Transcript 8 Nanoutiskivanje 2014

NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
1
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
Nanotehnologija nudi mogućnosti za transformisanje drvne
industrije u skoro svim njenim aspektima
• Prvenstveno nudi novih pristup u proizvodnji inženjerskih
drvnih proizvoda i materijala na bazi drveta kao nove
generacije nano-lignoceluloznog materijala.
• Stvaranje funkcionalnosti na lignoceluloznoj površini, u
nanorazmeri, nanotehnologija otvara nove mogućnosti u
izradi samo-sterilišućih površina ili površina koje se ponašaju
kao provodnici, što je od bitne važnosti za proizvodnju nekih
farmaceutskih proizvoda i elektronskih lignoceluloznih
uređaja.
2
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
• Pospešujući uklanjanje vode i vlage, smanjujući utrošak
energije za sušenje, modifikujući vlakna i iverje u cilju
specifičnih poboljšanja procesa proizvodnje, nanotehologija
može da se upotrebi i za poboljšanje prerade drvnog
materijala u gotove proizvode.
• Iz tih razloga otvaraju se novija polja primene prvenstveno
papira i lignoceluloznih kompozita kako proizvoda tako i
materijala.
3
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA

Pravci istraživanja i razvoja nanotehnologije u drvnoj
industriji..!
Tokom 2006 godine započeti su sledeći programi:
1. Korišćenje posebnih nanosvojstava drveta i sličnih
lignoceluloznih materijala u cilju razvoja naprednih
nanomaterijala;
2. Korišćenje nanoprocesa za modifikaciju lignoceluloznog
materijala;
3. Korišćenje nanometroloških tehnika za istraživanje bazične
strukture materijala, načine njihove degradacije i metoda za
sprečavanje degradacije.
4
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA

Oblasti istraživanja u drvnoj industriji na nanorazmeri..!
1. Polimerni kompoziti i nano-ojačani materijali.
2. Samo-sastavljanje i biomimetika (oponašanje bio
procesa).
3. Nanostrukture zidova ćelija.
4. Nanotehnologija senzora, procesa i procesne kontrole.
5. Analitičke metode za karakterizaciju nanostruktura.
5
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA

Nanotehnologija sutrašnjice..!
Unapređenje gotovo svih procesa prisutnih u drvnoj industriji
istraživanjem
 Modifikacija drvnih vlakana u cilju postizanja naprednih strukturnih i
funkcionalnih svojstava gotovog proizvoda.
 Primene novih tipova adheziva i premaza koji pospešuju izdržljivost,
vlagootpornost i vatrootpornost (neki od ovih tretmana već su danas
dostupni).
 Primene nanočestica u zaštiti drveta (postojeća sredstva zaštite
stavljaju se van upotrebe u sve većem broju zemalja, usled štetnog
uticaja po okolinu).
 Interakcije nanofibrila celuloze sa drugim drvnim materijalom u cilju
rekonstrukcije drveta u nove oblike i za nove oblasti primene.
6
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
1. Polimerni kompoziti i nano-ojačani materijali..!
 Kombinovanje materijala na bazi drveta sa nano-materijalima u cilju
razvoja novih, poboljšanih kompozitnih materijala sa jedinstvenim i
multifunkcionalnim svojstvima.
Karbonska i drvna vlakna
zatopljena u plastičnoj matrici
čine jedinstveni proizvod
7
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
1.
Polimerni kompoziti i nano-ojačani materijali..!
Primeri:
Jedini ojačavajući (armirajući) materijal koji je jači od
celuloznih nanokristala (CNT) jesu ugljenične nanocevi
(naotubes - NT), ali su 100 puta skuplje.
Slike dobijene skenirajućim elektronskim mikroskopom
(SEM), koje prikazuju ugljenične nanotube zatopljene
u polietilensku matricu.
8
Karakteristike nanoceci






Veličina: prečnik 0,6 do 1,8 nm,
dužina 1 do 10 μm
Gustina: 1,33 do 1,40 g/cm3
Čvrstoća na istezanje: najmanje 10
puta veća od čvrstoće legiranog
čelika, ili oko 20 puta veća
Čvrstoća na pritisak: dva reda
veličine veća nego kod dosad
najčvršćih Kevlar vlakana
Tvrdoća: prosečno oko 2000 GPa,
što je skoro dva puta više nego
kod dijamanta, dosad najtvrđeg
materijala na svijetu
Elastičnost: mnogo veća nego kod
metala ili ugljeničnih vlakana





Toplotna provodljivost: predviđa se da je
veća od 6000 W/m⋅K (čisti dijamant 3320
W/m ⋅ K)
Temperaturna stabilnost: u vakuumu do
2800 ºC, a vazduhu do 750ºC (metalni
vodovi u čipovima tope se između 600 i
1000 ºC)
Provodljivost struje: procjenjuje se na 1
mrd A/cm2! (bakrena žica izgori pri 1 mln
A/cm2)
Emisija elektrona: aktivira se pri 1 do 3 V
uz razmak elektroda 1 μm (molibdenovi
šiljci zahtijevaju polje od 50 do 100 V/μm)
Cijena: 1500 $/g kod Bucky, Huston, SAD
u 2000. godini (zlato iste godine 10 $/g).
9
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
1.
Polimerni kompoziti i nano-ojačani materijali..!
Primeri:
Celulozne nanočestice poseduju aktivnu površinu na koju mogu
da se kaleme drugi hemijski materijali, sa ciljem poboljšanja
površinske funkcionalnosti.
Slike dobijene transmisionim elektronskim mikroskopom (TEM), koje prikazuju
fibrile kristalne nanoceluloze (CNC) obložene nanoćesticama srebra.
10
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
2.
Samo-slaganje i Biomimetika..!
 Korišćenje prirodnog sistema drvnog bio-materijala kao uzornog
materijala i modela za razvoj ili manipulisanje jedinstvenim nano-,
mikro- i makro- polimernim kompozitima putem biomimetike (biopodražavanja) i/ili direktnog slaganja molekula.
Samo-slaganje je proces u kome se objekti međusobno
spontano slažu u pravilne šeme.
11
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
2.
Samo-slaganje i Biomimetika..!
 Zamislite da nasumično razbacane daske i okovi samostalno
formiraju garderober.
12
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
2.
Samo-slaganje i Biomimetika..!
• Razumevanje načina samo-slaganja
u drvetu od suštinske je važnosti za
razvoj novih lignoceluloznih
nanomaterijala.
• Ćelijski zid je rezultat samo-slaganja
lanaca celuloze u delimično
kristalne nanofibrile. Poseduje
jedinstvena svojstva.
• Stvaranje novih, funkcionalnih,
samoslažućih površina na
postojećem lignoceluloznom
materijalu.
Biomimetički ugljenični materijal sa sposobnošći samo-čišćenja ili samo-održavanja
13
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
3.
Nanostrukture ćelijskog zida..!
 Tretiranje ćelijskog zida drvnih vlakana u cilju modifikovanja ili
poboljšanja njegovih fizičkih svojstava, kao i stvaranje drvnog
materijala i drvnih vlakana superiornih svojstava, obradljivosti i
upotrebnih karakteristika.
Celulozni nanofibrili imaju modul elastičnosti od oko 1/4 u odnosu
na karbonske nanocevi, međutim, proizvode se prirodnim putem,
bez utroška energije i bez potrebe za visokim temperaturama.
 Razumevanje arhitekture i procesa konsolidacije zida drvnih
ćelija, kao osnovnog nosioca svojstava drveta i drvnih vlakana.
14
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
3. Nanostrukture ćelijskog zida..!
 Zidovi drvnih ćelija jesu nanokompoziti celuloze, hemiceluloza,
proteina i lignina.
 Ćelijski zid sadrži jedinstveni proteinski kompleks koji koristi
aktivirane molekule glukoze za slaganje celuloznih nanofibrila
15
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
3. Nanostrukture ćelijskog zida..!
Opšti cilj:
 Stvoriti mogućnost modifikacije nanoarhitekture sekundarnog
zida ćelije drveta, kako bi se postigla poboljšanja specifična
svojstava gotovog proizvoda.
Ovo zahteva kontrolu procesa slaganja ćelijskog zida genetskim
inženjeringom i manipulacijom uslova sredine.
16
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
3. Nanostrukture ćelijskog zida..!
Specifični ciljevi:
 Karakterizacija strukture ćelijskog zida sa aspekta prirode
konstituenata i njihovog međudejstva.
 Upoznavanje odnosa između genetskih podataka u nanorazmeri, sa
jedne strane i mehanizama biosinteze konstituenata ćelijskog zida i
njihove strukture i organizacije sa druge.
 Identifikacija uticaja uslova sredine na svojstva prirodnog ćelijskog
zida i stabilizovanje ovih svojstava u promenljivim uslovima.
 Razvoj metoda za izolovanje konstituenata ćelijskog zida i lignina,
bez promene njihove prirodne strukture.
17
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
4. Nanotehnologije u proizvodnji i procesnoj kontroli..!
 Korišćenje nano-senzora za praćenje i kontrolu proizvodnje
materijala na bazi drveta, kao i sakupljanje podataka o ponašanju
gotovog proizvoda u uslovima sredine u kojima se koristi, a u cilju
sagledavanja multifunkcionalnosti proizvoda.
18
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
4. Nanotehnologije u proizvodnji i procesnoj kontroli..!
Ciljevi:
 Razvoj drvnog materijala i proizvoda sa senzorskim gradivnim
komponentama, putem manipulacije ili genetske modifikacije.
 Razvoj lignoceluloznih senzora, hemijskom modifikacijom, sa
mogućnošću registrovanja temperature ili samo-čišćenja.
 Razvoj nanosenzora koji mogu biti ugrađeni u drvne proizvode sa
zadatkom praćenja temperature, pritiska, vlažnosti, emisije i dr.
 Obeležavanje individualnih vlakana.
 Razvoj senzora za praćenje procesa u drvnoj industriji, u nano
razmeri.
19
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
4. Nanotehnologije u proizvodnji i procesnoj kontroli..!
Grafenksi tranzistor - Listovi grafena
imaju debljinu jednog atoma ugljenika
Tranzistor za kontrolu toplote u
superprovodničkim sistemima,
sa nanosenzorima
20
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
5. Analitičke metode karakterizacije
nanostruktura..!
 Tehnološki napredak mernih
instrumenata pruža nova saznanja o
nanostrukturi drveta:
Mikroskopija atomske sile (Atomic
force microscopy - AFM) već se
uveliko koristi za istraživanje
topografije i nekih svojstava
površine (hemizma, reaktivnosti).
Nanoutiskivanje za sada je jedina
metoda koja omogućuje merenje
mehaničkih svojstva ćelijskog zida.
21
Tehnika utiskivanja
Drvo ima široku primenu već hiljadama godina. Ipak, njegova hemijska složenost i hijerarhija
njegove strukture onemogućuju istraživače da u potpunosti razumeju i kontrolišu njegova
svojstva.

Ostalo je puno neotkrivenog u vezi ćelijskog zida, interakcije
između slojeva ćelije i prirode interakcija u nanorazmeri
(celuloze, hemiceluloze i lignina)

Tehnološki napredak mernih instrumenata dozvoljava
dopunjavanje ovih saznanja. Mikroskopija atomskih sila
(Atomic force microscopy - AFM) već se uveliko koristi za
istraživanje topografije i nekih svojstava površine (hemizma,
reaktivnosti).

Međutim, jedino tehnika nano-utiskivanja omogućuje merenje
mehaničkih svojstva.
22
Tehnika utiskivanja
Karakteristike tehnika utiskivanja

Tvrdi materijal (utiskivač) pritiska površinu mekog materijala
(substrata) silom koja omogućuje deformaciju mekog materijala.
Šematski prikaz koji pokazuje opšte korake ispitivanja utiskivanjem:
a) vrh utiskivača stvara kontakt sa površinom uzorka, b) biva utisnut u površinu
i c) izvlači se nazad sa površine, ostavljajući trajni otisak
23
Tehnika utiskivanja


Mehanička svojstva, koja merimo utiskivanjem, određuju se na
osnovu zapremine deformacije materijala ispod utiskivača
(zone interakcije).
Deformacija se može javiti u nekoliko vidova: elastična,
viskoelastična, plastična, tečenje i lom; a može se opisati
svojstvima (respektivno): modulom elastičnosti, modulom
relaksacije, tvrdoćom, brzinom tečenja i čvrstoćom loma.
Šematski prikaz koji pokazuje opšte korake ispitivanja utiskivanjem:
a) vrh utiskivača stvara kontakt sa površinom uzorka, b) biva utisnut u površinu i c)
izvlači se nazad sa površine, ostavljajući trajni otisak
24
Tehnika utiskivanja

Vidovi deformacija:
 Elastične deformacije - kratkotrajne deformacije koje nastaju




trenutno nakon primene ili otpuštanja napona i definisane su
modulom elastičnosti.
Viskoelastične deformacije - kratkotrajne deformacije, zavisne od
vremena i definisane su modulom relaksacije.
Plastične deformacije - trajne deformacije gde tvrdoća opisuje
otpornost materijala ka trajnim deformacijama.
Tečenje - trajna, vremenski zavisna deformacija i definisana je
brzinom tečenja.
Lom - javlja se kada materijal više nije u stanju da se deformiše
pod bilo kojim od navedenih mehanizma, pri čemu dolazi do
stvaranja raspuklina u materijalu kako bi se oslobodio primenjeni
napon (čvrstoća loma).
25
Tehnika utiskivanja

Za primer utiskivanja, prikazan na slici pod b,
substrat je posedovao dovoljnu deformabilnost
kako bi dozvolio utisnuće utiskivača (bez loma),
pri čemu je ukupan otklon (ugib) hmah rezultat i
elastičnih i plastičnih deformacija.

Nakon uklanjanja opterećenja (slika pod c),
elastične deformacije su povraćene, dok zaostaje
stalna deformacija.
 Ukoliko bi materijal pokazivao viskoelastična
svojstva, tada bi krajnji otklon hf, nastavio da se
smanjuje tokom vremena posle nestanka napona.
 Ukoliko bi materijal bio podložan tečenju, hf bi
zavisio od brzine i vremena primenjenog
opterećenja.
26
Tehnika utiskivanja

Smanjenje zone interakcije
(zapremine deformacije)
omogućuje merenje
mehaničkih svojstava na
manjim uzorcima. Kako se
smanjuje napon, tako se
smanjuje i dubina penetracije i
zona interakcije.
Šematski prikaz približnih opsega a) primenjeno opterećenje
u odnosu na pomak utiskivača
27
Tehnika utiskivanja
Šematski prikaz približnih opsega a) primenjeno opterećenje u odnosu na
pomak utiskivača i b) zona ispitivanja u odnosu na merne veličine (veličine
drvne strukture)
28
Tehnika utiskivanja
29
Tehnika utiskivanja

Tehnike makroutiskivanja
 Koriste relativno velike utiskivače (na primer, kuglica prečnika 10
mm u testovima po Brinell-u);
 Zasnivaju se na primeni velike sila i dubokog utiskivanja, što
dovodi do toga da se mehanička svojstva mere pri većoj zoni
interakcije, obično preko širokog opsega čelijskih struktura
(prstenovi ranog i kasnog drveta, na pr.);
 Vrednosti tako dobijene tvrdoće obično su proporcionalne gustini
drveta;
 Ovakav tip ispitivanja mehaničkih svojstava može biti direktno
primenjen na otpornost drvenih podova ili parketa prema udaru
(padajući objekti ili visoke potpetice) ili habanju (stolica za
ljuljanje).
30
Tehnika utiskivanja

Tehnike mikroutiskivanja
 Koriste manje utiskivače i niže sile, što dovodi i do manje zone
interakcije.


Ovom tehnikom mogu se ispitivati prstenovi ranog ili kasnog
drveta, gde je zona interakcije dovoljno velika da obuhvati više
ćelijskih zidova i prazne lumene ćelija, tako da merena svojstva
zavise od svojstava obe pomenute strukture.
Ovaj tip ispitivanja mehaničkih svojstava može se primeniti za
ispitivanje otpornosti prema abrazivnim česticama (kao što su
pesak, prljavština, staklo), koje udaraju ili habaju drvnu
površinu.
31
Tehnika utiskivanja
Kod nanoutiskivanja, znatno manji naponi rezultuju u mnogo
manjoj zoni interakcije, te je moguće izmeriti mehanička
svojstva znatno manjih struktura.
 Međutim, za razliku od makro- i mikroutiskivanja, dobijene
rezultate je znatno teže uporediti sa fizičkim svojstvima
masivnog drveta.
 Zona interakcije je sada značajno mala, tako da na mehanička
svojstva utiče ultrastruktura (vlaknasto -matrična struktura) i
interakcija tri polimerne komponente (celuloza, hemiceluloza
i lignin).
 Nanoutiskivanjem je moguće izmeriti mehanička svojstva
unutar ćelijskog zida, a posebno u S2 sloju i srednjoj lameli
(SL).

32
Tehnika utiskivanja

NANOUTISKIVANJE
 Doprinesi boljem razumevanju mehaničkih i hemijskih
svojstava drveta i pruža mogućnost poboljšanja:
mehaničkih svojstava,
adhezivnih veza,
dimenzionalne stabilnosti i drugih svojstava drveta.
33
Tehnika utiskivanja
Nanoutiskivanje podrazumeva
korišćenje senzora u cilju
kontinualne kontrole i praćenja
primenjenog opterećenja i otklona
(ugiba) tokom utiskivanja i
povlačenja utiskivača iz
materijala.
• Utiskivači se uglavnom izrađuju
od dijamanta, usled njegove
visoke tvrdoće i modula
elastičnosti.
• Oblik utiskivača je uglavnom
trostrana piramida sa radijusom
vrha od 10 do 100 nm.
•
Prikaz serije od osam utisnuća unutar
sloja S2 ćelijskog zida.
Strelice pokazuju prvo i poslednje
utisnuće, pri čemu je njihovo
smanjenje rezultat smanjenja
maksimalne sile ustiskivanja.
34
Tehnika utiskivanja
•
•
Šematski prikaz snimanja krive
napon-otklon tokom
nanoutiskivanja
Tokom procesa utiskivanja,
istovremeno se mere
primenjeno opterećenje
(napon) (P) i otklon (ugib)
utiskivača (h).
Iz dobijenih podataka
odnosa opterećenje-otklon
(P/ h), izračunavaju se
modul elastičnosti, tvrdoća i
tečenje.
35
Tehnika utiskivanja

•
•
•
•
•
BIOLOŠKA ISTRAŽIVANJA
Drvne ćelije su sagrađene od nekoliko slojeva i srednje lamele, gde
svaki sloj poseduje razlike u odnosu celuloze, hemiceluloze i lignina,
kao i različite uglove vlakana celuloze, a samim tim i drugačija
mehanička svojstva.
nanoutiskivanje omogućuje direktno merenje razlika njihovih
mehaničkih svojstava, a dosadašnja istraživanja su se odnosila najviše
na određivanje tvrdoće i modula elastičnosti na poprečnom preseku
ćelijskog zida i to u sloju S2 (kao najdebljem) i u srednjoj lameli (SL).
Sloj S2 ima vlaknasto matričnu strukturu u kojoj vlakna celuloze
predstavljaju ojačavajuću komponentu (orjentisani upravno na
poprečni presek), a matrica je od hemiceluloze i lignina.
Sloj SL je bogat ligninom i sa veoma malo celuloze.
Eksperimentalni podaci dobijeni tehnikom nanoutiskivanja mogu se
koristiti kao ulazni parametri za modelovanje mehaničkih svojstava
ćelijskog zida, kao i celih drvnih ćelija.
36
Tehnika utiskivanja
•
•
•
•
•
Wimmer et al. (1997) sproveo je istraživanja nanoutiskivanjem
na kasnom drvetu crvene smrče.
Ustanovio je da je:
srednji modul elastičnosti S2 sloja skoro 2x veći od srednjeg
modula elastičnosti SL
prosečna tvrdoća S2 je za oko 10% veća od prosečne tvrdoće SL .
Ovi rezultati pokazuju da razlike u sastavu i ultrastrukturi
unutar ćelijskog zida utiču na mehanička svojstva.
37
Tehnika utiskivanja
•
Wimmer et al. je koristio tehniku nanoutiskivanja u cilju
određivanja uticaja anizotropnih svojstava ćelijskog zida na
ukupna anizotropna svojstva masivnog drveta.
•
Wimmer et al. su ispitali uticaj tangencijalno i radijalno
orijentisanih ćelijskih zidova na mehanička svojstva S2 sloja.
•
Ustanovili su da su tvrdoća i modul elastičnosti veoma slični na
ispitivanim lokacijama, što ukazuje na minimalni doprinos
ukupnoj anizotropnosti drveta.
38
Tehnika utiskivanja
•
•
•
•
•
Nanoutiskivanje je takođe korišćeno za ispitivanje svojstava
sloja S2 na različitim drvnim tkivima.
veća mehanička svojstva kasnog drveta su objašnjena većom
gustinom ili većom masom ćelijskog zida po jedinici
zapremine.
Koristeći nanoutiskivanje na smrči, Wimmer et al. otkrili su da
je prosečan modul elastičnosti kasnog drveta za oko 55% veći
nego kod ranog drveta, dok je prosečna tvrdoća kasnog drveta
za oko 30% veća od tvrdoće ranog drveta.
Rezultati ukazuju na razlike u sastavu, ultrastrukturi i
interakciji između celuloze, hemiceluloze i lignina u ranom i
kasnom drvetu.
Ove razlike u tkivu ćelijskog zida ranog i kasnog drveta, mogu
uticati na mehanička svojstva masivnog drveta.
39
Tehnika utiskivanja
Gindl et al. (2002) su ispitivli uticaj učešća lignina na
mehanička svojstva
• Obavili su nanoutiskivanje u sloju S2 na poprečnom preseku
drvnih ćelija norveške smrče i to ostarelih ćelija kod kojih je
proces lignifikacije završen i mladih ćelija kod kojih je
lignifikacija nepotpuna.
• Istraživanje je pokazalo da je kod ostarelih ćelija modul
elastičnosti veći za 22%, a tvrdoća veća za 26% u odnosu na
mlade ćelije.
• To znači da će stepen lignifikacije promeniti mehanička
svojstva ćelijskog zida.
• Ovim je potvrđeno da nanoutiskivanje može pomoći u
sagledavanju biološkog razvoja drvnog tkiva.
•
40
Tehnika utiskivanja
Poboljšanje performansi proizvoda




Veći broj nanotehnoloških progama usmeren je na osnovna
istraživanja, koja su i do nekoliko nivoa udaljena od gotovog
proizvoda.
Međutim, postoje mogućnosti da nanotehnologija ostvari
značajan uticaj na poboljšanje performansi proizvoda ili izmeni
pravac razvoja proizvoda. Primer su: ojačanja drveta i
adhezivno lepljenje.
Polazimo od zahteva gotovog proizvoda:
Podovi zahtevaju površinu otpornu na habanje i na udar.
Otpornost površine na habanje raste sa porastom tvrdoće i
modula elastičnosti.
41
Tehnika utiskivanja
modifikacija drveta:
• zgušnjavanje (densifikacija) drveta,
• hemijska modifikacija drveta i
• impregnacija drveta smolama (u ovom slučaju očvršćavanje
drveta može biti rezultat popunjavanja ćelijskih lumena,
difuzije unutar ćelijskog zida ili kombinacije ova dva slučaja.
• Postoje analitičke tehnike za merenje difuzije polimerne
komponente u ćelijske zidove; međutim, jedino
nanoutiskivanje omogućuje sagledavanje modifikacije
svojstava ćelijskog zida usled dejstva polimerne komponente.
Na osnovu ovoga se mogu podešavati dalji tretmani
modifikacije za dati mehanizam očvršćavanja.

42
Tehnika utiskivanja

•
•
•
modifikacija drveta jedinjenjima na bazi melamina
Istraživanja su pokazala da melaminski modifikovano drvo
(primer: evropska bukva) poseduje dva do tri puta veću
tvrdoću po Brinelu u odnosu na netretirano drvo.
Međutim, usled velike zone interakcije u testu utiskivanja po
Brinelu, nemoguće je saznati da li su promene mehaničkih
svojstava rezultat popunjenosti šupljina drvnih ćelija ili
promena mehaničkih svojstava ćelijskih zidova.
Analitičke tehnike poput ELS (electron loss spectroscopy), UV
mikroskopije i infracrvene spektroskopije, potvrdile su da
melamin može da difunduje unutar slojeva ćelijskog zida; ali ne
pružaju podatke o o promeni mehaničkih svojstava ćelijskog
zida.
43
Tehnika utiskivanja
Gindl i Gupta (2002) su tehnikom nanoutiskivanja pokazali da
su melaminski modifikovani ćelijski zidovi imali veći modul
elastičnosti za 33% i tvrdoću za 115%.
•
Ovo istraživanje jasno je pokazalo da drvo tretirano
melaminom poseduje poboljšana mehanička svojstva
ćelijskog zida.
•
Ovi rezultati ukazuju na potrebu da se dalji razvoj oog
tretmana modifikacije kretaće se u pravcu poboljšanja
svojstava ćelijskog zida.
•
44
Tehnika utiskivanja
Adhezivi imaju veoma široku upotrebu u drvnoj industriji,
posebno kod kompozita od drveta.
•
Cilj: poboljšanje izdržljivosti lepljene veze
• Gindl et al. (2004) je nanoutiskivanje koristio za istraživanje
mehaničkih svojstava u zoni lepljenja.
• UV mikroskopija je pokazala da fenolformaldehidna (FF)
smola difunduje u ćelijski zid, dok polimerni metilen
difenildiizocijanatna (pMDI) smola to ne čini.
• Metoda nanoutiskivanja je pokazala da su ćelijski zidovi
impregnisani FF smolom imali veću tvrdoću i modul
elastičnosti u odnosu na ćelijske zidove bez FF smole.
 Kod ćelijskih zidova u slučaju tretmana sa pMDI smolom nije
bilo značajnih razlika.
•
45
Tehnika utiskivanja
•
Pri lepljenju FF smolom nađeno je da tvrdoća i modul
elastičnosti opadaju u finkciji rastojanja od linije lepljenja, sve
do 100 μm, kada svojstva ćelijskog zida postaju slična onima
kod nemodifikovanog ćelijskog zida.
•
Usled toga što pMDI nije penetrirao ili modifikovao ćelijski zid,
mehanička svojstva ostaju konstantna i pri različitim
razmacima od linije lepljenja.
•
Ovo istraživanje ukazuje da se nanoutiskivanje može
upotrebiti za određivanje svojstava u zoni lepljenja, a da razvoj
budućih proizvoda treba usmeriti ka podešavanju mehaničkih
svojstava u blizini linije lepljenja kako bi se poboljšala
izdržljivost lepljene veze.
46
Tehnika utiskivanja
•
•
•
Primena nanoutiskivanja na drvetu praktično je još u
svojoj ranoj fazi.
Istraživanja su jasno ukazala na potencijal primene
metode nanoutiskivanja u oblasti proizvoda na bazi
drveta.
Nanoutiskivanjem se mogu istražiti:
interakcije između celuloze, hemiceluloze i lignina,
promene mehaničkih svojstava tokom početnog truljenja što vodi
ka razvoju boljih sistema zaštite.
3 mehaničke degradacije usled fotodegradacije lignoceluloznog
materijala koju uzrokuje interakcija ultraljubičaste radijacije i
kratkotalasne vidljive svetlosti u cilju razvoja foto-otpornih
površina.
 Kako hemisjke reakcije tokom modifikacije menjaju mehaničke
interakcije celuloze, hemiceluloze i lignina, u cilju razvoja novih
hemijskih tretmana
1
2
47
Tehnika utiskivanja

•
•
Budući rad
Nanoutiskivanje na drvetu zahteva poboljšanje same tehnike,
analize podataka, pripreme uzoraka (ultra-glatke površine su
neophodne za nanoutiskivanje), dizajna utiskivača , tehnike
primene opterećenja (utiskivanja), u kombinaciji sa
poboljšanom interpretacijom napon-otklon krive.
Ovo će omogićiti povećanu tačnost u odnosu na:
1) vremenski zavisne deformacije (viskoelastičnost, tečenje);
2) merenja svojstava loma i
3) uticaje anizotropnosti ultrastrukture unutar zone interakcije na
merena svojstva.
48
Tehnika utiskivanja
Posebno zanimljivo područje je istraživanje novih vrsta
nanokompozita. Dodaci neorganskih punioca (oksida)
nanodimenzija (< 100 nm) u polimere izazivaju sasvim nove
efekte u strukturi.
 Istraživanja u tom smeru imala bi za cilj dobijanje novih vrsta
hibridnih kompozita.
 Primer za to su: dodaci posebnih vrsta glina raspršenih u
slojevima
 u polimernu matricu pri čemu se postiže nepropusnost za
vodu i kiseonik.

49
Tehnika utiskivanja


“PAMETNI” MATERIJALI
Pod pojmom “pametni” misli se na materijale koji
prepoznajući okolne uslove (temperaturu, mehaničko
naprezanje, hmijsko delovanje, električno ili magnetno polje,
svetlost i dr.) mjenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva.
50
NANOTEHNOLOGIJE U PRERADI DRVETA
 Uvid u reagovanje materijala na primenjene uslove napona,
pomaže u predviđanju njegovih performansi.
51