Inwestycja w naturalne materiały włókniste - to się opłaca!

Rosnąca potrzeba wytwarzania innowacyjnych materiałów na bazie włókien naturalnych, stawia nowe wyzwania dla przemysłu i nauki. W szczególności zagadnienie to dotyczy rozwiązań, w których procesy wytwórcze wiążą się z niskim nakładem energetycznym, co ma swoje pozytywne konsekwencje ekonomiczne, a przede wszystkim przejawia się korzystnym oddziaływaniem na środowisko naturalne i klimat. Rozwiązanie wskazanego problemu badawczego i przemysłowego powstaje właśnie w Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu (UPP), gdzie na przełomie 2020/21 rozpoczęto realizację projektu dotyczącego materiałów lignocelulozowych, pt. INNOWACYJNY OGNIO- I WODOODPORNY MATERIAŁ NA BAZIE CELULOZY (ang. „Innovative fire- and water- resistant cellulose-based material” ) - w skrócie CellMat4ever.

W składzie konsorcjum badawczego, oprócz lidera (UPP), znajdują się Norwegian Institute of Bioeconomy Research (NIBIO) oraz POSKŁADANI Sp. z o.o. Wartość dofinansowania przedsięwzięcia wynosi ponad 4 mln. PLN. Projekt skupia się wokół rozwiązań alternatywnych względem konwencjonalnych materiałów, takich jak np. kompozyty drewno-polimerowe, tworzywa sztuczne, wytwory papierowe powlekane foliami syntetycznymi, itp.

Podstawowym źródłem włókien celulozowych będących surowcem wyjściowym do produkcji wytworów papierowych lub płytowych materiałów drewnopochodnych jest drewno. Najczęściej kojarzone jest z budownictwem lub meblarstwem. Wiemy jednak, że biomasa drzewna, zarówno natywna, jak i recyklingowa czy poużytkowa, to ogromny rezerwuar najcenniejszych naturalnych biopolimerów, przede wszystkim celulozy i ligniny. Innowacyjne metody pozyskiwania i przetwarzania tych głównych komponentów, stanowią niemal nieograniczone możliwości zastosowania w takich gałęziach gospodarki, jak przemysł papierniczy, w tym opakowaniowy, włókienniczy, chemiczny, farbiarski, kosmetyczny, a nawet farmaceutyczny.

Drewno to naturalny kompozyt lignocelulozowy, a w wyniku mechanicznej lub chemicznej jego obróbki, tworzone są sztuczne kompozyty, tj. materiały lignocelulozowe, w których frakcja celulozowa jest łączona z frakcją ligninową na różne sposoby, w zależności od oczekiwanych właściwości gotowego wyrobu. Papier jest również nazywany materiałem lignocelulozowym. Choć z historycznego punktu widzenia wytwarzany był przede wszystkim z celulozy, to obecnie niektóre wytwory papierowe coraz częściej zawierają domieszki ligniny, dzięki którym wyrób finalny cechuje się pożądanymi właściwościami. W dobie kryzysu klimatycznego i oszczędzania zasobów naturalnych, ma to znaczenie również z punktu widzenia pełnego wykorzystania surowca wyjściowego.

Biodegradowalność materiałów, to kolejna ważna cecha nowoczesnych kompozytów lignocelulozowych. Wiemy, że obecność spoiw na bazie żywic syntetycznych dyskwalifikuje finalny wyrób z grupy materiałów biodegradowalnych. Zastąpienie żywic syntetycznych spoiwami pochodzenia naturalnego, to kierunek współczesnych technologii, a także idea, która przyświeca twórcom i realizatorom projektu CellMat4ever.

Jak wynika z tytułu projektu, przedmiotem przedsięwzięcia jest innowacyjny, ognioodporny i wodoodporny materiał wytworzony na bazie celulozy. Bezpośrednim celem projektu jest wytworzenie materiału na bazie celulozy, posiadającego nowe właściwości użytkowe, tj. zmniejszoną palność i zwiększoną wodoodporność. W ramach realizowanych zadań, członkowie konsorcjum badają wpływ nanocząsteczek lub mikrocząstek węglowych na proces termicznej degradacji, a także wpływ wybranych silanów, siloksanów, oraz wybranych polimerów naturalnych (skrobia, białka, sorbitol) na wodoodporność i trwałość wytworzonych innowacyjnych materiałów.

W ramach dotychczasowych działań opracowano rozwiązania, których efektem jest m.in. zgłoszenie patentowe oraz przyznany patent. Poprzez inkrustację włókien celulozowych cząsteczkami węgla (np. grafitu lub nanorurek węglowych ^[6]) wytworzono innowacyjny wyrób papierowy o podwyższonej odporności na ogień. Jego pozytywne właściwości potwierdzono metodami TGA (thermogravimetric analyzis) i MLC (mass loss calorimetry). Z kolei poprzez silanizację włókien celulozowych, z wykorzystaniem skrobi koloidalnej jako czynnika powłokotwórczego, wytworzono wyrób papierowy o podwyższonej wodoodporności. Ponadto opracowane zostały produkty modyfikowane w termicznej reakcji sorbitolu i kwasu cytrynowego, które charakteryzują się podwyższoną trwałością i wodoodpornością.

Zespół badawczy projektu CellMat4ever pod kierunkiem prof. dr. hab. Bartłomieja Mazeli z Wydziału Leśnego i Technologii Drewna UPP, został laureatem Polskiej Nagrody Inteligentnego Rozwoju 2021 w kategorii: Innowacyjne technologie i badania przyszłości.

Projekt zostały sfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, III edycja funduszy EOG i funduszy norweskich; Program „Badania Stosowane” w ramach Funduszy Norweskich 2014-2021/POLNOR 2019 (NOR POLNOR/CellMat4ever/0063/2019-00).

Osoby zainteresowane wynikami projektu CellMat4ever finansowanego w ramach Norweskiego Mechanizmu Finansowego za pośrednictwem Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, zapraszamy do śledzenia strony internetowej projektu: https://cellmat.up.poznan.pl/.

1. Nowak, T.; Mazela, B.; Olejnik, K.; Peplińska, B.; Perdoch, W. Starch-Silane Structure and Its Influence on the Hydrophobic Properties of Paper. Molecules 2022, 27, 3136.
2. Mazela, B.; Perdoch, W.; Peplińska, B.; Zieliński, M. Influence of Chemical Pre-Treatments and Ultrasonication on the Dimensions and Appearance of Cellulose Fibers. Materials 2020, 13, 5274.
3. Tavakoli, M.; Ghasemian, A.; Dehghani-Firouzabadi, M.R.; Mazela, B. Cellulose and Its Nano-Derivatives as a Water-Repellent and Fire-Resistant Surface: A Review. Materials 2021, 15, 82.
4. Mazela, B.; Tomkowiak, K.; Jones, D. Strength and Moisture-Related Properties of Filter Paper Coated with Nanocellulose. Coatings 2022, 12, 1376.
5. Perdoch, W.; Cao, Z.; Florczak, P.; Markiewicz, R.; Jarek, M.; Olejnik, K.; Mazela, B. Influence of Nanocellulose Structure on Paper Reinforcement. Molecules 2022, 27, 4696.
6. Perdoch, W.; Mazela, B.: Grześkowiak, W.; Siemińska, I.: Tavakoli. M. A fast method of modified fibrous composites preparation. 18th Annual Meeting of the Northern European Network for Wood Science and Engineering, 21-22 September 2022, Goettingen, Germany
7. Perdoch W., Mazela B. Tavakoli M., Treu A. (2023) High hydrophobic silanized paper: Material characterization and its biodegradation through brown rot fungus

 
Zobacz również: