Onderzoekers hebben een snelle en gemakkelijke methode ontwikkeld om het op hout gebaseerde bioproduct lignine om te zetten in nanodeeltjes om heldere coatings of gekleurde antireflecterende oppervlakken met anticondenseigenschappen te creëren. De ontdekking transformeert dit overvloedige afvalproduct in een bruikbaar materiaal met toepassingen variërend van brillen tot autoruiten.
Met de huidige focus op de circulaire economie en klimaatverandering wordt lignine – de organische stof die de cellen, vezels en containers in hout bij elkaar houdt – beschouwd als een veelbelovende hernieuwbare hulpbron die fossiele materialen zou kunnen vervangen. Maar momenteel wordt dit bijproduct van de pulp- en papierindustrie niet volledig benut: ongeveer 98% wordt gebruikt voor verbranding voor verwarming of energieopwekking.
Een van de obstakels bij het gebruik van lignine is dat de complexe moleculaire structuur het moeilijk maakt om lignine af te breken. Nu hebben onderzoekers van de Aalto Universiteit in Finland een methode ontwikkeld om lignine om te zetten in een biogebaseerde heldere coating met anticondens- en antireflectie-eigenschappen.
Lignine-nanodeeltjes (LNP's) zijn hydrofiel en geschikt voor het creëren van texturen, waardoor ze ideaal zijn voor optische toepassingen, vooral toepassingen die condenswerende eigenschappen vereisen. Eén probleem bij het bereiken van dit gebruik is echter het overwinnen van de ondoorzichtigheid van de deeltjes, wat een nauwkeurige controle van de filmdikte vereist.
In de huidige studie keken de onderzoekers naar het verkleinen van de omvang van LNP's om het opaciteitsprobleem te overwinnen, omdat kleinere deeltjes minder gevoelig zijn voor vertroebeling en het licht gelijkmatiger verspreiden.
"Optische coatings moeten transparant zijn, maar tot nu toe zijn zelfs vrij dunne films van ligninedeeltjes zichtbaar geweest", zegt Alexander Henn, eerste auteur van het onderzoek. "We weten dat kleine deeltjes er minder troebel uitzien, dus ik wilde kijken of we onzichtbare deeltjesfilms konden maken door de deeltjesgrootte tot een minimum te beperken."
Om de deeltjesgrootte te verkleinen, hebben de onderzoekers lignine chemisch gemodificeerd door middel van acetylering, een veresteringsreactie die functionele acetylgroepen introduceert in organische verbindingen. Door gebruik te maken van azijnzuur om de reactie aan te sturen - wat bij de relatief lage temperatuur van 60°C slechts 10 minuten duurt - produceerde het proces hoge concentraties ultrakleine LNP's met onverwachte eigenschappen.
"De ligninedeeltjes die ik maakte van geacetyleerde lignine hadden behoorlijk verrassende eigenschappen, wat andere delen van dit onderzoek erg interessant maakte," zei Henn. "De mogelijkheid om fotonische films te maken was bijvoorbeeld volkomen onverwacht."
Door de kleine omvang van de deeltjes konden de onderzoekers de dikte en het uiterlijk van de lagen controleren, van transparante submonolagen tot meerlaagse films, waardoor ze de kleur en absorptie van verschillende golflengten van licht konden controleren.
Ze ontdekten dat ultradunne heldere coatings de lichtverstrooiing veroorzaakt door waterdruppels verminderen en concludeerden dat geacetyleerde lignine geschikt is voor gebruik als anticondenscoating op heldere oppervlakken. Bovendien kunnen de onderzoekers, door de coating dikker te maken en meerdere lagen dunne films te gebruiken, de kleur van de coating regelen, wat resulteert in heldere gele, blauwe en paarse tinten. Deze dikkere coatings hebben ook fotonische eigenschappen, wat betekent dat ze licht reflecteren.
De onderzoekers zeggen dat de snelheid en eenvoud van de acetyleringsreactie en de hoge opbrengst ervan betekenen dat deze kan worden opgeschaald naar industriële niveaus, met als bijkomend voordeel dat lignine een koolstofput is.
Monika Österberg, een van de corresponderende auteurs van de studie, zei: "Op lignine gebaseerde producten kunnen commerciële waarde hebben en tegelijkertijd als koolstofopslag fungeren, waardoor de huidige afhankelijkheid van fossiele brandstoffen wordt verminderd en de CO2-uitstoot wordt verminderd. Hoogwaardige toepassingen zoals deze zijn belangrijk om de valorisatie van lignine te stimuleren, zodat we lignine niet langer uitsluitend als brandstof gebruiken."
Het onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of Chemical Engineering.