Ved är ett naturligt "kompositmaterial" som består av cellulosa, hemicellulosa och lignin. Det är starkt, flexibelt och lättarbetat. I pappersmassan vill man dock endaståt cellulosan. Ligninet, som binder fibrerna till varandra löser man ut och hemicellulosan förstörs i processen.
Nu vill forskare på BiMaC vid KTH i Stockholm skapa helt nya nanomaterial i klass med kevlarkompositer, av pappersmassan. Material vars egenskaper kan skräddarsys för att passa för en mängd olika tillämpningar inom bl a medicin-, IT- och fordonsindustrin.
Nu vill forskare på BiMaC vid KTH i Stockholm skapa helt nya nanomaterial i klass med kevlarkompositer, av pappersmassan. Material vars egenskaper kan skräddarsys för att passa för en mängd olika tillämpningar inom bl a medicin-, IT- och fordonsindustrin.
nyheter
Nanoteknik gör supermaterial av pappersmassa
Lars Berglund, vid BiMaC på KTH i Stockholm forskar
kring hur nanoteknologin kan användas för att skapa
nya supermaterial av träfiberråvaran.
Svenska forskare arbetar nu med att ge träråvaran helt nya egenskaper. Till sin hjälp har de det senaste inom materialforskningen – nanoteknologin.
Inom några år finns det högpresterande material i avancerade elektronikprodukter, bilar, flygplan och i medicinska ”ersättningsdelar” som skapats ur pappersmassa.
De nya materialen får en hållfasthet i klass med kevlarfiberkompositer, men är samtidigt lätta, miljövänliga och inte minst – billiga.
Kompositmaterial innebär att man kombinerar två material för att få ett nytt som äger båda ursprungsmaterialens bästa egenskaper. Till exempel har man länge kombinerat plast med glasfibrer och fått det användbara materialet glasfiberarmerad plast. Det är starkt och ändå formbart. Traditionella kompositer har ofta använt råolja som bas.
Nya material som med
hjälp av nanoteknologin
kan komma att användas
såväl i avancerade medicinska tillämpningar som i
framtidens bilar. Här Volvos
XC 70 som i likhet med övriga volvobilar redan har en
del inredningsdetaljer i olika
biokompositer. Inga av dessa
är dock av det avancerade
slaget som man forskar kring
på BiMaC.
Förnybart och utan växthusgaser
Om man istället tillverkar nya kompositmaterial från råvaror som t ex cellulosa från träd eller stärkelse från majs eller potatis, får man biokompositer. Användningen av dessa leder inte till ökade koldioxidutsläpp och de har alltså förnybara råvarukällor. Dessutom är de biologiskt nedbrytbara och producerar därför inte någon rest som måste tas om hand efter användningen. Möjligheter till återvinning är också hög. För Sveriges del, är ytterligare en fördel att det är inhemska material med högt cellulosainnehåll.När idén kring biokompositer kombineras med den nya nanoteknologin får man material som kan skräddarsys för respektive användning – nanokompositer! Ett mycket hett forskningsfält inom materialforskningen just nu.
Strategisk forskning
Konstgjorda reservdelar till människan (nedan)
är något som kommer att bli allt viktigare inom
framtidens medicin. Vissa av de material som idag används, kan kanske
komma att ersättas av biologiskt
nedbrytbara produkter skapade
av cellulosabaserade nanokompositer.
framtidens medicin. Vissa av de material som idag används, kan kanske
komma att ersättas av biologiskt
nedbrytbara produkter skapade
av cellulosabaserade nanokompositer.
En av tre i världen
En av tre forskargrupper i världen som arbetar med cellulosabaserade nanokompositer, kallas Biofibre Materials Centre (BiMaC) och finns vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Där leder professor Lars Berglund arbetet med att forska fram helt nya och hittills oanade egenskaper ur något så vanligt som pappersmassa.Han och hans forskarkolleger är i färd med att lära sig hur man skapar nya material genom att ”plocka isär” träfibrerna i sina minsta beståndsdelar och sätta ihop dem igen. Då kan de fås att bilda helt nya material – nanokompositer – som med god marginal slår t ex glasfiberarmerad plast vad gäller t ex hållfasthet.
”Plocka isär” fibrerna
Cellulosafibrer är uppbyggda av individuella mikrofibriller och för att kunna använda dessa i nanokompositer är det önskvärt att kunna delaminera (öppna) cellulosafiberns cellvägg. Detta kan ske i sk spalthomogenisatorer, kulkvarnar och andra mekaniska anordningar. Processerna är energikrävande och man måste därför arbeta med ett batteri med olika strategier innefattande val av cellulosafibrer (kok/blekprocess), enzymatiska och mekaniska förbehandlingar, reologihjälpmedel, kemiska stabilisatorer mm.Kontrollera strukturen
Toyotas nya modell RAUM har många inredningsdetaljer i PLA.
– Fibrillerna som är 100 ggr längre än de är tjocka har många goda egenskaper. De är biologiskt nedbrytbara och de kan användas för att skapa kontrollerbara nya material med egenskaper som kan komponeras efter behoven. De ger bättre fuktegenskaper än de vanliga cellväggarna i trä.
– Nackdelar är att de precis som andra plaster är temperaturkänsliga. Dessutom är det än så länge svårt och dyrt både att plocka ut mikrofibrillerna och att lära sig kontrollera strukturen.
Avancerade tillämpningar
Användningsområden finns det gott om. Till en början kommer det främst röra sig om tilllämpningar av det mer avancerade slaget där det främst är prestanda som räknas eftersom det än så länge är dyrt och svårt att ta fram nanokompositer. Det kan t ex handla om membran med bestämda genomsläpplighetsegenskaper. Ett område, där de nya träfiberbaserade nanokompositerna kan få en stor betydelse, kallas humanmekanik och innebär en bearbetning av mänskliga reservdelar.Mänskliga reservdelar
Hittills har materialen här främst utgjorts av titan, aluminium och olika plastkompositer, men framgent är det inte osannolikt att cellulosa från den svenska skogsindustrin blir vanligt som råmaterial för de nya medicinska produkterna.Lars Berglund vill inte själv spekulera, men vi vet redan att mänskliga reservdelar kommer att vara ett mycket viktigt inslag i morgondagens medicin. Här finns det stora fördelar med lätta och starka material som inte stöts ut av kroppen utan bryts ned under kontrollerade former.
Artificiell hud och membran
Det kan t ex röra sig om dental- och höftimplantat eller andra implantat inom den ortopediska kirurgin, men också artificiell hud, och artificiella ögonlinsmaterial, filter för njurar, hjärtklaffar, med flera kardiovaskulära implantat. Fördelen med nanokompositerna är att de skall kunna skräddarsys efter behoven. I ena fallet kan det handla om en semipermeabel film, i ett annat fall kanske man behöver ett material med stor hållfasthet och låg vikt. En stor vinst är om man kan t ex förstärka ett benbrott med en skruv, balk eller spik som när benet läker själv försvinner och tas upp av kroppen.– Det är väldigt spännande, säger Lars Magnus Bjursten professor i bioimplantatforskning vid medicinska fakulteten, Lunds Universitet. Han forskar bl a kring hur biomaterial fungerar i människokroppen. – Jag kan exempelvis tänka mig användning inom tissue engineering. Där kan nanokompositen fungera som ställning för att bygga vävnader i organ med komplexa strukturer, t ex i levern.
Hur bryts materialen ned?
– Det som är viktigt för oss att veta är hur materialet bryts ned, inte bara tidsmässigt utan även vad som blir restprodukterna, säger han.– Någon gång kollapsar biomaterialet och det gäller att ha god kontroll över dessa processer.
Peter Thomsen, professor på avdelningen för biomaterialvetenskap vid Institutionen för anatomi och cellbiologi på Göteborgs Universitet är också intresserad av de nya supermaterialen.
– Det är allt viktigare att kunna skräddarsy material idag. Att vi nu utöver keramer och metaller får en ny polymer att arbeta med är väldigt intressant. Men Peter Thomsen betonar att nya kommersiella tillämpningar knappast kan komma på marknaden för än tidigast om tio år.
Plast av majsstärkelse
Hittillsvarande försök med PLA-baserade kompositer (poly lactic acid – mjölksyror baserade på fermentering av stärkelse och socker i t ex majs och sötpotatis) har än så länge inte visat sig praktiskt användbara. Kanske kan de nya cellulosabaserade nanokompositerna ge PLA materialen rätt prestanda.Efterhand när priserna på de nya materialen sjunkit, kommer även en av de största ”utvecklingsmotorerna” – bilindustrin – att efterfråga de nya nanokompositerna. Då handlar det om detaljer och produkter där hög hållfasthet och fullständig återvinningsbarhet är centrala.
90% återvinns av bilen
– Vi går mot krav på en återvinning av bildelar på 80-90 procent. Då kommer problemen inom kort att ställas på sin spets. Materialen i bilar och andra produkter måste vara återvinningsbara och komma från förnybara råvarukällor, säger Lars Berglund på BiMaC.Exempelvis har Toyota, världens största biltillverkare, sedan flera år arbetat med att ersätta vanliga oljebaserade plaster i tillverkningen. De ska ersättas med produkter av bionedbrytningsbara material som t ex PLA. Ett bilinredningsmaterial som nyligen introducerades i produktionen kallas Ecodear och kommer från Toyotas samarbetsföretag Toray. Där har man lyckats övervinna nackdelarna med tidigare PLA-material och Ecodear har fått avgjort förbättrade fukt- och värmeegenskaper.
Även Volvo Personvagnar har ett visst inslag av biokompositmaterial, t ex i dörrpanelerna till Volvo C 70 och som dämpningsmaterial i t ex XC 70 med flera nyare modeller.
– Vi utreder nu möjligheterna att ta fram andra förnyelsebara kompositmaterial till våra bilar - i första hand soja- och mjölksyrebaserade, säger presstalesmannen Christer Gustavson vid Volvo Personvagnar i Göteborg. Om vi kommer att använda dessa typer av material beror på kvalitets-, leverans- och miljöaspekter, fortsätter han.
Datorchassi i biokomposit
Tillsammans med elektronikgiganten Fujitsu Siemens, lanserades i januari i år det första PLA-baserade skalet till bärbara datorer. Datorn lanseras i vår och de nya biokompositerna har drivits fram av de stenhårda japanska miljölagarna. Den japanska polymerkoncernen Toray, (omsättning 2004, ca 65 miljarder kr) beräknar att sälja sina PLA-kompositer för en halv miljard kronor i år.Även om man idag inom bilindustrin inte använder sig av cellulosabaserade nanokompositer, visar det att intresset är stort för miljövänliga och högpresterande material inom bilindustrin. Nanokompositerna höjer nivån ytterligare flera steg jämfört med dessa, något mer traditionellt framställda, biomaterial.
Fakta BiMaC
Biofibre Materials Centre – BiMaC bildades 2002. Visionen är att skapa nya och förbättrade träfiberbaserade produkter genom bl a att använda nya ytmodifieringsteknologier. Pengar kommer från främst Skogsindustrierna som satsat 60 mkr.Text och foto: Mikael Falk
Till toppen
Vidare i SkogsVärden 