Jakie właściwości i zastosowania mają nanowłókna chitynowe oraz nanopapier z chityny?

Nanowłókna chitynowe (ChNF) oraz chitozanowe nanowłókna (ChitoNF) stanowią podstawowy materiał do produkcji nanopapierów, które wykazują wyjątkowe właściwości mechaniczne i przezroczystość. W procesie wytwarzania tych nanopapierów dochodzi do modyfikacji strukturalnych, które nadają im pożądane cechy użytkowe. Przykład taki stanowi nanopapier chitynowy, który jest bardzo podobny do nanopapieru celulozowego, jednak z wyraźnie innymi właściwościami wynikającymi z różnic w strukturze samego materiału. Nanopapier na bazie chityny jest również bardzo odporny na uszkodzenia mechaniczne i cechuje się wysoką przejrzystością, co sprawia, że znajduje zastosowanie w wielu branżach, od biomateriałów po materiały opakowaniowe.

Podstawowym składnikiem exoszkieletu krustaceów, takich jak kraby i homary, są nanowłókna chitynowe, które tworzą struktury zdolne wytrzymać duże obciążenia mechaniczne. Chityna jest biopolimerem, który pełni funkcję nośną w organizmach zwierząt, ale także ma liczne właściwości biologiczne, takie jak zdolność wiązania metali czy białek, co może wpływać na jej różne zastosowania w medycynie i innych dziedzinach. Chociaż chityna jest drugim najobficiej występującym biopolimerem na Ziemi po celulozie, to jej potencjał komercyjny jest wciąż w dużej mierze niezrealizowany, co wynika z trudności w obróbce tego materiału.

Chityna w swojej naturalnej postaci występuje w strukturze nanowłókien o szerokości zaledwie kilku nanometrów. W organizmach takich jak krustacee, chityna jest związana z białkami w sieć nanowłókien, które tworzą kompozytowe materiały nanostrukturalne. Ta struktura pozwala na wysoką wytrzymałość i elastyczność, a także na dobrą odporność na degradację. W przemyśle chityna jest najczęściej pozyskiwana z odpadów, takich jak skorupy krabów, a jej przetwarzanie w nanowłókna stanowi istotny krok ku rozwojowi nowych materiałów.

Nanowłókna chitynowe, dzięki swojej unikalnej strukturze, mogą być używane w szerokim zakresie aplikacji, w tym w produkcji nanopapierów. Takie materiały, jak nanopapier chitynowy, oferują wiele zalet, takich jak odporność na rozciąganie, wysoka wytrzymałość na zginanie oraz dobra przezroczystość. Przykładem zaawansowanego nanopapieru może być papier wytwarzany z chityny pozyskanej z grzybów, który charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością na rozciąganie i wysoką twardością, co czyni go obiecującym materiałem w przemyśle papierniczym i opakowaniowym.

Warto także zauważyć, że chityna i jej pochodne mają szereg zastosowań biomedycznych. Nanowłókna chitynowe mogą być wykorzystywane w leczeniu ran, w kosmetyce, a także w dostarczaniu leków do organizmu. Dzięki swoim właściwościom biokompatybilnym oraz zdolności do wchłaniania wilgoci, materiały oparte na chitynie stanowią doskonałą alternatywę dla tradycyjnych polimerów syntetycznych, zwłaszcza w kontekście medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkanek.

W kontekście produkcji nanopapierów, chityna jest wykorzystywana głównie w formie nanowłókien, które są osadzone w macierzy polimerowej. Tego rodzaju nanopapier może stanowić istotną alternatywę dla tradycyjnych materiałów papierniczych, szczególnie w zastosowaniach, gdzie wymagana jest wysoka odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz transparentność. Warto dodać, że produkcja nanopapierów z chityny jest procesem bardziej zrównoważonym ekologicznie w porównaniu do produkcji papierów z surowców drzewnych, co dodatkowo podnosi atrakcyjność tego materiału na rynku.

Wciąż jednak istnieją wyzwania związane z obróbką chityny, zwłaszcza w kontekście jej rozpuszczalności i przetwarzania. Aby chityna mogła zostać szerzej zastosowana w przemyśle, konieczne jest opracowanie nowych metod wytwarzania i przetwarzania nanowłókien, które pozwolą na uzyskanie materiałów o wyższej stabilności i lepszej wydajności.

Czym wyróżnia się niepalny papier Xuan na bazie nanowłókien hydroksyapatytowych?

Niepalny papier Xuan, opracowany na bazie ultradługich nanowłókien hydroksyapatytowych, stanowi znaczący postęp w dziedzinie materiałów papierniczych o wyjątkowej trwałości i odporności na ogień. Tradycyjny papier Xuan, ceniony od wieków za doskonałe właściwości chłonności atramentu i estetykę, cechuje się jednak ograniczoną odpornością na wysokie temperatury oraz podatnością na działanie pleśni. Papier nieorganiczny, będący analogiem papieru Xuan, przewyższa go pod względem odporności termicznej, stabilności mechanicznej i właściwości antygrzybicznych, co potwierdzają badania empiryczne.

Tradycyjny papier Xuan ulega przebarwieniom już w temperaturze około 200 °C, a przy 400 °C dochodzi do jego silnej karbonizacji, prowadzącej do całkowitego rozpadu. W przeciwieństwie do tego, nieorganiczny papier oparty na nanowłóknach hydroksyapatytowych pozostaje niemal niezmieniony pod względem koloru i wymiarów nawet w temperaturach sięgających 1000 °C. Choć następuje częściowa utrata wytrzymałości mechanicznej przy ekstremalnych warunkach cieplnych, papier zachowuje ponad 98% wytrzymałości po ekspozycji na 200 °C przez 30 minut i ponad 77% przy 400 °C w tym samym czasie.

Unikalne cechy papieru nieorganicznego dotyczą także interakcji z atramentem. Ink droplet na jego powierzchni nie przenika całkowicie przez papier i rozprowadza się znacznie bardziej kontrolowanie, z gładkimi krawędziami linii pisma. Papier wykazuje superhydrofilowość, z kątem zwilżania wodą równym 0°, podczas gdy atrament wykazuje kąt zwilżania 36,9°, co powoduje szybsze odparowanie wody z atramentu niż jego składników barwiących. To prowadzi do szybszego schnięcia pisma w porównaniu z tradycyjnym papierem Xuan.

Odporność na pleśń to kolejny istotny atut tego innowacyjnego materiału. Testy wykazały, że na powierzchni nieorganicznego papieru nie rozwijają się zarodniki pleśni, nawet w obecności substancji odżywczych, które na tradycyjnym papierze sprzyjają rozwojowi grzybów. Ta właściwość jest niezwykle ważna dla długotrwałego przechowywania dzieł kaligrafii i malarstwa, ponieważ eliminuje ryzyko biologicznego uszkodzenia materiału.

W kontekście trwałości mechanicznej, papier nieorganiczny wykazuje izotropową wytrzymałość, zachowując niemal stałą wytrzymałość na rozciąganie niezależnie od kierunku. Po symulowanym starzeniu odpowiadającym 2000 latom utrzymuje aż 95,2% wytrzymałości, a po 3000 latach 81,3%. Tradycyjny papier Xuan wykazuje znacznie niższe wskaźniki – jego wytrzymałość zależy od kierunku włókien i po długim starzeniu maleje do około 40–60% wartości początkowej.

Przedstawione właściwości papieru nieorganicznego opartego na nanowłóknach hydroksyapatytowych czynią go wyjątkowo odpornym na czynniki fizyczne, chemiczne i biologiczne, co otwiera szerokie możliwości zastosowań w konserwacji i archiwistyce, a także w nowoczesnym wystroju wnętrz, na przykład w formie niepalnych tapet, które można łączyć z czujnikami termicznymi dla zwiększenia bezpieczeństwa pożarowego.