بررسی تازه‌ترین پژوهش‌های علمی نشان می‌دهد استفاده از نانومواد می‌تواند بسیاری از ضعف‌های طبیعی چوب، از جمله جذب رطوبت، پوسیدگی، آتش‌پذیری و کاهش استحکام را تا حد قابل‌توجهی برطرف کند.
نتایج یک مقاله مروری منتشرشده در نشریه علمی «Plant Science Today» نشان می‌دهد نانوفناوری می‌تواند زمینه تولید نسل جدیدی از محصولات چوبی بادوام، ایمن و سازگارتر با محیط زیست را فراهم سازد.
چوب هزاران سال است که به دلیل دسترسی مناسب، تجدیدپذیری، قابلیت تجزیه زیستی و رسانایی پایین حرارتی و الکتریکی، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با این حال، حساسیت به رطوبت، حمله قارچ‌ها و حشرات، تغییر ابعاد بر اثر جذب آب و آتش‌پذیری، استفاده از این ماده طبیعی را در برخی کاربردهای صنعتی محدود کرده است.
بررسی 20 سال پژوهش درباره چوب و نانوفناوری
مقاله مروری مورد اشاره، تازه‌ترین دستاوردهای حدود 20 سال گذشته در زمینه استفاده از نانومواد برای بهبود ویژگی‌های چوب و فرآورده‌های چوبی را بررسی کرده است.
در این پژوهش که توسط مانیش مان تهیه شده، 43 مطالعه معتبر با استفاده از روش استاندارد PRISMA مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند.
این مطالعات بر 3 حوزه اصلی شامل استخراج و استفاده از نانوسلولز، کاربرد نانوذرات فلزی و توسعه نانوپوشش‌های محافظ برای چوب تمرکز داشته‌اند.
نانوفناوری به مطالعه و مهندسی مواد در ابعاد حدود یک تا 100 نانومتر می‌پردازد. مواد در این مقیاس می‌توانند ویژگی‌هایی مانند واکنش‌پذیری سطحی بالا، نفوذ بهتر و برهم‌کنش قوی‌تر با ساختار چوب داشته باشند.
افزایش استحکام چوب با نانوسلولز
یکی از مهم‌ترین مواد مورد بررسی در این پژوهش، نانوسلولز است. این ماده از الیاف بسیار ریز سلولزی موجود در خمیر چوب یا بقایای کشاورزی تولید می‌شود.
نانوسلولز عمدتاً در 2 شکل سلولز نانوالیافی و سلولز نانوبلوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بررسی‌ها نشان می‌دهد افزودن نانوسلولز به کامپوزیت‌های چوبی می‌تواند مقاومت مکانیکی آن‌ها را افزایش دهد.
سطح ویژه بالا، ساختار شبکه‌ای نانوسلولز و ایجاد پیوند مناسب میان الیاف، موجب انتقال بهتر تنش در داخل محصول و افزایش استحکام نهایی می‌شود.
نانوسلولز در صنعت کاغذ نیز می‌تواند پیوند میان الیاف را تقویت کرده و استحکام، دوام و قابلیت‌های عملکردی محصولات کاغذی را افزایش دهد.
مقابله با قارچ، باکتری و موریانه
بخش دیگری از این مقاله به استفاده از نانوذرات فلزی و اکسیدهای فلزی اختصاص دارد.
نانوذرات نقره، مس و اکسید روی از جمله موادی هستند که می‌توانند مقاومت چوب را در برابر قارچ‌ها، باکتری‌ها، حشرات و عوامل ایجادکننده پوسیدگی افزایش دهند.
نتایج یکی از مطالعات نشان داده است که نفوذ نانونقره به چوب سپیدار سیاه تحت عملیات حرارتی، علاوه بر بهبود برخی ویژگی‌های مکانیکی، خاصیت ضدباکتریایی قابل‌توجهی نیز ایجاد کرده است.
همچنین استفاده از نانوذرات مبتنی بر مس و نانووللاستونیت می‌تواند مقاومت چوب در برابر نفوذ آب، آتش و حمله موریانه‌ها را افزایش دهد.
یکی از مزایای این روش آن است که نانوذرات حتی در مقادیر کم نیز می‌توانند عملکرد مناسبی داشته باشند. در نتیجه، امکان کاهش مصرف برخی مواد نگهدارنده شیمیایی فراهم می‌شود.
تولید چوب‌های ضدآب با نانوپوشش‌ها
نانوپوشش‌ها یکی دیگر از مهم‌ترین کاربردهای نانوفناوری در صنعت چوب محسوب می‌شوند.
این پوشش‌ها با استفاده از موادی مانند نانوسیلیکا، نانوسلولز و ترکیبات سیلیکونی، لایه‌ای محافظ روی سطح چوب ایجاد می‌کنند.
لایه ایجادشده می‌تواند مانع نفوذ آب شود و از سطح چوب در برابر تابش‌های مخرب محیطی، تغییرات آب‌وهوایی و عوامل زیستی محافظت کند.
پژوهش‌ها نشان داده‌اند استفاده از نانوالیاف سلولزی اکسیدشده در پوشش‌های پلی‌یورتانی و پوشش‌های هیبریدی پایه‌آب، دوام محصولات چوبی را در شرایط مختلف آب‌وهوایی افزایش می‌دهد.
نانوسیلیکا و ترکیبات سیلیکونی زیست‌پایه نیز می‌توانند پایداری ابعادی چوب را بهبود داده و احتمال تورم، ترک‌خوردگی یا تغییر شکل آن را کاهش دهند.
نانوپوشش‌های پایه‌آب و سازگار با محیط زیست
یکی از مزیت‌های نسل جدید نانوپوشش‌ها، امکان تولید محصولات پایه‌آب است.
بسیاری از پوشش‌های سنتی چوب با استفاده از حلال‌های شیمیایی تولید می‌شوند و ممکن است ترکیبات آلی فرار بیشتری وارد محیط کنند.
نانوپوشش‌های پایه‌آب می‌توانند ضمن حفظ عملکرد حفاظتی، میزان استفاده از حلال‌های شیمیایی را کاهش دهند و گزینه مناسب‌تری برای تولید محصولات سازگار با محیط زیست باشند.
البته سازگاری کامل این محصولات با محیط زیست به نوع نانوماده، روش تولید، میزان مصرف و نحوه دفع محصول در پایان عمر آن بستگی دارد.
از خودتمیزشوندگی تا حسگرهای هوشمند
کاربرد نانوفناوری در صنعت چوب تنها به افزایش استحکام یا جلوگیری از پوسیدگی محدود نمی‌شود.
پژوهشگران معتقدند طراحی مناسب نانوساختارها می‌تواند قابلیت‌های جدیدی مانند خودتمیزشوندگی، مقاومت در برابر شعله، خاصیت ضدمیکروبی و حتی امکان حسگری هوشمند را به محصولات چوبی اضافه کند.
چنین محصولاتی می‌توانند در ساختمان‌های هوشمند، تجهیزات بیمارستانی، مبلمان عمومی، بسته‌بندی‌های پیشرفته و وسایل حمل‌ونقل مورد استفاده قرار گیرند.
کاربرد چوب‌های نانویی در صنایع مختلف
ترکیب نانوسلولز، نانوذرات فلزی و نانوپوشش‌های چندمنظوره می‌تواند چوب و کامپوزیت‌های چوبی را به موادی با عملکرد بالاتر تبدیل کند.
این فناوری ظرفیت استفاده در صنایع مختلفی از جمله موارد زیر را دارد:
- ساختمان و مصالح ساختمانی
- مبلمان و دکوراسیون داخلی
- کاغذ و بسته‌بندی
- حمل‌ونقل
- تجهیزات فضای باز
- محصولات بهداشتی و بیمارستانی
- کامپوزیت‌های چوبی مهندسی‌شده
توسعه این محصولات حاصل همکاری میان رشته‌هایی مانند شیمی، مهندسی مواد، علوم چوب، مهندسی جنگل و فناوری‌های زیست‌محیطی است.
چالش‌های تجاری‌سازی چوب‌های نانویی
با وجود نتایج امیدوارکننده، استفاده گسترده صنعتی از نانوفناوری در محصولات چوبی همچنان با چالش‌هایی روبه‌رو است.
بررسی ایمنی نانومواد برای انسان و محیط زیست، کاهش هزینه تولید، توسعه روش‌های تولید انبوه و ارزیابی دوام بلندمدت محصولات، از مهم‌ترین موضوعاتی هستند که به تحقیقات بیشتری نیاز دارند.
همچنین باید مشخص شود که نانوذرات در طول عمر محصول، هنگام سایش، برش، بازیافت یا دفع، چه رفتاری در محیط خواهند داشت.
با این حال، نتایج پژوهش‌های موجود نشان می‌دهد نانوفناوری می‌تواند جایگاه چوب را به عنوان یکی از مهم‌ترین مواد تجدیدپذیر قرن 21 تقویت کند.
استفاده اصولی از این فناوری می‌تواند به تولید محصولات چوبی مقاوم‌تر، بادوام‌تر و ایمن‌تر منجر شود و افق تازه‌ای پیش روی صنایع ساختمان، مبلمان، کاغذ، بسته‌بندی و سایر صنایع وابسته به چوب قرار دهد.
