Nanotechnologie-Anwendungen in der Holzwerkstoffindustrie: Umfassender Überblick

Zusammenfassung

Die holzbasierte Industrie ist einer der Haupttreiber des wirtschaftlichen Wachstums in Malaysia. Als Quelle vielfältiger lignocellulosischer Materialien birgt der Wald viele ungenutzte Potenziale, die zur Herstellung nachhaltiger und biologisch abbaubarer nanoskaliger Materialien mit bemerkenswerten Eigenschaften genutzt werden könnten – sowohl für die Holzwerkstoffindustrie selbst als auch für zahlreiche andere Anwendungsbereiche. Der Sektor holzbasierter Produkte kann zudem vielfältige, leicht verfügbare Nanomaterialien einsetzen, um die Leistungsfähigkeit bestehender Produkte zu steigern oder neuartige, hochwertige Produkte aus Waldressourcen zu schaffen. Dieser Überblick beleuchtet aktuelle Entwicklungen in der Anwendung der Nanotechnologie in der Holzwerkstoffindustrie.

Einleitung

Nanotechnologie wird als die Manipulation von Materie im Größenbereich von 1 bis 100 nm definiert. Sie ist ein multidisziplinäres Feld, das Wissenschaft und Technologie vereint, um neue und verbesserte Materialien mit signifikanten Funktionen, physikalischen und chemischen Eigenschaften zu entwickeln [1, 2]. Materialien auf dieser Skala weisen im Vergleich zu ihren makroskopischen Pendants einzigartige Eigenschaften auf [3], was innovative Anwendungen in vielen Disziplinen ermöglicht.

Nanotechnologie ist nicht nur ein technologischer Enabler, sondern kann auch ein Treiber für nationales Wirtschaftswachstum sein. Die Forstproduktindustrie Malaysias trug 2019 mit einem Exportwert von rund 22,5 Milliarden RM bei [4]. Zu den Exportprodukten zählen Schnittholz, Furniere, Sperrhölzer und Profile. Die malaysische Holzwerkstoffindustrie hat die Chance, die Nanotechnologie voll auszuschöpfen. Es ist unerlässlich, dass die Bemühungen zur Anwendung der Nanotechnologie in diesem Sektor – insbesondere in Malaysia – unterstützt und gefördert werden, um bestehende Holzprodukte zu diversifizieren und aufzuwerten, was letztlich das Wirtschaftswachstum in diesem Bereich ankurbeln wird.

Die zentrale Rolle des Waldes für die Zivilisation über viele Jahrhunderte ist unbestritten, da er als Quelle lignocellulosischer Materialien für vielfältige Produktentwicklungen dient. Holzprodukte sind seit langem in Form von Bauholz, Möbeln, Papier und vielen anderen funktionalen Materialien in der Gesellschaft präsent [5, 6]. Die Anwendung der Nanotechnologie im Forstsektor, besonders bei Forst- und Holzwerkstoffprodukten, verdient die Aufmerksamkeit aller Beteiligten. Die Nutzung der Nanotechnologie könnte zu stärkeren, multifunktionalen und dennoch leichteren Holzwerkstoffprodukten führen [3]. Traditionelle Forstprodukte wie Zellstoff und Papier, Holzwerkstoffe, Holzbeschichtungen und Holzschutzmittel können zu neuen oder höherwertigen Produkten weiterentwickelt werden, die breitere und/oder anspruchsvollere Anwendungen finden [5].

In dieser Übersichtsarbeit wird die Anwendung der Nanotechnologie in der Holzwerkstoffindustrie in zwei [2] Pfade unterteilt:

1. Gewinnung von Nanomaterialien aus dem Wald

   Wachsende Umweltbedenken haben einen immensen Bedarf an nachhaltigen und biologisch abbaubaren nanoskaligen Materialien ausgelöst. Dieses neue Material, Nanocellulose, kann aus Waldressourcen auf sichere und nachhaltige Weise hergestellt werden. Die Fülle an lignocellulosischem Material im Wald hat ein starkes Interesse an der Umwandlung von Zellulose in Nanocellulose geweckt. Nanocellulose ist im Wesentlichen Zellulose auf molekularer Ebene mit Schlüsseleigenschaften wie hoher Festigkeit und Steifigkeit, hervorragendem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, elektromagnetischer Reaktion und großer Oberfläche [5, 7–9]. Diese herausragenden Eigenschaften eröffnen enorme Anwendungspotenziale weit über die Forstproduktindustrie hinaus. Im Bereich holzbasierter Produkte kann sie als Verstärkungsmittel in Zellstoff und Papier sowie in Holzwerkstoffen oder als Beschichtungsmaterial in Holzlacken eingesetzt werden [10–12]. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit findet Nanocellulose auch als Komponente (Substrat, Stabilisator, Elektrode) in nicht-forstbasierten Sektoren wie Elektronik, Sensoren, Batterien, Lebensmitteln, Pharmazie und Kosmetik Anwendung [5, 13].

2. Einsatz von Nanomaterialien für Holzwerkstoffprodukte

   Nanomaterialien können eingesetzt werden, um bestehende Holzwerkstoffprodukte funktional zu verbessern. Beispielsweise können Nanomaterialien in Holzbeschichtungen wie Nano-Zinkoxid oder Nano-Titandioxid die Haltbarkeit, Feuerbeständigkeit und UV-Absorption des Holzes erhöhen sowie die Wasseraufnahme verringern [14–16]. Die Anwendung von Nanoverkapselung in Holzschutzmitteln [17, 18] kann die Imprägnierung von Holz mit Pestiziden verbessern, indem sichergestellt wird, dass Chemikalien tiefer in das Holz eindringen, was das Problem übermäßiger Auswaschung reduziert [19]. Dies erhöht die Dauerhaftigkeit von behandeltem Holz gegen biologische Abbauprozesse.

Es wurden bereits mehrere Übersichtsartikel zur Anwendung der Nanotechnologie in der Forstwirtschaft und bei Forstprodukten veröffentlicht [20, 21]. McCrank [21] gibt einen generellen Überblick über Nanotechnologie-Anwendungen im Forstsektor, während Moon et al. [20] sich stärker auf Nanoindentation konzentrieren. Soweit den Autoren bekannt, gibt es nur wenige Publikationen, die ausgewählte Sektoren der Holzwerkstoffindustrie abdecken. Dieser Überblick beleuchtet den jüngsten Fortschritt der Nanotechnologie-Anwendungen in ausgewählten holzbasierten Sektoren: Zellstoff und Papier, Holzwerkstoffe, Holzbeschichtungen und Holzdauerhaftigkeit. Zudem werden potenzielle Anwendungen von Nanocellulose als neuer Zellulosegeneration in der Holzwerkstoffindustrie hervorgehoben, etwa in den Bereichen Energie und Sensorik.

Anwendungen

Zellstoff und Papier

Die weltweite Jahresproduktion von Papier und Karton beträgt über 400 Millionen Tonnen [22], was zeigt, dass das digitale Zeitalter die Nutzung von Papierprodukten nicht gestoppt hat. Der steigende Bedarf entfällt jedoch zunehmend auf Verpackungsprodukte [23], getrieben durch den Wandel zum Online-Handel und den E-Commerce-Boom.

Papier wird aus lignocellulosischen Materialien hergestellt, die einer Reihe von Primärverarbeitung, Behandlung, Papierherstellung, Trocknung und Beschichtung unterzogen werden. In der Papierherstellungsphase werden Zellstoff und Additive gemischt und auf verschiedene Endprodukte abgestimmt. Nanotechnologie findet hier in Form von Nanomaterialien oder Nanoadditiven Anwendung. So können Waldressourcen bzw. lignocellulosische Materialien genutzt werden, um nanoskalige Bausteine – Nanocellulose – zu extrahieren, die als Verstärkungseinheit einzigartige mechanische Festigkeit, Funktionalität und Flexibilität bieten [5]. Diese neue Zellulosegeneration wird durch Delaminierung der Zellwand zu Nanofibrillen oder durch Extraktion kristalliner Zellulose im Nanomaßstab hergestellt. Nanocellulose wird der Papierherstellung hauptsächlich zur Erhöhung der Papierfestigkeit zugesetzt. Weitere Nanomaterialien im Papierherstellungsprozess sind Nanosilica, Nanozeolit u. a. [22]. Die Einbindung von Nanomaterialien oder Nanoadditiven kann die Leistungsfähigkeit von Papierprodukten verbessern.

Nanocellulose als Nass- oder Trockenfestigkeitsmittel

Nanocellulose wurde intensiv als Festigkeitsadditiv im Zellstoff- und Papierbereich untersucht [24, 25]. Sie erregt großes Interesse aufgrund ihrer Verfügbarkeit, biologischen Abbaubarkeit, geringen Toxizität, hervorragenden mechanischen und optischen Eigenschaften, großen Oberfläche und Nachhaltigkeit [5, 7]. Nanocellulose ist Zellulose im Nanomaßstab, die aus beliebigen lignocellulosischen Materialien isoliert werden kann: Holzstoff, Nicht-Holz-Pflanzen, Holz- und Agrarreste, bakterielle Zellulose und Tunicaten. Zellulose ist ein lineares Polymer aus β-1,4-verknüpften Glucoseeinheiten mit kristallinen und amorphen Bereichen. Die Entfernung amorpher Domänen mittels Mineralsäure führt zu nanokristalliner Zellulose (NCC), während Delaminierung der Zellwand durch hohe Scherkräfte nanofibrillierte Zellulose (NFC) ergibt. Diese beiden Nanocellulose-Kategorien sind die am besten untersuchten Nanomaterialien im Papierbereich zur Produktverbesserung. Abbildung 1 zeigt TEM-Bilder von NCC und NFC.

TEM-Abbildung von NCC aus Acacia mangium (a) und NFC aus Nadelholzstoff (b). Quelle: Jasmani und Adnan [26] bzw. Zhao et al. [27]. Mit Genehmigung von Elsevier wiedergegeben.

Die Eigenschaften von Nanocellulose variieren je nach Herstellungsverfahren und Zellulosequelle. Tabelle 1 zeigt Morphologie und Kristallinität von NFC und NCC.

Von Zellulose zu Nanocellulose

Nanofibrillierte Zellulose ist das am besten untersuchte Nanoadditiv in der Papierherstellung [3, 25]. Sie wird durch selektive hochscherende mechanische Behandlungen von Fasern hergestellt. Gängige Techniken sind Homogenisierung und Mikrofluidisierung, bei denen Fasern unter hohem Druck durch eine kleine Düse gepresst werden (typischerweise 10–15 Durchgänge) [32, 33]. Da dies allein hohen Energieverbrauch erfordert, sind Vorbehandlungen wie TEMPO-vermittelte Oxidation [34], Carboxymethylierung oder enzymatische Behandlung [35, 36] üblich, um Energie zu sparen. Eine weitere Methode ist das Mahlen mit statischen und rotierenden Steinscheiben, wobei Scherkräfte die Zellwandfasern in einzelne Nanofibrillen zerlegen [37]. Um breite Breitenverteilungen durch Aggregation zu vermeiden, sollte der Rohstoff nach Kochen und Bleichen in Wasser gehalten werden, um die Bildung von Wasserstoffbrücken-Netzwerken im trockenen Zustand zu verhindern [37, 38]. Ultraschallbehandlung wurde ebenfalls untersucht: Kavitationskräfte ultraschallischer Wellen brechen die Faserzellstruktur auf [39] und erzeugen gut dispersible, stabile Nanofasern [3]. Kryo-Zerkleinerung ist ein weiterer Ansatz: Fasern werden mit flüssigem Stickstoff gefroren und anschließend hohen Scherkräften ausgesetzt, wobei der Druck auf Eiskristalle die Zellwände zum Platzen bringt und Mikrofibrillen freisetzt [40–43].

Nanokristalline Zellulose wird häufig durch Säurehydrolyse aus nativer Zellulose gewonnen. Auch TEMPO-vermittelte Oxidation [44], ionische Flüssigkeiten [45] und Cellulasen [46, 47] wurden untersucht. Bei der Säurehydrolyse sinkt der Polymerisationsgrad schnell ab und stabilisiert sich auf einem Niveau (level-off DP) [48], da amorphe Bereiche bevorzugt hydrolysiert werden [49]. Weitere Hydrolyse erfolgt langsamer an den reduzierenden Enden der Glucoseketten und an der Oberfläche kristalliner Bereiche [50]. Einflussfaktoren sind Säureart, -konzentration, Temperatur und Zeit [49, 51, 52]. Erhöhte Hydrolysezeit [53] und Säurekonzentration [29] führen zu kürzerer NCC, während hohe Temperaturen vollständige Umwandlung zu Glucose bewirken [50, 54, 55].

Die Zugabe von Nanocellulose in der Papierherstellung verbessert die Papierleistung: Erhöhung der Festigkeit [56, 57] und Dichte [58–60], Verringerung der Porosität [61]. Nanostrukturierte Zellulose ergibt ähnliche Eigenschaften wie geschlagene Fasern [3, 25]. Theoretisch kann die Papierfestigkeit durch Nass- und Trockenfestigkeitsmittel [24, 62], funktionalisierte Fasern [63] und Schlagen [64] gesteigert werden, was auf verbesserte Faserverbindungsfähigkeit zurückzuführen ist [25]. Boufi et al. [25] schlagen vor, dass Nanocellulose als Verbinder zwischen Fasern wirkt und die verbundene Fläche erhöht. Aufgrund ihrer Mikrometer-Länge kann sie benachbarte Fasern überbrücken und ein stärkeres Netzwerk schaffen [25]. Das gegenseitige Verbindungsnetzwerk aus Fasern und Nanocellulose erhöht die Papierfestigkeit.

Als Nanoadditiv verbessert Nanocellulose die innere Bindung, was zu höherer Zugfestigkeit, geringerer Luftdurchlässigkeit und Opazität sowie höherer Dichte führt [3]. Durch die nanoskalige Größe und große Oberfläche können Wasserstoffbrücken effektiver gebildet werden. Sie wird als Nassendadditiv für Trockenfestigkeitserhöhung und Rückhalteeffizienz eingesetzt, wobei NFC die gängige Form ist.

Es gibt verschiedene Strategien zur NFC-Zugabe in den Zellstoff: direkt mit [24, 62, 65] oder ohne Rückhaltemittel [58], oder gemischt mit anderen Füllstoffen oder Langfasern [66, 67] gefolgt von einem Rückhaltemittel. Die Zugfestigkeitssteigerung korreliert mit der Zugabemenge. Bei 3 % NFC in geschlagenem Zellstoff mit kationischem Stärke wurde eine 5 %ige Zugfestigkeitserhöhung beobachtet [24]. Der Effekt ist bei weniger geschlagenem Zellstoff stärker: über 100 % Steigerung bei 6 % NFC in thermomechanischem Zellstoff, während gut geschlagener chemischer Zellstoff weniger stark reagiert [65]. Daher ist eine Verstärkung bei gefülltem Papier, mechanischem Zellstoff und Recyclingzellstoff zu erwarten. Hii et al. [65] berichteten, dass NFC an Füllstoff und Fasern adsorbiert und diese mit dem Fasernetzwerk verbindet. Der Hauptnachteil ist verlangsamte Entwässerung, was die Produktionseffizienz mindert. Daher ist der Einsatz von Rückhaltemitteln in spezifischer Dosierung entscheidend, um die Adsorption der Nanofasern an der Faserfläche zu verbessern und die Entwässerung zu fördern [24, 68].

NFC weist Eigenschaften zwischen Trockenfestigkeitsmitteln wie Stärke und den beim Schlagen entstehenden Feinstoffen auf, da beide die verbundene Fläche erhöhen [3]. Dies geschieht durch Bildung einer weichen, dünnen Schicht auf der Faserfläche, die die Faserbindung während der Trocknung verbessert, und durch Auffüllen von Hohlräumen und Poren zwischen den Fasern, was ebenfalls die verbundene Fläche vergrößert [3].

Nanocellulose als Beschichtungsmaterial für Barriereeigenschaften

Nanocellulose eignet sich auch als Beschichtungsmaterial für Verpackungspapier aufgrund guter Barriereeigenschaften. Der Vorteil: Entwässerungsprobleme entfallen, da sie nach der Papierherstellung aufgebracht wird. Anwendungsverfahren umfassen Sprühen, Streichbeschichtung, Size-Press und Walzenbeschichtung. NFC-Beschichtungen erhöhen die Sauerstoffbarriere und Ölabweisung [69]. Eine Verringerung der Luftdurchlässigkeit von 69.000 auf 4,8 und von 660 auf 0,2 nm Pa⁻¹ s⁻¹ wurde für ungebleichtes Papier bzw. Fettdichtpapier mit Stabschichtgerät beobachtet [70]. Syverud und Stenius [71] trugen 0–8 % NFC auf Nadelholzstoff auf und steigerten die Barriereeigenschaften von 6,5 auf 360 nm Pa⁻¹ s⁻¹ durch reduzierte Porosität. NFC und Schellack auf Papier und Karton reduzierten Luftdurchlässigkeit, Sauerstoff- und Wasserdampfdurchlässigkeit, was für Barriereverpackungen interessant ist [72].

Zudem kann NFC zu freistehenden Dünnfilmen oder Nanopapieren verarbeitet werden, die als transparente, flexible Substrate für elektronische Anwendungen dienen [73].

Nanomaterialien als Rückhaltemittel zur Eigenschaftsverbesserung

Rückhaltemittel verbessern die Retention funktionsgebender Chemikalien auf dem Papier. Getestete Nanomaterialien sind Nanozeolit [74] und Nano-Titandioxid. Nanozeolit dient als Trockenmittel zur Feuchtigkeitsabsorption und kann bei Spezialpapieren Gasemissionen binden; seine hohe Oberfläche mit Poren und Hohlräumen unterstützt diesen Prozess. Nano-Titandioxid in Papier ergibt einen höheren dynamischen Elastizitätsmodul als die Kontrollprobe [75].

Nanofüllstoffe zur Eigenschaftsverbesserung

Füllstoffe in der Papierindustrie dienen primär der Kostensenkung, da sie billiger sind als Zellstoff. Neben der Festigkeitsverbesserung kann Nanocellulose als Füllstoff dienen: NFC-Zugabe reduziert den Holzstoffanteil und erhöht den Füllstoffanteil, was Kosten senkt [76]. Das Papier weist verbesserte Eigenschaften wie geringe Porosität und hohe Opazität auf. 2–10 % NFC als Füllstoff führten zu 50–90 % Festigkeitssteigerung (Future Markets Inc. 2012). Nanoclay kann die Gasdurchlässigkeit verringern und so die Haltbarkeit von Verpackungen verlängern, was in der Lebensmittelverpackung essenziell ist.

Nanokalziumkarbonat verbessert die Lichtstreuung. Modifiziertes gefälltes Kalziumkarbonat mit nanostrukturierten Partikeln zeigte positive Auswirkungen auf Lichtstreuung [77]. Wild et al. [78] bestätigten in Labor-, Pilot- und Industriemaßstab gute Druckqualität, Wasserbeständigkeit und Dimensionsstabilität durch Nanopartikelbeschichtung. Nanozinkoxid verleiht Papier antibakterielle Eigenschaften und verbessert optische Eigenschaften wie Helligkeit, Weiße und Bedruckbarkeit. Nano-Titandioxid in Kombination mit Beta-Cyclodextrin in beschichtetem Papier zeigte bessere Abbauwirkung auf Xylol als reines Nano-Titandioxid [79].

Nanomaterialien als Leimungsmittel zur Eigenschaftsverbesserung

Leimungsmittel verbessern die Wasser-/Flüssigkeitsbeständigkeit von Papier für Druck- und Schreibzwecke. Nanosilica kann optische Eigenschaften verbessern und den Durchschlag um bis zu 30 % reduzieren. Mit Nanosilica beschichtetes Papier wies bessere optische Dichte, Dimensionsstabilität und Druckqualität auf als unbeschichtetes Papier [80–82].

Holzwerkstoffe

Wood ist ein Naturgeschenk: biologisch abbaubar, erneuerbar und vielseitig einsetzbar. Doch Holz hat Schwächen: Empfindlichkeit, mangelnde Flexibilität und Haltbarkeit durch Termitenbefall u. a. Die Nutzung von Holzfasern für Holzwerkstoffe bringt Nachteile wie geringe Schüttdichte, niedrige thermische Stabilität, hohe Feuchtigkeitsaufnahme und Anfälligkeit für biologischen Abbau mit sich. Nanotechnologie kann die Qualität von Holz und Holzwerkstoffen verbessern.

Nanocellulose als Verstärkungsmaterial

Das Prinzip der Verstärkung von Matrixmaterialien mit Nanocellulose hat zahlreiche Forschungen angeregt. Durch Zugabe nanoskaliger Zellulose erhalten Nanokomposite herausragende Eigenschaften, die mit Mikrokompositen nicht erreichbar sind [83]. Diese nanocelluloseverstärkten Komposite können konventionelle Komposite ersetzen. Durch gezielte Modifikation von NCC lassen sich diverse funktionale Nanomaterialien mit hervorragenden oder signifikant verbesserten physikalischen, chemischen, biologischen und elektronischen Eigenschaften entwickeln. Die Eigenschaften von Nanokompositen hängen von Matrixeigenschaften, Nanocellulose-Charakteristika, Dispersion in der Matrix und Grenzflächeninteraktionen ab [84].

Nanocellulose als Verstärkung in verschiedenen Matrizen wurde breit untersucht. Polymernanokomposite aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, verstärkt mit Nanocellulose, haben sich als vielversprechende Materialklasse etabliert. Die Verbesserung mechanischer Eigenschaften ist das häufigste Ziel [85–87]. Erdölbasierte Polymere teilen sich in Thermoplaste (schwache Van-der-Waals-Bindungen) und Duroplaste (starke kovalente Bindungen) [88]. Verschiedene Duroplaste wurden für Nanocellulose-Komposite untersucht. Epoxidharz wird für Hochleistungsmaterialien aufgrund hervorragender Klebeeigenschaften und guter mechanischer Eigenschaften nach Aushärtung (hoher Modul, geringe Kriechneigung, gute Temperaturbeständigkeit) genutzt, versagt aber leicht unter Schlagbelastung durch die stark vernetzte Struktur [89]. Mit funktionalisierter Nanocellulose als Verstärkung wurden die mechanischen Eigenschaften von Epoxid-Zellulose-Nanokompositen signifikant verbessert [90, 91]. Ein Ansatz kombinierte Eisfällung (Freeze-Casting) zur Herstellung hochporöser Nanocellulose-Netzwerke als Preforms für Bioepoxidharz-Imprägnierung [92]. Die elastischen und Speichermoduln der Nanokomposite waren in beide Prüfrichtungen besser als beim reinen Epoxid, die Festigkeit in Längsrichtung verbessert. Abbildung 2 zeigt FE-SEM-Bilder der Bruchmorphologien von PHB, verstärkt mit 15 Gew.-% NCC bzw. acetyliertem NCC. Acetyliertes NCC war homogen in PHB dispersiert, was zu starker Grenzflächeninteraktion führte [94].

FE-SEM-Bilder der Bruchmorphologien von a) PHB/NCC-15, b) PHB/acetyliertem NCC(II)-15, c) PHB/acetyliertem NCC(IV)-15. Quelle: Gan et al. [94]. Mit Genehmigung von ACS wiedergegeben.

Tabelle 2 zeigt die Einbindung von Nanocellulose in thermoplastische Polymere wie PLA, PVA, Stärke, PU, PP u. a. Herstellungsverfahren umfassen Lösungsaustausch, wässrige Dispersion, Lösungsguss, Grafting, Kern-Rückseiten-Schaumspritzguss, Elektrospinnen, Koagulation, Thermokompression und in-situ anionische Ringöffnungs-Polymerisation. Die meisten Studien berichten über verbesserte mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Kriechfestigkeit, Elastizität), thermische Stabilität, Barriereeigenschaften sowie teils antibakterielle und antioxidative Funktionen. Insgesamt positive Ergebnisse ermutigen weitere Studien zu grüneren, nachhaltigen Kompositmaterialien.

Natürliche Polymere kommen in der Natur vor und sind extrahierbar. Sie sind meist nicht thermoplastisch (mit wenigen Ausnahmen), aber chemische und physikalische Modifikationen können Thermoplastizität in Biomasse-Polymeren wie Zellulose, Lignin und Chitin induzieren. Aufgrund wachsenden Umweltbewusstseins und Nachfrage nach grünen Produkten wurden diverse natürliche Polymere, verstärkt mit Nanocellulose, zu Bio-Nanokompositen verarbeitet. Wenige Studien berichten über pflanzenbasierte Nanocellulose in der Knochengeweberegeneration. Eine Studie [113] synthetisierte ein Nanokomposit aus TEMPO-oxidiertem NFC (TNFC) oder NCC mit Hydroxylapatit (HA). Die Komposite zeigten bessere Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchzähigkeit im Bereich von äußerem und dichtem Kortikalknochen als NCC-basierte. Sie induzierten keine Zytotoxizität in menschlichen Osteoblasten, sondern verbesserten deren Vitalität – vielversprechend für lasttragende Knochenregeneration.

Weitere natürliche Biopolymere sind Natriumalginat, Zellulose und Proteine mit Bioabbaubarkeit, Biokompatibilität und geringer Toxizität. Natriumalginat wird in Tissue Engineering, Drug Delivery, Lebensmittelverpackung und biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, doch begrenzte mechanische Festigkeit und unkontrollierter Abbau schränken die Anwendung ein. Nanokomposit-Filme mit NFC in Alginat-Matrix verbesserten Wasserbeständigkeit und mechanische Eigenschaften. Ultraschallbehandlung zur Dispersionsförderung zeigte, dass TEMPO-oxidiertes NCC Alginat effizienter verstärkt als NFC. Ähnliche bioinspirierte synergistische Verstärkungsstrategien bei Chitin, Chitosan, Sojaeiweißisolat (SPI) und Leinsamen-Gummi eröffnen neue Wege für Hochleistungs-Nanokomposite.

Nanopartikel zur Eigenschaftsverbesserung von Holzwerkstoffplatten

Holzwerkstoffe sind Produkte aus Holzelementen, die durch Bindemittel zusammengehalten werden. Vorteile: designbare Qualitäten und Leistungen bei verschiedenen Dicken, Sorten und Größen; oft höhere strukturelle Festigkeit und Stabilität als Massivholz. Nachteile: höherer Primärenergiebedarf bei der Herstellung, ungeeignet für Außenanwendung durch Wasseraufnahme und feuchtebedingtes Verziehen; Klebstoffe setzen giftiges Formaldehyd frei. Nanotechnologie kann die Qualität holzbasierter Komposite verbessern, um steigende Nachfrage nach bestehenden und neuen Produkten für neue Anwendungen zu decken.

Hauptnachteile von Holz sind Anfälligkeit für Mikroorganismen und Dimensionsinstabilität bei schwankendem Feuchtegehalt, bedingt durch Hydroxylgruppen (OH) in den Zellwandpolymeren [114]. Holz ist hygroskopisch; Feuchtigkeitsaufnahme korreliert mit exponierter Oberfläche. Anorganische Nanopartikel in Holzwerkstoffen verbessern antimikrobielle Eigenschaften. Nano-Zinkoxid (ZnO) zeigt gute antimikrobielle Aktivität. In Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (MUF)-Leim für Spanplatten zugesetzt, erhöhte es die Bioresistenz gegen Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Aspergillus niger, Penicillium brevicompactum und Braunfäulepilz Coniophora puteana [115]. Silbernanopartikel als Biozidadditive zeigten ähnliche antibakterielle und schimmelhemmende Wirkung auf melaminbeschichteten Spanplatten [116]. Nanokupferoxid mit Alkansurfaktant verbesserte Wasser- und Termitenbeständigkeit von behandelten Sperrholzproben [117]. Modifizierte Stärke-basierte Klebstoffe wurden als Option zur Erhöhung der Fäulnisbeständigkeit von Spanplatten erforscht. Spanplatten mit modifiziertem PVA/Ölpalmen-Stärke, Nano-Siliciumoxid (SiO₂) und Borsäure waren fäulnisbeständiger als mit nativer Stärke [118]. Nano-SiO₂ und Borsäure als Wasserabweisungs- bzw. Antimittel verhinderten Mikroorganismenaktivität.

Die Herstellung von Holzwerkstoffplatten kann durch Methoden zur Verkürzung der Harzaushärtungszeit während der Heißpressung verbessert werden, was Produktion beschleunigt oder Plattenqualität steigert. Wärmeübertragung, die Presszeit beeinflusst, hängt von Dicke, Presstemperatur, Schließgeschwindigkeit und Mattenfeuchteverteilung ab. ZnO-Nanopartikel erhöhten den Wärmeübergang im Spanplattenkern während der Heißpressung, was zu höherem Harzaushärtungsgrad und verbesserten physikalisch-mechanischen Eigenschaften führte [119]. Hochleitende Nanopartikel wie mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) verbesserten thermische und mechanische Eigenschaften von MDF-Platten [120]. Aktivierte Kohlenstoffnanopartikel zeigten zwar keine signifikante Wirkung auf physikalisch-mechanische Eigenschaften, beschleunigten aber die Aushärtung von Harnstoff-Formaldehyd (UF) und reduzierten Formaldehydemissionen stärker als die anderen Nanofüllstoffe.

Klebstoffe spielen bei der Holzwerkstoffherstellung eine entscheidende Rolle für mechanische Eigenschaften, Nassfestigkeit und Umweltauswirkungen. UF, MUF und Phenol-Formaldehyd (PF) sind gängige Klebstoffe. Nanopartikel führten zu verbesserten Klebstoffeigenschaften. Viele Studien entwickelten nanomaterialverstärkte Holzwerkstoffe mit besserer physikalisch-mechanischer Leistung und reduzierter Formaldehydemission. Nanoclay erwies sich als hervorragender Füllstoff und Verstärkung der Harzmatrix, der Festigkeit, Zähigkeit und andere Eigenschaften signifikant steigert. Die Modifikation von UF-Klebstoff mit Nanoclay-Partikeln für Sperrholz aus drei schnellwachsenden Plantagenarten (Cordia alliodora, Gmelina arborea, Vochysia ferruginea) wurde von Muñoz und Moya [121] berichtet. Nanomodifikation mit 0,75 % Nanoclay verbesserte Biege- und Elastizitätsmodul der Platte. Nanoclay in PF-Klebstoffen steigerte mechanische Eigenschaften der Klebschicht und Makro-Klebefestigkeit von Sperrholz [122]. Interessanterweise wandelte transitionsmetallionen-modifizierter Bentonit (TMI-BNT) Nanoclay kristalline UF-Harze durch Blockieren von Wasserstoffbrückenbindungen via in-situ Interkalation in amorphe Polymere um [123], was zu 56,4 % höherer Klebefestigkeit und 48,3 % geringerer Formaldehydemission führte.

Weitere Nanopartikel zur Verbesserung physikalisch-mechanischer Eigenschaften: Nanowollastonit (NW) [124, 125], Nano-ZnO [126], Nano-SiO₂, Nano-Al₂O₃ [127], Nanosilber [128] und Nanocellulose (NCC, NFC). NCC diente als Füllstoff für den Klebstoff, NFC als Bindemittel in Kompositplatten. Jüngste Erkenntnisse zeigen, dass Mikro- und Nanofasern von Zellulose vorteilhafte Auswirkungen auf Harzeigenschaften haben. NCC-Zugabe verbesserte mechanische Eigenschaften von Sperrholz signifikant bei 10 % / 100 g Festharz [129]. Physikalische Eigenschaften von Spanplatten mit NCC in UF-Klebstoffen zeigten glatte Oberfläche, unbedeutende Dichte- und Feuchtegehaltsunterschiede, nur hohe NCC-Gehalte erhöhten die Dickenquellung signifikant [130]. Spanplatten mit NFC als Bindemittel erfüllten Branchenanforderungen an mechanische Eigenschaften für niedrige Dichteklassen [131]. Für hochdichte Spanplatten könnten erhöhtes NFC-Verhältnis und höherer Pressdruck die Innenbindung verbessern [132, 133]. Selbst Nagel- und Schraubenauszugsfestigkeit stieg mit höherem NFC-Anteil und Plattendichte.

Holzbeschichtung

Wälder liefern Holz und Nicht-Holz-Produkte (Bambus, Rattan, Brennholz, Holzkohle, Damar, Palm u. a.). Die Nachfrage nach hochwertigem Holz steigt, doch die Verfügbarkeit aus Naturwäldern sinkt. Daher beschleunigt sich die Suche nach Nicht-Holz-Ressourcen als Alternative. Bambus hat sich aufgrund schnellen Wachstums zu einem wichtigen Nicht-Holz-Produkt entwickelt. Holz ist eine natürliche, biologisch selbstorganisierte Polymerstruktur (Zellulose, Lignin, Hemicellulose) und seit Jahrhunderten vielseitig als Bau- und Konstruktionsmaterial genutzt. Doch Holz unterliegt intensiven oxidativen Abbauprozessen: Photooxidation, chemische Oxidation, thermische Zersetzung und Photolyse durch UV-Licht, Feuchtigkeit, chemische Schadstoffe und Temperaturwechsel [134]. Auch Nicht-Holz-Materialien wie Bambus sind natürliche organische Materialien, reich an Proteinen, Kohlenhydraten und Nährstoffen, anfällig für Schimmel, Insektenfraß und Fäulnis. Daher enthalten Endprodukte aus Holz und Nicht-Holz konventionell Additive als Beschichtungen zum Schutz und zur optischen Aufwertung sowie Schutzmittel gegen Feuer und biologische Faktoren (Pilze, Insekten).

Beschichtung ist das Aufbringen einer Schicht auf die Substratoberfläche. Gängige Holzbeschichtungen sind Lacke, Lasuren und Farben mit Schutz- und Dekorationsfunktion. Hauptbestandteile bestimmen Grundeigenschaften: Bindemittel, Pigmente, Lösungsmittel, Füllstoffe, Additive [135]. Bindemittel sorgen für Pigmenthaftung und Schutzschicht, Pigmente für Farbe und deckende Schicht, Lösungsmittel für nötige Viskosität, Füllstoffe verändern Farbstärke und Glanz, Additive hemmen Schimmel und Fäulnis, unterstützen Trocknung, verbessern Haftung und kontrollieren Finish. Schwächen konventioneller Beschichtungen: begrenzte Flexibilität, Festigkeitsverlust, ungleichmäßige Haftung zwischen Schicht und Substrat, mangelnde Abriebfestigkeit, geringere Haltbarkeit.

Nanobeschichtungen können diese Probleme lösen. Nanobeschichtung ist ein Verfahren, bei dem eine dünne Schicht (< 100 nm) auf das Substrat aufgebracht wird, um Eigenschaften zu verbessern oder neue Funktionalitäten zu verleihen. Sie kann nicht nur auf Nanomaterialien, sondern auch auf voluminöse Materialien mit extrem dünner Schicht angewendet werden, ohne die Substrattopografie zu beeinträchtigen. Der Fokus bei Holz und Holzprodukten liegt auf verbesserter Haltbarkeit, mechanischen Eigenschaften, Feuerbeständigkeit, UV-Absorption und verringerter Wasseraufnahme. Ein Ansatz zur Funktionalitätssteigerung ist die Zugabe von Nanopartikeln [136]. Durch ihre Morphologie weisen diese ein sehr großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis auf, was intensive Wechselwirkung mit der Umgebung ermöglicht, während ihre Nanoskaligkeit Transparenz bewahrt.

Nanoadditive zur Haltbarkeitsverbesserung

Nanobeschichtungen verbessern die Haltbarkeit von Holz- und Nicht-Holz-Produkten durch Nanopartikel und Nanodelivery-Systeme, die auf molekularer Ebene wirken. Ein Ziel ist die Verhinderung von Mikroorganismenwachstum (Pilze, Bakterien). Nanoskalige Metalloxide wie Zinkoxid (ZnO) [137, 138], Titanoxid [138, 139] und Ceriumoxid (CeO₂) [140] zeigten starke antimikrobielle Eigenschaften. Studien untersuchten direkte Abscheidung von Nanopartikeln auf Holzoberflächen oder direkte Funktionalisierung. ZnO-Nanopartikel wurden auf Bambusholz durch ein einfaches Niedertemperatur-Nasschemieverfahren auf Basis von Sol-Gel-ZnO-Seed-Layers hergestellt. Behandeltes Bambusholz zeigte bessere Resistenz gegen Aspergillus niger V. Tiegh und Penicillium citrinum Thom, aber schwache Resistenz gegen Trichoderma viride Pers. ex Fr [141]. Graphen hemmt Bakterienwachstum überlegen. Die Kombination von reduziertem Graphenoxid und Nano-ZnO zur Beschichtung bambusbasierter Außenmaterialien via zweistufigem Tauch-Trocken- und Hydrothermalprozess verbesserte Schimmelresistenz und antibakterielle Aktivität [142]. Nanostrukturiertes ZnO via Hydrothermalprozess bot effektiven Schutz von Holzoberflächen vor Biodeterioration [143].

Wasserbasiertes Polyurethan [144] mit NCC und Silbernanopartikeln (AgNPs) verbesserte antibakterielle Eigenschaften von Holzplatten [145]. AgNPs sind bekannt für antimikrobielle Wirkung, neigen aber zur Aggregation. NCC unterstützte Dispergierung und Mischung mit WPU und wirkte als Verstärkungsmittel für mechanische Eigenschaften. Minimemulsionspolymerisation synthetisierte einen Acryllack mit AgNPs, der Schwarzfärbepilze auf Holzoberflächen hemmt [146]. Die antibakterielle Wirkung von Silber- und Zinkoxid-Nanopartikeln in Acrylbeschichtungen auf kommerziellen Holzwerkstoffen (Spanplatten, MDF) wurde untersucht [147]. Ag- und ZnO-Nanopartikel waren teils effektiver gegen Gram-negative E. coli als gegen Gram-positive S. aureus.

Nanoadditive zur Verbesserung der Wasseraufnahme

Holz ist wasserempfindlich aufgrund der hydrophilen Zellwandpolymere und kapillar-porösen Struktur. Die Holz-Wasser-Wechselwirkung führt zu biologischem Abbau, Dimensionsinstabilität und beschleunigter Verwitterung. Konventionelle chemische Modifikationen zur Hydrophobierung retardieren Wassereindringen nicht vollständig [148], und eingesetzte Chemikalien können gefährlich sein. Nanotechnologie bietet alternative Ansätze zur Holzmodifikation und -funktionalisierung. Nanopartikel in Polymerbeschichtungen verbessern die Wasseraufnahme von Holzoberflächen. Zwei Ansätze zur Integration: Lösungsmischen und in-situ Zugabe [149]. Beim Lösungsmischen verbindet ein Lösungsmittel das Polymer vor der Dispergierung auf Holz; anwendbar durch Tauchen, Bürsten, Sprühen [150]. Wu et al. [151] erzeugten eine superhydrophobe Beschichtung auf Pappelholz mit Kontaktwinkel bis 158,4° durch wasserbasierten UV-Lack (WUV), modifiziert mit ZnO-Nanopartikeln und Stearinsäure. Im Vergleich zu WUV war die Wasserbeständigkeit von Zinkstearat/WUV superhydrophober Beschichtung (ZnSt₂/WUV) stärker, was eine einfache, umweltfreundliche Herstellung superhydrophober Beschichtungen ermöglicht. Eine wasserbasierte Lasur mit TiO₂-Nanopartikeln wurde an neun tropischen Holzarten getestet [152]: TiO₂ verringerte Wasseraufnahme; nach einem Jahr Bewitterung war die unmodifizierte Lasur vollständig degradiert, die modifizierte intakt. Weitere superhydrophobe Holzschichten: Lignin-beschichtetes NCC (L-NCC)/PVA-Kompositfarbe [153], UV-härtbare Methacryl-Siloxan-Zellulose-Kompositbeschichtungen [154], Fe³⁺-dotiertes SiO₂/TiO₂-Kompositfilm [155], PDMS/Silica-Hybridbeschichtung [156].

Der zweite Ansatz, in-situ Zugabe, ist ein chemischer Prozess: Nanopartikel werden durch chemische Reaktionen auf der Holzoberfläche synthetisiert (hydrothermale Methoden, Sol-Gel-Abscheidung). Gao et al. [157] bereiteten superhydrophobe, leitfähige Holzoberflächen mit Super-Ölabweisung via AgNPs, modifiziert mit Fluoroalkylsilan, zu – kommerziell nutzbar für Selbstreinigung und biomedizinische Elektronik. Bambus wurde mit ZnO-Sol behandelt, ZnO-Nanosheet-Netzwerke hydrothermal aufgewachsen und mit Fluoroalkylsilan modifiziert [158]: robuste Superhydrophobie, stabile Abweisung simulierten sauren Regens, UV- und Feuerbeständigkeit. Ähnliche Eigenschaften bei Bambus mit hydrothermal abgeschiedenem Anatase-TiO₂ und Octadecyltrichlorsilan-Modifikation [159]. Superhydrophobe Holzoberflächen auch durch Schicht-für-Schicht-Assemblierung [160] von Polyelektrolyt/TiO₂-Mehrschichten und hydrophobe Modifikation mit Perfluoroalkyltriethoxysilan (POTS) [161], Sprühbeschichtung von wasserbasiertem Perfluoroalkyl-Methacryl-Copolymer (PMC)/TiO₂-Nanokompositen auf PDMS-vorbeschichtetem Substrat [162], eintstufiger hydrothermaler Prozess mit Tetrabutyltitanat (TBOT) und Vinyltriethoxysilan (VTES) als Co-Precursor [163]. Selbst biomimetischer Lotusblatt-ähnlicher SiO₂-superhydrophober Bambus via Soft Lithography gelang [122].

Nanoadditive zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften

Anorganische Partikel in organischen Polymeren sind in Holzschichten gängig zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften. Als Füllstoffe verbinden sich Härte und Steifigkeit anorganischer Materialien mit der Verarbeitbarkeit des Polymers. Mikrongroße anorganische Partikel verringern Flexibilität und Transparenz des Beschichtungssystems [164]. Nanoskalige anorganische Partikel erhöhen Oberfläche und Grenzflächenverhältnis, was Rohstoffeigenschaften beeinflusst [165]. Jüngste Studien untersuchten Nanocellulose als erneuerbare Verstärkung für biobasierte Nanokomposit-Beschichtungssysteme mit verbesserter Leistung. Nanocellulose wurde oberflächenmodifiziert wegen Inkompatibilität mit Polymermatrix. TEMPO-oxidierte Zellulosenanofasern verbesserten mechanische Eigenschaften von WPU-Beschichtungen [144, 166]. Bei unpolaren Polymermatrizen [167] wurde NCC mit Acryloylchlorid oder kationischem Tensid modifiziert. Erhöhte NCC-Beladung bis 2 % steigerte Härte, Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit.

Nanosilica ist ein weiteres gängiges Nanopartikel für mechanische Verbesserung. Vorteile: hohe Härte, leicht chemisch modifizierbar für bessere Kompatibilität mit Polymermatrix. Meng et al. [168] berichteten über Rizinusöl-basierte wasserbasierte Acrylat (CWA)/SiO₂-Hybridbeschichtungen mit organisch-anorganisch kovalent vernetzten Netzwerkstrukturen via Sol-Gel und Thiol-Ene-Reaktionen. Bei 10 Gew.-% SiO₂ verbesserten sich thermische und mechanische Eigenschaften signifikant. Auch in wasserbasiertem Nitrocellulose [169] und Acrylat [170] wurde Verbesserung durch Nanosilica-Zugabe beschrieben.

Nanoadditive zur Verbesserung der UV-Absorption

Holzphotodegradation beginnt direkt nach Sonnenlichtexposition: Farbänderung und progressive Erosion der Holzoberfläche. UV-Strahlung kann Polymerstrukturkomponenten (Lignin, Zellulose, Hemicellulose) photochemisch abbauen [171]. Photodegradation verringert meist Wasserbeständigkeit und führt zu weiterem biologischen Abbau im Außenbereich. Intensive Schädigung durch UV-Komponente der Sonnenstrahlung kann durch Lichtstabilisierungstechnologien, Oberflächenbeschichtungen oder Ersatz durch UV-beständigere Materialien verhindert werden [172]. Nanopartikel können UV-Beständigkeit für Lösungsmittel-, Wasser- und UV-Beschichtungen verbessern, um Holzoberflächen zu schützen. Nanopartikel mit funktionalen Beschichtungen für UV-Blockierung bieten hohen UV-Schutz ohne Transparenzverlust. Die kleine Partikelgröße erhöht die UV-Blockierwirksamkeit signifikant gegenüber konventionellen Materialien durch großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis.

UV-absorbierende Beschichtungen verhindern Ligninabbau durch UV-Licht. Hauptsächlich verwendete Nanopartikel als UV-Absorber sind TiO₂ und ZnO. Wallenhorst et al. [173] berichteten über ein Zn/ZnO-Beschichtungssystem mit zusätzlicher Polyurethan-Versiegelung, das Photoverfärbung der Holzoberfläche stark reduzierte und chemisch stabil war. Kombination von Benzotriazol (BTZ) und ZnO-Nanopartikeln als UV-Absorber in acrylbasierten Bambus-Außenbeschichtungen [174]: starke synergistische Effekte, besonders bei 2:1-Verhältnis. Das System bot hohe Resistenz gegen Photodegradation und hemmte Photoverfärbung von Bambus effektiv. Eine Mischung aus Benzotriazolen, gehinderten Amin-Lichtstabilisatoren (HALS) und ZnO-Nanopartikeln in dickschichtiger wasserbasierter Acrylbeschichtung zeigte den positivsten Effekt bei UV-Schutz von Eichenholz [175]. Mischung aus Benzotriazolen, HALS und sowohl TiO₂ als auch ZnO-Nanopartikeln erwies sich als eine der effektivsten Behandlungen zur Farbstabilisierung von Holz durch UV- und VIS-Spektren. Rutil-TiO₂ mit Methyltrimethoxysilan und Hexadecyltrimethoxysilan zeigte überlegene Bewitterungsleistung und verbesserte Resistenz gegen Oberflächenfarbänderung und Gewichtsverlust [176]. TiO₂-Beschichtung verbesserte scheinbar Farbstabilität bei UV-Bestrahlung ohne Wasserspray, doch angrenzende Holzoberfläche degradierte durch photocatalytische Aktivität von TiO₂ [177].

Nanoadditive zur Verbesserung der Flammwidrigkeit

Brennbarkeit von Holz und Nicht-Holz-Produkten schränkt Nutzung ein; Brandschutz ist ein wichtiges Anliegen. Um inhärente Mängel zu überwinden und Holz sicher zu nutzen, müssen flammhemmende Eigenschaften ernsthaft berücksichtigt werden. Nanopartikel werden kürzlich für Nanokomposite zur Verbesserung flammhemmender Eigenschaften eingesetzt. Nanopartikel, allein oder kombiniert mit konventionellen Flammschutzmitteln, verringern die Entzündbarkeit von Holz. Nanoskaligkeit und große Oberfläche machen sie bei niedrigen Konzentrationen effektiver als konventionelle Verbindungen – ein enormer industrieller und ökonomischer Vorteil. Oberflächenmodifikation ist nötig für bessere Kompatibilität und homogene Dispersion. TiO₂-beschichtetes Holz reduzierte Brennbarkeit und Flammenausbreitung im Vergleich zu unbeschichtetem Holz [178]. ZnO–TiO₂-geschichtete Doppel-Nanostrukturen wurden auf Bambus synthetisiert [179]: Sauerstoffindex stieg von 25,6 auf 30,2 %, was signifikante Flammwidrigkeitsverbesserung zeigte. Schichtige Doppelhoxide [180] absorbieren viel Wärme, verdünnen brennbare Gase und binden schädliche Säuregase während Zersetzung – exzellente Flammschutzmittel. Yao et al. [180] applizierten Nanomagnesium-Aluminium-Schichtdoppelhoxid (Mg–Al LDH) auf Bambus in einem in-situ Einstufenprozess: Gesamtwärmefreisetzung und Gesamtrauchentwicklung sanken um 33,3 % bzw. 88,9 % gegenüber unbehandeltem Bambus. Wang et al. [181] führten Zink-Aluminium-Schichtdoppelhoxid (Zn–Al LDH) in Holz ein: Spitzenwärmefreisetzungsrate (PHRR) und Gesamtrauchentwicklung sanken um 55 % bzw. 47 % gegenüber unbehandeltem Holz. Nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien wie Graphen erwiesen sich als effektive Flammschutzmittel für Holz und Holzwerkstoffe zum Oberflächenschutz [182].

Holzdauerhaftigkeit

Holz ist vielseitig in Bauwesen, Möbeln, Kunst [183–185] einsetzbar: hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, umweltfreundlich, ästhetisch, biologisch abbaubar. Leider ist Holz sehr empfindlich gegen biologische Angriffe, besonders durch Fäulepilze und Insekten [186, 187]. Auch UV-Strahlung, Feuer und Feuchtigkeit schaden [188]. Feuchtigkeit verursacht Verzug, Risse, Dimensionsinstabilität. Holzdegradation verursacht jährliche immense Verluste. Pilzwachstum auf Holzstrukturen löst Gesundheitsprobleme aus: Allergien, Atemwegssymptome, Asthma besonders nach langfristiger Innenraumexposition [189]. Daher können Holzprobleme nicht ignoriert werden. Chemischer Holzschutz ist der effektive Weg, um Holz zu schützen und die Lebensdauer zu verlängern.

In den letzten Jahrzehnten wurden viele chemische Schutzmittel entwickelt und eingesetzt [188, 190]. Leider bergen die meisten ernsthafte Risiken für Mensch, Lebewesen und Umwelt durch Anreicherung in Böden und Ökosystemen [191]. Chromat-Kupfer-Arsenat (CCA) wurde seit den 1930ern breit eingesetzt und schützt effektiv gegen Fäulepilze, Termiten und Insekten. Doch CCA erwies sich als toxisch für Mensch und Umwelt [192–194]. Ähnliches gilt für Pentachlorphenol (PCP), das als gesundheitsschädlich galt und in vielen Ländern verboten wurde [195].

Als Reaktion werden neue, als sicher und weniger umweltbelastend geltende Schutzmittel eingeführt: pflanzliche Extrakte oder synthetisch hergestellte bioaktive Verbindungen. Pyrethroide aus Chrysanthemenblüten (Chrysanthemum cinerariifolium) haben starke insektizide Wirkung und werden synthetisch hergestellt. Doch sie degradieren leicht durch Licht und Temperatur und haben schmales Wirkspektrum [196]. Weitere Einschränkung organischer Pestizide: die meisten lösen in organischen Lösungsmitteln und können nicht als wasserbasierte Holzschutzmittel formuliert werden. Daher ist ein intelligentes, zielgerichtetes Abgabesystem für Biozide entscheidend. Durch smartes Delivery-System können Biozide kontrolliert und gezielt freigesetzt werden, was Risiken für Mensch und Umwelt reduziert [17].

Holzbehandlung via Nanotechnologie kann Dauerhaftigkeit gegen biologische Abbauprozesse und Witterung verbessern [14, 197, 198]. Hauptvorteil nanopartikulärer Produkte: einzigartige Fähigkeit, tief in die Holzstruktur einzudringen [14, 199], was Dauerhaftigkeitseigenschaften verbessert und lange Lebensdauer ergibt. Auch vollständige Penetration mit gleichmäßiger Verteilung ist erreichbar [200]. Mittlerweile sind viele gebrauchsfertige Nanoprodukte (Nanokonservierungsmittel) für Holzschutz am Markt, andere in Forschung und Entwicklung. Nanoprodukte zum Holzschutz lassen sich in zwei Typen klassifizieren: Nanokapseln und Nanomaterialien. Nanokapseln sind Pestizide in polymeren Nanoträgern, Nanomaterialien sind nanoskalige Metalle, die direkt in Holz imprägniert werden können [201].

Biozid-Verbesserung durch Nanoverkapselung

Verkapselung von Pestiziden in polymere Nanoträger ist eine vielversprechende Nanotechnologie zur Verbesserung der Holzimprägnierung. Ziel: Erhöhung der Löslichkeit wasserunlöslicher Pestizide und verzögerte Freisetzung [202]. Verkapselung ermöglicht Dispergierung niedrig löslicher Pestizide in festen polymeren Nanopartikeln. Das Polymer kann in Wasser suspendiert und konventionell wasserbasiert auf Holz appliziert werden [149]. Verkapselung schützt hydrophile Wirkstoffe vor übermäßiger Auswaschung [19]. Durch kleinen Kapseldurchmesser gelingt leichte Einbindung und Penetration in die Zellwand des Holzes, was Dauerhaftigkeit gegen biologische Abbauprozesse verbessert. Die Technologie liefert Pestizide nicht nur sicher, sondern verlängert auch deren Lebensdauer, was verlängerten Holzschutz ergibt [203].

Verkapselung ist ein Bottom-up-Ansatz, durchführbar via Nanofällung [17, 204–206], Emulsionsdiffusion [207] und Doppelmulgierung [208] (Tabelle 3). Polymerische Nanoträger können aus natürlichen Polymeren, synthetischen Polymeren oder Kombinationen stammen [209]. Natürliche Polymere: Zellulose, Stärke, Alginate, Silica, Halloysit. Synthetische Polymere: Poly(vinylacetat), Poly(methylmethacrylat), Polymilchsäure u. a. (Tabelle 3).

Liu et al. [18, 216] verkapselten Tebuconazol und Chlorothalonil in Polyvinylpyridin und Polyvinylpyridin-co-Styrol via Imprägniermethode. Partikelgröße: 100–250 nm. Kapselsuspension wurde in Splintholz von Southern Yellow Pine und Birke via konventioneller Druckbehandlung imprägniert. Behandeltes Holz wurde 55 Tage Braunfäule (Gloeophyllum trabeum) und Weißfäule (Trametes versicolor) ausgesetzt. Ergebnis: hohe Resistenz gegen beide Fäulepilze.

Salma et al. [17] nutzten Nanofällung für Tebuconazol. Polymerkapseln aus amphiphilen Copolymeren von Gelatin, graftet mit Methylmethacrylat, hatten Größen von 200–400 nm oder 10–100 nm je nach Kern/Schale-Massenverhältnis. Verkapseltes Tebuconazol konservierte Holz gegen Braunfäulepilz. Das Formulationssystem ist flexibel und durch Copolymerisation anderer Acrylatmonomere wie Hydroxyethylmethacrylat modifizierbar, was maßgeschneiderte Freisetzungsraten ermöglicht. Nachteil: Neigung zur Aggregation, was Liefer effizienz in Holz mindert.

Can et al. [217] verkapselten Nanosilber in Polystyrol-Sojabohnen-Copolymer. Kiefernholz wurde mit Kapseln imprägniert und gegen Weißfäulepilze (Trametes versicolor) getestet. Sojabohnenöl, Polystyrol und Nanosilber wirketen synergistisch zur Erhöhung der Fäulnisresistenz von Kiefer.

Imprägnierung metallischer Nanopartikel zur Dauerhaftigkeitssteigerung

Metallische Nanopartikel schützen Holz seit Jahrzehnten vor biologischen Abbauprozessen und Witterung [197, 218, 219]. Nanopartikel bieten bessere Eigenschaften als Bulk-Form durch reduzierte Größe: hohes spezifisches Oberflächen-Volumen-Verhältnis, gleichmäßige Größenverteilung, gute Stabilität. Durch kleine Größe dringen sie tief und gleichmäßig in Holzporen ein [197, 220]. Dispersionsstabilität wird durch Größe und Surfactant-Zugabe verbessert [221]. Dispersionsstabilität und kleine Partikelgröße verbessern: (1) Schutzmitteldurchdringung, (2) Behandelbarkeit von Holz, (3) Stabilität von Oberflächenprodukten, (4) niedrige Viskosität, (5) Nicht-Auswaschbarkeit [222, 223]. Zudem erhöhen sie Kompatibilität mit Bindemitteln und Affinität zu Holzpolymeren [197, 224].

Metallische Nanopartikel lassen sich durch chemische Reaktionen, mechanische Behandlung, Erhitzen oder Rückfluss herstellen. Bisher wurden viele Nanopartikel für Holzschutz genutzt. Kupfer, Silber, Bor, Zink zeigten gute Leistung gegen Weiß- und Braunfäule, weniger gegen Schimmel [219]. Titandioxid (TiO₂) hat Potenzial als Holzschutzmittel durch antibakterielle, antimykotische [14, 225] und UV-beständige Eigenschaften [225, 226], doch Studien befinden sich in vorläufiger Phase [14, 225]. Tabelle 4 listet Arbeiten zu TiO₂ für Holzschutz. Die Verteilung von TiO₂ im Holz wurde von Mohammadnia-Afrouzi et al. untersucht (Abb. 3).

SEM-Aufnahmen von tangentialen Schnitten nano-TiO₂-behandelter Holzproben bei verschiedenen Feuchtegehalten und Konzentrationen. Quelle: Afrouzi et al. [227].

Kupfer ist essenzielles Biozid für Holzschutz. Doch Kupfer allein schützt nicht gegen kupfertolerante holzzerstörende Pilze. Kupfernanopartikel sind eine neue Generation kupferbasierter Holzschutzmittel. Der Einsatz von Kupfernanopartikeln statt konventionellem Kupfer zeigt verbesserte Dauerhaftigkeit gegen Fäulepilze [230] – Schutz ohne Chrom und Arsen.

Cristea et al. [15] untersuchten ZnO- und Silbernanopartikel in Außenholzbeschichtungen zur Verbesserung von Dauerhaftigkeit und Holzschutz durch UV-Schirmung. Neben effizientem UV-Schutz wurden mechanische Eigenschaften (Härte, Haftfestigkeit, Abriebfestigkeit, Wasserdampfdiffusionsbarriere) leicht verbessert.

Mischung aus ZnO- und Silbernanopartikeln schützte Holz vor Witterung (UV-Strahlen) [231]. Splintholz von Pappel wurde mit drei Konzentrationen der Mischung via Vollzellenverfahren imprägniert und natürlicher Bewitterung ausgesetzt. Farbänderungen wurden spektrophotometrisch gemessen. ZnO-Nanopartikel allein dienten als Kontrolle. Ergebnis: Holz mit ZnO-Silber-Mischung zeigte geringste Farbänderungen.

Mantanis et al. [197] behandelten Schwarzkiefernholz mit ZnO, Zinkborat und Kupferoxid-Nanopartikeln unter Vakuum. Acrylemulsion zwang Nanopartikel in Holzstruktur, um Auswaschung zu vermeiden. Dauerhaftigkeit gegen Schimmel, Fäulepilze und Termiten wurde bewertet. ZnO hemmte Schimmel leicht, andere metallische Nanopartikel zeigten keinen Schimmel. Terzi et al. [232] bestätigten: ZnO-Nanopartikel hemmten Schimmelwachstum nicht, aber alle metallischen Nanopartikel hemmten Weißfäulepilze und Termiten signifikant.

Francĕs et al. [16] untersuchten SiO₂, TiO₂ und ZnO₂ in Kieferfurnieren. 3 Gew.-% SiO₂ war am effektivsten zur Verbesserung flammhemmenden Verhaltens.

Trotz bemerkenswerter Vorteile der Nanotechnologie im Holzschutz bedarf das fundamentale Verständnis von Synthese, Verarbeitung und Charakterisierung von Nanokapseln und metallischen Nanopartikeln weiterer Verbesserung. Wichtigste Eigenschaften für Design und Entwicklung sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Potenzial Nanocellulose-basierter Materialien im Energiesektor

Energie ist eine wichtige Ressource mit starker Korrelation zu Wirtschaftswachstum und Entwicklung [233]. Hauptenergiequellen sind fossile Brennstoffe und Wasserkraft, die Umwelt schädigen: Klimawandel, globale Erwärmung, Ozonabbau, Verschmutzung, Treibhausgase, ökologische Zerstörung [234–236]. Ca. 80 % der weltweiten CO₂-Emissionen stammen aus dem Energiesektor; technologischer Fortschritt ist nötig für nachhaltige erneuerbare Energien zur CO₂-Reduktion und Bekämpfung der Erderwärmung [234, 237].

Zur Minimierung Umweltauswirkungen wurde ein nachhaltiges, kostengünstiges, energieeffizientes Kohlenstoffmaterial als potenzieller Ersatz konventioneller Materialien in Energiespeichern erforscht. Zellulose, der vielversprechendste natürliche Polymer, hat viele Anwendungen, auch in Energie [237].

Nanotechnologie ist eine fortgeschrittene Technologie mit Potenzial für saubere, grüne Energie. Entwicklung im Nanomaßstab ermöglicht neue Anwendungen und Interaktion mit aktueller Energietechnik, was das Energiefeld von Nutzung bis Versorgung, Umwandlung bis Speicherung, Übertragung bis Verteilung revolutionieren würde [238]. Dies hat hohen Einfluss auf Entwicklung sauberer, grüner Energie und nützt Umwelt und Ressourcen [239].

Laut Serrano et al. [234] und Hut et al. [235] fokussiert die vielversprechendste Nanotechnologie-Anwendung für Energieumwandlung auf Solarenergie, leitfähige Materialien, Solarwasserstoff, Brennstoffzellen, Batterien, Stromerzeugung und Energiegeräte. Verständnis struktureller und morphologischer Eigenschaften von Nanomaterialien ist essenziell für Effizienz und Nachhaltigkeit. Größte Anwendung in Energieerzeugung: Solarenergie via Photovoltaik (PV), Fokus auf Wirkungsgrad [233]. Nutzung solarer Energie aus natürlichen Ressourcen reduziert fossile Brennstoffe und Verschmutzung für umweltfreundliche, grüne Energie [239]. Nanodevices mit Solarzellen können Materialeffizienz steigern und Herstellungskosten senken, was Wirtschaftswachstum fördert [236].

Nanotechnologie wurde in diversen Anwendungen genutzt: Umweltverbesserung, Lösung menschlicher Probleme, effizientere, kostengünstigere Energie – weniger Verschmutzung bei Herstellung, wettbewerbsfähige Solar- und Brennstoffzellen, Wasserstoffproduktion, Grundwassersanierung, Überwindung von Energieknappheit, Klimawandel, Krankheiten, Reduktion nicht-erneuerbarer Energieabhängigkeit [233, 235, 240].

Nanocellulose-basierte Materialien für Solarenergie

Solarenergie ist weltweit verfügbar, 15.000-fach des jährlichen Weltenergiebedarfs. Nutzbar via Photovoltaik (PV), Solarthermie, künstliche Photosynthese, passive Solartechnologien, Biomasse-Technologie für Strom, Dampf, Biokraftstoffe [234, 235].

Zukünftig könnte Nanotechnologie effektive, kostengünstige Systeme für Energieerzeugung, -speicherung, -transport entwickeln [235]. Aktueller PV-Markt basiert auf Silizium-Wafer-Solarzellen (1. Generation) und Dünnschicht-Halbleitern (2. Generation) [234, 235]. Hauptnachteil: hohe Herstellungskosten konventioneller PV-Zellen bei schlechter Energieabsorptions-Effizienz (< 40 %) [233].

Nanocellulose zeigt Potenzial für Solarsysteme durch Erneuerbarkeit, Bioabbaubarkeit, Biokompatibilität, breite Modifizierbarkeit, Anpassungsfähigkeit, vielseitige Morphologie [241, 242]. Kostengünstige, flexible, poröse Zellulosesubstrate könnten Solarzellen produzieren. NFC mit 4 nm Größe könnte ultradünnes Papier für Solarzellenkomponenten zur Energiespeicherung liefern [235]. Klochko et al. [243] nutzten Biomasse-Nanocellulose für biologisch abbaubare, umweltfreundliche, flexible Dünnfilme als thermoelektrisches Material. Der Film wandelte niedergradige Abwärme aus Sonnenstrahlung bei Raumtemperatur in Strom um.

Nanocellulose-basierte leitfähige Materialien

Leitfähige Materialien ermöglichen Stromfluss, nötig für Energiespeicher. Typen: leitfähige Polymere, Kohlenstoffmaterialien (CNT, Graphen, Carbon Black), metallische Partikel mit unterschiedlicher Leitfähigkeit. Diese können mit Nanocellulose zu neuartigen Kompositen kombiniert werden. Herstellungsprozess leitfähiger Nanocellulose-Hybride zeigt Abb. 2. Zwei Hauptstrategien: Beschichtung leitfähiger Materialien auf Nanocellulose-Substrat oder Einmischen in Nanocellulose-Substrat zu Kompositen [237]. Leitfähige Polymere sind Alternative zu Metallen durch gute elektrochemische Leistung, geringes Gewicht, niedrige Kosten. Polyanilin (PANI) ist vielversprechend durch einfache Synthese, kontrollierbare Leitfähigkeit, hohe spezifische Kapazität [244].

Nanocellulose-basierte leitfähige Materialien werden für Superkondensatoren und Energiespeicher via in-situ Polymerisation, Dotierung, Beschichtung, Tintenstrahldruck, in-situ Abscheidung entwickelt [68, 244–246]. Modifikation bestehender Superkondensatoren durch Nanokomponenten steigerte Fähigkeit, große Energiemengen langfristig zu speichern [238].

Nanocellulose-basierte Komposit-Membran-Elektroden können via in-situ Polymerisation von Nanocellulose mit leitfähigen Komponenten durch einfache Filtrationseinheit hergestellt werden (Abb. 3). Gut gemischtes Komposit verbleibt auf Filter, nach Flüssigkeitspassage und Trocknung als Superkondensator abziehbar [244].

Nanocellulose für Energiespeicherung

Potenzial von Nanocellulose für Energiespeicherung hat kürzlich viel Aufmerksamkeit erhalten. Gründe: Nanoskalige Dimension, hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, reich an Hydroxylgruppen – Oberflächenchemie leicht modifizierbar für Kompositverarbeitung. Wichtigster Aspekt: Entwicklung leitfähiger, flexibler Nanocellulose durch leitfähige Polymere wie Polyanilin und Polypyrrol. Beispiel: Nanocellulose/Polyanilin-Kompositfilm weit verbreitet als papierbasierte Sensoren, flexible Elektroden, leitfähige Klebstoffe [68, 247–249]. Razaq et al. [250] fertigten Elektroden aus Nanocellulose/Polypyrrol und Kohlenstofffilament für papierbasierte Energiespeicher. Wang et al. [248] berichteten: Geräte mit Nanocellulose/Polypyrrol-Komposit bieten hohe Lade-/Entladeraten, hohe Zellkapazitäten, gute Zyklenstabilität.

Nanocellulose-basierte Materialien für Lithium- und Vanadium-Batterien

Hohe Nachfrage nach flexiblen tragbaren Elektronikgeräten (Smartphones, E-Fahrzeuge, Laptops, Netzspeicher) steigert Bedarf an wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) [251] und Superkondensatoren [252]. LIBs sind ideale Energiespeicher durch hohe Energiedichte, moderate Leistungsdichte, Zyklenstabilität. In LIBs ist Elektrolyt wichtig für Li⁺-Transfer zwischen Anode und Kathode. Organische Flüssigelektrolyte bergen Sicherheitsrisiken durch Toxizität und Entflammbarkeit. Festkörperelektrolyte gewinnen Interesse durch geringe Entflammbarkeit und Toxizität [253, 254]. Nach Janek et al. [255] Klassifizierung: festes Polymerelektrolyt (SPE) und anorganischer Festkörperelektrolyt (ISE). SPE bietet Vorteile: einfache Verarbeitung, Flexibilität [255].

Qin et al. [256] entwickelten SPE durch Einbindung von Polyethylenoxid (PEO), nanofibrilliertem Aerogel und Bis(trifluormethansulfonyl)imid-Lithiumsalz (LiTFSI). Ionische Leitfähigkeit von SPE wurde durch negativ geladene nanofibrillierte Zellulose signifikant gesteigert. SPE war elektrochemisch stabil, mechanisch robust, thermisch stabil und flexibel – erwartet für flexible Elektronik.

Nair et al. [257] fertigten Nanocellulose-beladenen Komposit-Polymerelektrolyt für Hochleistungs-Lithium-Schwefel-Batterien via thermisch induzierter Polymerisation. Elektrolyt zeigte exzellente ionische Leitfähigkeit, thermische Stabilität > 200 °C, stabile Grenzfläche zu Lithium. Stabile Zyklenprofile durch signifikante Reduktion Polysulfid-Migration zur Anode via Nanocellulose-Einschluss in Polymermatrix.

Zhang et al. [258] entwickelten robuste Protonenaustauschmembran aus sulfoniertem Poly(ethersulfon), verstärkt mit Kern-Schale-Nanocellulose für Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs). Mit Silica-verkapselter Nanocellulose wies Membran herausragende mechanische Festigkeit (54,5 MPa) und hohe Energieeffizienz (> 82 % bei 100 mA cm⁻²) über 200 Lade-/Entladezyklen auf. Protonenaustauschmembran ist Schlüsselkomponente in VRFBs: Separator gegen Vanadium-Ionen-Crossover, Protonenleiter für hohe Spannungseffizienz [259].

Nanocellulose-basierte Materialien für flexible Superkondensatoren

Superkondensatoren (elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, Ultrakondensatoren) sind vielseitige Energiespeicher mit wachsender Forscheraufmerksamkeit [260]. Hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer, einfache Prinzipien, geringer Wartungsaufwand, Portabilität, stabile Leistung, schnelle Ladung/Entladung schließen Lücke zwischen Batterien und konventionellen Kondensatoren [260] – vielversprechend für wachsende Energiebedarfe.

Elektrode ist Schlüsselkomponente: benötigt gute elektrochemische Leistung und Flexibilität für Hochleistungs-flexible Superkondensatoren. Him et al. [261] und Zhe et al. [262] fanden: Graphen und Nanocellulose sind exzellente flexible Elektrodenmaterialien. Nanocellulose als Substratmaterial durch gute Bioabbaubarkeit, mechanische Festigkeit, Flexibilität, chemische Reaktivität. Poröse Struktur und Hydrophilie erleichtern Anlagerung anderer Materialien (z. B. Graphen) im faserigen Netzwerk [263]. Hydroxylgruppen auf Nanocellulose ermöglichen Interaktion mit anderen Polymeren zu starken Kompositen [264].

Khosrozadeh et al. [265] entwickelten Elektrode aus Nanocellulose-basiertem Polyanilin/Graphen/Silber-Nanodraht-Komposit: nach 2400 Zyklen bei 1,6 A/g Stromdichte zeigten Leistungsdichte, Energiedichte, Kapazität 108 %, 98 %, 84 % – exzellente Zyklenstabilität, gute mechanische Flexibilität. Ma et al. [266] nutzten Bakterienzellulose/Polypyrrol mit Graphenbeschichtung: Elektrode biegbar in jedem Winkel. Flächenkapazität und Energiedichte erreichten 790 mF cm⁻² bzw. 0,11 mWh cm⁻² in symmetrischen Superkondensatoren. Nanocellulose-Graphen-Elektroden via chemischer oder physikalischer Vernetzung [267, 268]. Nanocellulose als Elektrodenkomponente fungiert auch als internes Elektrolytreservoir: hoher Porengehalt und Hydrophilie erleichtern Ionentransport [261].

Nanocellulose-basiertes Papier für elektronische Geräte

Nanocellulose-basiertes Papier ist grüner Substrat für elektronische und optoelektronische Geräte. Kommerzielles Papier hat relativ raue Oberfläche und schwache mechanische Eigenschaften, problematisch für Elektronikfertigung [269]. Die meisten Elektronikgeräte nutzen nicht-biologisch abbaubare, nicht-recycelbare Substrate (Kunststoffe, Glas, Silikone) [270]. Nanocellulose-Papier aus NFC via einfacher Filtration ergibt mechanisch festes Papier mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten – Alternative zu kommerziellem Papier [6, 269]. Laut Li und Lee [270] wurde transparentes Nanocellulose-Papier für elektronische Geräte entwickelt und angewendet für electrochromic, Touch-Sensor, Solarzellen, Transistoren, OLEDs, Gravurdruck-Proof, RFID.

Anwendung transparenter Nanocellulose-Papiere: flexible Elektronik durch Direktdruck von Schaltkreisen auf Substratoberfläche via Beschichtung oder thermischer Abscheidung. Zunächst Fertigung auf speziellem Silizium-Wafer zur Freigabe von Silizium-Nanomembranen (Si NMs), Transfer auf NFC-Substrat mit Klebeschicht, Fertigstellung via Photoresist-Patterning und Trockenätzen (Abb. 4) [271].

Schematische Illustration generalisierter Fertigungswege zu nanocellulose-basierten leitfähigen Hybriden. Quelle: Du et al. [237]. Mit Genehmigung von Elsevier wiedergegeben.

Zudem ist NFC Hauptsubstrat für OLEDs (Abb. 5). Okahisa et al. [272] berichteten über OLED-Gerät auf holzbasiertem NFC-Komposit.

Filtrationsverfahren zur Herstellung nanocellulose-basierter Komposit-Membran [Superkondensator (SC)]. Quelle: Hsu und Zhong [244].

Potenzial nanocellulose-basierter Komposite für Sensorentwicklung

Nanocellulose wurde breit für neuartige Sensoren und Sensitivitätssteigerung genutzt. In der Lebensmittelindustrie sind Sensoren wichtiges Werkzeug zum Schutz vor Gesundheitsrisiken durch Kontaminanten. Sensoren identifizieren schnell Mykotoxine, Pathogene, Schwermetalle, Pestizide, Metallionen u. a. in Lebensmitteln. Sensortechnik überwindet komplizierte, arbeitsintensive, zeitaufwändige Prozesse mit teuren Geräten und geschultem Personal [273, 274]. Sensoren bieten schnelle, empfindliche Lebensmittelsicherheitsdetektion.

Im letzten Jahrzehnt wurden zahlreiche Sensoren (elektrochemische, Biosensoren, chemische Sensoren) als alternative oder komplementäre Detektionswerkzeuge für schnelle, empfindliche Detektion entwickelt [275–277]. Konventionelle Sensoren basierten auf Kunststoffen, petrochemischen Produkten, anorganischen Materialien – Umweltprobleme. Themen wie Treibhausgasemissionen, Toxizität, Nachhaltigkeit nehmen zu. Daher steigt Nachfrage nach nachhaltigen Sensorggeräten rapide.

Nanocellulose aus Pflanzen und Bakterien zeigt vielversprechendes Potenzial durch exzellente physikalische, thermische, mechanische, optische Eigenschaften – wichtig für Hochleistungssensoren. Diese Eigenschaften machen Nanocellulose zu bevorzugtem Biomaterial, da es Selektivität und Empfindlichkeit für Analyt-Detektion erhöht. Haftungseigenschaften verhindern Auswaschungsprobleme immobilisierter Reagenzien – bemerkenswerte Verbesserung der Langzeitstabilität. Hydroxylgruppen auf Nanocellulose können für Bindungsstellen zur selektiven Adsorption verschiedener Analyten modifiziert werden [278]. Kombination dieser Eigenschaften macht nanostrukturierte Nanocellulosefasern zu idealem Baustein für Konjugation mit anderen Funktionsmaterialien [248, 279, 280] (Tabelle 6).

Entwicklung von Biosensoren

Kim et al. [286] immobilisierten Enzyme Candida rugosa Lipase in verschiedenen Zellulose-Nanokristallen. Enzymabsorption auf Nanocellulose war signifikant höher als auf Mikrozellulose – zurückzuführen auf große Oberfläche und erhöhte ionische Interaktion zwischen anionischen Nanocellulose-Gruppen und Lipase. Halbwertszeit der immobilisierten Lipase stieg 27-fach gegenüber freier Form; Enzymstabilität erhöhte sich (Abb. 6).

Flexible Elektronik-Produktionsprozess auf NFC-Substrat. Quelle: Sabo et al. [271].

Edwards et al. [287] untersuchten kinetische Profile von Tri- und Tetrapeptid-Substraten von Elastase für Elastase-Biosensor (humanes Neutrophil-Elastase HNE, porzines Pankreas-Elastase PPE). Immobilisierte Tri- und Tetrapeptide in Baumwoll-Zellulose-Nanokristallen: 2 mg Tripeptid-konjugiertes NCC in 1 h detektierte 0,03 U mL⁻¹ PPE; 0,2 mL Tetrapeptid-konjugiertes NCC in 15 min detektierte 0,05 U mL⁻¹ HNE-Aktivität. Incani et al. [288] fertigten Biosensor durch Immobilisierung Glucoseoxidase (GOx) in Nanocellulose/Polyethylenimin (PEI)/Gold-Nanopartikel (AuNPs) Nanokomposit. AuNPs adsorbierten auf kationischem PEI und Nanocellulose. FTIR-Spektren bestätigten erfolgreiche GOx-Immobilisierung auf Polymerkomposit (Abb. 7).

Flexibles Display (OLEDs) auf NFC-Substrat (a, Quelle: Okahisa et al. [272]), flexible Elektronik auf NFC-Substrat (b, Quelle: Sabo et al. [271]). Mit Genehmigung von Elsevier wiedergegeben.

Abd Manan et al. [289] entwickelten Biosensor basierend auf NCC/Cadmiumsulfid (CdS) Quantenpunkten (QDs) Nanokomposit für Phenolbestimmung. NCC wurde mit kationischem Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) modifiziert und mit 3-Mercaptopropionsäure (MPA) gekappten CdS QDs als Gerüst für Tyrosinase (Tyr) Immobilisierung dekoriert. TEM-Bilder von NCC und CTAB-NCC (Abb. 8a, b) zeigen: agglomerierte Borstenstruktur von NCC unbeeinflusst durch Modifikation; MPA QDs kugelförmig (Abb. 8c). FESEM von CTAB-NCC-Nanostrukturfilm (Abb. 8d) zeigte homogene, gleichmäßige, dichte faserige Aggregate; CTAB-NCC/QDs Nanokompositfilm (Abb. 8e): CdS QDs als winzige weiße Punkte. EDX-Analyse bestätigte Elemente C, O, S, Cd – CdS QDs erfolgreich in CTAB-NCC-Film eingebunden. Test gegen Phenol: Biosensor zeigte gute Linearität im Bereich 5–40 µM (R² = 0,9904) mit Empfindlichkeit 0,078 µA/µM und Nachweisgrenze 0,082 µM.

TEM-Bilder: a) NCC, b) CTAB-NCC, c) MPA-QDs; FESEM: d) CTAB-NCC-Nanostrukturfilm, e) CTAB-NCC/QDs-Nanokompositfilm; EDX: f) CTAB-NCC-Nanostrukturfilm, g) CTAB-NCC/QDs-Nanokompositfilm. Quelle: Abd Manan et al. [289]. Mit Genehmigung von Elsevier wiedergegeben.

In der Lebensmittelindustrie überwachen Sensoren Qualität und Frische. Moradi et al. [290] entwickelten pH-Sensorindikator basierend auf bakteriellen Zellulosenanofasern für Fischfrische-Monitoring. Karottenanthocyane als Indikator. Sensor zeigte breite Farbunterschiede von Rot zu Grau im pH 2–11. Farbänderungen unterscheidbar: tiefes Karmesin = frischer Fisch, charmantes Rosa = sofort verzehrfertig, Gelee-Bohnen-Blau und Khaki = verdorbener Fisch.

Entwicklung chemischer Sensoren

Nanocellulose-Hydrogel-Struktur wurde genutzt, um Schwefel-Stickstoff-co-dotierte Graphen-Quantenpunkte als kostengünstigen Sensor für Laccase-Enzym zu immobilisieren [291]. Laccase (Multikupfer-Oxidase) katalysiert monoelektronische Oxidation aromatischer Verbindungen und aliphatischer Amine – genutzt in Entfärbungs- und Färbeprodukten [292, 293]. Monitoring von Laccase-Aktivität in kommerziellen Produkten ist von großem Interesse. Studie fand: Schwefel-Stickstoff-co-dotierte Graphen-Quantenpunkte selbstorganisiert via elektrostatische Wechselwirkungen.

Faham et al. [294] entwickelten nanocellulose-basiertes colorimetrisches Assay-Kit für Smartphone-Detektion von Eisen Fe(II) und Eisen-chelatierendem Deferoxamin (DFO) in Bioflüssigkeiten. Curcumin in transparentes bakterielles Zellulose-Nanopapier eingebettet als colorimetrisches Assay-Kit. Kit nutzbar für Monitoring von Eisen und Deferoxamin in Urin, Blut, Speichel, Serum. Einfache Kopplung mit Smartphone-Technologie für colorimetrisches Monitoring.

Entwicklung elektrochemischer Sensoren

Burrs et al. [295] demonstrierten elektrochemischen Biosensor basierend auf Glucose für Detektion pathogener Bakterien. Leitfähiges Papier für elektrochemischen Sensor aus Graphen-Nanocellulose-Komposit. Platin wurde auf Graphen-Zellulose-Komposit via gepulster Sonoelektrodenabscheidung abgeschieden [296]. Sensor durch Funktionalisierung von Nanoplatin mit Glucoseoxidase (GO_x) in Chitosan-Hydrogel auf leitfähigem Papier. Sensor extrem effizient für elektrochemisches Biosensing mit niedriger Nachweisgrenze für Glucose/pathogene Bakterien.

Ortolani et al. [297] entwickelten elektrochemisches Sensorgeät mit Nanocellulose und einwandigen Kohlenstoff-Nanohörnern (SWCNH) für Guanin- und Adenin-Bestimmung. Beide Materialien: große Oberfläche, gute Leitfähigkeit, hohe Porosität, chemische Stabilität. Sensor zeigte hohe Empfindlichkeit und elektrokatalytische Aktivität für simultane Guanin/Adenin-Bestimmung, niedrigere Nachweisgrenze. Shalauddin et al. [298] nutzten hybrides Nanocellulose/funktionalisierte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (f-MWCNT) für elektrochemischen Sensor. Detektion von Diclofenac-Natrium in Pharmazeutika und Bioflüssigkeiten. Hydroxylgruppen in Nanocellulose boten mehr Bindungsstellen für verschiedene Analyten, was axiale Modul-Umlagerung und f-MWCNT-Einbindung sicherte.

Toxizität von Nanomaterialien

Obwohl Nanomaterialien viele Potenziale für Industriesektoren bieten, dürfen potenzielle Gefahren für Mensch und Umwelt nicht übersehen werden [299]. Sicherheit/Toxizität muss durch umfassende Studien aus verschiedenen Blickwinkeln adressiert werden. Nanotoxizität lässt sich klassifizieren in: oxidativer Stress, Genotoxizität, Ökotoxizität. Beim Menschen kann Toxizität über pulmonale, orale, dermale Wege auftreten. Nanomaterialien wirken hauptsächlich bei Extraktion/Produktion, Handhabung, Nutzung, Entsorgung. Anorganische Nanopartikel (NPs) wie ZnO und Nickeloxid (NiO) gelten als toxischer als organische Nanomaterialien wie Nanocellulose. Verdaute organische NPs induzieren weniger Toxizität, da Verdauungsprodukte durch Magensäure einfache Zucker sind; bei Nanocellulose fehlt im menschlichen Darm Enzym zur Zellulosedegradation, sodass Zellulose den Darm zügig passiert. Eine 90-tägige subchronische Toxizitätsstudie an Sprague-Dawley-Ratten [300] zeigte: keine systemische Toxizität bei 4 % diätetischem Verzehr fibrillierter Zellulose. Höhere Konzentration 30 % NFC über 72 Wochen zeigte ebenfalls keine nachteiligen Effekte. In Luft können Nanopartikel Gesundheit schädigen [301]. Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) sind vermutlich am besten auf Toxizität untersucht. Poulsen et al. [302] fanden: sowohl dicke/long als auch dünne/kurze MWCNT induzierten genotoxisches Potenzial und langanhaltende Entzündung, können Herz-Kreislauf-Erkrankungen auslösen. Im Gegensatz dazu zeigte Inhalationstoxizitätsstudie an NCC an Albinoratten keine unerwünschten Effekte bei max. 0,26 mg/L für 4 Stunden [303]. Auf Zellebene wurde Zytotoxizität von NCC an verschiedenen Zelltypen untersucht: meist nicht-toxisch für Säugetierzellen bei Konzentrationen < 0,25 mg/L, aber zytotoxisch bei ≥ 0,5 mg/L [304–309]. Primäre Nanogenotoxizität: Möglichkeit, dass NPs oder Abbauprodukte DNS direkt/indirekt schädigen. Sekundäre Genotoxizität durch Immunsysteminteraktion auf NP-Störungen. Akerlund et al. [310]: anorganische NPs Ni und NiO induzierten Zytokin-Entzündungen, führten zu sekundärer Genotoxizität in menschlichen Lungenepithelzellen. Weitere Untersuchung nötig zu Faktoren und ob andere NPs ähnliche Effekte zeigen.

Nano-TiO₂ in Holzschichten zeigte geringe Toxizität für terrestrische Organismen, keine Bioakkumulation [311]. Studie zu Ceriumoxid (CeO₂) NPs: keine akute Toxizität für Daphnia magna, Thamnocephalus platyurus, D. rerio Embryonen bei 1000, 5000, 200 mg/L. Doch signifikante chronische Toxizität für P. subcapitata mit EC10 zwischen 2,6 und 5,4 mg/L [312]. Pulido-Reyes et al. [313]: Redox-Cycling zwischen Ce³⁺ und Ce⁴⁺ ist einzigartige Chemie von Nanceria, abhängig von Umweltbedingungen. Oberflächen-Ce³⁺ korreliert mit Toxizität; Blockierung von Ce³⁺-Stellen mit Anionen wie Phosphaten (PO₄³⁻) reduziert reaktive Sauerstoffspezies und oxidativen Stress. Während/Nach Entsorgung können NPs mit Umwelt interagieren (Boden, Gewässer). Oxidativer Stress oder Kohlenstoff-NP-induzierte Toxizität ist primär besorgniserregend, da Sauerstoffbilanz beeinflusst wird. Wang et al. [314]: NCC aktivierte oxidativen Stress in aquatischen Organismen (Scenedesmus obliquus Algen, Daphnia magna, Danio rerio Larven) bei > 0,1 mg/L. NCC-Form, Morphologie, Konzentration sind beitragende Faktoren – ökotoxikologische Auswirkungen bei großskaliger Nutzung evaluieren. Methode zur Reduktion unerwünschter Umwelteffekte: Mechanismus zur Erfassung, Retention, Recycling von NPs während Verarbeitung. Magnetische NPs (z. B. Magnetit) [315] oder Oberflächenmodifikation. Fast alle Toxizitätsstudien empfehlen mehr Forschung zu analytischen Techniken/Protokollen für Detektion organischer NPs in biologischen Matrizen sowie mechanistischen und Umweltuntersuchungen zu potenziellen NP-Risiken im Ökosystem [301, 302, 310, 316].

Schlussfolgerungen

Das Potenzial der Nanotechnologie im Holzwerkstoffsektor ist enorm. Nanotechnologie bietet die Chance, die Landschaft der Holzwerkstoffindustrie lokal und global zu verändern. Der Wald selbst, über Plantagen, kann nachhaltige Quellen für die neue Zellulosegeneration Nanocellulose liefern, die vielfältige Anwendungen in diversen Industriezweigen bietet. Nanocellulose ist günstiger als Kohlenstoffmaterialien (CNT, Graphen), umweltfreundlich und kann Recyclingfähigkeit und Leistung zahlloser Produkte verbessern. Beispiel: Nanocellulose verbessert Papierleistung und reduziert Zellstoffeinsatz – Kosteneinsparung. Nanocellulose zu Nanopapier oder Dünnfilm für Papierverpackung oder andere Sektoren wie Elektronik – Alternative zu nicht-erneuerbarem Kunststoff. Nanocellulose in Holzwerkstoffen führt zu fortschrittlichen Kompositen, anpassbar für spezifische Anwendungen. Festigkeitseigenschaften und Erschwinglichkeit machen sie zu gangbarer Lösung zur Reduktion Massivholzbedarf. Andere Industriesektoren profitieren ebenfalls: Energiespeicher, Sensoren. Diverse nanocellulose-basierte Produkte für Energiespeicherung, Energieernte, Sensoren wurden im Labormaßstab entwickelt. Angesichts dieser Entwicklung hat Malaysia die Nanocellulose-Produktion aus tropischen lignocellulosischen Materialien begonnen. Leider ist kommerzielle Nanocellulose-Anwendung in Malaysia noch nicht existent. Es bedarf kollektiver, konzertierter, intensiver Anstrengungen von Stakeholdern, Industrie und Forschern, um Nanocellulose-Nutzung zu fördern und nächste Anwendungs- und Kommerzialisierungsstufe zu erreichen. Der Einsatz nanoskaliger Materialien neben Nanocellulose hat bereits Vorteile für Holzwerkstoffbereiche gebracht: Zellstoff/Papier, Holzwerkstoffe, Holzschichten, Holzschutzmittel.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien sind ohne Einschränkung verfügbar.

Abkürzungen

AgNPs:

Silbernanopartikel

Al₂O₃:

Aluminiumoxid

AuNPs:

Goldnanopartikel

BTZ:

Benzotriazol

C:

Kohlenstoff

CCA:

Chromat-Kupfer-Arsenat

Cd:

Cadmium

CdS:

Cadmiumsulfid

CeO₂:

Ceriumoxid

CH₂CHSi(OC₂H₅)₃:

Vinyltriethoxysilan

CMC:

Carboxymethylcellulose

CNT:

Kohlenstoffnanoröhren

CO₂:

Kohlenstoffdioxid

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromid

CTAB-NCC:

Cetyltrimethylammoniumbromid-nanokristalline Zellulose

CWA:

Rizinusöl-basiertes wasserbasiertes Acrylat

DFO:

Deferoxamin-Wirkstoff

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

f-MWCNTs:

Funktionalisierte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarot

GOx:

Glucoseoxidase

HALS:

Gehinderte Amin-Lichtstabilisatoren

HNE:

Humanes Neutrophil-Elastase

ISE:

Anorganischer Festkörperelektrolyt

LDH:

Schichtdoppelhoxid

LIBs:

Lithium-Ionen-Batterie

LiTFSI:

Bis(trifluormethansulfonyl)imid-Lithiumsalz

L-NCC:

Lignin-beschichtete nanokristalline Zellulose

MC:

Feuchtegehalt

Mg–Al LDH:

Magnesium-Aluminium-Schichtdoppelhoxid

MPA:

3-Mercaptopropionsäure

MUF:

Melamin-Harnstoff-Formaldehyd

MWCNT:

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre

NCC:

Nanokristalline Zellulose

NFC:

Nanofibrillierte Zellulose

Ni:

Nickel

NiO:

Nickeloxid

NPs:

Nanopartikel

NW:

Nanowollastonit

O:

Sauerstoff

OH:

Hydroxyl

OLEDs:

Organische Leuchtdioden

PA:

Polyamid

PCL:

Polycaprolacton

PCP:

Pentachlorphenol

PDMS:

Polydimethylsiloxan

PE:

Polyethylen

PEG:

Poly(ethylenglycol)

PEO:

Polyethylenoxid

PHB:

Poly(3-hydroxybutyrat-co-4-hydroxybutyrat)

PHRR:

Spitzenwärmefreisetzungsrate

PLA:

Polymilchsäure

PMC:

Perfluoroalkyl-methacryl-Copolymer

PMMA:

Poly(methylmethacrylat)

PO₄³⁻:

Phosphate

POTS:

Perfluoroalkyltriethoxysilan

PP:

Polypropylen

PPE:

Porzines Pankreas-Elastase

PPG:

Propylenglycol

PS:

Polystyrol

PSU:

Polysulfon

PU:

Polyurethan

PV:

Photovoltaik

QDs:

Quantenpunkte

RFID:

Radiofrequenzidentifikation

S:

Schwefel

SC:

Superkondensator

Si NMs:

Silizium-Nanomembranen

SiO₂:

Siliciumoxid

SPE:

Fester Polymerelektrolyt

SPI:

Sojaeiweißisolat

SWCNH:

Einwandige Kohlenstoff-Nanohörner

TBOT:

Tetrabutyltitanat

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TEMPO:

2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl

Ti(OC4H9)4:

Tetrabutyltitanat

TiO₂:

Titandioxid

TMI-BNT:

Transitionsmetallionen-modifizierter Bentonit

TNFC:

TEMPO-oxidierte nanofibrillierte Zellulose

Tyr:

Tyrosinase

UF:

Harnstoff-Formaldehyd

UP:

Ungesättigtes Polyester

UV:

Ultraviolett

VRFBs:

Vanadium-Redox-Flow-Batterien

VTES:

Vinyltriethoxysilan

WPU:

Wasserbasiertes Polyurethan-Beschichtung

WUV:

Wasserbasiert

Zn-Al LDH:

Zink-Aluminium-Schichtdoppelhoxid

ZnO:

Zinkoxid

ZnSt₂:

Zinkstearat

ZnSt₂/WUV:

Zinkstearat/wasserbasiert UV