aliphatiques. Donc, elle est généralement utilisée dans produits décoloration et coloration. Donc, surveillance activité laccase dans produits commerciaux est grand intérêt. De cette étude, les auteurs ont trouvé les points quantiques graphène co-dopés soufre et azote étaient auto-organisés via interactions électrostatiques.
Faham et al. ont décrit le développement d'un kit essai colorimétrique nanocellulose pour détection smartphone de fer, Fe(II) et médicament chélateur fer déferoxamine (DFO) en biofluides. Ils incorporent curcumine dans nanopapier cellulose bactérienne transparent, comme kit essai colorimétrique. Le kit essai était alors utilisé pour surveillance fer et déferoxamine comme médicament chélateur fer en fluide biologique comme urine, sang, salive et sérum. Le kit essai peut être facilement couplé avec technologie smartphone pour surveillance colorimétrique Fe(II) et DFO.
Développement de capteurs électrochimiques
Burrs et al. ont démontré le biosenseur électrochimique base glucose pour détection bactéries pathogènes. Le papier conducteur utilisé pour développement capteur électrochimique était préparé utilisant composites graphène-nanocellulose. Le platine était électrodéposé sur composites graphène-cellulose par sonoélectrodéposition pulsée. Ensuite le capteur était fabriqué en fonctionnalisant nanoplatine avec glucose oxydase (GOx) piégée dans hydrogel chitosane sur papier conducteur. Ils ont trouvé que le capteur est extrêmement efficace pour utilisation en biosensing électrochimique avec faible limite détection pour glucose ou bactéries pathogènes.
Ortolani et al. ont développé un dispositif détection électrochimique utilisant nanocellulose et nanocornes carbone mono-paroi (SWCNH) pour détermination guanine et adénine. Les deux nanocellulose et SWCNH ont grande surface spécifique, bonne conductivité, haute porosité et stabilité chimique. Le capteur préparé montrait activité électrocatalytique haute et hautement sensible vers détermination simultanée guanine et adénine. Le capteur présentait aussi limite détection plus basse. Une autre étude conduite par Shalauddin et al. a utilisé hybride nanocellulose/nanotubes carbone multi-parois fonctionnalisés (f-MWCNTs) pour développement détection électrochimique. Le capteur pour détermination diclofénac sodique en médicaments pharmaceutiques et échantillons fluides biologiques utilisé. La présence de groupes –OH dans nanocellulose rapportée fournir plus sites liaison pour différents analytes assurant réarrangement module axial et incorporation f-MWCNTs.
Toxicité des nanomatériaux
Bien que les nanomatériaux offrent de nombreux bons potentiels à divers secteurs industriels, leur danger potentiel pour humains et environnement ne peut être simplement ignoré. La question de sécurité ou toxicité doit être abordée en menant une étude complète sous divers angles. La nanotoxicité ou étude de la toxicité des nanomatériaux peut être classée en plusieurs domaines : stress oxydatif, génotoxicité, écotoxicité. Chez humains, la toxicité peut survenir par voies pulmonaire, orale et dermique. Les nanomatériaux peuvent affecter humains principalement pendant extraction ou production, manipulation, usage et élimination. Les nanoparticules inorganiques (NPs) comme ZnO et oxyde de nickel (NiO) sont considérées plus toxiques comparées aux nanomatériaux organiques comme nanocellulose. Les NPs organiques digérés sont moins susceptibles d'induire toxicité puisque les sous-produits de digestion par acide gastrique sont sucres simples, bien que dans le cas de la nanocellulose, le manque d'enzyme dans l'intestin humain capable de dégrader la cellulose résulte en la cellulose traversant l'intestin assez rapidement. Une étude de toxicité subchronique 90 jours sur rats Sprague Dawley conduite par Ong et al. indiquait qu'aucune toxicité systémique attribuable à 4% consommation alimentaire de cellulose fibrillée n'était observée. Dans la même étude, une concentration plus élevée de 30% de cellulose nanofibrillée pendant 72 semaines indiquait aussi aucun effet adverse. Quand présentes dans l'air, les nanoparticules peuvent aussi avoir effets nocifs sur santé humaine. Nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) sont possiblement un des NPs les plus étudiés pour effets toxicité. Dans l'étude, Poulsen et al. ont trouvé que MWCNT épais et longs ainsi que fins et courts induisaient potentiel génotoxique et inflammation durable pouvant mener à maladies cardiovasculaires. En contraste, une étude sur toxicité inhalation NCC sur rats albinos a montré aucun effet indésirable observé à concentration maximale 0,26 mg/L pour période de 4 heures. Au niveau cellulaire, cytotoxicité NCC sur différents types cellulaires étudiée avec la plupart études concluant NCC non-toxique pour variété cellules mammifères à concentrations inférieures 0,25 mg/L, mais peut exhibir effets cytotoxiques à concentrations 0,5 mg/L et plus. La nanogénotoxicité primaire fait référence à la possibilité de nanoparticules ou leurs sous-produits d'endommager ADN directement ou indirectement. La génotoxicité secondaire est causée par interaction système immunitaire aux perturbations causées par nanoparticules. Une étude d'Akerlund et al. indiquait que NPs inorganiques de Ni et NiO-induisaient cytokines inflammations menant à génotoxicité secondaire dans cellules épithéliales poumon humain. Cependant, ils requièrent investigation supplémentaire pour comprendre facteurs causant cette génotoxicité secondaire et si tels résultats sont causés par autres nanoparticules aussi.
NanoTiO2 dans revêtements bois a été rapporté avoir faible toxicité pour organismes terrestres, et aucune bioaccumulation observée. Une autre étude sur nanoparticules oxyde de cérium (CeO2) ou ceria a montré qu'aucune toxicité aiguë n'était observée pour Daphnia magna, Thamnocephalus platyurus et embryons D. rerio à concentrations test 1000, 5000, et 200 mg/L respectivement. Cependant, la même étude indiquait toxicité chronique significative sur P. subcapitata observée avec concentrations effet 10% (EC10) entre 2,6 et 5,4 mg/L. Pulido-Reyes et al. ont expliqué que le cycle redox entre Ce3+ et Ce4+ est chimie unique de nanoceria dépendant conditions environnementales prévalentes. Ils ont conclu que dans la plupart études NPs cérium oxyde, la quantité de surface Ce3+ corrèle avec toxicité et cela peut être surmonté en bloquant sites Ce3+ avec anions comme phosphates (PO43−) qui réduiront niveaux espèces réactives oxygène et surmonter stress oxydatif. Pendant et après élimination, il y a probabilité que NPs interagissent avec environnement, que ce soit sol ou environnement aquatique. Le stress oxydatif ou toxicité induite par nanoparticules carbonées est principalement concerné car cette condition affectera l'équilibre oxygène dans environnement. Wang et al. ont montré que NCCs activaient stress oxydatif dans organismes aquatiques (algues Scenedesmus obliquus, crustacé planctonique Daphnia magna, larve poisson d'eau douce Danio rerio) à concentrations au-dessus 0,1 mg/L. La forme NCC, morphologie et concentration sont considérées facteurs contributifs, suggérant évaluation impacts écotoxicologiques nanocellulose quand utilisée à grandes échelles. Une méthode de réduction effets indésirables sur environnement est de fournir mécanisme pour capturer, retenir ou recycler NPs pendant traitement. NPs magnétiques (ex. magnétite) ou modification de surface peuvent être utilisés pour ce but. Presque toutes études toxicité nanoparticules recommandent plus recherches pour trouver techniques analytiques et protocoles appropriés pour détecter NPs organiques dans matrices biologiques ainsi que investigations mécanistiques et environnementales pour comprendre risques potentiels NPs sur écosystème.
Conclusions
Le potentiel de la nanotechnologie dans le secteur produits à base de bois est énorme. La nanotechnologie offre l'opportunité de changer le paysage de l'industrie des produits à base de bois localement et globalement. La forêt elle-même via plantations forestières peut fournir sources durables vers création de nouvelle génération de cellulose appelée nanocellulose qui pourrait offrir myriades d'applications dans divers domaines industriels. De plus, la nanocellulose est moins chère que matériaux carbonés (ex. nanotube carbone, graphène), respectueuse de l'environnement et peut améliorer la recyclabilité et la performance d'innombrables produits. Par exemple, la nanocellulose peut être utilisée pour améliorer la performance du papier et réduire l'utilisation de pâte dans la fabrication du papier, résultant en économie de coûts. La nanocellulose peut aussi être transformée en nanopapier ou film mince pour utilisation emballage papier ou autre secteur comme électronique offrant alternative au plastique non-renouvelable. La nanocellulose utilisée dans composite bois peut mener au développement de composites avancés qui peuvent être adaptés à des usages spécifiques. Ensemble avec leurs propriétés de résistance et abordabilité les rend une solution viable pour réduire le besoin de bois massif. Les secteurs industriels autres que produits à base de bois pourraient aussi bénéficier de l'utilisation de nanocellulose comme dans dispositifs énergie et capteurs. Divers produits à base de nanocellulose pour applications stockage énergie et capteur d'énergie ont été développés à l'échelle laboratoire. Vu ce développement intéressant, la Malaisie s'est embarquée dans la production de nanocellulose à partir de divers matériaux lignocellulosiques tropicaux. Malheureusement, l'application de la nanocellulose à l'échelle commerciale en Malaisie est encore inexistante. Ainsi, cela requiert efforts collectifs, concertés et intensifs de divers acteurs incluant parties prenantes, industrie et chercheurs pour promouvoir l'utilisation de la nanocellulose et assurer qu'elle puisse entrer au prochain niveau d'application et de commercialisation. L'utilisation de matériaux nanosize autres que nanocellulose a déjà bénéficié et donné avantage au domaine produits à base de bois incluant pâte et papier, composite bois, revêtement bois et conservateur bois.
Nanomatériaux
- Pourquoi le molybdène domine la fabrication du verre
- Le rôle crucial du niobium dans la production d'acier moderne
- Le titane dans l'horlogerie : innovation, design hypoallergénique et performance légère
- Pigments dans l'industrie du papier et pâte : types, usages et applications
- Comment l'Industrie 4.0 transforme de multiples secteurs
- Automatisation industrielle 4.0 : révolutionner l'efficacité de la production
- Comment l'Industrie du Transport Routier US Approvisionne et Transporte les Machines d'Occasion en Toute Sécurité
- Comment l'impression 3D révolutionne l'industrie automobile
- Industrie réparation/reconditionnement hydraulique : Partie 2 - Insights clés et tendances aftermarket