NANOTEHNOLOGIJE

1. NANOTEHNOLOGIJE PRIMENA NANOCELULOZE http://www.tappi.org/Events/Upcoming-Events/Virtual-Seminars/Webinars/nanocellulose.aspx

2. PRIMENA NANOCELULOZE

3. PRIMENA NANOCELULOZE

4. PRIMENA NANOCELULOZE NANOČESTICE NANOČESTICE NANOČESTICE NANOČESTICE

5. PRIMENA NANOCELULOZE

6. PRIMENA NANOCELULOZE

7. PRIMENA NANOCELULOZE

8. PRIMENA NANOCELULOZE

9. PRIMENA NANOCELULOZE

10. PRIMENA NANOCELULOZE

11. PRIMENA NANOCELULOZE

12. PRIMENA NANOCELULOZE • Savremeni kompozitni materijali, na primer, staklena ili ugljenična vlakna zatopljeni u epoksi smoli ili nezasićenom poliestru, pokazuju odlična mehanička i toplotna svojstva. • Shodno tome, imaju veoma široku primenu...

13. PRIMENA NANOCELULOZE • Međutim, ovi kompozitni materijali istovremeno uzrokuju i ekološke probleme, naročito kada se njihov otpadak uklanja spaljivanjem. • Ovo uslovljava sve veću potražnju za kompozitnim proizvodima koji nisu štetni po okolinu (environmentally friendly composites).

14. PRIMENA NANOCELULOZE • Celuloza... • predstavlja najdostupniji i najobimniji sirovinski izvor biomase, • poseduje odlična mehanička i toplotna svojstva.

15. PRIMENA NANOCELULOZE • Celuloza... • U kristalnom području prirodne celuloze (celuloza I) u pravcu paralelno sa osom lanaca, postižu se vrednosti modula elastičnosti (EA) od oko 140 GPa (okvirni opseg = 110-220 GPa). Ovo se može porediti sa vrednostima EA za sintetička vlakna, kao što je poli-fenilen-tereftalamid (130 GPa). • Modul elastičnosti za prirodnu biljnu celulozu (128 GPa) veći je u poređenju sa aluminijumom (70 GPa) i staklenim vlaknima (76 GPa). • Konačno, zatezna čvrstoća celuloze (oko 17,8 GPa) veća je za 7 puta u odnosu na čelik.

16. PRIMENA NANOCELULOZE

17. PRIMENA NANOCELULOZE • Celuloza... • Suštinski, veoma visoke vrednosti modula elastičnosti i zatezne čvrstoće ukazuju da celuloza poseduje potencijal da zameni staklena vlakna, kao ojačavajuću komponentu, naročito u slučajevima gde gustina proizvoda nije od bitne važnosti. • Sadašnji trendovi ka korišćenju ekološki podobnih kompozita uglavnom se fokusiraju na celulozna vlakna.

18. PRIMENA NANOCELULOZE • Proizvodi i primena: • Celulozno-celulozni nanokompoziti • Nanokompoziti iz celuloznih derivata • Celulozno-neorganski nanokompoziti • Nanokompoziti na bazi skroba • Agens ojačanja za polimerne elektrolite za primenu u litijumskim baterijama • U bio-medicini • U industriji papira • Ambalaža • Nanotehnologija i drvo kao građevinski materijal

19. 1. CELULOZNO-CELULOZNI NANOKOMPOZITI • Značajan problem kod mnogih kompozita predstavlja kontaknta površina (interface) između vlakana i matrice, što se može ogledati u slaboj adheziji i povećanom upijanju vode od strane kompozita. • Sa druge strane, kada su vlakna i matrica izrađeni od istog materijala, mogu se očekivati određena poboljšanja u pogledu mogućnosti recikliranja i poboljšanoj adheziji na liniji lepljenja.

20. 1. CELULOZNO-CELULOZNI NANOKOMPOZITI • Poznato je da se celuloza ne topi, ali i da je podložna toplotnoj degradaciji na visokim temperaturama. • Shodno tome, za izradu celulozno-celuloznih kompozita neophodna je primena mokrog postupka. Ovakvi kompoziti se već proizvode u mokrom postupku primenom litijum hlorid/N,N-dimetilacetamida, kao celuloznog rastvarača, kao i putem kontrole rastvorljivosti celuloze u različitim uslovima pred-tretmana. • Dobijeni kompozit potpuno je izgrađen od održive celulozne sirovine, čime je obezbeđena biorazgradljivost datog proizvoda.

21. 1. CELULOZNO-CELULOZNI NANOKOMPOZITI • Celulozni samo-ojačavajući kompoziti poseduju odlična mehanička i toplotna svojstva tokom upotrebe, ali i transparentnost. Samim tim oni mogu biti alternativa kompozitima od staklenih vlakana. • Izborom uslova predtretmana vlakana -> mogu se poboljšati i poprečna mehanička svojstva ovih kompozita, putem molekularne difuzije po kontaktnoj površini između vlakana i matrice.

22. 1. CELULOZNO-CELULOZNI NANOKOMPOZITI • Na svojstva nanokompozita, proizvedenih delimičnim rastvaranjem mikrokristalnog celuloznog praha ulitijum hlorid/N,N-dimetilacetamidu, utiče odnos celuloze I i celuloze II. • Kompozitni film je izotropan, transparentan, visoko kristalan i sadrži različite količine kristala nerastvorene celuloze I kao punioca. • Variranjem odnosa celuloze I i II, mogu se fino podešavati mehaničke karakteristike nanokompozita. Njihove mehaničke performanse nadvisuju većinu drugih celuloznih materijala, pri čemu je njihova najveća prednost ta da su potpuno prirodni i biodegradabilni, pri čemu poseduju relativno visoku čvrstoću.

23. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA • Hemijska modifikacija industrijskih drvnih vlakana pomoću različitih kiselina i anhidridima predstavlja dugogodišnju ustaljenu praksu. • Celulozni etri i estri kosrite se u širokom spektru proizvoda različitih industrija, kao što su prehrambena, farmaceutska, drvna, tekstilna i druge. • Estri sa kratkim alkilnim lancima (acetati ili propionati) ili estri sa substituentima (butirati, heksanoati i dr.) u većoj su meri podložni toplotnoj degradaciji pod pritiskom. • Od praha ovakve esterifikovane celuloze, u prisustvu različitih plastifikatora i aditiva, moguće je ekstruzijom proizvesti različite komercijalne celulozne proizvode u vidu peleta.

24. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA • Od svih biopolimernih materijala, celuloza i njeni derivati predstavljaju najzastupljeniji biopolimer, veoma široke primene. • Kod višefaznih polimernih materijala, celuloza se može primeniti kako u polimernoj smeši, tako i u vidu vlakana u ojačanim polimenrim materijalima. • Danas su ovi kompozitni materijali predmet intenzivnih istraživanja. • Isto kao što polimerni nanokompoziti predstavljaju jedno od važnijih polja primene u nanotehnologiji, tako i prirodno dobijeni organski nanofazni materijali imaju poseban značaj među polimernim nanokompozitima.

25. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 1. • Nanokompoziti se uspešno izrađuju od celuloznog acetata, trietil citratnog platifikatora i organski modifikovane gline, sa ili bez MA graftovanog celuloznog acetat-butirata kao kompatibilizatora. • Pri tome se celulozna plastika sa smešom celuloznog acetata i trietil citrata (80/20 % maseno) koristi kao polimerna matrica.

26. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 2. • Celulozni diacetatni filmovi, koji sadrže male količine montmorilonit nanogline, pripremaju se uz pomoć smeše rastvarača metilen hlorida i etanola (9:1 maseno). • Različite nanogline ugrađuju se u strukturu celuloze u cilju poboljšanja mehaničkih i toplotnih svojstava celuloze. • Korišćeni plastifikatori su dibutil ftalat, dietil ftalat i polietilen glikol. • Film ovakve celuloze je transparentan. • Povećanjem sadržaja plastifikatora smanjuje se temperatura ostakljivanja sa 180 oC (originalni celulozni diacetat) do 95 oC (u zavisnosti od vrste plastifikatora). • Dodatak plastifikatora negativno utiče na mehanička svojstva filma, dok se povećanjem sadržaja montmorilonit gline mehanička svojstva poboljšavaju.

27. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 3. • Biodegradabilni nanokompoziti od celuloznih acetata dobijaju se in situ polimerizacijom ε-kaprolaktona u prisustvu celuloznog acetata i organski modifikovanih ljuspica silikata. 4. • Skoro monodisperzne nanočestice mogu biti sintetizovane na osnovu prirodnog polimera hidroksipropilne celuloze. Čestice hidroksipropilne celuloze slažu se u vodi i potom stabilizuju stvaranjem kovalentnih veza sa susednim česticama, time stvarajući trodimenzionalnu mrežu.

28. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 5. • Mikrokristalna celuloza korišćena je u farmaceutskoj industriji za proizvodnju tableta, kao vezivni materijal i kao kompatibilizator. • Mikrokristalna celulozna vlakna mogu se koristiti i kao ojačavajuća komponenta, pri čemu se kao matrica upotrebljava celulozni derivat, hidroksipropil celuloza. • Različiti izocijanati korišćeni su kao kuplujući agensi. Međutim, kako i matrica i vlakna sadrže hidroksilne grupe, istraživanja se fokusiraju na mogućnost direktnog kuplovanja matrice i vlakana.

29. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 6. • Karboksimetil celuloza predstavlja polielektrolit dobijen iz prirodnih materijala. Najviše je istraživan kao hidrogelni polimer. • Kompozitni materijal sastoji se od karboksiovane celuloze i mikrokristalne ili nanokristalne celuloze. • Celulozni nanokristali poboljšavaju čvrstoću i tvrdoću kompozita u odnosu na mikrokristalnu celulozi.

30. 2. NANOKOMPOZITI IZ CELULOZNIH DERIVATA 7. • Etil celulozni / montmorilonit nanokompozitni filmovi dobijaju se uz pomoć prirodnog plastifikatora od epoksidovanog sojinog ulja. • Plastifikator smanjuje mehanička svojstva, međutim, dodatak montmorilonita ih poboljšava.

31. 3. CELULOZNO-NEORGANSKI NANOKOMPOZITI • Intergracija polimera i neorganskih materijala predstavlja sve zanimljivije područje nauke o materijalima. • Međutim, različite međumolekularne sile uslovljavaju nekompatibilnost na kontatknoj površini između neorganskih i organskih materijala, što često dovodi do problema u pripremi ovih kompozita. • Nedostatak afiniteta i hidrofobnost polimera predstavljaju problem za ostvarivanje homogene smeše.

32. 3. CELULOZNO-NEORGANSKI NANOKOMPOZITI • Celulozno-turmalinski nanokompoziti • Turmalin je veoma složeni poludragi kamen. Predstavlja prirodni kompleks hidratnih silikatnih minerala koji sadrže Li, Al, B i Si, različite količine alkalija (K i Na) i metale (Fe, Mg i Mn). • Turmalin formira heksagonalne i prizmatične kristale i poseduje antibakterisjka svojstva.

33. 3. CELULOZNO-NEORGANSKI NANOKOMPOZITI • Celulozno-turmalinski nanokompoziti • Turmalin je osnovni mineral bora (koga ima u ljusci), a stvara se u magmatskim i metamorfnim stenama. • Strukturna formula: Na(Li,Al)3Al6(BO3)3Si6O18(OHF)4

34. 3. CELULOZNO-NEORGANSKI NANOKOMPOZITI • Celulozno-turmalinski nanokompoziti • Nanočestice turmalina su hidrofilne i mogu se dispergovati u vodenom rastvoru, takođe hidrofilne smeše NaOH/tiouree. • Istovremeno korišćenje vodenog rastvora NaOH/tiouree za rastvaranje nanočestica turmalina i celuloze, predstavlja jednostavan, ekonomičan i ekološki podoban način za pripremu celulooznih kompozitnih materijala. • Na ovaj način pripremljeni celulozno-turmalinski nanokompoziti mogu biti liveni u filmove putem koagulacije u vodenim rastvorima CaCl2 i HCl.

35. 3. CELULOZNO-NEORGANSKI NANOKOMPOZITI • Celulozno-turmalinski nanokompoziti • Istraživanja ukazuju na prisustvo adhezije između celuloze i turmalinskih nanokristala, kao i na veoma homogen raspored nanokristala u celuloznom materijalu. • Nedostatak ovih kompozita: • Uvođenje termalina dovodi do delimičnog raskidanja međumolekulskih vodoničnih veza u celulozi, što utiče na smanjenje toplotne stabilnosti kompozitnih filmova (premaza). • Njihova prednost: • Kompozitni filmovi sa termalinom poseduju izražena antibakterijska svojstva.

36. 4. NANOKOMPOZITI NA BAZI SKROBA • Određeni broj istraživanja bio je posvećen postupcima izrade i ispitivanju svojstava kompozita od skroba i različitih nano glina. • Nanokompoziti od želatinoznog skroba i montmorilonit glina proizvedeni su korišćenjem kako prirodne natrijum montmorilonit gline, tako i sa glinama modifikovanim alkil amonijakom. • Prirodni natrijum montmorilonit je veoma dobro usađen u ovim kompozitima, dok je modifikovana glina naizgled nepromenjena i aglomerisana. • Takođe, kompoziti sa natrijum montorilonitom imali su najveće povećanje modula elastičnosti.

37. 4. NANOKOMPOZITI NA BAZI SKROBA • Nanokompoziti od plastifikovanog termoplastičnog skroba i glicerolom ojačanog montmorilonita pokazali su veoma dobru disperziju zrnca montmorilonita. FTIR spektroskopija je ukazala na međudejstvo molekula montmorilonita i skroba, te da dolazi do formiranja vodoničnih veza između odgovarajuće hidroksilne gupe montmorilonita i hidroksilne grupe skroba. Osim mehaničkih, poboljšana su i toplotna svojstva nanokompozita skroba. • Osim montmorilonita, za izradu nanokompozita na bazi termoplastičnog skroba korišćene su i druge nano gline, poput kalcijum hektorita i kaolinita. U svim slučajevima došlo je do povećanja modula elastičnosti.

38. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • Jono-provodni čvrsti polimerni elektroliti imaju veliki značaj za izradu raznih elektrohemijskih uređaja, kao što su: dopunjive baterije, gorivne ćelije, elektrohemijske svetlosne ćelije, elektrohromatska stakla i dr.

39. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • Danas se u ovom polju u velikoj meri koriste celulozni kristali u vidu mikrokristalne celuloze. • Samim tim i celulozne nanokristalne niti(whiskers) imaju značajan potencijal kao mehanički ojačavajući agensi za tanke polimerne elektrolite kod litijumskih baterja. • U cilju smanjenja prekomerne jonske provodljivosti, sadržaj punioca je relativno nizak, uglavnom ispod 10 % maseno.

40. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • Nanokompozitni polimerni elektroliti zasnovani na polioksietilenu visoke molekulske mase, pripremaju se od veoma dugih celuloznih nanokristalnih niti i litijum trifluorometil sulfonil imida. • Osnovni uticaj nanokristalnih niti ogleda se u toplotnoj stabilizaciji i poboljšanju modula elastičnosti kompozita iznad temperature topljenja polioksietilen/litijum-trifluorometil-sulfonil-imidnog kompleksa. • Kao punilac, nanokristalne niti daju visoko ojačavajuče efekte uz istovremeno održavanje odgovarajućeg nivoa jonske provodljivosti (u skladu sa zahtevima za litijumske baterije).

41. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • Istraživanja uticaja celuloznih niti na mehanička svojstva nanokompozita obavljena su u vodenoj suspenziji veoma dugih, štapićastih celuloznih čestica sastavljenih od tunikatnih niti i vodenog rastvora polioksietilena. • Nakon isparavanja vode dobijen je čvrst kompozitni film veće toplotne stabilnosti sa aspekta modula elastičnosti kompozita iznad tačke topljenja polioksimetilenske matrice. • Mehanička svojstva kompozita poboljšana su umrežavanjem celuloze putem stvaranja vodoničnih veza između celuloznih niti.

42. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • Dodavanjem plastifikatora postiže se bolja jonska provodljivost, usled smanjenja temperature ostakljivanja i kristaliničnosti, međutim, ovim se smanjuju i mehanička svojstva polimernih elektrolita. Kao plastifikatori koriste se organska jedinjenja niske molekulske mase kao što su: propilen karbonat, etilen karbonat, dimetil karbonat, dioktil ftalat i dr. • Efikasan plastifikator treba da zadovolji sledeće zahteve: • dobro mešanje sa polioxietilenom, • nizak viskozitet, • niska isparljivost, • elektrohemijska stabilnost, • dobra mogućnost rastvaranja litijumovih soli.

43. 5. AGENS OJAČANJA ZA POLIMERNE ELEKTROLITE ZA PRIMENU U LITIJUMSKIM BATERIJAMA • U cilju dobijanja nanokompozitnih polimernih elektrolita poboljšanih mehaničkih svojstava i poboljšane provodljivosti obavljena su istraživanja sa tetraetilenglikol dimetil etrom kao plastifikatorom i celuloznim nitima kao nano-puniocem. • Značajan ojačavajući efekti su ostvareni već sa dodatkom manje količine tunikatnih niti.

44. 6. PRIMENA U BIOMEDICINI • Sa biološkog aspeta, skoro svo ljudsko tkivo i organi sagrađeni su u obliku nanovlaknasth struktura, kao na primer: kosti, dentin, kolagen, hrskavica i koža. Svi oni imaju dobro organizovanu hijerarhijsku vlaknastu strukturu. • U biomedicini veoma su traženi materijali koji služe kao zamena za meko tkivo. Osim što treba da imaju slična mehanička svojstva poput tkiva koje zamenjuju, ovi materijali takođe treba da imaju: • produžen životni vek, • biokompatibilnost, • da nisu trombogenični i • da imaju nizak stepen kalcifikacije.

45. 6. PRIMENA U BIOMEDICINI • U cilju dobijanja biokompatibilnih nanokompozita mogu se koristiti hidrofilna celulozna vlakna bakterije Acetobacter xylinum, prečnika oko 50 nm, u kombinaciji sa polivinil alkoholom. Mehanička svojstva nanokompozita od polivinil alkohola i bakterijske celuloze mogu biti podešena tako da odgovaraju mehaničkim svojstvima kardiovaskularnog tkiva, kao što su aorta i srčani zalisci. • Kompozitni filmovi od svilenog fibriona (protein insekata) i niti tunikatne celuloze pokazali su se pogodnim za primenu u biomedicinu kao medijum u ćelijskoj strukturi ili kao implantatski materijal, pošto su obe komponente hemijski inertne i veoma kompatibilne sa živim tkivom.

46. 6. PRIMENA U BIOMEDICINI • Novu klasu nanokompozita predstavlja hidroksiapatit - bakterijska celuloza. • Veličina kristala hidroksiapatita je u nanorazmeri, a njihova kristaličnost je niska.

47. 6. PRIMENA U BIOMEDICINI • Kristali hidroksiapatita formiraju se kada se fosforizovana vlakna bakterijske celuloze tretirana CaCl2 potope u artificijelni telesni fluid. Tada se kristali hidroksiapatita delimično supstituišu sa karbonatom i poprimaju svojstva prirodnih kostiju. • Samim tim, kompoziti koji sadrže hidroksiapatit slični su biološkom apatitu što ih čini pogodnim za primenu u veštačkim kostima. Hidroksiapatit: Ca10(PO4)6(OH)2

48. 6. PRIMENA U BIOMEDICINI • U slučaju nefosforizovane bakterijske celuloze, pretpostavka je da hidroksilne grupe prvo vezuju jone kalcijuma putem jonsko-dipolnih veza, a potom se oko ovih zarobljenih jona formiraju kristali hidroksiapatita (slika a). • Tokom fosforizacije celuloze, jonske fosfatne grupe vezuju se za lanac celuloze jakim kovalentnim vezama (slika b). Negativne fosfatne grupe u mogućnosti su da zarobe kalcijumove jone stvarajući kalcijum fosfatni kompleks koji deluje kao nukleus hidroksiapatita. Hidroksiapatit dalje raste gradeći komplekse sa fosfatnim jonima (slika c).

49. 7. INDUSTRIJA PAPIRA • Industrija celuloze i papira proizvodi materijale koji se koriste u oblastima komunikacije, ambalaže, potrošnih proizvoda i dr. • Susret materijala na bazi drvnih vlakana i nanomaterijala pruža skoro neograničene mogućnosti industriji celuloze i papira u cilju razvoja novih proizvoda poboljšane funkcionalnosti i veće upotrebne vrednosti. • Papir, sam po sebi, predstavlja odličnu platformu za razvoj nano-vlaknastih kompozita, kao osnove za kvalitetnije štampanje, pakovanje i pametnih komunikacionih medijuma.

50. 7. INDUSTRIJA PAPIRA • TiO2 - celulozni nanokompoziti pripremaju se hidrolizom titanil sulfata u kiselim uslovima u prisustvu celuloznih vlakana. • U specifičnim uslovima, celulozna vlakna omogućuju nukleizaciju i rast TiO2 čestica, stvarajući tako hibridni materijal koji sadrži i do 46% TiO2. Papiri od ovakvog materijala imaju bolje optičko pokrivanje (veća neprovidnost). • Struktura pora ćelijskog zida nesušene vlaknaste mase predstavlja dobar mikro-ambalažni ili enkapsulatorni sistem za širok opseg organskih i neorganskih hemikalija. • Ove supstance su zarobljene u celuloznoj vlaknastoj matrici tokom sušenja vlakana i skupljanja (kolapsa) pora unutar ćelijskog zida.