Nanopapier sprayen als alternatief voor kunststoffen op basis van minerale oliën

Zonder nanotechnologie zou op veel gebieden van het dagelijks leven bijna niets meer mogelijk zijn, omdat met behulp van nanotechnologie technieken, structuren en systemen kunnen worden ontwikkeld om materialen volledig nieuwe eigenschappen en functies te geven. Zo maakt nanotechnologie het mogelijk om bijvoorbeeld specifieke textielsoorten zoals sportkleding te produceren die zowel waterafstotend als ademend zijn. Tot de andere gebieden behoren robotica, procestechnologie, sensortechnologie, zonnetechnologie, biotechnologie, geneeskunde, de verpakkingsindustrie en zelfs cosmetische producten en levensmiddelen.

Wetenschappers van het Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY en het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm hebben nu een nieuw sprayprocedé ontwikkeld om op industriële schaal zeer gelijkmatige laagjes cellulose nanovezels (CNF) te produceren. Hierbij worden cellulose nanovezels, die gemiddeld 500 nanometer (een miljoenste millimeter) lang zijn en 3 tot 5 nanometer dik, in een waterhoudende draagvloeistof op een siliciumdrager gespoten.

Hout als grondstof

“Ik werk aan het gebruik van celluloselagen als substraten en structuurgevende materialen voor mogelijke toepassingen op het gebied van flexibele elektronica,” zegt DESY-wetenschapper Professor Stefan Roth, die het idee voor de nieuwe technologie bedacht heeft. “Spraytechnieken hebben als voordeel dat het mogelijk is om oppervlaktes van elke grootte en vrijwel elk substraat in korte tijd laag voor laag op een gecontroleerde en uniforme manier te coaten. De laagdikte kan tijdens het sprayen zeer eenvoudig en tot op een miljardste van een meter nauwkeurig worden ingesteld. Daarom wordt het sprayprocedé inmiddels al veelvuldig toegepast bij de productie van kunststof elektronica en zonnecellen.”

Aan de hand van röntgenonderzoek bij DESY’s lichtbron PETRA III, onderzoek met een atoomkrachtmicroscoop en onderzoek op basis van neutronenverstrooiing, konden de wetenschappers precies laten zien hoe de laag is opgebouwd. Bovendien kan zo’n structuur op maat worden gemaakt voor bijvoorbeeld extreem dun, glad en taai nanopapier.

Poreuze, nanogestructureerde cellulosefilms zouden een aantal gunstige eigenschappen hebben die ze “interessant maken voor verschillende toepassingen, van ultrasterke bioactieve vezels tot transparant geleidend nanopapier,” aldus de hoofdauteur van het onderzoek, Calvin Brett van DESY en het Royal Institute of Technology (KTH) in Stockholm. “Ze zijn lichtgewicht en temperatuurstabiel, hebben uitstekende mechanische eigenschappen, een lage dichtheid en zijn gemaakt van hernieuwbare grondstoffen – cellulose nanovezels zijn meestal gemaakt van hout.” Aangezien hout een natuurlijk hernieuwbare grondstof is, kan cellulosefolie een goed alternatief zijn voor kunststoffen op basis van minerale olie, die momenteel worden gebruikt in producten zoals functionele polymeren.

Elektrische lading neemt toe met de hoeveelheid water

Tijdens de productie wordt het substraat verhit tot 120 graden Celsius zodat het meeste water snel verdampt, wat resulteert in een gelijkmatige celluloselaag van slechts 200 nanometer dik. Het nanopapier. “Een belangrijke kwestie bij het verkrijgen van de juiste eigenschappen is de relatie tussen de gelaagdheid van de afzonderlijke nanovezels, de poreusheid en de nanostructuur in de cellulosefilm,” legt Roth uit, die ook hoogleraar is aan de KTH Stockholm.

Analyses van de cellulosefilms toonden aan dat de oppervlaktelading van de gespoten nanovezels toeneemt met de hoeveelheid overgebleven water. Volgens de onderzoekers kan deze elektrische lading tijdens de productie specifiek worden gestuurd en kan deze dus de eigenschappen van de film bepalen. Uit onderzoek met de atoomkrachtmicroscoop bleek ook dat hoe sterker de elektrische lading van de afzonderlijke vezels is, hoe gladder de film wordt.

De wetenschappers onderzochten bovendien de holle ruimtes in de films, waarin materialen zoals polymeren of metalen verwerkt kunnen worden, en wat er gebeurt wanneer het materiaal bevochtigd en gedroogd wordt. “Met onze gegevens kunnen we de cellulosefilms nu op maat maken voor specifieke toepassingen, die bijvoorbeeld de optimale verhouding tussen ruwheid, watergehalte en holle ruimtes hebben,” zegt Roth.

Productie op industriële schaal

Ondertussen kunnen dit soort lagen niet alleen in het laboratorium worden geproduceerd, maar ook op industriële schaal, bijvoorbeeld door een cellulosefilm “met slechts twee nanometer ruwe laag” aan te brengen op een 50 meter lange film. In vergelijking met “conventioneel” nanopapier hebben de nieuwe cellulosefilms talloze voordelen. “Cellulose nanovezels (“CNF”, diameter 5 nm, lengte enkele 100 nm) hebben het voordeel dat ze mechanisch ultra sterk zijn. Op basis van deze biomaterialen kunnen ‘s werelds sterkste vezels worden geproduceerd, zoals we onlangs samen met onze collega’s van KTH hebben aangetoond,” benadrukt Roth.

“Bovendien bedraagt de ruwheid van de films die wij met behulp van het sprayprocedé produceren slechts een miljardste meter, en valt deze daarmee binnen het technisch relevante bereik voor dunne-filmprocedés voor de productie van bijvoorbeeld zonnecellen.”

Als volgende stap zijn Roth en zijn collega’s van plan om functionele polymeren in de cellulosefilm te verwerken om bijvoorbeeld een sensormateriaal te kunnen produceren. “Om te beginnen hebben we films op siliciumoppervlakken geproduceerd om de eigenschappen van deze (CNF) films te onderzoeken,” zegt hij. “Het doel is om op basis van deze films ultradunne, zelfdragende, ultrasterke mechanische films te produceren. Tijdens de productie kunnen deze films dan functioneel worden door het mengen van geleidende polymeren, bijvoorbeeld, maar kunnen ze ook dienen als modellen voor flexibele elektronische toepassingen.”

De onderzoekers presenteren hun structurele analyses in het tijdschrift “Macromoleculen”.

Meer artikelen over nanotechnologie leest u HIER