Aplicaciones de Nanotecnología en la Industria de Productos Basados en Madera: Revisión Exhaustiva
Resumen
La industria basada en madera es uno de los principales impulsores del crecimiento económico en Malasia. Los bosques, como fuente de diversos materiales lignocelulósicos, tienen muchos potenciales sin explotar que podrían aprovecharse para producir material nanosostenible y biodegradable que posee características muy interesantes para uso en la propia industria basada en madera o en muchos campos de aplicación diferentes. El sector de productos basados en madera también podría utilizar diversos nanomateriales fácilmente disponibles para mejorar el rendimiento de productos existentes o crear nuevos productos de valor añadido del bosque. Esta revisión destaca desarrollos recientes en aplicación de nanotecnología en la industria de productos basados en madera.
Introducción
La nanotecnología se define como la manipulación de materia entre 1 y 100 nm. La nanotecnología es un campo multidisciplinario que combina ciencia y tecnología con el objetivo de desarrollar materiales nuevos y mejorados con funciones significativas, propiedades físicas y químicas [1, 2]. El material a esta escala tiene propiedades únicas comparado con la misma materia en dimensiones mayores [3]. Por esta razón, diversas aplicaciones innovadoras mediante nanotecnología pueden explorarse en muchas disciplinas.
No solo como habilitador tecnológico, la nanotecnología también puede ser un motor hacia el logro de crecimiento económico nacional. La industria de productos forestales en Malasia contribuye alrededor de RM22,5 mil millones en valor de exportación en 2019 [4]. Los productos de madera exportados de Malasia incluyen maderas aserradas, chapas, contrachapados y molduras. La industria basada en madera en Malasia tiene la oportunidad de explotar totalmente la nanotecnología a sus propias ventajas. Es imperativo que el esfuerzo por aplicar nanotecnología en la industria basada en madera, particularmente en Malasia, sea apoyado y reciba atención para diversificar y añadir valor a los productos madereros existentes, lo que eventualmente impulsará el crecimiento económico en esta área.
El hecho de que el bosque juega un papel esencial para la civilización desde hace tantos años no puede descartarse, ya que se ha convertido en fuente de materiales lignocelulósicos para diversas explotaciones y desarrollo de productos. De hecho, los productos de madera han estado disponibles en la sociedad durante mucho tiempo en forma de maderas, muebles, papeles y muchos otros materiales funcionales [5, 6]. La aplicación de nanotecnología en sector forestal, particularmente en productos forestales o productos basados en madera, merece atención de todos los actores y partes interesadas. La utilización de nanotecnología podría resultar en productos basados en madera más fuertes, multifuncionales pero más ligeros [3]. Productos forestales tradicionales como pulpa y papel, compuestos de madera, recubrimientos de madera y conservantes de madera pueden expandirse o transformarse en productos nuevos o de valor añadido para encontrar aplicaciones más amplias y/o más avanzadas [5].
En este artículo de revisión, la aplicación de nanotecnología en la industria de productos basados en madera puede dividirse en dos vías:
Derivación de nanomaterial(es) del bosque
Las crecientes preocupaciones respecto al medio ambiente han desencadenado una inmensa necesidad de introducir material nanosostenible y biodegradable. Este nuevo material llamado nanocelulosa puede producirse a partir de recursos forestales de manera segura y sostenible. La abundancia de material lignocelulósico del bosque ha creado un auge de interés para convertir celulosa en nanocelulosa. La nanocelulosa es principalmente celulosa a nivel molecular que tiene varias características clave como alta resistencia y rigidez, alta relación resistencia-peso, respuesta electromagnética y gran área superficial [5, 7-9]. Las características sobresalientes de este material ofrecen enormes potenciales de aplicación más allá de la propia industria de productos forestales. En el área de productos basados en madera, puede aplicarse como agente de refuerzo en pulpa y papel y compuestos de madera o como material de recubrimiento en recubrimiento de madera [10-12]. Debido a su versatilidad, la nanocelulosa podría usarse como uno de los componentes (como sustrato, estabilizador, electrodo) para sector no forestal como electrónica, sensores, baterías, alimentos, farmacéutica y cosméticos [5, 13].
Uso de nanomaterial(es) para productos basados en madera
Los nanomateriales podrían usarse para mejorar productos basados en madera existentes en términos de funcionalidad. Por ejemplo, el uso de nanomaterial en recubrimiento de madera como nanoóxido de zinc o nanoóxido de titanio puede mejorar la funcionalidad de la madera en términos de durabilidad, resistencia al fuego y absorción UV, así como disminución de absorción de agua [14-16]. Por otro lado, la aplicación de nanoencapsulación en conservante de madera [17, 18] podría mejorar la impregnación de madera con pesticidas asegurando que los químicos penetren más profundamente en la madera, reduciendo así el problema de lixiviación excesiva [19]. Esto mejora la durabilidad de maderas tratadas contra agentes de biodegradación.
Se han publicado varios artículos de revisión sobre aplicación de nanotecnología en silvicultura y productos forestales [20, 21]. Un artículo de McCrank [21] da una visión general de aplicación de nanotecnología en sector forestal, mientras que Moon et al. [20] discuten más sobre nanoindentación. Según el conocimiento de los autores, hay publicaciones limitadas sobre este tema, particularmente cubriendo sectores seleccionados de la industria basada en madera. Este artículo de revisión proporcionará un destacado sobre el progreso reciente de aplicaciones de nanotecnología en sectores seleccionados basados en madera, a saber, pulpa y papel, compuesto de madera, recubrimiento de madera y durabilidad de madera. Además, algunas aplicaciones potenciales de nanocelulosa, como nueva generación de celulosa en la industria de productos basados en madera, también se destacan en áreas como energía y sensores.
Aplicaciones
Pulpa y Papel
La producción anual de papel y cartón en todo el mundo supera 400 millones de toneladas [22]. Esto muestra que la era digital actual no ha detenido el uso continuo de productos de papel en la comunidad. No obstante, la demanda creciente es mayormente para diversos productos de embalaje [23]. Este aumento puede ser impulsado por el cambio de preferencia del consumidor hacia compras en línea y el auge del comercio electrónico que brinda tal conveniencia para comprar desde la comodidad del hogar y recibir el producto de forma segura.
El papel se hace de materiales lignocelulósicos que han pasado por una serie de procesamiento primario, tratamiento, fabricación de papel, secado y recubrimiento. La etapa de fabricación de papel es donde toda la mezcla de pulpa y aditivos se añade y ajusta para adaptarse a diferentes productos finales. La nanotecnología se aplica en pulpa y papel en forma de nanomateriales o nanoaditivos. Por ejemplo, recursos forestales o materiales lignocelulósicos pueden explotarse para extraer el bloque de construcción nanométrico o nanocelulosa que sirve como unidad de refuerzo para proporcionar resistencia mecánica única, funcionalidad y flexibilidad [5]. Esta nueva generación de celulosa se produce vía deslaminación de pared celular para obtener nanofibrila o por extracción de celulosa cristalina a nanoescala. La nanocelulosa se añade en la fabricación de papel principalmente para aumentar la resistencia del papel. Otros nanomateriales usados durante el proceso de producción de papel incluyen nanosílice, nanozeolita, etc. [22]. La incorporación de nanomateriales o nanoaditivos en la industria del papel puede ayudar a mejorar el rendimiento de productos de papel.
Los principales aditivos usados o que potencialmente pueden usarse en la industria de pulpa y papel se discuten en las siguientes secciones.
Nanocelulosa como Agente de Resistencia en Húmedo o Seco
La nanocelulosa ha sido extensamente estudiada como aditivo de resistencia en campo de pulpa y papel [24, 25]. La nanocelulosa está ganando tremendo interés debido a su abundancia, disponibilidad y también por sus interesantes características como biodegradable, baja toxicidad, excelentes propiedades mecánicas y ópticas, alta área superficial y renovabilidad [5, 7]. La nanocelulosa es realmente celulosa a dimensión nanométrica que puede aislarse y prepararse de cualquier material lignocelulósico que incluye pulpa de madera, plantas no madereras, madera y residuos agrícolas, celulosa bacteriana y tunicados. La celulosa es un compuesto lineal con unidades de glucosa enlazadas β-1,4 que comprende regiones cristalinas y amorfas. La eliminación de dominios amorfos de la cadena de celulosa usando ácido mineral conduce al aislamiento de celulosa nanocristalina, mientras que la deslaminación de pared celular vía acción mecánica de alto cizallamiento resulta en reducción del ancho de celulosa formando celulosa nanofibrillada. Estas dos categorías de nanocelulosa son los nanomateriales más estudiados en campo de pulpa y papel para mejora de producto. En la última década, numerosos trabajos se han centrado en la preparación de celulosa nanofibrillada (CNF) y celulosa nanocristalina (CNC) de diversos recursos vegetales. La Figura 1 muestra imágenes de celulosa nanocristalina y celulosa nanofibrillada usando microscopía electrónica de transmisión (TEM).
Imagen TEM de CNC de Acacia magium a Fuente: Jasmani y Adnan [26]. Reproducido con permiso de Elsevier y CNF de pulpa de madera blanda, b Fuente: Zhao et al. [27]. Reproducido con permiso de Elsevier.
Las propiedades de nanocelulosa varían según métodos de preparación y fuente de celulosa. La Tabla 1 muestra la morfología y cristalinidad de celulosa nanofibrillada y celulosa nanocristalina.
De Celulosa a Nanocelulosa
La celulosa nanofibrillada es el nanoaditivo más estudiado en fabricación de papel, ya que muchos trabajos han sido reportados [3, 25]. La celulosa nanofibrillada se prepara sometiendo fibras a tratamientos mecánicos selectivos de alto cizallamiento. Hay muchos métodos y combinaciones de métodos para producir celulosa nanofibrillada. Homogeneización y microfluidización son técnicas comunes usadas para preparación de celulosa nanofibrillada, que involucra someter fibras a una boquilla pequeña bajo alta presión para pasadas repetidas usualmente entre 10 y 15 pasadas [32, 33]. Este tipo de tratamiento si se usa solo requiere alto consumo energético, por lo que pretratamiento con químicos como oxidación mediada por TEMPO (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo) [34], carboximetilación o enzima [35, 36] suele requerirse para ahorrar energía. Usando este método, la celulosa nanofibrillada se produce como resultado de altas tasas de cizallamiento inducidas por alta velocidad y fuerza del flujo de fluido. Otro método popular para producir celulosa nanofibrillada es vía método de molienda. La máquina de molienda consiste en discos de piedra estáticos y rotatorios. La fuerza de cizallamiento generada por las piedras descompone las fibras de pared celular en nanofibrillas individualizadas. Para evitar amplia distribución en ancho usando este método debido a agregación [37], los autores recomiendan que las materias primas deben mantenerse en agua después de procesos de pulpeo y blanqueo. Esto es para impedir la formación de red de enlaces de hidrógeno cuando está en estado seco [37, 38]. El método de ultrasonicación también se ha estudiado para preparar nanofibras. La sonicación involucra generación de fuerza de cizallamiento cavitacional de alta intensidad desde ondas ultrasónicas que pueden descomponer la estructura celular de fibra [39]. La técnica de sonicación se dice que produce nanofibras bien dispersas y estables [3]. Además, el crio-triturado también puede aplicarse para convertir fibras nativas en nanofibras. Las fibras deben congelarse usando nitrógeno líquido seguido de fuerzas de alto cizallamiento. La fuerza de alto cizallamiento induce presión sobre cristales de hielo que fuerzan paredes celulares a romperse y liberar microfibrillas [40-43].
La celulosa nanocristalina extraída de celulosa nativa se prepara comúnmente usando hidrólisis ácida. Otros métodos involucrando uso de químicos específicos como oxidación mediada por TEMPO [44] y líquidos iónicos [45] también se han estudiado para preparación de nanocelulosa. Una aplicación de enzima celulasa también se ha reportado [46, 47].
Durante la hidrólisis ácida, el grado de polimerización de celulosa disminuye rápidamente, pero se estabiliza en algún punto conocido como nivel de grado de polimerización [48]. La razón de este comportamiento podría ser debido a regiones amorfas hidrolizadas rápidamente por el ácido. Al iniciar la hidrólisis, el ácido ataca preferentemente la región amorfa debido a su alto volumen e hidroliza el enlace glucosídico fácilmente accesible [49]. Una vez hidroliza el enlace accesible, la hidrólisis adicional ocurre a velocidad mucho menor en el extremo reductor de la cadena de glucosa y en superficie de región cristalina [50]. La hidrólisis ácida es influenciada por factores como tipo de ácido, concentración de ácido, temperatura y tiempo [49, 51, 52]. Cualquier cambio en concentración de ácido, tiempo de hidrólisis y condición de temperatura tiene efecto en la morfología de celulosa nanocristalina. Por ejemplo, aumentar tanto tiempo de hidrólisis [53] como concentración de ácido [29] conduce a celulosa nanocristalina más corta, mientras que alta temperatura resulta en conversión completa de celulosa a glucosa [50, 54, 55].
La adición de nanocelulosa en fabricación de papel conduce a papel de mejor rendimiento ya que aumenta la resistencia del papel [56, 57] y densidad [58-60] y también reduce porosidad [61]. La adición de celulosa nanoestructurada resulta en propiedades de papel similares a las añadidas con fibras batidas [3, 25]. En teoría, la resistencia del papel puede aumentarse por inclusión de agentes de resistencia en húmedo y seco [24, 62], adición de fibra funcionalizada [63] y batido [64]. La mejora resulta en capacidad de enlace de fibra [25]. Boufi et al. [25] propusieron que el mecanismo puede deberse al aumento de área enlazada como resultado de nanocelulosa actuando como conector entre fibras que conduce a enlace fibra-a-fibra. Además, también podría deberse a diferentes redes creadas en la fibra que resultan en aumento de capacidad de enlace. Dada la longitud micrométrica de nanocelulosa, pueden actuar como puente para conectar fibras vecinas que conduce a red más fuerte [25]. La red de enlace mutuo atribuida por fibra y nanocelulosa aumenta la resistencia del papel.
La nanocelulosa como nanoaditivo mejora el enlace interno que resulta en aumento de resistencia a tracción en seco, reducción de permeabilidad al aire y opacidad, y mayor densidad [3]. Al ser material a nanoescala, la nanocelulosa tiene alta área superficial, y así los enlaces de hidrógeno pueden formarse más efectivamente. Se añade como aditivo de extremo húmedo para mejora de resistencia en seco y mejora de retención. La nanocelulosa comúnmente usada para aditivo de resistencia en seco es en forma de celulosa nanofibrillada.
Hay diferentes estrategias para añadir CNF en el suministro de pulpa, ya que puede añadirse directamente con [24, 62, 65] o sin ayuda de retención [58] o mezclada con otros rellenos o fibras largas [66, 67] seguida de ayuda de retención. Un aumento en resistencia a tracción tras adición de CNF se relaciona con la cantidad añadida. Se encontró que un aumento de 5% en resistencia a tracción se observó cuando 3% CNF se añadió en suministro de pulpa compuesto por pulpa batida junto con almidón catiónico [24]. Es interesante notar que el efecto fue más notable si la pulpa es menos batida. Por ejemplo, más de 100% aumento en resistencia a tracción cuando 6% CNF se añadió a pulpa termomecánica. Por otro lado, CNF tuvo menor impacto cuando se añadió a pulpa química bien batida [65]. Así, se espera mejora en tracción cuando CNF se añade en papel relleno, pulpa mecánica y pulpa reciclada. Hii et al. [65] reportaron tal observación que CNF se adsorbe sobre relleno y fibras y une el relleno con la red de fibras. El único inconveniente mayor de usar CNF en fabricación de papel es que hace el drenaje más lento. El drenaje juega papel muy importante en fabricación de papel ya que se relaciona directamente con la eficiencia de producción de papel. Cuanto más lento el tiempo de drenaje, más lento se producirá el papel. Es por tanto muy importante usar agente de retención a dosificación específica para mejorar la adsorción de nanofibras en la superficie de la fibra, conduciendo a mejor desaguado [24, 68].
CNF tiene propiedades entre aditivo de resistencia en seco como almidón y finos creados por acción de batido, ya que ambos conducen a aumento de área enlazada [3]. Esto se logra creando una capa suave y delgada en la superficie de la fibra que ayuda a aumentar el enlace de fibra durante secado y también rellenando vacíos y poros entre fibras que también aumentan el área enlazada [3].
Nanocelulosa como Material de Recubrimiento para Propiedad de Barrera
La nanocelulosa también puede usarse como material de recubrimiento en papel de embalaje ya que tiene buenas propiedades de barrera. El beneficio de usar nanocelulosa como elemento de recubrimiento es que el problema de desaguado ya no es un problema ya que se añade después de que el papel ha sido hecho. Hay diferentes enfoques que pueden emplearse para aplicar nanocelulosa que incluyen pulverización, recubrimiento por barra, prensado por tamaño y recubrimiento por rodillo. La aplicación de nanocelulosa, particularmente celulosa nanofibrillada, se ha reportado para aumentar barrera de oxígeno y resistencia a aceite [69]. En un ejemplo, reducción de permeabilidad al aire se observó de 69.000 a 4,8 y 660 a 0,2 nm Pa⁻¹ para papel sin blanquear y papel resistente a grasa, respectivamente [70], usando recubridor por varilla. Syverud y Stenius [71] aplicaron cantidades variables de CNF de 0 a 8% en pulpa de madera blanda y encontraron que las propiedades de barrera aumentaron notablemente de 6,5 a 360 nm Pa⁻¹ s⁻¹. Esto se debe a la porosidad reducida causada por el aumento de nanofibrillas. La aplicación de CNF y goma laca también fue intentada por Hult et al. [72] en papel y cartón que resulta en reducción de permeabilidad al aire, tasa de transmisión de oxígeno y transmisión de vapor de agua, haciéndolo potencial para embalaje de barrera.
No solo eso, la nanocelulosa, particularmente celulosa nanofibrillada, puede convertirse en películas delgadas autoportantes o nanopapeles. Este nanopapel puede usarse como sustrato para aplicación electrónica ya que es transparente y flexible [73].
Nanomaterial como Agente de Retención para Mejora de Propiedades
Los agentes de retención se añaden a la fabricación de papel para mejorar la retención de químicos funcionales en papeles. Algunos nanomateriales han sido probados en producto de papel como el uso de nanozeolita [74] y nanotitanio dióxido. La nanozeolita se usa como desecante en industria del papel para absorber humedad y también funciona para eliminar emisión de gas si se usa para papel especial. La alta área superficial de nanozeolita consistente en vacíos y poros ayuda durante tal proceso. El nanotitanio óxido añadido en papel puede formar papel con mejor módulo elástico dinámico comparado con muestra control [75].
Efecto de Nanorrelleno para Mejora de Propiedades
El uso de relleno en la industria del papel es mayormente debido a reducción de costes, ya que el relleno suele ser más barato que la pulpa misma. Además de ser estudiado como aditivo de resistencia, la nanocelulosa también puede usarse como relleno. La adición de celulosa nanofibrillada puede reducir la cantidad de pulpa de madera y aumentar la cantidad de relleno, reduciendo así costes de producción [76]. Además, el papel producido tiene propiedades mejoradas como baja porosidad y alta opacidad. También se reportó que añadir 2-10% celulosa nanofibrillada como relleno resulta en 50-90% incremento de resistencia (Future Markets Inc. 2012). La nanoarcilla puede usarse como aditivo en fabricación de papel para reducir permeabilidad a gas que puede conducir a mayor vida útil del papel. Esto es esencial en industria de embalaje en la que barreras de gas y agua juegan papel importante en prevención de deterioro de alimentos y bebidas.
El nanocalcio carbonatado se usa como relleno para mejorar dispersión de luz. Carbonato de calcio precipitado modificado usando partículas nanoestructuradas tuvo impacto positivo en dispersión de luz [77]. Carbonato de calcio precipitado fue recubierto con nanopartículas de silicato y sulfuro de zinc. Wild et al. [78] reportaron estudio similar en el que recubrimiento de nanopartículas se usó en pruebas de laboratorio, piloto y molienda. El estudio encontró que recubrimiento de nanopartículas da buena calidad de impresión, permanencia al agua y estabilidad dimensional. El nanoóxido de zinc añadido en suministro de papel confiere propiedad antibacteriana al papel. Al mismo tiempo, propiedades ópticas como brillo y blancura así como imprimibilidad del papel también mejoraron tras adición de nanoóxido de zinc. El nanotitanio óxido también se ha estudiado en combinación con beta-ciclodextrina en papel recubierto [79]. Se encontró que la mezcla de nanomateriales tenía mejor efecto de degradación en xileno comparado con papel recubierto solo con nanotitanio óxido.
Nanomaterial como Agente de Encolado para Mejora de Propiedades
Un agente de encolado se añade a la fabricación de papel para mejorar la resistencia a penetración de agua/líquido para que el papel sea adecuado para impresión y escritura. El uso de nanosílice puede mejorar propiedades ópticas y reducción en traspaso de impresión hasta 30%. Papel recubierto con nanosílice se encontró que produce mejor densidad óptica, estabilidad dimensional, calidad de impresión sobre papel sin recubrir [80-82].
Compuestos de Madera
La madera es un regalo de la naturaleza a la humanidad ya que es material biodegradable y renovable que puede usarse en muchas aplicaciones. Sin embargo, la madera en sí posee varias debilidades como delicadeza, no flexibilidad y no durabilidad debido a ataques de termitas y otros. La utilización de fibras de madera en producción de compuestos de madera tiene sus propias desventajas ya que tienen baja densidad aparente, baja estabilidad térmica, alta tendencia a absorber humedad y susceptibilidad a degradación biológica. La nanotecnología se ha utilizado en muchas ciencias, y puede usarse para mejorar la calidad de muchos materiales, incluyendo madera y compuestos de madera.
Nanocelulosa como Material de Refuerzo
El principio de usar nanocelulosa como material de refuerzo en material matriz ha llevado a muchos trabajos de investigación. Al añadir celulosa a nanoescala, los nanocompuestos poseen propiedades sobresalientes de numerosas maneras, que no podrían lograrse por microcompuestos [83]. Estos nanocompuestos reforzados con nanocelulosa son capaces de reemplazar compuestos convencionales. Mediante modificación apropiada de CNC, diversos nanomateriales funcionales con propiedades sobresalientes o propiedades físicas, químicas, biológicas y electrónicas significativamente mejoradas pueden desarrollarse. Las propiedades de nanocompuestos dependen de pocos factores como propiedades de material matriz, características de nanocelulosa, dispersión de nanocelulosa en material matriz, e interacciones interfaciales entre relleno y material matriz [84].
La nanocelulosa como refuerzo en varios tipos de materiales matriz ha sido ampliamente estudiada. Nanocompuestos de polímero consistentes en polímeros naturales o sintéticos reforzados con nanocelulosa se han establecido como una clase prometedora de materiales. La mejora de propiedades mecánicas es el objetivo más común al preparar estos nanocompuestos reforzados con nanocelulosa [85-87]. Polímeros basados en petróleo se dividen generalmente en termoplásticos y termoestables. La diferencia entre polímero termoplástico y termoestable es el enlace que mantiene sus moléculas de cadena larga, el primero mantenido por débiles enlaces van der Waals, mientras que el segundo por fuertes enlaces covalentes [88]. Una variedad de termoestables se han estudiado para uso en nanocompuestos de nanocelulosa. Resina epoxi, por ejemplo, se ha utilizado para productos de materiales avanzados debido a sus excelentes propiedades de adhesión y buenas propiedades mecánicas tras curado (alto módulo, bajo fluencia, y rendimiento razonable a temperatura elevada). Sin embargo, puede fallar fácilmente bajo impacto debido a la estructura altamente reticulada [89]. Con la adición de nanocelulosa funcionalizada como material de refuerzo, las propiedades mecánicas de nanocompuestos de celulosa-epoxi han mejorado significativamente [90, 91]. Se ha conducido un enfoque para preparar compuestos epoxi-celulosa nanofibra con estructura orientada [92]. El proceso combinó el método de templado por hielo (o fundición por congelación) para preparar redes de nanocelulosa altamente porosas antes de usarlas como preformas para impregnación con resina bioepoxi. Los resultados mostraron que los módulos elástico y de almacenamiento de los nanocompuestos fueron mejores que los de epoxi puro en ambas direcciones de prueba, y la resistencia mejoró en dirección longitudinal. Otro termoestable más comúnmente usado es poliéster insaturado (UP). Nanocompuestos biológicos UP nanoestructurados con contenido de nanocelulosa tan alto como 45% en vol., mucho mayor que en cualquier estudio previo, se procesaron y caracterizaron exitosamente [93]. El refuerzo de red nanoestructurada de nanocelulosa mejora fuertemente no solo módulo y resistencia de UP sino también ductilidad y tenacidad. La Figura 2 muestra las morfologías de fractura del poliéster hidrofóbico, poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato) (PHB) reforzado con 15% en peso CNC o 15% en peso CNC acetilado usando microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM). Las imágenes FE-SEM indicaron claramente que CNC acetilado se dispersó homogéneamente en PHB comparado con CNC. La homogeneidad contribuyó a la fuerte interacción interfacial entre material de refuerzo y matriz polimérica [94].
Imágenes FE-SEM para morfologías de fractura de a PHB/CNC-15, b PHB/CNC acetilado(II)-15, c PHB/CNC acetilado(IV)-15 nanocompuestos. Fuente: Gan et al. [94]. Reproducido con permiso de ACS.
La Tabla 2 ilustra la incorporación de nanocelulosa en polímeros termoplásticos como PLA, PVA, almidón, PU, PP, etc. Los procesos utilizados para desarrollar estos nanocompuestos incluyen intercambio de disolvente, dispersión acuosa, colado en solución, injerto, moldeo por inyección de espuma núcleo-cáscara, electrohilado, coagulación y termocompresión, y reacción de polimerización aniónica in situ de apertura de anillo, entre otros. La mayoría de estudios reportaron que la adición de nanocelulosa en nanocompuestos resultó en mejora de propiedades mecánicas (resistencia, rigidez, resistencia a fluencia, elasticidad), estabilidad térmica, propiedades de barrera e incluso algunos indicaron funciones antibacterianas y antioxidantes de los nanocompuestos, dependiendo de los componentes usados. En general, los hallazgos reportaron resultados positivos sobre el refuerzo de nanocelulosa en matriz termoplástica, lo que incita y anima más estudios en producción de materiales compuestos más verdes y sostenibles.
Los polímeros naturales normalmente ocurren en la naturaleza y pueden extraerse. Los polímeros naturales no son termoplásticos, con solo unas pocas excepciones. Sin embargo, técnicas de modificación química y física pueden desencadenar termoplasticidad en polímeros naturales de recursos de biomasa como celulosa, lignina y quitina. Debido a la creciente conciencia ambiental y demanda de productos verdes, diversos polímeros naturales reforzados con nanocelulosa se han usado para producir bio-nanocompuestos. Hay muy pocos estudios reportando uso de nanocelulosa derivada de plantas en regeneración de tejido óseo. Uno de los estudios [113] reportó la preparación de un nanocompuesto sintetizando celulosa nanofibrillada oxidada con TEMPO (TNFC) o celulosa nanocristalina (CNC) con hidroxiapatita (HA). Los compuestos demostraron mejores resistencias a compresión, módulos elásticos y tenacidad a fractura, en rango de hueso cortical externo y denso, que los basados en CNC. Además, los compuestos no indujeron citotoxicidad a células osteoblastos derivadas de hueso humano sino que mejoraron su viabilidad, haciéndolos prometedores para regeneración de tejido óseo en aplicaciones de carga.
Entre otros biopolímeros naturales usados están alginato sódico, celulosa y proteínas que tienen propiedades características como biodegradable, biocompatible y baja toxicidad. Alginato sódico, por ejemplo, se ha usado ampliamente como excelente biomaterial en muchos campos como ingeniería de tejidos, liberación de fármacos, embalaje de alimentos y aplicaciones biomédicas. Sin embargo, la pobre resistencia mecánica y propiedades de degradación incontroladas limitan su aplicación. Se han conducido varios intentos para superar estos problemas desarrollando películas nanocompuestas con incorporación de nanocelulosa en matriz de alginato. Se encontró que la incorporación de CNF en matriz de alginato mejoró su resistencia al agua y propiedades mecánicas. Investigación further mostró que con tratamiento de ultrasonicación para facilitar dispersión, CNC oxidado con TEMPO tiene mejor eficiencia reforzando biopolímero alginato comparado con CNF. Concepto similar de estrategia de refuerzo sinérgico bioinspirado integrando nanocelulosa en quitina, quitosano, aislado de proteína de soja (SPI) y matriz de goma de linaza abre nuevo camino para construir nanocompuestos de alto rendimiento.
Nanopartículas para Mejora de Propiedades de Paneles Basados en Madera
Los compuestos de madera se describen generalmente como amplia gama de productos con combinación de elementos de madera unidos por un aglutinante. Entre ventajas de compuestos de madera están que pueden diseñarse para cualidades específicas o requisitos de rendimiento a diferentes espesores, grados y tamaños. Los compuestos de madera se fabrican para aprovechar las características naturales de resistencia de la madera (y a veces resulta en mayor resistencia estructural y estabilidad que madera regular). Por otro lado, los compuestos de madera también tienen desventajas como que requieren más energía primaria para fabricar comparado con madera maciza. Por tanto, los compuestos de madera no son adecuados para uso exterior ya que pueden absorber agua y son más propensos a deformación por humedad que maderas macizas. Los adhesivos usados liberan formaldehído tóxico en el producto final. La nanotecnología puede utilizarse para mejorar la calidad de compuestos basados en madera para cumplir la demanda creciente de productos existentes y para nuevos productos para usar en nuevas aplicaciones.
Los principales inconvenientes de la madera son su susceptibilidad y biodegradabilidad por microorganismos y también inestabilidad dimensional cuando se somete a contenido de humedad variable. Estos son mayormente debidos a los polímeros principales de pared celular y su alta abundancia de grupos hidroxilo (OH) [114]. La madera es naturalmente higroscópica, y la absorción de humedad por materiales de madera está directamente relacionada con el área superficial expuesta. La adición de nanopartículas inorgánicas a compuestos de madera se ha reportado para mejorar las propiedades antimicrobianas de los compuestos. Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) exhiben buena actividad antimicrobiana. Estas nanopartículas se añaden en cola melamina-urea formaldehído (MUF) antes de usarse para producción de tablero de partículas [115]. Los hallazgos muestran que hubo incrementos en biorresistencia de tableros de partículas contra bacteria Gram-positiva Staphylococcus aureus, bacteria Gram-negativa Escherichia coli, mohos Aspergillus niger y Penicillium brevicompactum así como hongo de pudrición parda Coniophora puteana. Nanopartículas de plata, bien conocidas como aditivos biocidas, también exhibieron efectos similares de eficiencia antibacteriana y anti-moho cuando se aplicaron sobre superficies melamina-laminadas de tableros de partículas [116]. La combinación de nanoóxido de cobre y surfactante alcano también se confirmó para mejorar resistencias al agua y termitas de especímenes de contrachapado tratados [117]. Almidón modificado basado en adhesivo se exploró como otra opción para aumentar resistencia a pudrición de tablero de partículas. Tablero de partículas unido con almidón PVA/palma de aceite modificado añadido con nanoóxido de silicio (SiO₂) y ácido bórico se encontró más resistente a pudrición que tablero de partículas unido con sus almidones nativos [118]. La adición de nano-SiO₂ y ácido bórico como agentes repelentes al agua y antifúngicos, respectivamente, han prevenido la actividad de microorganismos en el tablero de partículas final.
La fabricación de paneles de compuestos de madera puede improvisarse desarrollando métodos para acortar el tiempo de curado de la resina durante prensado en caliente, lo que podría acelerar producción o mejorar calidad general del tablero. La transferencia de calor que afecta el tiempo de prensado de un panel de compuesto de madera varía con espesor, temperatura de prensa, tasa de cierre y distribución de humedad en la estera. La adición de nanopartículas ZnO aumentó la transferencia de calor en el centro del tablero de partículas durante prensado en caliente causando mayor grado de curado de resina y mejoró propiedades físico-mecánicas [119]. Nanopartículas de alta conductividad como nanotubos de carbono de pared múltiple (CNT) y óxido de aluminio (Al₂O₃) también demostraron mejorar propiedades térmicas y mecánicas de tablero de fibra de densidad media [120]. El estudio también reportó que aunque nanopartículas de carbón activado no dieron efecto significativo a propiedades físicas y mecánicas del tablero, tienen efecto más acelerado en curado de urea formaldehído (UF) y reducción en emisión de formaldehído comparado con los otros dos nanorrellenos.
En la fabricación de compuestos de madera, los adhesivos juegan papel excepcionalmente significativo que afecta propiedades de compuestos incluyendo propiedades mecánicas, su capacidad para desempeñarse en condiciones húmedas y sus efectos en el medio ambiente. Urea formaldehído, melamina urea formaldehído y fenol formaldehído son comúnmente usados en la industria de compuestos de madera. La utilización de nanopartículas ha llevado a mejoras de propiedades de adhesivos. Muchos estudios se han conducido para producir compuestos de madera reforzados con nanomateriales con rendimiento físico y mecánico mejorado y emisión de formaldehído reducida. Las nanoarcillas han demostrado ser excelentes rellenos y refuerzo para matriz de resina, y mejorando significativamente resistencia, tenacidad y otras propiedades. La modificación de adhesivo UF usando partículas de nanoarcilla para contrachapado fabricado con tres especies forestales de plantaciones de rápido crecimiento: Cordia alliodora, Gmelina arborea y Vochysia ferruginea fueron reportadas por Muñoz y Moya [121]. Se determinó que la nanomodificación de la resina con nanoarcilla al 0,75% mejoró los módulos de ruptura y elasticidad del tablero. El efecto de usar partículas de nanoarcilla en adhesivos PF elevó significativamente propiedades mecánicas del adhesivo en la línea de unión y contribuyó a un aumento en la resistencia de macro-unión de contrachapado [122]. Interesantemente, nanoarcilla bentonita modificada con iones de metal de transición (TMI-BNT) se usó para convertir resinas UF cristalinas en polímeros amorfos bloqueando enlaces de hidrógeno vía método de intercalación in situ [123]. Esto resultó en 56,4% aumento en resistencia de adhesión y 48,3% reducción en emisión de formaldehído.
Otras nanopartículas usadas para improvisar propiedades físicas y mecánicas de compuestos de madera incluyen nanowollastonita (NW) [124, 125], nano-ZnO [126], nano-SiO₂, nano-Al₂O₃ [127], nanoplata [128] y nanocelulosa (CNC y CNF). La CNC se utilizó como relleno para el adhesivo, mientras que CNF se aplicó como aglutinante en la formulación de tableros compuestos. Recientemente, se ha revelado que la adición de micro- y nanofibras de celulosa tienen efectos ventajosos en propiedades de resina. Basado en investigaciones, se encontró que la adición de CNC mejoró significativamente propiedades mecánicas de contrachapado en cantidad de 10%/100 g de resina sólida [129]. Por otro lado, las propiedades físicas de tablero de partículas tras añadir CNC a adhesivos UF mostraron superficie lisa, diferencia insignificante en densidad y contenido de humedad de paneles y solo alto valor de contenido de nanocelulosa exhibió significativamente mayor hinchamiento por espesor [130]. Mientras tanto, paneles de tablero de partículas fabricados usando CNF como materiales de unión mostraron cumplir requisitos de la industria en términos de propiedades mecánicas para grados de baja densidad [131]. Para tablero de partículas de alta densidad, se estimó que el aumento de ratio CNF y mayor presión podrían mejorar propiedades de enlace interno. Incluso la resistencia a extracción de clavos y tornillos de cara se encontró aumentada con el aumento de ratio de adición CNF y densidad de panel [132, 133].
Recubrimiento de Madera
Los bosques se usan principalmente o parcialmente para producción de productos forestales madereros y no madereros. Productos forestales no madereros incluyen bambú, ratán, leña, carbón, damar, palma, etc. Hay enorme demanda de madera de alta calidad, pero la disponibilidad de madera de bosque natural ha estado declinando. Consecuentemente, la búsqueda de recursos no madereros como alternativa a la madera se ha acelerado. Debido a su propiedad de rápido crecimiento, el bambú se ha desarrollado en uno de los productos forestales no madereros más importantes. La madera es una estructura polimérica biológicamente autoensamblada natural (celulosa, lignina, hemicelulosa). Es uno de los materiales más versátiles y se ha usado durante siglos en forma de edificios y estructuras. Sin embargo, la madera está sujeta a intensos procesos de degradación oxidativa como foto-oxidación, oxidación química, descomposición térmica y reacciones de fotólisis del medio ambiente, incluyendo luz ultravioleta (UV), humedad, contaminante químico y variaciones de calor/frío [134]. Incluso materiales no madereros como el bambú en sí es material orgánico natural rico en proteína, carbohidrato y otros nutrientes y propenso a moho, ser comido por polillas y pudrición. Por tanto, los productos finales de madera y no madera convencionalmente comprenden aditivos que pueden usarse como recubrimientos para protección y mejora de apariencia estética, conservantes para protección contra fuego y factores biológicos (hongos e insectos).
El recubrimiento es un proceso de aplicar una capa a la superficie del sustrato. Ejemplos de recubrimientos comunes aplicados a superficies de madera son barnices, lacas y pinturas cuyo propósito puede ser tanto protector como decorativo. Los componentes principales de los recubrimientos determinan sus propiedades fundamentales como aglutinantes, pigmentos, disolventes, rellenos y aditivos [135]. Cada elemento contribuye propiedades específicas a la superficie de madera. El aglutinante contribuye a la adhesión del pigmento a la madera y crea una capa protectora, mientras que el pigmento proporciona color y forma capa superficial no translúcida. Los disolventes dan viscosidad necesaria para aplicación de recubrimiento, y la adición de rellenos altera la fuerza del color y el brillo del recubrimiento. En cuanto a los aditivos, inhiben moho y pudrición, asisten el proceso de secado, mejoran propiedades de adhesión y controlan el acabado. Sin embargo, hay debilidades de recubrimientos como flexibilidad limitada, pérdida de resistencia, adhesión desproporcionada entre capa de recubrimiento y sustrato, resistencia a abrasión inferior y menor durabilidad.
El nanorecubrimiento tiene la capacidad de resolver estos problemas. El nanorecubrimiento es un proceso por el cual una capa delgada de espesor ~<100 nm se deposita en el sustrato para mejorar algunas propiedades o impartir nueva funcionalidad. El nanorecubrimiento puede usarse no solo en nanomateriales sino también en material más voluminoso con capa de recubrimiento extremadamente delgada sin afectar la topografía de la superficie del sustrato. La aplicación de nanorecubrimiento en madera y productos de madera se centra principalmente en mejora de durabilidad, propiedades mecánicas, resistencia al fuego y absorción UV así como disminución de absorción de agua. Un enfoque para mejorar la funcionalidad y valor de usuario final de nanorecubrimiento es la adición de nanopartículas [136]. Estas nanopartículas tienen ratios superficie-volumen muy grandes debido a su morfología, lo que les permite interactuar intensamente con su entorno, y su nanodimensión asegura que la transparencia se mantenga.
Nanoaditivo para Mejora de Durabilidad
Los nanorecubrimientos pueden mejorar la durabilidad de productos de madera y no madera utilizando nanopartículas y sistemas de nanodespacho que hacen cambios a nivel molecular de los productos. Uno de los objetivos de recubrimientos es prevenir crecimiento de diversos microorganismos como hongos y bacterias. Nanopartículas de óxidos metálicos, como óxido de zinc (ZnO) [137, 138], óxido de titanio [138, 139] y óxido de cerio (CeO₂) [140] reportaron demostrar fuertes propiedades antimicrobianas. Estudios se han conducido en deposición directa de nanopartículas sobre superficies de madera o funcionalización directa de superficies de madera con nanopartículas. Nanopartículas ZnO se fabricaron exitosamente en superficie de madera de bambú por un método químico húmedo simple a baja temperatura basado en capas semilla de ZnO preparadas por sol-gel. Los hallazgos indicaron que la madera de bambú tratada tuvo mejor resistencia contra Aspergillus niger V. Tiegh (A. niger) y Penicillium citrinum Thom (P. citrinum), pero pobre resistencia contra Trichoderma viride Pers. ex Fr (T. viride) [141]. El grafeno también demuestra habilidad superior para inhibir crecimiento bacteriano. Por tanto, la combinación de utilizar óxido de grafeno reducido y nano-ZnO para recubrir materiales basados en bambú para exterior vía proceso de inmersión-secado en dos pasos e hidrotermal, resultando en mejora de resistencia a moho y propiedades de actividad antibacteriana [142]. Similarmente, el ZnO nanoestructurado usando proceso hidrotermal también proveyó protección efectiva de superficies de madera de biodeterioración [143].
Recubrimientos de poliuretano base agua [144] (WPU) incorporados con celulosa nanocristalina (CNC) y nanopartículas de plata (AgNPs) se usaron para mejorar propiedad antibacteriana de tablero de madera [145]. Los AgNPs eran conocidos por su material antimicrobiano pero agregaban fácilmente durante el proceso de preparación. Por tanto, CNC se introdujo para asistir con la mezcla y dispersibilidad de AgNPs con WPU u otros recubrimientos. Además, CNC también fue buen agente de refuerzo para mejorar propiedades mecánicas de nanocompuestos. La polimerización en mini-emulsión también se usó para sintetizar un recubrimiento acrílico látex conteniendo AgNPs, que limitará el crecimiento de hongos de mancha negra en superficies de madera [146]. El estudio del efecto antibacteriano de nanopartículas de plata y óxido de zinc en recubrimientos acrílicos aplicados durante tratamiento de compuestos de madera comerciales como tablero de partículas y tablero de fibra de densidad media se condujo [147]. Nanopartículas Ag y ZnO fueron parcialmente más efectivas contra bacteria Gram-negativa Escherichia coli comparado con bacteria Gram-positiva Staphylococcus aureus.
Nanoaditivo para Mejora de Absorción de Agua
Es bien conocido que la madera es susceptible al agua o humedad. Esto se debe a la naturaleza hidrofílica del polímero constituyente de pared celular y su estructura capilar-porosa. La interacción entre madera y agua conduce a biodegradación de madera, inestabilidad dimensional y envejecimiento acelerado. Aunque hay modificaciones químicas convencionales usadas para mejorar la hidrofobicidad de la madera, la accesibilidad de agua en la madera no se retarda completamente [148]. Además, los químicos usados en el proceso de tratamiento son posiblemente peligrosos. Por tanto, la nanotecnología se usa como enfoque alternativo para modificación y funcionalización de madera. La incorporación de nanopartículas en recubrimientos poliméricos se usa para mejorar absorción de agua de superficies de madera. Dos enfoques se utilizan para integrar nanopartículas en los recubrimientos, a saber, mezcla en solución y adición in situ [149]. El primer enfoque (mezcla en solución) es cuando un disolvente combina con el polímero antes de ser dispersado sobre superficies de madera. Este método físico puede aplicarse mediante inmersión, cepillado y pulverización [150]. Wu et al. [151] reportaron que un recubrimiento superhidrofóbico se construyó en superficie de madera de álamo con ángulo de contacto hasta 158,4° a través de producto de laca UV base agua (WUV) modificado por nanopartículas ZnO y ácido esteárico. Comparado con WUV, la resistencia al agua de recubrimiento superhidrofóbico zinc estearato/laca UV base agua (ZnSt₂/WUV) fue más fuerte, lo que fue propicio para preparar recubrimientos superhidrofóbicos de manera fácil y ambientalmente amigable. Interesantemente, un barniz base agua añadido con nanopartículas TiO₂ se usó para evaluar el acabado de nueve especies de madera tropical [152]. Se encontró que la incorporación de nanopartículas TiO₂ disminuyó los valores de absorción de agua y tras un año de exposición a intemperie, el barniz sin nanopartículas TiO₂ añadidas se degradó completamente, mientras que la película de barniz modificado perduró. Otros ejemplos de recubrimientos superhidrofóbicos de madera preparados exitosamente son sistema de pintura compuesto de partículas de celulosa nanocristalina recubierta de lignina (L-CNC)/alcohol polivinílico (PVA) [153], recubrimientos compuestos metacrílico-siloxano-celulosa curables por luz UV [154], película compuesta Fe³⁺-dopado SiO₂/TiO₂ [155] y sistema de recubrimiento híbrido polidimetilsiloxano (PDMS)/sílice [156].
El segundo enfoque es la adición in situ o proceso químico que involucra adición de compuesto directamente a monómeros y posterior polimerización. Las nanopartículas se sintetizan in situ por reacciones químicas en la superficie de madera como métodos hidrotermales o deposición sol-gel. Gao et al. [157] aplicaron un método simple y efectivo en preparación de superficie de madera superhidrofóbica conductora con super repelencia al aceite usando AgNPs modificados by fluoroalquil silano. El recubrimiento multifuncional podría comercializarse para diversas aplicaciones, especialmente para autolimpieza y dispositivos electrónicos biomédicos. En otro estudio, bambú se trató usando sol ZnO, y redes de nanoláminas ZnO crecieron hidrotermalmente sobre la superficie de bambú y posteriormente se modificaron con fluoroalquil silano [158]. El bambú tratado exitosamente exhibió propiedades superiores como superhidrofobicidad robusta, repelencia estable hacia lluvia ácida simulada, resistente a UV y resistente al fuego. Propiedades superiores similares se obtuvieron cuando madera de bambú preparada por deposición hidrotermal de nanopartículas TiO₂ anatasa y further modificada con octadeciltriclorosilano [159]. Superficies de madera superhidrofóbicas también pueden prepararse usando enfoques como ensamblaje capa-por-capa [160] de policapas de polielectrolito/nanopartículas TiO₂ e hidrofóbicamente modificadas con perfluoroalquiltrietoxisilano (POTS) [161], recubrimiento por pulverización de nanocompuestos copolímero metacrílico perfluoroalquilo (PMC)/TiO2 sobre sustrato pre-recubierto PDMS [162] y un proceso hidrotermal en un paso usando tetraisopropilato de titanio (Ti(OC₄H₉)₄, TBOT) y vinilietoxisilano (CH₂CHSi(OC₂H₅)₃, VTES) como co-precursor [163]. Incluso un enfoque biomimético para producir superficie de bambú superhidrofóbica tipo hoja de loto SiO₂ basado en litografía suave se llevó a cabo exitosamente [122].
Nanoaditivo para Mejora de Propiedades Mecánicas
Las partículas inorgánicas integradas en polímeros orgánicos se usan comúnmente en recubrimientos de madera para aumentar propiedades mecánicas. Como rellenos, la rigidez y dureza de materiales inorgánicos se combinan efectivamente con la procesabilidad del polímero. Las partículas inorgánicas cuando se aplican en tamaño micrométrico tienen desventajas como que reducen la flexibilidad del material y disminuyen la transparencia del sistema de recubrimiento [164]. La utilización de partículas inorgánicas en nanodimensión aumenta el área superficial y la relación de área interfacial, que subsecuentemente influye en las propiedades de la materia prima [165]. Estudios recientes han investigado el uso de nanocelulosa como refuerzo renovable para desarrollar un sistema de recubrimiento nanocompuesto base bio con rendimiento mejorado. La nanocelulosa fue modificada superficialmente debido al problema de incompatibilidad con la matriz polimérica. La adición de nanofibras de celulosa oxidadas con TEMPO mejoró las propiedades mecánicas del recubrimiento WPU [144, 166]. En el caso de matriz polimérica no polar [167], la celulosa nanocristalina fue modificada por dos métodos, con cloruro de acriloilo o surfactante catiónico [167]. Un aumento en nivel de carga CNC hasta 2% aumentó dureza, módulo elástico y resistencia a tracción.
La nanosílice es otra nanopartícula común que se aplica para mejora de propiedades mecánicas. Entre ventajas de usar nanosílice están su alta dureza y puede modificarse químicamente fácilmente para mejorar su compatibilidad con la matriz polimérica. Un estudio reciente de Meng et al. [168] reportó recubrimientos híbridos acrilato base agua de aceite de ricino (CWA)/SiO₂ con estructuras de red covalente orgánico-inorgánico fueron preparados vía sol-gel y reacciones tiole-eno. El hallazgo mostró que además de las emulsiones tenían buena estabilidad, las propiedades térmicas y mecánicas del recubrimiento mejoraron significativamente al 10% en peso de SiO₂. La mejora de propiedades mecánicas con adición de nanosílice también se describió en otros sistemas de recubrimiento como nitrocelulosa base agua [169] y acrilato [170].
Nanoaditivo para Mejora de Absorción UV
El proceso de fotodegradación de madera comienza directamente tras ser expuesta a luz solar, y luego ocurren cambios de color y erosión progresiva de la superficie de madera. La radiación UV es capaz de degradar fotoquímicamente los componentes de estructura polimérica de madera (lignina, celulosa y hemicelulosa) [171]. El proceso de fotodegradación usualmente resulta en resistencia al agua reducida de madera y materiales basados en madera que conducen a further biodegradación bajo condiciones de exposición exterior. El daño intenso a materiales debido al componente UV en radiación solar puede prevenirse usando tecnologías de estabilización a la luz, recubrimientos superficiales o reemplazando estos materiales con materiales más resistentes contra radiación UV [172]. Las nanopartículas pueden utilizarse para mejorar la resistencia UV para recubrimientos base disolvente, base agua y UV para proteger superficies de madera. Nanopartículas que contienen recubrimientos funcionales para lograr propiedades de bloqueo UV ofrecen alto nivel de protección contra UV sin afectar la transparencia de la superficie. El tamaño pequeño de nanopartículas da aumento significativo en efectividad de bloqueo de luz UV comparado con material natural debido a su gran ratio área superficial-volumen.
El uso de recubrimientos absorbentes de radiación UV sirve para prevenir degradación de lignina por luz UV. Entre nanopartículas usadas como absorbentes UV están principalmente TiO₂ y ZnO. Wallenhorst et al. [173] reportaron un sistema compuesto de recubrimiento Zn/ZnO y sellado de poliuretano adicional redujo fuertemente la fotodecoloración de superficie de madera y probó ser químicamente estable. La combinación de benzotriazol (BTZ) y nanopartículas ZnO se aplicó como absorbentes UV en recubrimientos acrílicos base bambú exterior [174]. Fuertes efectos sinérgicos se detectaron en recubrimientos BTZ-ZnO, especialmente para formulación ratio 2:1. El sistema de recubrimiento proveyó alta resistencia a fotodegradación e inhibió efectivamente fotodecoloración de sustratos de bambú. Otra mezcla de benzotriazoles, estabilizadores de luz de amina impedida (HALS), y nanopartículas ZnO en recubrimiento acrílico base agua de película gruesa también dio el efecto más positivo en modificación superficial protectora UV cuando se aplicó a madera de roble [175]. La mezcla de benzotriazoles, HALS y tanto nanopartículas TiO₂ como ZnO se confirmó como uno de los tratamientos más efectivos para estabilización de color de madera debido a espectros UV y VIS. Se reportó que especímenes de madera recubiertos con TiO₂ rutilo y mezcla de metiltrimetoxisilano y hexadeciltrimetoxisilano mostraron rendimiento de intemperie superior y mejor resistencia a cambio de color superficial y pérdida de peso [176]. El recubrimiento TiO₂ también se encontró que aparentemente mejora la estabilidad de color de madera durante irradiación UV sin pulverización de agua. Sin embargo, la superficie de madera adyacente se degradó debido a la actividad fotocatalítica de TiO₂ [177].
Nanoaditivo para Mejora de Retardancia al Fuego
La inflamabilidad de productos de madera y no madera ha restringido su utilización, siendo la seguridad contra incendios una preocupación mayor para diversas aplicaciones. Para superar las deficiencias inherentes y usar madera y no madera de manera segura, las propiedades retardantes de llama necesitan consideración seria. Las nanopartículas se han usado recientemente para producir nanocompuestos para mejora en propiedades retardantes de llama. La utilización de nanopartículas, ya sea solas o en combinación con retardantes de llama convencionales, sirve para reducir la inflamabilidad de la madera. La nanodimensión y alta área superficial de nanomateriales los hace más efectivos a bajas concentraciones que otros compuestos convencionales, lo que es una enorme ventaja industrial y económica. La modificación superficial es necesaria para nanopartículas para lograr mejor dispersión compatible y homogénea. La madera recubierta con TiO₂ se encontró capaz de reducir la inflamabilidad de la madera y la propagación de la llama, comparado con muestra sin recubrir [178]. Las nanoestructuras de doble capa ZnO-TiO₂ se sintetizaron en sustrato de bambú [179]. Los hallazgos mostraron que el índice de oxígeno aumentó de 25,6 a 30,2% tras ser cubierto con recubrimiento ZnO-TiO₂, revelando una mejora significativa de su propiedad retardante de llama. Los hidróxidos de doble capa [180] pueden absorber gran cantidad de calor, diluir la concentración de gas inflamable y absorber gases ácidos dañinos durante el proceso de descomposición; por tanto, es un excelente retardante de llama. Yao et al. [180] aplicaron nanohidróxido de doble capa magnesio-aluminio (Mg-Al LDH) a bambú en proceso in situ de un paso y encontraron que la liberación total de calor y producción total de humo se redujeron en 33,3% y 88,9%, respectivamente, comparado con muestras sin Mg-Al LDH. Wang et al. [181] introdujeron nanoestructuras de hidróxido de doble capa zinc-aluminio (Zn-Al LDH) a madera y encontraron que la tasa máxima de liberación de calor (PHRR) y producción total de humo se redujeron en 55% y 47%, respectivamente, comparado con madera prístina [181]. Materiales de carbono nanoestructurados como grafeno también demostraron tener gran potencial para usarse como retardante de llama efectivo en materiales de madera y compuestos de madera para protección superficial contra fuego [182].
Durabilidad de Madera
La madera es un material tan versátil que encuentra uso en diversos campos como construcción, muebles y arte [183-185]. La madera se aplica como material de construcción debido a su alta relación resistencia-peso, característica ecológica, apariencia estética y característica biodegradable. Desafortunadamente, la madera es muy sensible a ataques biológicos, especialmente por hongos de pudrición e insectos [186, 187]. La madera también se ve afectada por exposición a radiación UV, fuego y humedad [188]. La humedad puede causar deformación, agrietamiento e inestabilidad dimensional de la madera. La degradación de madera puede causar daños estéticos y estructurales internos. La degradación de madera conduce a pérdidas inconmensurables cada año. Además, el crecimiento de hongos de pudrición en estructuras de madera desencadenará problemas de salud en humanos incluyendo alergias, síntomas respiratorios y asma especialmente tras exposiciones prolongadas en interiores [189]. Por tanto, los problemas asociados a la madera no pueden simplemente pasarse por alto. La preservación de madera usando químicos es la forma efectiva de proteger y prolongar la vida útil de la madera.
En las últimas décadas, muchos conservantes químicos se han desarrollado y usado para proteger madera contra agentes de biodegradación [188, 190]. Desafortunadamente, la mayoría de estos conservantes químicos pueden plantear efectos serios a humanos, organismos vivos y medio ambiente debido a su acumulación en suelos y ecosistemas [191]. Arseniato de cobre cromatado (CCA) es uno de los conservantes químicos ampliamente usados desde mediados de 1930 y protege efectivamente madera contra hongos de pudrición, termitas e insectos perforadores. Sin embargo, CCA se mostró tóxico para humanos y medio ambiente [192-194]. Un problema similar enfrenta otro químico, pentaclorofenol (PCP). Se consideró peligroso para la salud humana; así, su producción y usos fueron prohibidos en muchos países [195].
En respuesta a estos problemas, una nueva serie de conservantes químicos reclamados como seguros y menos contaminantes se están introduciendo. Estos conservantes químicos pueden obtenerse de extracto de planta o producirse sintéticamente y tener propiedades de compuesto bioactivo de planta. Por ejemplo, piretroides, derivados de flor de piretro (Chrysanthemum cinerariifolium), tienen actividad insecticida potente y ahora pueden producirse sintéticamente. Desafortunadamente, estos químicos se encontraron fácilmente degradables por luz y temperatura, y tienen espectro de eficiencia estrecho [196]. Otra limitación de pesticidas orgánicos es que la mayoría se disuelven en disolventes orgánicos y no pueden formularse como conservantes de madera base agua. Por tanto, sistema de despacho inteligente e inteligente de pesticidas orgánicos es crucial. A través de un sistema de despacho inteligente, biocidas pueden entregarse de manera controlada y dirigida. Esto reducirá peligros a humanos y medio ambiente [17].
El tratamiento de madera vía método de nanotecnología puede mejorar la durabilidad de madera contra agentes de biodegradación e intemperie [14, 197, 198]. La principal ventaja de aplicar nanoproductos a madera es su habilidad única para penetrar profundamente en estructura de madera [14, 199], mejorando así propiedades de durabilidad que resultan en larga vida útil. Por otro lado, penetración completa con distribución uniforme de nanoproductos también puede lograrse [200]. Hasta la fecha, muchos nanoproductos listos para usar (nanoconservantes) para protección de madera están disponibles en el mercado, mientras que algunos aún están en etapa de investigación y desarrollo. Generalmente, nanoproductos usados para proteger madera pueden clasificarse en dos tipos, a saber, nanocápsulas y nanomateriales. Nanocápsula se refiere a pesticidas incrustados en un nanoportador polimérico, mientras que nanomaterial es metales nanosizados que pueden impregnarse directamente en madera [201].
Mejora de Propiedad Biocida vía Nanoencapsulación
La encapsulación de pesticidas en nanoportadores poliméricos es una de las técnicas prometedoras de nanotecnología en mejorar la impregnación de madera con pesticidas. Esta técnica está diseñada para aumentar la solubilidad de pesticidas poco solubles en agua y liberar pesticidas de manera lenta [202]. La encapsulación permite que esos pesticidas de baja solubilidad se dispersen fácilmente en nanopartículas poliméricas sólidas. El polímero puede entonces suspenderse en agua y aplicarse a madera vía tratamientos base agua convencionales [149]. La encapsulación también es capaz de proteger el ingrediente activo hidrofílico de lixiviación excesiva [19]. Debido al pequeño diámetro de cápsula, puede incorporarse y penetrar fácilmente en la pared celular de la madera. Esto mejora accordingly la durabilidad de madera tratada contra agentes de biodegradación. No solo esta tecnología puede entregar pesticidas de forma segura, también puede prolongar la vida útil del pesticida, resultando en protección extendida para la madera [203].
La encapsulación de pesticidas es un enfoque bottom-up. Puede llevarse a cabo mediante varias técnicas como nanoprecipitación [17, 204-206], emulsión-difusión [207] y doble emulsificación [208] (Tabla 3). Los materiales usados como nanoportadores poliméricos pueden derivarse de polímero natural, polímero sintético o combinación de ambos [209]. Por ejemplo, polímero natural incluye celulosa, almidón, alginatos, sílice y halloisita. El polímero sintético usualmente usado como nanoportadores poliméricos incluye polivinil acetato, polimetil metacrilato, ácido poliláctico, etc. (Tabla 3).
Estudio previo de Liu et al. [18, 216] encapsuló exitosamente tebuconazol y clorotalonil en polivinilpiridina y copolímero polivinilpiridina-estireno usando método de impregnación. El tamaño de partícula de cápsulas obtenido fue entre 100 y 250 nm. Impregnaron una suspensión de las cápsulas en albura de pino amarillo sureño y abedul usando tratamientos de presión convencionales. La madera tratada fue luego expuesta a pudrición parda (Gloeophyllum trabeum) y pudrición blanca (Trametes versicolor) por 55 días. Los resultados mostraron gran resistencia contra ambos hongos de pudrición.
Salma et al. [17] usaron técnica de nanoprecipitación para encapsular tebuconazol. Las cápsulas poliméricas conteniendo tebuconazol se prepararon a partir de copolímeros anfifílicos de gelatina injertada con metacrilato de metilo con diámetros de tamaño variando de 200 a 400 nm o 10 a 100 nm dependiendo de ratio masa núcleo/cáscara polimérica. El tebuconazol encapsulado se reportó capaz de preservar madera contra hongo de pudrición parda. Por otro lado, el sistema de formulación desarrollado por Salma et al. [17] es flexible y puede modificarse fácilmente usando copolimerización de otros monómeros acrílicos como metacrilato de hidroxietilo. Esto indica que la tasa de liberación de tebuconazol puede personalizarse. Sin embargo, la desventaja de estas nanocápsulas es que son propensas a agregación, lo que reduce la eficiencia de entrega de nanocápsulas en la madera.
Can et al. [217] encapsularon exitosamente nano plata en copolímero poliestireno-soja. En su estudio, pino silvestre se impregnó con las cápsulas y se probó contra hongos de pudrición blanca (Trametes versicolor). El hallazgo obtenido indica que el aceite de soja, poliestireno y nano plata jugaron papeles importantes en el efecto sinérgico de aumento de resistencia a pudrición de pino silvestre.
Impregnación de Nanopartículas Metálicas para Mejora de Durabilidad
Las nanopartículas metálicas se han usado para proteger madera contra agentes de biodegradación e intemperie desde hace décadas [197, 218, 219]. Las nanopartículas ofrecen mejores características que su forma a granel, principalmente debido a su tamaño reducido que conduce a alta relación área superficial-volumen específica, distribución de tamaño uniforme y buena estabilidad. Debido a su tamaño muy pequeño, las nanopartículas pueden penetrar profunda y uniformemente en poros de madera conduciendo a protección de madera [197, 220]. Además, la estabilidad de dispersión mejora debido al tamaño y también por adición de surfactante [221]. La estabilidad de dispersión acoplada con tamaño de partícula pequeño puede mejorar grandemente los siguientes aspectos: (1) penetración de conservante, (2) tratabilidad de madera, (3) estabilidad de acabados y productos de recubrimiento, (4) baja viscosidad, y (5) no lixiviación [222, 223]. Además, puede mejorar compatibilidad con aglutinantes pudiendo así aumentar la afinidad con polímeros de madera [197, 224].
La nanopartícula metálica puede prepararse alterando el tamaño de partícula de metal vía reacciones químicas, tratamiento mecánico, calentamiento o reflujo. Hasta la fecha, muchas nanopartículas se han usado para protección de madera. Nanopartículas metálicas principalmente cobre, plata, boro y zinc exhibieron buen rendimiento contra pudrición blanca y parda pero menos eficientes contra moho [219]. Dióxido de titanio (TiO₂) es otra nanopartícula que tiene buen potencial para usarse como conservante de madera. El potencial de TiO₂ está relacionado con sus propiedades antibacterianas y antifúngicas [14, 225] y resistentes a UV [225, 226]. Sin embargo, el estudio sobre madera tratada con TiO₂ aún está en investigación preliminar [14, 225]. La Tabla 4 lista los trabajos sobre utilización de TiO₂ para preservación de madera. La distribución de TiO₂ en madera fue estudiada por Mohammadnia-Afrouzi et al. (Fig. 3).
Imágenes SEM tomadas de sección tangencial de muestras de madera tratada con nano-TiO₂: contenido de humedad (CH) 0%/0,5% concentración (a1), 25% CH/0,5% concentración (A2), 0% CH/1% concentración (A3), 25% CH/1% concentración (A4), 0% CH/1,5% concentración (A5) y 25% CH/1,5% concentración. Fuente: Afrouzi et al. [227].
El cobre es un biocida esencial para protección de madera. Sin embargo, el cobre solo falla en proteger madera contra hongos destructores de madera tolerantes al cobre. Las nanopartículas de cobre son una nueva generación de conservante de madera basado en cobre. El uso de nanopartículas de cobre en lugar de cobre convencional muestra durabilidad mejorada de madera contra hongos de pudrición [230]. Esto muestra que las nanopartículas de cobre pueden usarse para proteger madera sin la presencia de cromo y arsénico [230].
Cristea et al. [15] estudiaron los efectos de la adición de nanopartículas ZnO y nanopartículas de plata en recubrimientos exteriores de madera. El propósito del estudio es mejorar la durabilidad y protección de madera mediante blindaje UV. Además de proporcionar protección eficiente contra UV, las propiedades mecánicas de madera como dureza, resistencia de adhesión, resistencia a abrasión y efecto barrera para difusión de vapor de agua mejoraron ligeramente.
La mezcla de nanopartículas ZnO con nanopartículas de plata fue capaz de proteger madera de problemas de intemperie como rayos UV [231]. Impregnaron albura de álamo usando tres concentraciones diferentes de mezcla por proceso de celda completa. Las muestras fueron luego expuestas a intemperie natural. Los cambios de color de muestras de madera tratadas se midieron usando espectrofotómetro. La madera tratada con nanopartículas ZnO sola se usó como control. El hallazgo indica que madera tratada con mezcla de nanopartícula ZnO y nanopartículas de plata tiene los menores cambios de color comparado con muestras tratadas con cada nanopartícula metálica individual.
En otro estudio, Mantanis et al. [197] trataron madera de pino negro con nanopartículas ZnO, borato de zinc y óxido de cobre bajo vacío. Usaron emulsión acrílica para forzar nanopartículas metálicas en la estructura de madera para evitar lixiviación. La durabilidad de madera tratada contra moho, hongos de pudrición y termitas subterráneas se evaluó. Resultados mostraron que madera tratada con borato de zinc inhibió ligeramente el moho, mientras que otras nanopartículas metálicas no exhibieron moho. Un hallazgo similar fue reportado por Terzi et al. [232] que nanopartículas ZnO no exhibieron crecimiento de moho en especímenes de madera. Sin embargo, todas las nanopartículas metálicas inhibieron significativamente hongos de pudrición blanca y termitas.
Otro estudio muestra que nanopartículas metálicas pueden mejorar propiedades retardantes de llama de madera. Francĕs et al. [16] estudiaron efecto de SiO₂, TiO₂ y ZnO₂ infiltrados en chapas de pino. Reportaron que chapa tratada usando 3% en peso de SiO₂ fue más efectiva para mejorar comportamiento retardante de llama.
A pesar de las notables ventajas de la nanotecnología en sector de preservación de madera como se discutió arriba, la comprensión fundamental sobre síntesis, procesamiento y caracterización de nanocápsulas y nanopartículas metálicas para protección de madera aún necesita mejorarse. Las características más interesantes a considerar durante diseño y desarrollo de nanocápsulas o nanopartículas metálicas para protección de madera se listan en Tabla 5.
Potencial de Material Basado en Nanocelulosa en Sector Energético
La energía es un recurso importante que tiene fuerte correlación entre crecimiento y desarrollo económico [233]. Hoy, las principales fuentes de energía son combustibles fósiles e hidroeléctricas, que son muy dañinas para el medio ambiente porque pueden causar cambio climático y calentamiento global así como agotamiento de capa de ozono, contaminación, emisión de gases de efecto invernadero y destrucción ecológica [234-236]. Alrededor del 80% de emisiones de dióxido de carbono (CO₂) en el mundo son del sector energético y se requiere avance tecnológico para desarrollar recursos energéticos renovables sostenibles para reducir emisiones de CO₂ así como superar el impacto del calentamiento global en vida y salud en línea con necesidades de acelerar desarrollo tecnológico [234, 237].
Para minimizar efectos ambientales, un material eficiente energéticamente basado en carbono, sostenible y de bajo coste se ha explorado como potencial para reemplazar algunos materiales convencionales en fabricación de dispositivos energéticos. Uno de los materiales naturales basados en carbono es la celulosa, que es el polímero natural más prometedor con muchos usos, incluyendo energía [237].
La nanotecnología es una de las tecnologías avanzadas que tiene potencial y perspectiva para cumplir la demanda de crear energía limpia y verde. Desarrollar este nuevo material en nanoescala habilita nueva aplicación y su interacción con tecnología energética actual que revolucionaría el campo energético desde uso hasta suministro, conversión a almacenamiento y transmisión a distribución [238]. Al adaptar esta nanotecnología, tendrá alto impacto en desarrollo de energía limpia y verde y beneficiará medio ambiente y recursos naturales [239].
Según Serrano et al. [234] y Hut et al. [235], la aplicación más prometedora de nanotecnología para conversión energética se centra principalmente en energía solar, materiales conductores, hidrógeno solar, celdas de combustible, baterías, generación de energía y dispositivos energéticos. Entender las propiedades estructurales y morfológicas de nanomaterial es esencial para obtener pericia y sostenibilidad para muchas aplicaciones. La mayor aplicación de nanotecnología en generación de energía es energía solar usando celdas fotovoltaicas (FV) que se centra en eficiencia de aprovechamiento [233]. El consumo de energía generada de esta celda solar usando recursos naturales reducirá el uso de combustible fósil y disminuirá la contaminación hacia creación de energía ambientalmente amigable y verde [239]. Además, el desarrollo de nanodispositivos usando celda solar podría mejorar la eficiencia de materiales existentes así como reducir coste de fabricación que podría aumentar el crecimiento económico [236].
La nanotecnología se ha usado en diversas aplicaciones para mejorar el medio ambiente, resolver problemas de humanidad y producir energía más eficiente y rentable, como generar menos contaminación durante fabricación de productos, producir celdas solares y de combustible a coste competitivo, producción de hidrógeno, limpieza de químicos orgánicos contaminando aguas subterráneas y superar problema de suficiencia energética, cambio climático y enfermedades así como reducir dependencia de fuentes energéticas no renovables [233, 235, 240].
Material Basado en Nanocelulosa para Energía Solar
La energía solar está disponible en varias partes del mundo y puede capturarse del sol con 15.000 veces más energía anualmente. Esta fuente de energía puede usarse de diferentes maneras: tecnología fotovoltaica (FV), sistemas solares térmicos, fotosíntesis artificial, tecnologías solares pasivas y tecnología de biomasa, que se usan para producir electricidad, vapor o biocombustibles [234, 235].
En futuro, la nanotecnología podría contribuir a desarrollar un sistema efectivo y de bajo coste para producción, almacenamiento y transporte de energía [235]. Según Serrano et al. [234] y Hut et al. [235], el mercado fotovoltaico (FV) actual se basa en celdas solares basadas en obleas de silicio (primera generación) y capas delgadas de materiales semiconductores (segunda generación). El inconveniente actual de usar celdas solares es el coste de fabricación principalmente en el alto coste de celdas FV convencionales con pobre eficiencia de absorción de energía (menos de 40%) [233].
La nanocelulosa muestra buen potencial para usarse en sistema de energía solar debido a su renovabilidad, biodegradabilidad, biocompatibilidad, amplia capacidad de modificación, adaptabilidad y morfología versátil [241, 242]. Sustrato de bajo coste, flexible y poroso de celulosa podría usarse para producir celdas solares. La celulosa nanofibrillada (CNF) con tamaño tan bajo como 4 nm podría convertirse en excelente candidato para producción de papel ultrafino para uso en componente de celda solar para almacenar energía [235]. Klochko et al. [243] usaron nanocelulosa de biomasa para desarrollo de película delgada biodegradable ecológica flexible como material termoeléctrico. La película delgada se usó para convertir calor residual de baja gradiente de radiación solar en electricidad a temperatura cercana a ambiente.
Materiales Conductores Basados en Nanocelulosa
Los materiales conductores permiten el flujo de corriente eléctrica necesario en fabricación de dispositivos energéticos. Hay muchos tipos de materiales conductores como polímeros conductores y materiales de carbono conductores (ej. nanotubos de carbono, grafeno, negro de carbono) y partículas metálicas con diferentes niveles de conductividad. Estos materiales conductores pueden combinarse con nanocelulosa para formar compuestos novedosos. El proceso de producción de nanocelulosa conductora se muestra en Fig. 2. Hay dos estrategias principales involucradas en proceso de fabricación de híbridos conductores basados en nanocelulosa; uno es recubrimiento de capa de materiales conductores en superficie de sustratos de nanocelulosa, y otro es mezclar materiales conductores dentro del sustrato de nanocelulosa para hacer compuesto [237]. Los polímeros conductores son alternativa a materiales metálicos debido a su buen rendimiento electroquímico, ligeros y bajo coste. Uno de los polímeros conductores más prometedores es polianilina (PANI) debido a su ruta simple de síntesis, conductividad controlable y alta capacitancia específica [244].
Los materiales conductores basados en nanocelulosa se desarrollan para supercondensadores y aplicaciones de dispositivos de almacenamiento de energía usando varios tipos de método como polimerización in situ, dopaje, recubrimiento, impresión por inyección de tinta y deposición in situ [68, 244-246]. La modificación del supercondensador existente añadiendo nanocomponentes ha aumentado su capacidad para almacenar gran cantidad de energía con mayor tiempo de suministro [238].
Además, electrodos de membrana compuestos basados en nanocelulosa pueden desarrollarse vía polimerización in situ de nanocelulosa usando componentes conductores vía una unidad de filtración simple (Fig. 3). Una membrana compuesta de materiales conductores/nanocelulosa bien mezclada se deja en el filtro tras pasar el líquido a través del filtro y la membrana compuesta seca al aire puede pelarse de la membrana de filtro para uso further como supercondensadores [244].
Nanocelulosa para Almacenamiento de Energía
La aplicación potencial de nanocelulosa para aplicación de almacenamiento de energía ha ganado mucha atención recientemente. Esto se debe a su dimensión nanométrica, alta relación área superficial-volumen, y rica en grupo hidroxilo, que hace su química de superficie fácilmente modificable para procesamiento de compuestos. El aspecto más importante en almacenamiento de energía es desarrollar nanocelulosa con propiedades de conductividad y flexibilidad. Puede lograrse añadiendo polímeros conductores como polianilina y polipirrol. Por ejemplo, la película compuesta nanocelulosa/polianilina se usa ampliamente como sensores base papel, electrodo flexible y adhesivo conductor [68, 247-249]. Razaq et al. [250] fabricaron electrodos a partir del compuesto de nanocelulosa/polipirrol y filamento de carbono para dispositivos de almacenamiento de energía base papel. Wang et al. [248] reportaron que sus dispositivos desarrollados usando compuesto de nanocelulosa/polipirrol proveen alta capacidad de carga y descarga, altas capacitancias de celda y rendimiento de ciclado.
Materiales Basados en Nanocelulosa para Baterías de Litio y Vanadio
La alta demanda en dispositivos electrónicos portátiles flexibles recientemente como teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos, portátiles, e incluso almacenamiento de energía en red causa aumento de demanda en baterías recargables de iones de litio (LIB) [251] y supercondensadores [252]. Las LIB son uno de los candidatos de almacenamiento de energía más ideales para dispositivos electrónicos, debido a su alta densidad energética, densidad de potencia moderada y estabilidad de ciclo. En LIB, el electrolito es importante para transferencia de iones de litio (Li⁺) entre ánodo y cátodo. Electrolito líquido orgánico se usa para sistema LIB, pero puede plantear tremenda preocupación de seguridad debido a alta toxicidad e inflamabilidad. Electrolito de estado sólido se ha vuelto de interés porque demuestra ventajas obvias de baja inflamabilidad y baja toxicidad [253, 254]. Según Janek et al. [255], electrolito de estado sólido se clasifica como electrolito polimérico sólido (SPE) e electrolito sólido inorgánico (ISE). Sin embargo, SPE ofrece ventajas de fácil procesamiento y flexibilidad [255].
Qin et al. [256] desarrollaron SPE incorporando óxido de polietileno (PEO) con aerogel nanofibrillado y sal de litio bis(trifluorometilsulfonil)imida (LiTFSI). Los resultados mostraron que las propiedades de conductividad iónica de SPE se mejoraron significativamente debido a la celulosa nanofibrillada cargada negativamente. Los resultados también probaron que el SPE fabricado es electroquímicamente estable, mecánicamente robusto y térmicamente estable así como flexible, esperado para uso en dispositivos electrónicos flexibles.
Nair et al. [257] fabricaron electrolito polimérico compuesto cargado con nanocelulosa para baterías litio-azufre de alto rendimiento usando método de polimerización inducida térmicamente. El electrolito polimérico compuesto demuestra excelente conductividad iónica, estabilidad térmica hasta más de 200 °C e interfaz estable hacia litio. El electrolito también tiene perfiles de ciclado estables atribuidos a reducción significativa de migración de polisulfuro hacia ánodo por atrapamiento de nanocelulosa en matriz polimérica.
Otro estudio fue llevado a cabo por Zhang et al. [258] en membrana de intercambio de protones robusta desarrollada usando poli(éter sulfona) sulfonado reforzado por nanocelulosa núcleo-cáscara para baterías de flujo redox vanadio (VRFB). Se encontró que con la incorporación de nanocelulosa encapsulada en sílice, la membrana de intercambio de protones exhibe resistencia mecánica sobresaliente de 54,5 MPa y alta eficiencia energética above 82% a 100 mA cm⁻², que es estable durante 200 ciclos de carga-descarga. La membrana de intercambio de protones es uno de los componentes clave en VRFB. Funciona como separador para evitar cruce de iones vanadio. También actúa como conductor de protones que contribuyen a alta eficiencia de voltaje en VRFB [259].
Materiales Basados en Nanocelulosa para Supercondensador Flexible
El supercondensador o capacitor de doble capa electroquímica o ultracapacitador es otro sistema versátil de almacenamiento de energía que ha ganado atención de investigadores mundiales [260]. Con alta densidad de potencia, larga vida de ciclo, principios simples, bajo mantenimiento, portabilidad, rendimiento estable y tasa rápida de carga/descarga hacen a supercondensadores capaces de llenar el hueco entre baterías y capacitores convencionales [260]. Estas propiedades ofrecen un enfoque prometedor para satisfacer demandas crecientes de potencia.
El electrodo es componente muy importante en supercondensador. Requiere buen rendimiento electroquímico y flexibilidad especialmente para preparar un supercondensador flexible de alto rendimiento. Him et al. [261] y Zhe et al. [262] encontraron que grafeno y nanocelulosa son excelentes materiales de electrodo flexible para supercondensadores. La nanocelulosa se ha usado como material de sustrato debido a su buena biodegradabilidad, resistencia mecánica, flexibilidad y reactividad química. La estructura porosa e hidrofílica de nanocelulosa puede facilitar la adhesión de otros materiales, por ejemplo grafeno, en su estructura de red fibrosa [263]. Al mismo tiempo, la abundancia de grupos hidroxilo en superficie de nanocelulosa habilita la interacción de nanocelulosa con otros polímeros para formar compuestos fuertes [264].
Khosrozadeh et al. [265] desarrollaron un electrodo para supercondensador usando compuesto nanocelulosa-polanilina/grafeno/nanohilo de plata y tras aplicarlo por 2400 ciclos, a densidad de corriente 1,6 A/g, el supercondensador mostró densidad de potencia, densidad de energía y capacitancia de 108%, 98% y 84%, respectivamente. Esto muestra que el electrodo tiene excelente estabilidad cíclica y buena flexibilidad mecánica. Por otro lado, Ma et al. [266] desarrollaron un electrodo usando celulosa bacteriana/polipirrol recubierto con grafeno. El electrodo preparado tiene buena flexibilidad mecánica en la que puede doblarse a cualquier ángulo. La capacitancia de área y densidad de energía pueden alcanzar 790 mF cm⁻² y 0,11 mWh cm⁻², respectivamente, cuando se ensamblan en supercondensadores simétricos. El electrodo nanocelulosa-grafeno puede fabricarse usando método de entrecruzamiento químico o físico [267, 268]. La nanocelulosa como componente de electrodo de supercondensador también juega papel de reservorio interno de electrolito. Esto es porque la nanocelulosa puede proveer una forma efectiva para transporte de iones. La alta estructura porosa e propiedades hidrofílicas de nanocelulosa hacen más fácil transportar iones de electrolito [261].
Papel Basado en Nanocelulosa para Dispositivos Electrónicos
El papel basado en nanocelulosa es un sustrato verde que puede usarse para dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Actualmente, el papel comercial tiene superficie relativamente rugosa y propiedades mecánicas débiles que pueden ser bastante problemáticas para fabricación de dispositivos electrónicos [269]. La mayoría de la fabricación de dispositivos electrónicos usa componentes no biodegradables y no reciclables como plásticos, vidrios y siliconas como sustratos [270]. La formación de papel basado en nanocelulosa a partir de CNF vía método de filtración simple puede producir papel mecánicamente fuerte y bajo coeficiente de expansión térmica como alternativa a papel comercial [6, 269]. Según Li y Lee [270], papel transparente basado en nanocelulosa para dispositivos electrónicos ha sido diseñado y aplicado para electrocrómico, sensor táctil, celdas solares, transistores, diodos orgánicos emisores de luz (OLED), proofer de huecograbado y identificación por radiofrecuencia (RFID).
Una de las aplicaciones de papel transparente de nanocelulosa es para producción de materiales electrónicos flexibles mediante impresión de circuito directamente en superficie de sustratos vía técnicas de recubrimiento o deposición térmica. Primero, la fabricación de electrónica flexible se construyó en oblea de silicio especial que permite membranas nanométricas de silicio (Si NM) ser liberadas y luego transferidas a sustrato CNF con capa adhesiva, y el dispositivo se completó por pasos de patrón de fotorresistente y grabado en seco como se ilustra en Fig. 4 [271].
Ilustración esquemática de rutas de fabricación generalizadas a híbrido conductor basado en nanocelulosa. Fuente: Du et al. [237]. Reproducido con permiso de Elsevier.
Además, CNF también es el sustrato principal para diodos orgánicos emisores de luz (OLED) (Fig. 5). Okahisa et al. [272] reportaron que el dispositivo OLED fue fabricado en compuesto de nanofibras de celulosa de madera (CNF).
Procedimiento de filtración para fabricar membrana compuesta nanocelulosa [supercondensador (SC)]. Fuente: Hsu y Zhong [244].
Potencial de Nanocompuesto Basado en Nanocelulosa para Desarrollo de Sensores
La nanocelulosa se ha usado ampliamente para desarrollar sensores novedosos y mejorar la sensibilidad de sensores. En industria alimentaria, por ejemplo, los sensores se han convertido en herramienta importante para proteger humanos de peligros y riesgos de salud causados por contaminantes alimentarios. Los sensores pueden ayudar a identificar rápidamente micotoxinas, patógenos, metales pesados, pesticidas, iones metálicos, etc. en alimentos. Además, la tecnología de sensores puede superar el proceso complicado, laborioso y que consume tiempo usando instrumentos costosos que usualmente requieren personal bien entrenado [273, 274]. El sensor también proporciona detección rápida y sensible de seguridad alimentaria.
En la última década, abundantes sensores (sensores electroquímicos, biosensores y sensores químicos) se han desarrollado exitosamente como alternativa o como herramientas de detección complementarias para detección rápida y sensible [275-277]. Sin embargo, sensores convencionales se desarrollaron usando plásticos, productos base petroquímicos y material inorgánico que conducen a problemas ambientales. Además, problemas como emisión de gases de efecto invernadero, toxicidad y sostenibilidad de materiales se están volviendo crecientes. Por tanto, la demanda de dispositivos sensores sostenibles ha aumentado rápidamente en años recientes.
Las nanocelulosas de plantas y bacterias han mostrado potenciales prometedores debido a sus excelentes propiedades físicas, térmicas, mecánicas, ópticas y físicas, que son importantes para fabricar dispositivos sensores de alto rendimiento. Estas propiedades hacen a nanocelulosa más preferida como biomaterial ya que puede mejorar la selectividad y sensibilidad de sensores para detección de analitos. Por otro lado, las propiedades de adhesión de nanocelulosa previenen problemas de lixiviación de reactivos inmovilizados. Así, una mejora notable puede obtenerse para la estabilidad a largo plazo del sensor. Además, los grupos hidroxilo -OH en nanocelulosa pueden modificarse para incorporación de sitios de unión para adsorción selectiva de diferentes especies de analitos [278]. La combinación de esas características hace a las fibras de nanocelulosa nanoestructuradas un bloque de construcción ideal para conjugación con otros materiales funcionales [248, 279, 280] (Tabla 6).
Desarrollo de Biosensores
Kim et al. [286] inmovilizaron enzimas candida rigosa lipasa en diferentes nanocristales de celulosa. Los hallazgos indican que candida rigosa lipasa absorbida en nanocelulosa fue relativamente mayor comparada con microcelulosa. Esto puede relacionarse con la alta área superficial en nanocelulosa y así aumentar la interacción iónica entre grupo aniónico de nanocelulosa y candida rigosa lipasa. En este estudio, encontraron que la vida media de candida rigosa lipasa inmovilizada en nanocelulosa aumentó 27 veces comparada con forma libre. Además, la estabilidad de enzima también aumentó (Fig. 6).
Proceso de producción de electrónica flexible en sustrato CNF. Fuente: Sabo et al. [271].
Otro grupo de investigadores, Edwards et al. [287] estudiaron perfiles cinéticos de sustratos tri- y tetrapéptidos de elastasa para fabricación de biosensor de elastasa conocido como elastasa de neutrófilo humano (HNE) y elastasa pancreática porcina (PPE). Para desarrollar HNE y PPE, tri- y tetrapéptidos inmovilizados se usaron en nanocristales de celulosa de algodón. Encontraron que 2 mg de tripéptido conjugado nanocristales de celulosa de algodón en 1 h fue capaz de detectar 0,03 U mL⁻¹ PPE, mientras que 0,2 mL tetrapéptido conjugado nanocristales de celulosa de algodón over 15 min pudo detectar 0,05 U mL⁻¹ actividad HNE. Incani et al. [288] fabricaron un biosensor inmovilizando enzima glucosa oxidasa (GOx) en nanocompuestos nanocelulosa/polietilenimina (PEI)/nanopartículas de oro (AuNPs). Los AuNPs se adsorbieron en PEI catiónico y nanocelulosa. Los espectros de Transformada de Fourier Infrarroja (FTIR) confirmaron que GOx se inmovilizó exitosamente en compuestos poliméricos (Fig. 7).
Pantalla flexible (OLED) en sustrato CNF, a Fuente: Okahisa et al. [272]. Reproducido con permiso de Elsevier. Electrónica flexible en sustrato CNF, b Fuente: Sabo et al. [271].
Abd Manan et al. [289] desarrollaron exitosamente biosensor basado en nanocompuestos nanocelulosa nanocristalina (CNC)/sulfuro de cadmio (CdS) puntos cuánticos (QD) para determinación de fenol. Modificaron CNC con surfactante catiónico bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) y further decoraron con puntos cuánticos CdS cubiertos con ácido 3-mercaptopropiónico (MPA) como andamio para inmovilización de enzima tirosinasa (Tyr). Las imágenes TEM de CNC y CTAB-CNC (Fig. 8a, b) indican que la estructura tipo bigote aglomerada de CNC no fue afectada por modificación, mientras que los QD MPA son de forma esférica (Fig. 8c). Las imágenes FESEM de película nanoestructurada CTAB-CNC (Fig. 8d) exhibieron estructuras fibrosas densas, uniformes y homogéneas agregadas, mientras que para película nanocompuesta CTAB-CNC/QD (Fig. 8e), los QD CdS aparecieron como diminutos puntos blancos. Análisis EDX muestra presencia de elementos respectivos de carbono (C), oxígeno (O), azufre (S) y cadmio (Cd), indicando que QD CdS se adjuntó exitosamente en película CTAB-CNC. El hallazgo de prueba contra fenol muestra que el biosensor exhibe buena linealidad hacia fenol en rango de concentración 5-40 µM (R² = 0,9904) con sensibilidad y límite de detección de 0,078 µA/µM y 0,082 µM, respectivamente.
Imágenes TEM para a CNC, b CTAB-CNC, c MPA-QD, micrografía FESEM de d película nanoestructurada CTAB-CNC, e película nanocompuesta CTAB-CNC/QD, f análisis EDX de película nanoestructurada CTAB-CNC, g película nanocompuesta CTAB-CNC/QD (Fuente: Abd Manan et al. [289]). Reproducido con permiso de Elsevier.
En la industria alimentaria, los sensores se usan para monitorear calidad o frescura de alimentos. Moradi et al. [290] desarrollaron un indicador de detección de pH basado en nanofibras de celulosa bacteriana para monitorear frescura de pescado. Usaron antocianinas de zanahoria como indicador. El sensor fabricado mostró amplias diferencias de color de rojo a gris sobre rango pH 2-11. Los cambios de color fueron distinguibles whereby color carmín profundo indica pescado fresco, color rosa encanto indica pescado mejor para comer inmediatamente, y pescado echado a perder indicado por colores azul judía y caqui.
Desarrollo de Sensores Químicos
La estructura de hidrogel de nanocelulosa se usó previamente para inmovilizar puntos cuánticos de grafeno co-dopados con azufre y nitrógeno como sensor de bajo coste para detección de enzima lacasa [291]. La lacasa es la familia de enzima multicobre oxidasa. Está involucrada en la oxidación monoeléctrica de varios compuestos aromáticos y aminas alifáticas. Por tanto, usualmente se usa en productos de decoloración y coloración [292, 293]. Por tanto, el monitoreo de actividad de lacasa en productos comerciales es de gran interés. De este estudio, los autores encontraron que los puntos cuánticos de grafeno co-dopados con azufre y nitrógeno se autoorganizaron vía interacciones electrostáticas.
Faham et al. [294] describieron el desarrollo de un kit de ensayo colorimétrico basado en nanocelulosa para detección por smartphone de hierro, Fe(II) y fármaco quelante de hierro deferoxamina (DFO) en biofluidos. Incrustaron curcumina en nanopapel de celulosa bacteriana transparente, como kit de ensayo colorimétrico. El kit de ensayo fue luego usado para monitoreo de hierro y deferoxamina como fármaco quelante de hierro en fluido biológico como orina, sangre, saliva y suero. El kit de ensayo puede acoplarse fácilmente con tecnología smartphone para monitoreo colorimétrico de Fe(II) y DFO.
Desarrollo de Sensores Electroquímicos
Burrs et al. [295] demostraron biosensor electroquímico base glucosa para detección de bacterias patógenas. El papel conductor usado para desarrollo de sensor electroquímico se preparó usando compuestos grafeno-nanocelulosa. Platino fue electrodepositado en compuestos grafeno-celulosa usando sonoelectrodeposición pulsada [296]. Luego el sensor se fabricó funcionalizando nanoplatinum con glucosa oxidasa (GOx) atrapada en hidrogel de quitosano en el papel conductor. Encontraron que el sensor es extremadamente eficiente para uso en biosensores electroquímicos con bajo límite de detección para glucosa o bacterias patógenas.
Ortolani et al. [297] desarrollaron un dispositivo de detección electroquímica usando nanocelulosa y nanocuernos de carbono de pared simple (SWCNH) para determinación de guanina y adenina. Tanto nanocelulosa como SWCNH tienen gran área superficial, buena conductividad, alta porosidad y estabilidad química. El sensor preparado mostró alta sensibilidad y alta actividad electrocatalítica hacia determinación simultánea de guanina y adenina. El sensor también presentó un límite de detección más bajo. Otro estudio conducido por Shalauddin et al. [298] usó nanocelulosa híbrida/nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados (f-MWCNT) para desarrollo de detección electroquímica. El sensor para determinación de sodio diclofenaco en fármacos y muestras de fluidos biológicos se usó. La presencia de grupos -OH en nanocelulosa se reportó para proveer más sitios de unión para diferentes analitos lo que asegura un rearreglo de módulo axial e incorporación de f-MWCNT.
Toxicidad de Nanomaterial
Aunque el nanomaterial ofrece muchos buenos potenciales a varios sectores industriales, su peligro potencial para humanos y medio ambiente no puede simplemente pasarse por alto [299]. El tema de seguridad o toxicidad necesita ser abordado conduciendo un estudio completo desde varios ángulos. La nanotoxicidad o estudio de toxicidad de nanomateriales puede clasificarse en varias áreas: estrés oxidativo, genotoxicidad y ecotoxicidad. En humanos, la toxicidad puede ocurrir vía rutas pulmonar, oral y dérmica. Los nanomateriales pueden afectar humanos principalmente durante extracción o producción, manipulación, uso y eliminación. Nanopartículas inorgánicas (NP) como ZnO y óxido de níquel (NiO) se cree que son más tóxicas comparadas con nano materiales orgánicos como nanocelulosa. NPs orgánicos digeridos son menos propensos a inducir toxicidad ya que los subproductos de digestión por ácido estomacal son azúcares simples, aunque en caso de nanocelulosa, la falta de enzima en intestino humano capaz de degradar celulosa resulta en la celulosa moviéndose a través del intestino bastante rápido. Un estudio de toxicidad subcrónica de 90 días en ratas Sprague Dawley conducido por Ong et al. [300] indicó que no se observó toxicidad sistémica atribuible a consumo dietético del 4% de celulosa fibrilada. En el mismo estudio, una concentración mayor del 30% de celulosa nanofibrillada por 72 semanas también indicó ningún efecto adverso. Cuando están presentes en el aire, las nanopartículas también pueden tener efectos dañinos para la salud humana [301]. Nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) son posiblemente uno de los NPs más estudiados para efectos de toxicidad. En el estudio, Poulsen et al. [302] encontraron que tanto MWCNT gruesos y largos como delgados y cortos indujeron potencial genotóxico e inflamación duradera y pueden llevar a enfermedad cardiovascular. En contraste, un estudio sobre toxicidad por inhalación de CNC en ratas albinas se condujo y mostró que no se observaron efectos indeseables a concentración máxima de 0,26 mg/L por período de cuatro (4) horas [303]. A nivel celular, citotoxicidad de CNC en diferentes tipos de células se ha estudiado con la mayoría de estudios concluyendo que CNC es no tóxico a variedad de células mamíferas a concentraciones below 0,25 mg/L, pero puede exhibir efectos citotóxicos a concentraciones de 0,5 mg/L y above [304-309]. La nanogenotoxicidad primaria se refiere a la posibilidad de nanopartículas o sus subproductos de dañar ADN directa o indirectamente. La genotoxicidad secundaria es causada por interacción del sistema inmune a perturbaciones causadas por nanopartículas. Un estudio de Akerlund et al. [310] indicó que NPs inorgánicos de Ni y NiO indujeron inflamación de citoquinas que condujeron a genotoxicidad secundaria en células epiteliales pulmonares humanas. Sin embargo, requieren further investigación para entender factores causando esta genotoxicidad secundaria y si tales resultados son causados por otras nanopartículas también.
NanoTiO₂ en recubrimientos de madera se ha reportado tener baja toxicidad a organismos terrestres, y no se observó bioacumulación [311]. Otro estudio conducido en nanopartícula de óxido de cerio (CeO₂) o ceria mostró que no se observó toxicidad aguda para Daphnia magna y Thamnocephalus platyurus y embriones D. rerio a concentraciones de prueba de 1000, 5000 y 200 mg/L, respectivamente. Sin embargo, el mismo estudio indicó que una toxicidad crónica significativa en P. subcapitata se observó con concentraciones de efecto 10% (EC10) entre 2,6 y 5,4 mg/L [312]. Pulido-Reyes et al. [313] explicaron que el ciclado redox entre Ce³⁺ y Ce⁴⁺ es una química única de nanoceria que depende de condiciones ambientales prevalecientes. Concluyeron que en la mayoría de estudios de NPs de óxido de cerio, la cantidad de Ce³⁺ superficial correlaciona con toxicidad y esto puede superarse bloqueando sitios Ce³⁺ con aniones como fosfatos (PO₄³⁻) que reducirán niveles de especies reactivas de oxígeno y superarán estrés oxidativo. Durante y tras eliminación, hay probabilidad que NPs interactúen con el medio ambiente, ya sea en suelo o medio acuático. El estrés oxidativo o toxicidad inducida por nanopartículas base carbono es principalmente de preocupación ya que esta condición afectará el balance de oxígeno en el medio ambiente. Wang et al. [314] mostraron que CNF activaron estrés oxidativo en organismos acuáticos (algas Scenedesmus obliquus, crustáceo planctónico Daphnia magna y larva de pez de agua dulce Danio rerio) a concentraciones above 0,1 mg/L. La forma CNF, morfología y concentración se cree que son factores contribuyentes, sugiriendo evaluación de impactos ecotoxicológicos de nanocelulosa cuando se usa a gran escala. Un método de reducir el efecto indeseado al medio ambiente es proveyendo un mecanismo para capturar, retener o reciclar NPs durante procesamiento. NPs magnéticos (ej. magnetita) [315] o modificación superficial pueden usarse para este propósito. Casi todos los estudios de toxicidad en nanopartículas recomiendan más investigación para encontrar técnicas analíticas y protocolos adecuados en detectar NPs orgánicos dentro de matrices biológicas así como investigaciones mecanísticas y ambientales para entender riesgos potenciales de NPs en el ecosistema [301, 302, 310, 316].
Conclusiones
El potencial de la nanotecnología en sector de productos basados en madera es enorme. La nanotecnología ofrece la oportunidad de cambiar el panorama de la industria de productos basados en madera local y globalmente. El bosque mismo vía plantación forestal puede proveer fuentes sostenibles hacia la creación de nueva generación de celulosa llamada nanocelulosa que podría ofrecer miríadas de aplicaciones en varios campos industriales. Además, la nanocelulosa es menos costosa que material basado en carbono (ej. nanotubo de carbono, grafeno), ambientalmente amigable y puede mejorar la reciclabilidad y rendimiento de innumerables productos. Por ejemplo, la nanocelulosa puede usarse para mejorar el rendimiento de papel y reducir el uso de pulpa en fabricación de papel, resultando en ahorro de costes. La nanocelulosa también puede hacerse en nanopapel o película delgada para uso en embalaje de papel u otros sectores como electrónica que ofrece alternativa a plástico no renovable. La nanocelulosa usada en compuesto de madera puede llevar al desarrollo de compuestos avanzados que pueden adaptarse a usos específicos. Junto con sus propiedades de resistencia y asequibilidad los hace una solución viable para reducir la necesidad de madera maciza. Sectores industriales distintos a productos basados en madera también podrían beneficiarse del uso de nanocelulosa como en dispositivos energéticos y sensores. Varios productos basados en nanocelulosa para aplicaciones de almacenamiento de energía y cosecha de energía así como sensores se han desarrollado a escala de laboratorio. En vista de este interesante desarrollo, Malasia ha embarcado en la producción de nanocelulosa de diversos materiales lignocelulósicos tropicales. Desafortunadamente, la aplicación de nanocelulosa a escala comercial en Malasia aún es inexistente. Así, requiere esfuerzos colectivos, concertados e intensivos de varios actores que incluyen partes interesadas, industria e investigadores para promover el uso de nanocelulosa y asegurar que la nanocelulosa pueda entrar al siguiente nivel de aplicación y etapa de comercialización. El uso de material nanométrico distinto a nanocelulosa ya ha beneficiado y también dado ventaja al área de productos basados en madera que incluye pulpa y papel, compuesto de madera, recubrimiento de madera y conservante de madera.
Disponibilidad de datos y materiales
Todos los datos y materiales están disponibles sin restricción.
Abreviaturas
- AgNPs:
- Nanopartículas de plata
- Al₂O₃:
- Óxido de aluminio
- AuNPs:
- Nanopartículas de oro
- BTZ:
- Benzotriazol
- C:
- Carbono
- CCA:
- Arseniato de cobre cromatado
- Cd:
- Cadmio
- CdS:
- Sulfuro de cadmio
- CeO₂:
- Óxido de cerio
- CH₂CHSi(OC₂H₅)₃:
- Viniltritetoxisilano
- CMC:
- Celulosa carboximetil
- CNT:
- Nanotubos de carbono
- CO₂:
- Dióxido de carbono
- CTAB:
- Bromuro de cetiltrimetilamonio
- CTAB-NCC:
- Bromuro de cetiltrimetilamonio-nanocelulosa cristalina
- CWA:
- Acrilato base agua de aceite de ricino
- DFO:
- Fármaco deferoxamina
- FESEM:
- Microscopía electrónica de barrido de emisión de campo
- f-MWCNTs:
- Nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados
- FTIR:
- Transformada de Fourier Infrarroja
- GOx:
- Glucosa oxidasa
- HALS:
- Estabilizadores de luz de amina impedida
- HNE:
- Elastasa de neutrófilo humano
- ISE:
- Electrolito sólido inorgánico
- LDH:
- Hidróxido de doble capa
- LIB:
- Batería de iones de litio
- LiTFSI:
- Sal de litio bis(trifluorometilsulfonil)imida
- L-NCC:
- Nanocelulosa cristalina recubierta de lignina
- MC:
- Contenido de humedad
- Mg-Al LDH:
- Hidróxido de doble capa magnesio-aluminio
- MPA:
- Ácido 3-mercaptopropiónico
- MUF:
- Melamina-urea formaldehído
- MWCNT:
- Nanotubo de carbono de pared múltiple
- NCC:
- Nanocelulosa cristalina
- NFC:
- Nanocelulosa fibrilada
- Ni:
- Níquel
- NiO:
- Óxido de níquel
- NPs:
- Nanopartículas
- NW:
- Nanowollastonita
- O:
- Oxígeno
- OH:
- Hidroxilo
- OLED:
- Diodos orgánicos emisores de luz
- PA:
- Poliamida
- PCL:
- Policaprolactona
- PCP:
- Pentaclorofenol
- PDMS:
- Polidimetilsiloxano
- PE:
- Polietileno
- PEG:
- Polietilenglicol
- PEO:
- Óxido de polietileno
- PHB:
- Poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato)
- PHRR:
- Tasa máxima de liberación de calor
- PLA:
- Ácido poliláctico
- PMC:
- Copolímero metacrílico perfluoroalquilo
- PMMA:
- Polimetil metacrilato
- PO₄³⁻:
- Fosfatos
- POTS:
- Perfluoroalquiltrietoxisilano
- PP:
- Polipropileno
- PPE:
- Elastasa pancreática porcina
- PPG:
- Glicol de propileno
- PS:
- Poliestireno
- PSU:
- Polisulfona
- PU:
- Poliuretano
- PV:
- Fotovoltaico
- QD:
- Puntos cuánticos
- RFID:
- Identificación por radiofrecuencia
- S:
- Azufre
- SC:
- Supercondensador
- Si NMs:
- Membranas nanométricas de silicio
- SiO₂:
- Óxido de silicio
- SPE:
- Electrolito polimérico sólido
- SPI:
- Aislado de proteína de soja
- SWCNH:
- Nanocuernos de carbono de pared simple
- TBOT:
- Tetraisopropilato de titanio
- TEM:
- Microscopía electrónica de transmisión
- TEMPO:
- 2,2,6,6-Tetrametilpiperidin-1-oxilo
- Ti(OC₄H₉)₄:
- Tetraisopropilato de titanio
- TiO₂:
- Dióxido de titanio
- TMI-BNT:
- Bentonita modificada con iones de metal de transición
- TNFC:
- Celulosa nanofibrillada oxidada con TEMPO
- Tyr:
- Tirosinasa
- UF:
- Urea formaldehído
- UP:
- Poliéster insaturado
- UV:
- Ultravioleta
- VRFB:
- Baterías de flujo redox vanadio
- VTES:
- Viniltritetoxisilano
- WPU:
- Recubrimiento de poliuretano base agua
- WUV:
- Base agua
- Zn-Al LDH:
- Hidróxido de doble capa zinc-aluminio
- ZnO:
- Óxido de zinc
- ZnSt₂:
- Estearato de zinc
- ZnSt₂/WUV:
- Estearato de zinc/laca UV base agua
Nanomateriales
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