02/10/2023
0Материалы на биологической основе имеют решающее значение, поскольку строительная отрасль находится под давлением необходимости декарбонизации.
Оптические покрытия должны быть прозрачными, но до сих пор были видны даже довольно тонкие пленки из частиц лигнина.
Исследователи нашли способ превратить древесные отходы в прозрачное покрытие или цветную отражающую поверхность и утверждают, что их можно использовать в стекле и окнах.
Открытие было сделано исследователями из Университета Аалто в Финляндии , которые разработали метод превращения лигнина в прозрачное покрытие на биологической основе с противозапотевающими и антибликовыми свойствами.
По словам ведущего автора исследования, докторанта Александра Хенна, «высокоценные направления применения важны для отказа от использования лигнина только в качестве топлива».
Последние исследования подтверждают исследование г-на Хенна, проведенное в 2021 году, в котором утверждается, что лигнин можно использовать для создания более прочных и устойчивых строительных материалов.
Лигнин, составляющий от 20 до 30% древесного композита, традиционно выбрасывается как отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Даже при их использовании 98% из них в конечном итоге превращаются в недорогие продукты, такие как топливо для отопления или выработки электроэнергии.
Stora Enso модернизирует целлюлозный завод в Суинила, превращая его в новаторское производство, ориентированное на повышение добавочной стоимости при использовании лигнина, долгое время относимого к отходам целлюлозного производства (Фото предоставлено Stora Endo)
Однако времена меняются: ранее в этом месяце компания Wood Central сообщила , что финские компании теперь используют этот материал для разработки дорогостоящих продуктов, превращаемых в мелкодисперсный углеродный порошок для литий-ионных батарей.
По словам Сату Харконен, Stora Enso планирует использовать Лигнин в различных приложениях.
«Мы разработали, например, клей на основе лигнина, причем весь продукт имеет биологическую основу. Кроме того, мы протестировали использование лигнина в качестве заменителя битума, исользуя его при производстве асфальта», — рассказал г-н Харконен, руководитель отдела коммуникаций Stora Enso.
На прошлой неделе Wood Central сообщила, что CarbonScape получила инвестиции в размере 18 миллионов долларов США от финского лесного гиганта, производителя аккумуляторов Amperex Technology Ltd (ATL) и других сторон для коммерциализации производства аккумуляторов.
Генеральный директор CarbonScape Иван Уильямс вместе с финансовым директором Оливером Фостером с графитом, который когда-то был опилками. Стартап хочет преобразовать рынок производства литий-ионных аккумуляторов с помощью биографитовой технологии. Изображение датировано 2019 годом. (Изображение предоставлено Скоттом Хаммондом из Stuff NZ)
По словам г-на Хенна, «одним из препятствий на пути использования лигнина является его сложная молекулярная структура, из-за которой его трудно расщепить».
Наночастицы лигнина (ЛНЧ) гидрофильны и подходят для создания текстур, что делает их идеальными для оптических применений, особенно тех, которые требуют свойств против запотевания.
«Однако проблема в достижении такого использования заключается в преодолении непрозрачности частиц, что требует точного контроля толщины пленки», – сказал г-н Хенн.
В ходе исследования ученые рассмотрели возможность уменьшения размера ЛНЧ, чтобы решить проблему непрозрачности, поскольку более мелкие частицы менее мутны и более равномерно рассеивают свет.
«Оптические покрытия должны быть прозрачными, но до сих пор были видны даже довольно тонкие пленки из частиц лигнина», — говорит г-н Хенн.
«Мы знали, что мелкие частицы кажутся менее мутными, поэтому мы хотели посмотреть, сможем ли мы создать невидимые пленки частиц, сведя размер частиц к минимуму».
Исследователи химически модифицировали лигнин посредством ацетилирования — реакции этерификации, которая вводит ацетильную функциональную группу в органическое химическое соединение для уменьшения размера частиц.
Использование уксусной кислоты для запуска реакции, которая заняла всего 10 минут при относительно низкой температуре 140 °F (60 °C), привело к получению сверхмалых ЛНЧ в высоких концентрациях с неожиданными свойствами.
«Частицы лигнина, полученные из ацетилированного лигнина, обладали удивительными свойствами, что сделало остальную часть исследования очень интересной», — сказал г-н Хенн.
«Например, возможность снимать фотонные пленки стала полной неожиданностью».
Метод ацетилирования позволяет создать лигнин, действующий как поглотитель углерода. (Изображение предоставлено: Александр Хенн, Университет Аалто)
Небольшой размер частиц позволил исследователям контролировать толщину и внешний вид слоев: от прозрачных субмонослоев до многослойных пленок, что позволило им контролировать цвет и поглощение света на разных длинах волн.
Быстрый и простой метод ацетилирования позволяет получить лигнин, который можно использовать по-разному.
Исследователи обнаружили, что ультратонкие прозрачные покрытия уменьшают рассеяние света, вызванное каплями воды, и пришли к выводу, что ацетилированные лигнины подходят в качестве покрытия против запотевания прозрачных поверхностей.
«Нанося более толстые слои и используя многослойные пленки, мы смогли контролировать цвет покрытия, добиваясь ярких оттенков желтого, синего и фиолетового», — сказал г-н Хенн.
«Эти более толстые слои также были фотонными; они отражали свет».
Исследователи говорят, что скорость и простота реакции ацетилирования, а также ее высокий выход означают, что ее можно масштабировать до промышленного уровня с дополнительным преимуществом в связи с использованием лигнина как поглотителя углерода.
«Продукты на основе лигнина могут иметь коммерческую ценность и одновременно действовать как поглотители углерода, помогая облегчить нынешнюю зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы углекислого газа», — сказала Моника Остерберг, один из авторов исследования.
Исследование поддерживает новый отчет, опубликованный Программой ООН по окружающей среде и Йельским центром экосистем и архитектуры, призывающий к «циркулярному» подходу к строительным материалам.
ООН сообщает, что благодаря быстрой урбанизации каждый день в мире появляются здания, размером эквивалентные Парижу.
В докладе, посвященном теме «Избегать, менять и улучшать», содержится призыв к политикам, производителям, архитекторам, девелоперам, инженерам, строителям и переработчикам отходов решить проблему растущих выбросов в результате строительной деятельности.
В докладе сообщается, что замена углеродоемких строительных материалов, таких как сталь и бетон, на материалы на биологической основе, такие как древесина, бамбук и биомасса, позволит сократить выбросы до 40% к 2050 году.
«Однако для обеспечения широкого внедрения возобновляемых строительных материалов на биологической основе необходима дополнительная политическая и финансовая поддержка».
Меньшее строительство и перепрофилирование существующих построек, которое он назвал «циркулярным подходом», приведет к образованию на 50–75% меньше выбросов, чем новое строительство.
Этот подход, включающий модернизацию, «является наиболее ценным вариантом», поскольку он «способствует строительству с использованием меньшего количества материалов и материалов с меньшим выбросом углекислого газа и облегчает повторное использование или переработку».
