تاثير فناوري نانو در آينده چوب

دیدگاه‌های موجود در این زمینه شامل بهبود کارایی تولیدات غیر متعارف، پالایش هرچه بیشتر محصولات برای عملکرد بهتر و به دست آوردن صفحات رشته‌ای جدید و دستیابی به مواد و بسته‌بندی‌های جدید است.

با تمرکز بر کاربردهای کوتاه‌‌ مدت فناوری‌نانو در زمینه تولیدات چوبی، پیشنهادهای زیر جهت تحقیق و توسعه ارائه شد:

تحقیقات اکتشافی در نانوساختارهای چوب و خمیر؛

ساختارهای مهم شامل سیستم‌ متخلخل دیواره فیبر؛

سازمان‌دهی و توزیع اجزای دیواره فیبر؛

اصلاح آنزیمی اجزای فیبر؛

اصلاحات فیزیکی و شیمیایی اجزای بافت شامل افزودن و اصلاح سیستم متخلخل دیواره فیبر؛

تحقیق و توسعه اکتشافی با هدف بهره‌برداری صنعتی از نانوالیاف سلولزی ؛

اصلاح شیمیایی الیاف سلولزی؛

فرآیندهای تجمیع و توزیع؛

اندازه‌گیری خواص مقاومتی و شبکه‌ای الیاف در کاغذ و خمیرسازی؛

کاربرد الیاف سلولزی و خاک رس لایه‌بندی شده در نانوکامپوزیت‌ها به منظور ایجاد حفاظ‌های آب، نفت و گاز؛

تحقیق و توسعه اکتشافی برای اصلاح سطوح در الیاف چوبی و سلولزی؛

روش‌های چند لایه ای پلی‌الکترولیتی؛

خود‌آرایی پلی ساکاریدها و مشتقات پلی‌ساکاریدی؛

پیوندهای سطحی پلیمرها؛

بلوکه کردن پلیمرها با هدف اصلاح سطوح.

بنابر فرصت‌ها و چالش‌هایی که فناوری‌نانو پیش روی ما قرار داده است، ایجاد یک شبکه هدفمند در صنعت محصولات چوبی، متشکل از دانشمندان و سایر اعضای این صنعت بسیار به جا به نظر می‌رسد.

پیدایش فناوری‌های جدید در زمینه توصیف ویژگی‌های منحصر‌به فرد ساختمان الیاف در مقیاس نانو، فرصت‌های بسیاری برای ما ایجاد نموده است. در هر حال، تجهیزات علمی مورد نیاز برای دستیابی به نتایج مطلوب، بسیار گران بوده و کار با آنها نیاز به افرادی با تخصص بالا دارد و این‌گونه موارد محدودیت‌هایی را در مسیر دستیابی به اهداف تعیین شده به وجود می‌آورد.

معمولاً مقاومت چوب‌های اروپایی کمتر از انواع غیر اروپایی است، لذا این چوب ها به افزایش مقاومت نیاز دارند. برای این منظور اغلب اصلاحات ظاهری از قبیل روکش‌دهی با مواد شیمیایی انجام می‌گیرد، اما برخی از روش‌های اصلاحی متعارف، با محیط زیست سازگار نیستند و حتی اثرات سمی دارند. به همین دلیل نیاز مبرم به کشف روش‌های جدید و زیست سازگار برای اصلاح و بهبود ویژگی‌های عملکردی چوب، احساس می‌شود.

چوب‌هایی که با استفاده از فناوری‌نانو تولید می‌شوند بسیار مستحکم‌تر و سخت‌تر از محصولات روش‌های سنتی خواهند بود. اگر چه ممکن است کامپوزیت‌های چوبی، دارای برخی محدودیت‌های عملکردی باشند اما اصلاح آنها آسان‌ است. از جمله ویژگی‌هایی که با استفاده از فناوری‌نانو افزایش می‌یابد پایداری در برابر رطوبت، اشعه فرابنفش، فساد میکروبی و انواع ویژگی‌های ظاهری از قبیل سختی و مقاومت در برابر آتش است.

سطوح چوب جامد و کامپوزیت‌های چوبی همواره در معرض فرسایش به‌وسیله نور (مانند اشعه فرابنفش) و رطوبت است و در برابر این دو عامل بسیار آسیب‌پذیر است. بنابراین حفاظت از مواد چوبی، با استفاده از روکش‌های غیر شفاف و یا نیمه شفاف ابداع گردید؛ اما این روش موجب حذف زیبایی‌های ظاهری چوب می‌شود، در صورتی که مصرف‌کنندگان مایلند توأماً از دوام بالا و زیبایی ظاهری برخوردار باشند. یک راه حل این مشکل می‌تواند استفاده از روش اصلاح ظاهری شفاف باشد.

عملکرد در برابر آتش نیز یکی از عوامل کاهش‌ کاربرد محصولات چوبی است. دستیابی به عملکرد پیشرفته‌ترمحصولات چوبی در برابر آتش نیز کار مشکلی نیست. بسیاری از بازدارنده‌های آتش که هم‌اکنون مورد استفاده قرار می‌گیرند، در کاهش پارامترهای مختلف عکس‌العمل چوب در برابر آتش از جمله قابلیت اشتعال، پخش حرارت و گسترش شعله مؤثرند. عملکرد چوب در برابر آتش می‌تواند تا حد عملکرد پشم‌های معدنی و صفحات فولادی افزایش یابد.

هر چند بسیاری از این اصلاحات ممکن است روی سایر ویژگی‌های چوب نیز تأثیر گذار باشند، به هر حال دوام بالای چوب در برابر آتش می‌تواند با استفاده از روش‌های متداول حفاظت از چوب در برابر پوسیدگی‌های زیستی به دست آید.

ایجاد رفتار بازدارندگی در برابر آتش در چوب (FRT) ، اغلب موجب افزایش نفوذ‌پذیری در برابر رطوبت، تغییر رنگ و یا فساد تدریجی چوب می‌شود. همچنین این‌گونه اصلاحات می‌تواند موجب کاهش دوام چوب، به ویژه در کاربردهای بیرونی، کاهش استحکام مکانیکی و مقاوم شدن در برابر چسب و رنگ شود، در صورتی که عمده‌ترین کاربرد چوب‌های اصلاح‌شده با خاصیت بازدارندگی آتش، در مصارف بیرونی است.

زمانی که چوب اصلاح شده در معرض رطوبت زیاد قرار گیرد، ممکن است مواد شیمیایی بازدارنده آتش به سطح چوب منتقل و در نهایت شسته شده و به کلی از چوب خارج شوند. حتی با میزان اندکی رطوبت، در حد رطوبت داخلی، عملکرد حفاظتی چوب در برابر آتش ممکن است رو به زوال بگذارد، زیرا مواد شیمیایی بازدارنده آتش از قسمت‌های فوقانی چوب به سمت قسمت‌های عمیق با غلظت کمتر حرکت کرده، قابلیت اشتعال محصولات افزایش می‌یابد.

چالش‌ها

بهبود‌ ویژگی‌های عملکردی چوب و همزمان با آن، حفظ جنبه‌های زیبایی ظاهری محصولات چوبی جامد؛

امکان‌های جدید به منظور غلبه بر ویژگی‌هایی از چوب که موجب نامرغوبی آن می‌شود مانند:

نفوذپذیری در برابر رطوبت؛

پوسیدگی میکروبی؛

پوسیدگی در اثر حرارت؛

انواع جدیدی از چسب‌ها و روکش‌های سطحی با مقاومت افزایش یافته برای:

شرایط متفاوت رطوبتی؛

شرایط متفاوت آب و هوایی؛

قرارگیری در معرض اشعه فرابنفش؛

ترکیب محصولات چوبی با دیگر مواد مورد کاربرد در فناوری‌های جدید؛

بهبود عملکرد چوب در برابر آتش به منظور حفظ خواص عملکردی ذاتی چوب، اثرات اکوسیستمی و نیز تقویت منابع مواد خام تجدید پذیر؛

آزادسازی تدریجی ترکیبات ضد میکروبی.

فرصت‌های فناوری‌نانو

محافظت در برابر اشعه فرا بنفش

سطح چوب جامد در برابر عوامل مخربی مانند تابش (اشعه فرا بنفش و نور مرئی) بسیار آسیب‌پذیر است و عموماً نیاز به حفاظت در برابر این قبیل عوامل دارد. اصلاح سطح چوب با استفاده از نانومواد می‌تواند پیشرفتی غیرمنتظره و بسیار با اهمیت در راستای افزایش دوام و عملکرد، به همراه حفظ ظاهر زیبای چوب، بدون استفاده از روکش باشد. رنگدانه‌های معدنی مانند دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) و اکسید روی (ZnO) را معمولاً به منظور افزایش دوام شیمیایی و مکانیکی و نیز بهبود شکل ظاهری به مواد با ساختار پلیمری اضافه می‌کنند. با اضافه کردن تنها 5 درصد از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم به چوب، آن را در برابر تابش فرابنفش محافظت نموده و از سرایت پوسیدگی به لایه‌های مختلف چوب جلوگیری می‌شود و علاوه بر آن ظاهر چوب را نیز زیباتر می‌کند.

ممانعت از تکثیر میکروب‌ها

چوب و کامپوزیت‌های چوبی، به ویژه در مصارف بیرونی، اغلب در معرض تهاجمات باکتریایی مانند لکه‌های آبی، کپک‌ها و قارچ‌های نابود کننده چوب قرار دارند. جلوگیری از تماس باکتری‌ها با سطح چوب می‌تواند روش مناسبی برای به حداقل رساندن تکثیر کلونی‌های میکروبی و یا تشکیل کپک در چوب باشد.

اصلاح سطح چوب با استفاده از نانوذرات سیلیکا، تکثیر باکتری‌ها و کلونی‌های قارچ‌ها را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. ذرات کروی سیلیکا، با قطر در حدود 10 نانومتر، از طریق یک لایه اتصالی پلی کاتیونی و با استفاده از یک فرایند غرق‌آبی ساده به سطوح شیشه‌ای متصل می‌شوند. از این روش می‌توان برای ساخت روکش‌های نانوکامپوزیتی پلیمری با خاصیت خودپالایی و حذف آلاینده‌های میکروبی استفاده نمود. گرچه این روش هنوز در چوب جامد استفاده نشده است، اما تحقیقات در زمینه بررسی روش‌های پیش‌نیاز برای استفاده رایج از نانوذرات و یا آرایش آنها درون دیواره‌های سلولی چوب، ادامه دارد.

آزادسازی تدریجی ترکیبات با اهمیت

نانوذرات ‌توان آزادسازی مداوم آفت‌کش‌ها و قارچ‌کش‌ها در یک ساختار پلیمری را نیز دارند. این روش که در آن قارچ‌‌‌‌‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها را به‌صورت کپسول‌هایی درون روکش قرار می‌دهند، به منظور آزادسازی زمان‌بندی شده ابداع شده است. ساختارهای میکروحفره‌ای ساخته شده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم نقش بسیار کلیدی در سازوکار‌های آزاد‌سازی مرحله‌ای به عهده دارند. پوشش‌های دارای این ذرات در برابر نفوذ و تکثیر جلبک‌ها نفوذناپذیرند.

نگهداری چوب

استفاده از Timber- که یک پارچه تلقیح شده با مس، کروم و آرسنیک است-برای مصارف مسکونی ممنوع شده است و صنعت تولیدکننده آن برای یافتن جایگزینی برای آن تلاش می‌کند. نشانه‌های بسیاری مبنی بر توانایی فناوری‌نانو در تولید محصولات مؤثرتر، با دوام تر و با خواص ضد میکروبی به ویژه برای مصارف خارجی (Out door) وجود دارد. با استفاده از روش‌های اشباع مناسب، نانوذرات قادرند به درون ساختار چوب نفوذ کنند و این در حالی است که تأثیر وجود نانوذراتی مانند دی‌اکسید تیتانیوم، اکسید روی و یا اکسید مس در نگهدارنده‌های چوب، در افزایش دوام چوب اثبات شده است.

عملکرد در برابر آتش

از نانوکامپوزیت‌های مقاوم به آتش به‌طور عمده‌ در تولید پلاستیک‌ها، استفاده شده است. همچنین از مقاومت نانوکامپوزیت‌ها در مقابل آتش می‌توان در تولید محصولات چوبی بهره برد. اما تاکنون نتایج کمی در این زمینه به دست آمده است.

مؤثرترین بازدارنده‌های آتش نانوکامپوزیتی، ساختاری است شامل تنها یک مونومر و یا پلیمرهای منبسط شده که میان لایه‌های سیلیکا قرارداده شده است. چنانچه بتوان پلاستیک‌ها و خاک رس را طی یک فرایند مناسب به خوبی با هم مخلوط کرد، یک چنین ساختاری به آسانی ایجاد می‌شود. اما این روش تاکنون در تولید محصولات چوبی جامد به‌کار نرفته است.

با این وجود اطلاعات موجود در مورد محصولات چوبی نشان می‌دهد، کاهش اندازه ذرات، مقاومت به آتش را تا چند برابر افزایش می‌دهد.

با به کارگیری فناوری‌نانو می‌توان ویژگی‌های بسیار شگفت‌انگیزی را در محصولات به وجود آورد. به عنوان مثال نانوذرات قادرند به درون غشای سلولی نفوذ کرده، ساختاری بسیار مستحکم با احتراق‌پذیری کم ایجاد نمایند و به‌طور همزمان خصوصیات میکروحفره‌ای چوب را نیز حفظ کنند. همچنین می‌توان چوب را به عنوان ماتریسی برای تولید مواد سرامیکی متخلخل جدید با عملکرد بسیار بالا در برابر آتش، به‌کار برد.

موانع به‌کارگیری فناوری‌نانو در تولید محصولات چوبی

صنعت چوب عمدتاً شامل صنایع کوچک و یا متوسط دیگری است که اغلب توانایی سرمایه‌گذاری تحقیقاتی برای توسعه فناوری‌ها و افزایش کیفیت محصولات را ندارند. این صنعت هنوز به درک مناسبی از مفهوم ارزش افزوده در ابعاد وسیع‌ نرسیده است. در حال حاضر بیشترین بازده صنعت چوب، با استفاده از مواد توده‌ای حاصل می‌شود. بیشترین تولیدکنندگان محصولات چوبی هنوز از انتظارات و نیازهای مصرف‌کنندگان آگاه نیستند. به عبارت دیگر، اکثر مصرف‌کنندگان به استفاده از مواد کاملاً طبیعی علاقه‌مند هستند و هیچ حمایتی از پیشرفت محصولات با استفاده از مواد غیرطبیعی نمی‌کنند.

تحقیقات مقدماتی مورد نیاز برای تولیدات چوبی

موارد کوتاه ‌مدت (3 سال)

توسعه علوم پایه از طریق افزایش کیفیت تحقیقات؛

شناخت شرایط فیزیکی و شیمیایی به منظور نفوذ و تثبیت نانومواد در چوب جامد و ورقه‌های چوبی؛

توسعه روش‌های آماده‌سازی کامپوزیت‌های غیر آلی چوبی با استفاده از فرآیندهای سل‌ژل؛

بررسی امکان جایگزینی روش‌های غیر متعارف بارورسازی چوب، با روش‌های مبتنی بر نانومواد به منظور افزایش دوام چوب جامد؛

جستجو برای روش‌های افزایش مقاومت چوب به آتش با استفاده از تکنیک‌های نانومتری، که علاوه بر افزایش عملکرد چوب در برابر آتش افزایش دوام چوب را نیز در پی داشته باشند؛

توسعه ابزارآلات ارزیابی تأثیرات اکوسیستمی روش‌های پیشنهاد شده برای اصلاح چوب.

موارد میان مدت (تا سال 2010)

توسعه اکسیدهای فلزی با ویژگی‌های بهبودیافته و با تمرکز بر افزایش مقاومت چوب در برابر عوامل میکروبی و اشعه فرا بنفش؛

انتخاب اکسیدهای فلزی سازگار با محیط‌زیست؛

معرفی اکسیدهای فلزی مورد استفاده در دیواره‌های سلولی چوب برای افزایش دوام چوب؛

اثبات تجربی مناسب بودن روش‌های اصلاحی چوب در یک مقیاس بزرگ‌تر؛

مطالعات عمیق‌تر در مورد تأثیرات روش‌های اصلاحی پیشنهاد شده روی ویژگی‌های کارکردی بنیادی چوب.

موارد بلند مدت (تا سال 2020)

اثبات کارایی روش‌ها در مقیاس واقعی یا در یک واحد پایلوت؛

به‌کارگیری چوب اصلاح شده نانومقیاس برای کاربردهای ساختمان‌سازی و یا دیگر کاربردها، از جمله کشتی‌سازی و خودرو سازی؛

خلاصه

کمیسیون اروپا به منظور ترسیم نقشه راه (‏RoadMap‏) تحقیق و توسعه و ‏تشخیص پیشرفت‌های جدید در حوزه فناوری‌نانو و شناسایی زمینه‌های مرتبط و مناسب برای کاربردهای ‏عملی این فناوری‌ در بخش تولیدات چوبی، مطالعه جامعی را انجام داده است. ‏در این مطالعه مشخص شد که فناوری نانو با ساخت موادی با عملکرد بسیار بالا می‌تواند ابزاری بسیار ‏مهم برای پیشرفت زمینه‌های بسیاری از جمله موارد زیر باشد: ‏ تغییر محصولات چوبی از منبع محور به دانش محور؛ پیشرفت‌های غیرمنتظرة واقعی در عملکرد مواد زیستی ساخته شده از منابع چوبی؛ تغییر رویکرد از محصولات چوبی حجیم به مواد جدید بیوکامپوزیتی مناسب؛ یکپارچه نمودن ‏SEM‏‌ ها، به عنوان مثال، اجتماع تولیدکنندگان محصولات با عملکرد بالا، با فعالان صنعت چوب و ‏کاغذ. ‏ این گزارش، شامل بخشهای مهم نقشه راه فناوری نانو در صنعت چوب اروپا است.

(0) نظر

دسته ها : علمی

جمعه 4 11 1387