Nowe kierunki wykorzystania surowca
Drewno to biokompozyt odnawialny o złożonej budowie konstrukcji przestrzennej, zmiennych właściwościach i różnych zastosowaniach. Ma ono korzystny wpływ na środowisko. Stąd też w wielu ośrodkach naukowych na świecie trwają badania wytyczające przyszłe trendy zastosowania drewna i pochodzących z niego materiałów. Jego wykorzystanie jest wielokierunkowe. Powstają bowiem nowe koncepcje zastosowania surowca na rynku. W Polsce pozostaje wciąż jeszcze dużo do zrobienia, nawet w technikach dobrze poznanych, sprawdzonych i ekonomicznie uzasadnionych.
Poniżej omawiamy pokrótce niektóre z efektów badań będących na różnych etapach: od weryfikacji możliwości, poprzez wytwarzanie na skalę laboratoryjną, wdrożeniową, aż po produkcję.
Drewno lite acetylowane jest jedną z prostszych modyfikacji materiału. Proces ten przeprowadza się na skalę przemysłową z wykorzystaniem bezwodnika kwasu octowego. Surowiec poddaje się impregnacji w autoklawie, a następnie utrwala bezwodnik w całej jego strukturze. Wtedy katalizator całkowicie wchodzi w strukturę drewna, a następnie usuwany jest jego nadmiar. Tak spreparowane odporne jest na warunki atmosferyczne, grzyby i owady. Przewyższa też swoją trwałością, twardością i odpornością na wilgoć oraz wysoką temperaturę drewno bez tego zabiegu. Przykładowo: sosna ma gęstość 470 – 490 kg/m3, natomiast po modyfikacji 520 – 540 kg/m3, czyli większą o około 10 – 11 proc. od wyjściowej. Na polskim rynku drewno acetylowane sprzedawane jest pod nazwą handlową ACCOYA. Posiada ono certyfikat FSC i jest dostępne w czterech klasach jakościowych. Obecnie modyfikuje się też w ten sposób inne gatunki.
Szeroko stosowaną technologią przekształceń materiałów w stałej postaci są żele materiału wyjściowego. Mają gęstość niewiele większą od powietrza i są najlżejszymi substancjami stałymi. Wyglądają jak zamarznięty, prawie przezroczysty dym. Aerożele mają dobre własności mechaniczne, a zwłaszcza odporność na ściskanie i rozciąganie. Wytrzymują (w przypadku aluminium) nacisk masy rzędu cztery tysiące razy większej niż ich aeromasa własna. Obecnie wykorzystywane są jako warstwa izolacyjna w skafandrach kosmonautów. Po obniżeniu ceny takich produktów planowane jest ich używanie jako materiałów izolacyjnych w budownictwie oraz warstw izolacyjnych w odzieży codziennego użytku. Jak twierdzą specjaliści, za kilka lat staną się materiałem ogólnodostępnym i tanim. Aerożele z drewna lub jego składników są dopiero w fazie badań laboratoryjnych.
Nie tylko celulozę stosuje się w elektronice. Porowate węgle aktywne wytwarzane z ligniny oraz włókna celulozy przekształca się w elastyczne elektrody. Pozwalają tworzyć również biodegradowalne źródła energii o dużej pojemności i mocy, przy niskim koszcie surowców. Kondensatory o gęstości energii 40 – 100 Wh/kg i trwałości do dziesięciu tysięcy cykli ładowania – to już nie teoria, a kolejny etap rozwoju w laboratorium. Pozostaje więc następny krok, czyli wdrożenie do produkcji przemysłowej.
Obecnie większość przenośnych urządzeń elektronicznych konstruowana jest z nieodnawialnych, niebiodegradowalnych i drogich materiałów. Dwa niezależne ośrodki naukowe opracowały materiały, ingerując w nanostrukturę materiału bazowego, czyli drewna. Naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, działając wspólnie z amerykańskim Departamentem Rolnictwa Forest Products Laboratory, opracowali nowy półprzewodnik wykonany z drewna i opublikowali wyniki prac.
Wynika z nich, że nanofibra celulozy (CNF) to bardzo mocny i elastyczny materiał. Chipy wykonane na podłożu CNF mogą być wykorzystane w elastycznych elementach elektroniki. Teraz trzeba potwierdzić w praktyce, że można go wykorzystywać zamiast toksycznego arsenku galu.
Nanowłókna celulozowe są wytrzymałym, silnym i przezroczystym materiałem, posiadającym mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, a więc niezmieniającym kształtu wraz z temperaturą.
Chipy, wykonane na podłożu CNF, mogą być wykorzystane w elastycznych elementach elektroniki. Pozwalają zastępować plastik lub metal. Według jednego z profesorów zajmujących się tą tematyką – biodegradowalna elektronika zapewni rozwiązanie problemu zużytej elektroniki, a przyszłe układy elektroniczne będą tańsze w produkcji i utylizacji. Nanofibra celulozy to bardzo mocny i elastyczny materiał, a tkanina kuloodporna, wykonana z nanokrystalicznej celulozy, jest ośmiokrotnie mocniejsza od stali i jednocześnie bardzo lekka.
Stosowana jest już w przemyśle technologia kilkukrotnego zagęszczania drewna prowadzącego do zwiększonej wytrzymałości, m.in. na zginanie z jednoczesnym zwiększeniem jego ciągliwości. Dotychczas wykorzystywane technologie zagęszczania drewna, np. w wysokiej temperaturze, przy wytwarzaniu tzw. termo drewna, doprowadzają tylko do niewielkiego zmniejszenia wymiaru jego grubości i zwiększenia wytrzymałości mechanicznej. Dlatego po latach doświadczeń zespół z UMD (University of Maryland) zaproponował nowy sposób obróbki drewna, który sprawia, że jest ono kilkukrotnie cieńsze niż jego pierwotny wymiar oraz dwanaście razy mocniejsze i dziesięć razy twardsze niż naturalne.
Zespół ten opisał sposób wykonania polegający na tym, że na początku częściowo usuwana jest lignina usztywniająca drewno (na tym etapie, w początkowej fazie, drewno może być gięte i formowane). Następnie jest ono ściskane w odpowiednich warunkach (temperatura, ciśnienie, czas, wilgotność), które powodują, że włókna celulozy są bardzo ciasno upakowane, a wady i sęki zgniatane razem, tworząc silne wiązania wodorowe.
Badania dały w efekcie opracowanie technologii zwiększenia wytrzymałości, tej naturalnej substancji, do poziomu wytrzymałości wielu stopów tytanu oraz wytrzymałości porównywalnej z włóknami węglowymi. Są przy tym znacznie tańsze w wytwarzaniu.
Ten nowy, drewnopochodny materiał był testowany również w strzelnicy. Wstrzeliwując kuliste pociski w drewno niemodyfikowane i modyfikowane zauważono, że pocisk przelatywał przez drewno naturalne prosto na wylot, a nowy materiał zatrzymywał pocisk w połowie jego grubości.
Metoda ta jest uniwersalna dla różnych gatunków drewna i dość łatwa do wdrożenia. Jej dwuetapowy proces pozwala na osiąganie wysokich wytrzymałości, znacznie wykraczającą poza to, co opisywano w literaturze. Istnieje jednak graniczne stężenie ligniny spajającej komórki drewna, która wyznacza zmaksymalizowanie wydajności mechanicznej zagęszczanego drewna. Zbyt małe lub duże usunięcie ligniny obniża wytrzymałość produktu. Proces wymaga więc równowagi między wiązaniami wodorowymi a granicznym stężeniem ligniny.
Naukowcy z Instytutu Technologicznego w Sztokholmie stworzyli materiał, który będzie mógł zastępować szkło w budownictwie do wykonywania półprzezroczystych fasad i paneli słonecznych. Zespół profesora Larsa Berglunda wykonał próbki przezroczystego drewna, a następnie opracował metodę jego produkcji na skalę przemysłową. Głównym zadaniem do uzyskania przezroczystego drewna jest usunięcie ligniny, która nadaje mu brązową barwę. Cienki fornir, zachowujący strukturę tkanki drzewnej po delignifikacji, jest impregnowany przezroczystym polimerem.
Otrzymany przez Szwedów fornir o grubości 1,2 mm przepuszczał 85 proc. światła, dając mocno zamglony obraz. W kabinach prysznicowych i toaletach jest to dodatkową zaletą. Natomiast naukowcom z Uniwersytetu w Maryland udało się pozbawić drewno ligniny i koloru, a po dalszych zabiegach uzyskali „przezroczyste drewno” – mocniejsze, o większej izolacyjności od szkła i lepszej od plastiku biodegradowalności. Minie pewnie jeszcze kilka lat zanim przezroczyste drewno trafi na rynek.
Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Chin otworzyli nowe pole możliwości dla wykorzystania drewna balsy poprzez obróbkę fizykochemiczną, przekształcając ją w „drewnianą gąbkę węglową” zdolną do wytrzymywania powtarzających się cykli ściskania. Wyniki pokazały, że balsa może być bardzo ściśliwa dzięki obróbce chemicznej i procesowi karbonizacji. Uzyskano „drewnianą gąbkę węglową” w postaci falistych arkuszy węglowych porównywanych do „plastra miodu”, i to z oczekiwaną mechaniczną ściśliwością oraz odpornością na cykle zmęczeniowe. Ta „ gąbka węglowa” wytrzymała i zachowała elastyczność nawet po 10 000 kolejnych ściśnięciach, zachowując czułość reakcji na zmiany napięcia elektrycznego.
Nanotechnolog i badacz materiałów z Maryland twierdzi, że „gąbka węglowa” jest wytwarzana prostą i opłacalną metodą w przeciwieństwie do opcjonalnego wytwarzania nanorurek węglowych lub grafenu. Naukowcy włączali jej fragment do czujnika odkształcenia stosowanego w monitoringu stanu zdrowia z pozytywnym rezultatem. Ponadto naukowcy są przekonani, że materiał z „gąbki węglowej” można będzie również włączyć do urządzeń oczyszczania wody oraz przechowywania energii, superkondensatorów i akumulatorów.
Hydrożelowe drewno to surowiec modyfikowany wtryskiem hydrożelu do porów komórkowych. Działa ono jak aktywny budulec magazynujący wilgoć, odparowujący ją w upał i odbijający promieniowanie cieplne. Ogranicza nagrzewanie się budynków i stabilizuje wilgotność powietrza w ich wnętrzu. Uzyskiwane obecnie parametry, w porównaniu z betonem, to obniżenie temperatury wewnętrznej pomieszczeń budynków nawet o 4 – 6° C. To rozwiązanie jest na etapie badań i eksperymentów laboratoryjnych oraz wykonań modelowych.
Chemicy z Rice University stworzyli hybrydowe drewno, które łączy naturalną celulozę z tzw. sieciami metaloorganicznymi. Materiał ten pochłania CO2 z otoczenia, po czym utwardza się. W przyszłości będzie mógł być wykorzystany zarówno jako budulec, jak i sprzymierzeniec kompromisu między ochroną przyrody a gospodarką i jej wydajną energetyką opartą o węglowodory i węgiel.
Jak wyjaśniają naukowcy, materiały budowlane, takie jak stal czy cement, nie tylko są drogie, ale dodatkowo ich wytwarzanie powoduje dużą emisję dwutlenku węgla. Odpowiedzią może być naturalne drewno, specjalnie przetworzone z usuniętą ligniną i hemicelulozą. Tak zmienione drewno jest zanurzane w roztworze mikroskopijnych, złożonych pod względem budowy, porowatych cząstek tworzących przestrzenne sieci metaloorganiczne, oznaczanych skrótowo jako MOF (Metal Organic Frameworks).
Mają one dużo większą powierzchnię w stosunku do jego objętości i dzięki temu są zdolne pochłaniać duże ilości dwutlenku węgla.
Cząsteczka CALF- 20 jest specjalną strukturą MOF. To materiał metaloorganiczny, który charakteryzuje się specyficznym układem kationów metalu i ligandów organicznych, czyli związków, które mogą tworzyć kompleksy chemiczne z metalami. Te cząsteczki charakteryzują się porowatą strukturą, która umożliwia efektywne wychwytywanie gazu cieplarnianego, przez co zmodyfikowane drewno, pochłaniając CO2 z otoczenia, nabiera twardości. Ten specjalny materiał opracowano do selektywnej adsorpcji dwutlenku węgla na powierzchni, jednocześnie ograniczając swoją absorpcję wody. Stosując to rozwiązanie w miejscach wytwarzania CO2 będzie możliwe zaakceptowanie faktu, że Agencja Ochrony Środowiska USA chce wycofać z prawa stwierdzenie o szkodliwości głównych gazów cieplarnianych.
Jedną z dróg zmniejszenia skali eksploatacji naturalnych zasobów drewna jest eksperymentowanie z genetyką i szybkim namnażaniem komórek drzewnych. Próby wytyczenia nowej drogi tworzenia masy drzewnej w laboratorium, gdzie pozyskuje się żel drewnotwórczy do drukowania 3D elementów drzewnych, to fakt. Prowadzony rozpoznawczo eksperyment w MIT (Massachusetts Institute of Technology) to temat futurystyczny. W tym eksperymencie wykorzystywane są komórki roślin, na przykład z popularnych kwiatów, astrów. Są już pierwsze pozytywne rezultaty na małą skalę.
Wprawdzie istnieją różnice między drewnem z laboratorium a tym pochodzących z drzew w zakresie struktury uporządkowania komórek, ale jest to jednorodne w swej strukturze drewno. Na obecnym etapie drukowana struktura drewna różni się uporządkowaniem i jest bardziej podobna do masy drewnopochodnej, bez struktury drewna. Badania są na wczesnym etapie, więc pozostaje nam co najmniej kilkanaście lat czekania na przełomowy postęp w technologii, pozwalający na praktyczne rozwiązania.
Zanim jednak polski i europejski przemysł zacznie wykorzystywać wyżej wspomniane kierunki rozwojowe, to pozostają niewdrożone szerzej, znane i niewykorzystane, sprawdzone opracowania wykorzystujące masę drzewną i drewnopochodną, chociażby do celów energetycznych. Przykładami śladowego wykorzystania technologii dla drewna odpadowego i pozostałości poprodukcyjnych czy poprocesowych do celów energetycznych są zgazowywanie i kogeneracja. Pozwala to na odzyskiwanie energii zawartej w drewnie oraz innych celulozowych.
Zgazowanie i kogeneracja pozwalają na 95-procentowe uzyskiwanie energii zawartej w drewnie (średnio 4 kWh/16 MJ/Kg), materiałach drewnopochodnych i innych celulozowych, przy niewielkim koszcie uzysku energii cieplnej czy elektrycznej. Przykładowo, koszt pozyskania 1 kWh energii oscyluje wokół kilku groszy.
