Nanoceluloza (NC) stała się jednym z najważniejszych materiałów w badaniach nad nowoczesnymi kompozytami, dzięki swojej wyjątkowej strukturze, właściwościom mechanicznym i biodegradowalności. Dzięki zastosowaniu nanocelulozy w różnych kompozytach, materiały te mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, od elektroniki, przez pakowanie żywności, aż po remediację środowiska. W niniejszym rozdziale omówimy różnorodne techniki przygotowania kompozytów na bazie nanocelulozy, ich aplikacje oraz korzyści, jakie wynikają z ich wykorzystania.

Jednym z przykładów takich kompozytów są materiały elektroaktywne, które znalazły szerokie zastosowanie w superkondensatorach oraz sensorach. Nanoceluloza w połączeniu z polianiliną (PANI) i nanocząstkami celulozy (CNF) tworzy strukturę, która nie tylko wspomaga transport jonów w elektrodach, ale także zwiększa ich zdolność do detekcji sygnałów stresowych, takich jak ciśnienie czy ruch ciała ludzkiego. Dzięki temu powstają materiały, które mogą być wykorzystywane w inteligentnych urządzeniach monitorujących, a także w elektronikach na bazie papieru. Również struktury rdzeniowo-powłokowe, takie jak CNF/ PEDOT:PSS, wykorzystujące 3D drukowanie, stwarzają nowe możliwości w produkcji elastycznych i wydajnych materiałów elektroaktywnego typu.

W dziedzinie opakowań, materiałów kompozytowych na bazie nanocelulozy oczekuje się, że staną się one rozwiązaniem na problemy związane z ochroną środowiska. Zastosowanie nanocelulozy w biopolimerach, takich jak PLA, PVA czy skrobia termoplastyczna (TPS), pozwala na uzyskanie materiałów o ulepszonych właściwościach mechanicznych, lepszej przepuszczalności pary wodnej oraz wyższej stabilności termicznej. Równocześnie materiały te są biodegradowalne, co sprawia, że stanowią ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych plastików. Dzięki wysokiej przejrzystości takich kompozytów możliwe jest zachowanie optycznej jakości opakowań, co wpływa na pozytywne postrzeganie przez konsumentów.

Oprócz zastosowań w elektronice i pakowaniu, nanoceluloza wykazuje również potencjał w oczyszczaniu środowiska. Dzięki swojej wysokiej porowatości i zdolności do adsorpcji zanieczyszczeń, może być wykorzystana w procesach oczyszczania wody, powietrza oraz w remediacji gleby. Przykładem mogą być hydrożele i aerogele nanocelulozowe, które łączą cechy adsorpcyjne z niską toksycznością, co czyni je idealnym materiałem do filtrowania zanieczyszczeń w różnych środowiskach. Użycie kompozytów na bazie nanocelulozy pozwala również na ich integrację z innymi materiałami, jak polimery, metale czy substancje organiczne, co zapewnia elastyczność w zastosowaniach przemysłowych i ekologicznych.

Ważnym aspektem w produkcji materiałów kompozytowych jest odpowiednia adhezja między matrycą polimerową a nanocelulozowymi wzmocnieniami. Dobre połączenie tych komponentów zapewnia nie tylko poprawę właściwości mechanicznych, ale również wydajności materiałów w trudnych warunkach, takich jak wysoka wilgotność czy zmienne temperatury. Na przykład, w badaniach nad biofilmami na bazie białek roślinnych, takich jak izolaty białek ze słonecznikowego posiłku (SFMPI), wzmocnione kompozytami z BNC (bakterii nanoceluloza), zaobserwowano poprawę właściwości mechanicznych, barierowych i zwiększoną odporność na rozpuszczanie w wodzie, co skutkowało lepszymi właściwościami przechowywania żywności, szczególnie świeżych owoców.

Interesującym zjawiskiem jest również rozwój kompozytów nanocelulozowych, które stanowią alternatywę dla tradycyjnych materiałów kompozytowych, oferując lepszą kompatybilność między składnikami oraz łatwiejszą możliwość recyklingu. Nanoceluloza, jako materiał łatwy do modyfikacji, pozwala na stworzenie funkcjonalnych materiałów, które mogą pełnić funkcje zarówno w elektronikach, jak i w pakowaniu czy ochronie środowiska.

Wszystkie te innowacje pokazują, jak różnorodne mogą być aplikacje nanocelulozy i jak istotny jest jej wpływ na rozwój zrównoważonych technologii. Ważnym elementem w przyszłości rozwoju tych materiałów będzie dalsza praca nad poprawą ich właściwości, takich jak wytrzymałość, stabilność termiczna i odporność na warunki zewnętrzne. W miarę jak technologie te będą się rozwijać, możemy spodziewać się ich coraz szerszego zastosowania w różnych branżach przemysłowych, a także w życiu codziennym.

Jakie są zalety i wyzwania związane z nanokompozytowymi powłokami na papierze?

Nanokompozytowe powłoki, oparte na polidimetylosiloksanie (PDMS) i modyfikowanych cząstkach dwutlenku krzemu (SiO₂), umożliwiają uzyskanie wyjątkowo wysokiego kąta zwilżania (WCA) sięgającego 159,5°, co świadczy o ich ekstremalnej hydrofobowości. Powłoki te charakteryzują się nie tylko trwałością, ale także poprawionymi właściwościami barierowymi, co czyni je atrakcyjnymi dla zastosowań wymagających ochrony przed wilgocią. Jednak, podobnie jak wiele nanomateriałów, nano-SiO₂ wykazuje skłonność do aglomeracji cząstek, co utrudnia uzyskanie jednorodnej dyspersji. Brak adhezji między cząstkami nano-SiO₂ a podłożem papierowym uniemożliwia ich samodzielne wykorzystanie jako skutecznej powłoki barierowej.

W tym kontekście, kompozytowe powłoki pełnią funkcję rozwiązania tych problemów, jednocześnie otwierając drzwi do dodatkowych właściwości funkcjonalnych. Przykładem jest praca Chen i in. (2017), którzy opracowali elastyczny papier przewodzący o superhydrofobowej powierzchni, efektach elektrotermicznych oraz właściwościach ognioodpornych. Do uzyskania tych cech zastosowano nanowłókna hydroksyapatytu jako stabilny środek ognioodporny, Ketjen Black zapewniający przewodność elektryczną oraz PDMS, nadający superhydrofobowość i wzmacniający wytrzymałość mechaniczną. Testy wykazały, że nawet po zanurzeniu w wodzie przez 120 sekund, papier utrzymywał stabilność przewodności na poziomie zmiany zaledwie 3,65%. Dodatkowo, dzięki swoim właściwościom elektrotermicznym, papier szybko nagrzewał się do 224,25 °C w ciągu 10 sekund i utrzymywał stabilność działania podczas bezpośredniego działania płomienia przez 7 minut, zachowując 90,6% oryginalnej przewodności po tym czasie.

Inne podejście do wielofunkcyjnych powłok prezentuje Li i in. (2021), stosując powłokę kompozytową na bazie MXene/Polipirrol (PPy) na jednej stronie papieru filtracyjnego oraz PDMS na stronie przeciwnej, a następnie nanosząc sadzę świecową. Uzyskany materiał wykazał doskonałą zdolność do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz przewodność elektryczną, umożliwiając konwersję energii hydrokinetycznej na stały prąd elektryczny, z maksymalnym natężeniem 0,8 nA. Materiał ten posiada potencjał zastosowań w elektronice i technologiach energetycznych.

Kolejną istotną grupą powłok kompozytowych są te o właściwościach antybakteryjnych i przeciwdrobnoustrojowych, zwykle zawierające nanocząstki metali takich jak srebro (Ag), miedź (Cu), cynk (Zn) lub ich tlenki (ZnO, TiO₂, CuO). Nanocząstki te cechują się szerokim spektrum działania, obejmującym bakterie, grzyby, wirusy oraz pierwotniaki, a także krótkim czasem kontaktu koniecznym do skutecznego działania. Ich łatwa dostępność, stabilność oraz prostota przygotowania sprawiają, że są one coraz częściej wykorzystywane jako składniki powłok na materiałach opakowaniowych, takich jak papier, w celu ograniczenia rozwoju mikroorganizmów i zapobiegania zakażeniom, zarówno żywnościowym, jak i szpitalnym. Przykłady takich powłok to kompozyty na bazie chitozanu, ZnO oraz tlenku grafenu (GO), czy nanokompozyty ZnO/PVA o potwierdzonej aktywności przeciwko Escherichia coli i Staphylococcus aureus.

Wykorzystanie polimerowych powłok kompozytowych z nanocząstkami metalicznymi lub metalowymi tlenkami poprawia właściwości antybakteryjne, jednocześnie wzmacniając odporność na promieniowanie UV, właściwości mechaniczne oraz barierowość wobec wody i gazów. Dobór matrycy polimerowej i typu nanocząstek pozwala na projektowanie powłok spełniających konkretne wymagania funkcjonalne dla różnych zastosowań, szczególnie w sektorze opakowań żywności.

Z drugiej strony, obecność tych zaawansowanych powłok, zwłaszcza zawierających metale i ich tlenki, może negatywnie wpływać na recykling papieru. Z tego powodu coraz większy nacisk kładzie się na rozwój powłok odnawialnych, opartych na polimerach pochodzenia biomasy, takich jak nanoceluloza, skrobia i ich kompozyty. Powłoki te tworzą gęstą warstwę na papierze, skutecznie blokując penetrację wody i olejów dzięki obecności grup hydrofobowych i oleofobowych na łańcuchach polimerowych, jednocześnie zapewniając przyjazność dla środowiska i zmniejszając ryzyko biologicznych zagrożeń.

Polisacharydy takie jak chitozan, karboksymetylowany chitozan, alginian sodu, nanoceluloza czy zmodyfikowana celuloza charakteryzują się naturalną lepkością i doskonałą adhezją do papieru, umożliwiając tworzenie efektywnych i trwałych powłok barierowych. Stosowanie zmodyfikowanych skrobi, na przykład z octanem sukcynianu oktenylu, pozwala na optymalizację właściwości wodoodpornych i olejoodpornych powłok. Wprowadzenie dodatków takich jak talk poprawia odporność na olej w określonych temperaturach, choć utrzymanie tej właściwości w wysokich temperaturach stanowi wyzwanie.

Ważne jest, aby rozumieć, że oprócz samej funkcji barierowej, powłoki na bazie nanomateriałów i biomasy wpływają na cały cykl życia papieru – od produkcji, przez użytkowanie, po recykling i utylizację. Zrównoważony rozwój wymaga integrowania właściwości funkcjonalnych z ekologiczną odpowiedzialnością. Ponadto, dobór materiałów i technologii powinien brać pod uwagę specyfikę zastosowania, warunki eksploatacji oraz wymogi bezpieczeństwa dla zdrowia i środowiska. W kontekście opakowań żywności, konieczne jest także monitorowanie migracji składników powłok do produktu oraz potencjalnych efektów toksykologicznych. W przyszłości rozwój tych technologii będzie opierał się na synergii między zaawansowanymi nanokompozytami a naturalnymi, odnawialnymi surowcami, co pozwoli na uzyskanie materiałów o wysokiej funkcjonalności, trwałości i pełnej biodegradowalności.

Jakie zasady projektowania robotów zapewniają ich wydajność i skuteczność?
Jak efektywnie wykrywać obiekty w chmurach punktów: metody pipeline i end-to-end
Jak działa i do czego służy usługa SQL Data Sync w Azure?