Aplikasi Nanoteknologi dalam Industri Produk Berbasis Kayu: Tinjauan Komprehensif

Abstrak

Industri berbasis kayu adalah salah satu penggerak utama pertumbuhan ekonomi di Malaysia. Hutan sebagai sumber berbagai bahan lignoselulosa memiliki banyak potensi yang belum tergali yang dapat dieksploitasi untuk menghasilkan bahan nanosized berkelanjutan dan terurai yang memiliki fitur yang sangat menarik untuk digunakan di industri berbasis kayu itu sendiri atau di banyak bidang aplikasi yang berbeda. Sektor produk berbasis kayu juga dapat memanfaatkan berbagai nanomaterial yang tersedia dengan mudah untuk meningkatkan performa produk yang ada atau untuk menciptakan produk nilai tambah baru dari hutan. Tinjauan ini menyoroti perkembangan terbaru dalam aplikasi nanoteknologi di industri produk berbasis kayu.

Pendahuluan

Nanoteknologi didefinisikan sebagai manipulasi materi antara 1 dan 100 nm. Nanoteknologi adalah bidang multidisiplin yang menggabungkan ilmu pengetahuan dan teknologi dengan tujuan untuk mengembangkan materi baru dan yang ditingkatkan dengan fungsi, properti fisik dan kimia yang signifikan [1, 2]. Materi pada skala ini memiliki properti unik dibandingkan dengan materi yang sama pada dimensi yang lebih tinggi [3]. Untuk alasan ini, berbagai aplikasi inovatif melalui nanoteknologi dapat dieksplorasi dalam banyak disiplin ilmu.

Bukan hanya sebagai pengaktif teknologi, nanoteknologi juga dapat menjadi penggerak menuju pencapaian pertumbuhan ekonomi nasional. Industri produk hutan di Malaysia menyumbang sekitar RM22,5 miliar nilai eksport pada 2019 [4]. Produk kayu yang diekspor dari Malaysia termasuk kayu rawa, furnir, plywood, dan cetakan. Industri berbasis kayu di Malaysia memiliki kesempatan untuk sepenuhnya memanfaatkan nanoteknologi untuk keuntungan sendiri. Penting bagi upaya untuk menerapkan nanoteknologi di industri berbasis kayu terutama di Malaysia didukung dan diberikan perhatian untuk menstabilkan dan menambah nilai pada produk kayu yang ada yang pada akhirnya akan meningkatkan pertumbuhan ekonomi di arena ini.

Kenyataan bahwa hutan memainkan peran penting bagi peradaban selama bertahun-tahun tidak dapat diabaikan karena telah menjadi sumber bahan lignoselulosa untuk eksploitasi dan pengembangan produk yang berbeda. Sebagaimana diketahui, produk kayu telah lama tersedia dalam masyarakat dalam bentuk kayu balok, mebel, kertas dan banyak materi fungsional lainnya [5, 6]. Aplikasi nanoteknologi di sektor kehutanan khususnya dalam produk hutan atau produk berbasis kayu memerlukan perhatian dari semua pemain dan pemangku kepentingan terkait. Pemanfaatan nanoteknologi dapat menghasilkan produk berbasis kayu yang lebih kuat, multifungsi namun lebih ringan [3]. Produk hutan tradisional seperti pulp dan kertas, komposit kayu, lapisan kayu, dan pelindung kayu dapat diperluas atau ditransformasikan menjadi produk baru atau nilai tambah untuk menemukan aplikasi yang lebih luas dan/atau lebih maju [5].

Dalam tinjauan ini, aplikasi nanoteknologi di industri produk berbasis kayu dapat dibagi menjadi dua [2] jalur:

1. Derivasi nanomaterial dari hutan

   Kesetimbangan yang meningkat terhadap lingkungan telah memicu kebutuhan besar untuk memperkenalkan bahan nanosized berkelanjutan dan terurai. Bahan baru ini disebut nanocelulosa dapat diproduksi dari sumber hutan dengan cara yang aman dan berkelanjutan. Kelimpahan bahan lignoselulosa dari hutan telah menciptakan lonjakan minat untuk mengonversi selulosa menjadi nanocelulosa. Nanocelulosa terutama adalah selulosa pada tingkat molekuler yang memiliki beberapa fitur utama seperti kekuatan dan kekakuan tinggi, rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi, respons elektromagnetik, dan luas permukaan yang besar [5, 7,8,9]. Karakteristik luar biasa dari bahan ini menawarkan potensi aplikasi yang besar di luar industri produk hutan itu sendiri. Di bidang produk berbasis kayu, ia dapat digunakan sebagai agen penguat dalam pulp dan kertas atau komposit kayu atau sebagai bahan lapisan dalam lapisan kayu [10,11,12]. Karena kemampuan serbaguna, nanocelulosa dapat digunakan sebagai salah satu komponen (sebagai substrat, stabilisator, elektroda) untuk sektor non-produk hutan seperti elektronik, sensor, baterai, makanan, farmasi dan kosmetik [5, 13].

2. Penggunaan nanomaterial untuk produk berbasis kayu

   Nanomaterial dapat digunakan untuk meningkatkan produk berbasis kayu yang ada dalam hal fungsionalitasnya. Misalnya, penggunaan nanomaterial dalam lapisan kayu seperti nanozink oksida atau nanotitanium oksida dapat meningkatkan fungsionalitas kayu dalam hal daya tahan, resistensi api dan penyerapan UV serta penurunan penyerapan air [14,15,16]. Di sisi lain, aplikasi nanoenkapsulasi dalam pelindung kayu [17, 18] dapat meningkatkan impregnasi kayu dengan pestisida dengan memastikan bahwa kimia dapat menembus lebih dalam ke dalam kayu, sehingga mengurangi masalah peluasan berlebihan [19]. Ini meningkatkan daya tahan kayu yang dirawat terhadap agen biodegradasi.

Sejumlah artikel tinjauan tentang aplikasi nanoteknologi di kehutanan dan produk hutan telah diterbitkan [20, 21]. Artikel oleh McCrank [21] memberikan gambaran umum tentang aplikasi nanoteknologi di sektor kehutanan, sedangkan Moon et al. [20] membahas lebih banyak tentang nanoindentation. Se pengetahuan penulis, terdapat publikasi terbatas tentang topik ini khususnya yang mencakup sektor terpilih industri berbasis kayu. Tinjauan ini akan memberikan sorotan tentang perkembangan terbaru aplikasi nanoteknologi pada sektor berbasis kayu yang dipilih, yaitu pulp dan kertas, komposit kayu, lapisan kayu dan daya tahan kayu. Selain itu, beberapa aplikasi potensial nanocelulosa sebagai generasi baru selulosa dalam industri produk berbasis kayu juga disoroti di bidang energi dan sensor.

Aplikasi

Pulp dan Kertas

Produksi kertas dan karton di seluruh dunia setiap tahunnya lebih dari 400 juta ton [22]. Ini menunjukkan bahwa era digital saat ini tidak menghentikan penggunaan produk kertas yang berkelanjutan dalam masyarakat. Namun, permintaan yang meningkat terutama untuk berbagai produk kemasan [23]. Kenaikan ini mungkin didorong oleh perubahan preferensi konsumen atas belanja online dan peningkatan e-commerce yang memberikan kenyamanan untuk berbelanja dari kenyamanan rumah dan memiliki produk yang dikirimkan dengan aman kepada penerima yang dimaksud.

Kertas dibuat dari bahan lignoselulosa yang telah melalui serangkaian pengolahan primer, perawatan, pembuatan kertas, pengeringan dan pelapisan. Tahap pembuatan kertas adalah tempat semua pencampuran pulp dan aditif ditambahkan dan disesuaikan untuk produk akhir yang berbeda. Nanoteknologi diterapkan di pulp dan kertas dalam bentuk nanomaterial atau nanoaditif. Misalnya, sumber hutan atau lebih tepatnya bahan lignoselulosa dapat dieksploitasi untuk mengekstrak blok bangunan nanosized atau dikenal sebagai nanocelulosa yang berfungsi sebagai unit penguat untuk memberikan kekuatan mekanik unik, fungsionalitas dan fleksibilitas [5]. Generasi baru selulosa ini diproduksi melalui delaminasi dinding sel untuk mendapatkan nanofibrila atau dengan ekstraksi selulosa kristal pada skala nano. Nanocelulosa ditambahkan ke pembuatan kertas terutama untuk meningkatkan kekuatan kertas. Nanomaterial lain yang digunakan selama proses produksi kertas termasuk nanosilika, nanozeolite dan lain-lain [22]. Penggabungan nanomaterial atau nanoaditif di industri kertas dapat membantu meningkatkan performa produk kertas.

Aditif utama yang digunakan atau yang berpotensi digunakan di industri pulp dan kertas dibahas dalam bagian-bagian berikut.

Nanocelulosa sebagai Agen Kekuatan Basah atau Kering

Nanocelulosa telah banyak diteliti sebagai aditif penguat di bidang pulp dan kertas [24, 25]. Nanocelulosa mendapatkan minat yang luar biasa karena kelimpahan, ketersediaannya dan juga karena karakteristik menariknya seperti terurai, toksisitas rendah, properti mekanik dan optik yang baik, luas permukaan besar dan keberlanjutan [5, 7]. Nanocelulosa sebenarnya adalah selulosa pada dimensi nano yang dapat diisolasi dan dipersiapkan dari berbagai bahan lignoselulosa yang mencakup pulp kayu, tumbuhan non-kayu, kayu dan sisa pertanian, selulosa bakteri dan tunikata. Selulosa adalah senyawa linier dengan unit glukosa terhubung β-1,4 yang terdiri dari wilayah kristal dan amorf. Penggusuran domain amorf dari rantai selulosa menggunakan asam mineral mengarah pada isolasi selulosa kristal nano, sedangkan delaminasi dinding sel melalui aksi mekanis geser tinggi mengakibatkan pengurangan lebar selulosa sehingga membentuk selulosa nanofibrila. Keduanya kategori nanocelulosa adalah nanomaterial yang paling banyak diteliti di bidang pulp dan kertas untuk peningkatan produk. Selama dekade terakhir, banyak karya yang difokuskan pada persiapan nanofibrila selulosa (NFC) dan selulosa kristal nano (NCC) dari berbagai sumber tumbuhan. Gambar 1 menunjukkan citra selulosa kristal nano dan nanofibrila selulosa menggunakan mikroskop transmisi elektron (TEM).

Properti nanocelulosa bervariasi menurut metode persiapan dan sumber selulosa. Tabel 1 menunjukkan morfologi dan kristalin nanofibrila selulosa dan selulosa kristal nano.

Dari Selulosa ke Nanocelulosa

Nanofibrila selulosa adalah nanoaditif yang paling banyak diteliti dalam pembuatan kertas karena banyak karya yang telah dilaporkan [3, 25]. Nanofibrila selulosa disiapkan dengan menempatkan serat pada perlakuan geser mekanis selektif tinggi. Ada banyak metode dan kombinasi metode untuk menghasilkan nanofibrila selulosa. Homogenisasi dan mikrofluidisasi adalah teknik umum yang digunakan untuk persiapan nanofibrila selulosa yang melibatkan penyerapan serat ke dalam nozzle kecil di bawah tekanan tinggi untuk melalui berulang kali biasanya antara 10 dan 15 kali [32, 33]. Jenis perlakuan ini jika digunakan sendiri memerlukan konsumsi energi yang tinggi, oleh karena itu pre-tratasi dengan kimia seperti TEMPO (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil)-mediated oxidation [34], karboximetilasi atau enzim [35, 36] biasanya diperlukan untuk menghemat energi. Dengan menggunakan metode ini, nanofibrila selulosa dihasilkan sebagai hasil dari tingkat geser tinggi yang diinduksi oleh kecepatan dan gaya dari aliran fluida. Metode populer lainnya untuk menghasilkan nanofibrila selulosa adalah melalui metode gerinda. Mesin gerinda terdiri dari cakram batu statis dan berputar. Gaya geser yang dihasilkan oleh batu memecah dinding sel serat menjadi nanofibril individual. Untuk menghindari distribusi lebar yang luas menggunakan metode ini karena aglomerasi [37], para penulis merekomendasikan bahwa bahan baku perlu disimpan dalam air setelah proses pulping dan bleaching. Ini adalah untuk menghambat pembentukan jaringan ikatan hidrogen ketika dalam keadaan kering [37, 38]. Metode ultrasonikasi juga telah diteliti untuk menyiapkan nanofibre. Sonikasi melibatkan generasi gaya geser cavitational tinggi dari gelombang ultrasonik yang dapat memecah struktur sel serat [39]. Teknik sonikasi dikatakan menghasilkan nanofibre yang terdistribusi dengan baik dan stabil [3]. Selain itu, cryo-crushing juga dapat diterapkan untuk mengonversi serat asli menjadi nanofibre. Serat perlu dibeku menggunakan nitrogen cair diikuti oleh gaya geser tinggi. Gaya geser tinggi menimbulkan tekanan pada kristal es yang memaksa dinding sel untuk pecah dan melepaskan mikrofibril [40,41,42,43].

Selulosa kristal nano yang diekstrak dari selulosa asli biasanya disiapkan menggunakan hidrolisis asam. Metode lain yang melibatkan penggunaan kimia spesifik seperti TEMPO-mediated oxidation [44] dan cairan ionik [45] juga telah diteliti untuk persiapan nanocelulosa. Aplikasi enzim selulase juga telah dilaporkan [46, 47].

Selama hidrolisis asam, derajat polimerisasi selulosa menurun dengan cepat, tetapi stabilizing pada titik yang dikenal sebagai derajat polimerisasi level off [48]. Alasan perilaku ini mungkin disebabkan oleh wilayah amorf yang dengan cepat dihidrolisis oleh asam. Saat hidrolisis dimulai, asam lebih suka menyerang wilayah amorf karena volume besarnya dan menghidrolisis ikatan glikosidik yang mudah diakses [49]. Setelah menghidrolisis ikatan yang mudah diakses, hidrolisis lebih lanjut terjadi pada tingkat yang jauh lebih lambat di ujung reduksi rantai glukosa dan pada permukaan wilayah kristal [50]. Hidrolisis asam dipengaruhi oleh faktor seperti jenis asam, konsentrasi asam, suhu dan waktu [49, 51, 52]. Perubahan apa pun dalam konsentrasi asam, waktu hidrolisis dan kondisi suhu memiliki efek pada morfologi selulosa kristal nano. Misalnya, peningkatan waktu hidrolisis [53] dan konsentrasi asam [29] mengarah pada selulosa kristal nano yang lebih pendek, sedangkan suhu tinggi mengakibatkan konversi lengkap selulosa menjadi glukosa [50, 54, 55].

Penambahan nanocelulosa dalam pembuatan kertas menghasilkan kertas dengan performa yang lebih baik karena meningkatkan kekuatan kertas [56, 57] dan densitas [58,59,60] dan juga mengurangi porositas [61]. Penambahan selulosa nanostruktur menghasilkan properti kertas yang serupa ditambah dengan serat yang dipukul [3, 25]. Secara teori, kekuatan kertas dapat ditingkatkan dengan inklusi agen kekuatan basah dan kering [24, 62], penambahan serat yang difungsikan [63] dan beating [64]. Peningkatan ini menghasilkan kemampuan ikatan serat [25]. Boufi et al. [25] mengusulkan mekanisme mungkin disebabkan oleh peningkatan area ikatan sebagai hasil dari nanocelulosa bertindak sebagai konektor antara serat yang mengarah pada ikatan serat-ke-serat. Selain itu, mungkin juga disebabkan oleh jaringan berbeda yang diciptakan dalam serat yang menghasilkan peningkatan kemampuan ikatan. Dengan panjang mikrometer nanocelulosa mereka dapat bertindak sebagai jembatan untuk menghubungkan serat tetangga yang mengarah pada jaringan yang lebih kuat [25]. Jaringan ikatan bersama yang diatribusikan oleh serat dan nanocelulosa meningkatkan kekuatan kertas.

Nanocelulosa sebagai nanoaditif meningkatkan ikatan internal yang mengarah pada peningkatan kekuatan tarik kering, penurunan permeabilitas udara dan opasitas, dan densitas yang lebih tinggi [3]. Sebagai bahan pada skala nano, nanocelulosa memiliki luas permukaan yang besar, dan oleh karena itu ikatan hidrogen dapat terbentuk secara lebih efektif. Ia ditambahkan sebagai aditif ujung basah untuk peningkatan kekuatan kering dan peningkatan retensi. Nanocelulosa yang biasa digunakan untuk aditif kekuatan kering adalah dalam bentuk nanofibrila selulosa.

Ada berbagai strategi untuk menambahkan NFC ke furnis pulp karena dapat ditambahkan langsung dengan [24, 62, 65] atau tanpa agen retensi [58] atau dicampur dengan pengisi lain atau serat panjang [66, 67] diikuti dengan agen retensi. Peningkatan kekuatan tarik setelah penambahan NFC berkaitan dengan jumlah yang ditambahan. Ditemukan bahwa peningkatan kekuatan tarik sebesar 5% diamati ketika 3% NFC ditambahkan ke furnis pulp yang terdiri dari pulp yang dipukul bersama dengan pati kationik [24]. Menarik untuk dicatat bahwa efeknya lebih luar biasa jika pulp kurang dipukul. Misalnya, peningkatan lebih dari 100% kekuatan tarik ketika 6% NFC ditambahkan ke pulp termo-mekanikal. Di sisi lain, NFC memiliki dampak yang lebih kecil ketika ditambahkan ke pulp kimia yang dipukul dengan baik [65]. Oleh karena itu, peningkatan kekuatan tarik diharapkan terjadi ketika NFC ditambahkan ke kertas terisi, pulp mekanikal dan pulp daur ulang. Hii et al. [65] melaporkan pengamatan seperti itu bahwa NFC terserap pada pengisi dan serat dan menghubungkan pengisi dengan jaringan serat. Kelemahan utama penggunaan NFC dalam pembuatan kertas adalah membuat waktu drainase lebih lama. Drainase memainkan peran yang sangat penting dalam pembuatan kertas karena secara langsung terkait dengan efisiensi produksi kertas. Semakin lama waktu drainase, semakin lambat kertas akan diproduksi. Oleh karena itu, sangat penting untuk menggunakan agen retensi pada dosis tertentu untuk meningkatkan adsorpsi nanofibre pada permukaan serat, yang mengarah pada pengeringan air yang lebih baik [24, 68].

NFC memiliki properti di antara aditif kekuatan kering seperti pati dan multe yang diciptakan dari aksi beating karena keduanya mengarah pada peningkatan area ikatan [3]. Ini diciptakan dengan menciptakan lapisan lunak dan tipis pada permukaan serat yang membantu meningkatkan ikatan serat selama pengeringan dan juga dengan mengisi ruang kosong dan pori antara serat yang juga meningkatkan area ikatan [3].

Nanocelulosa sebagai Bahan Lapisan untuk Properti Barrier

Nanocelulosa juga dapat digunakan sebagai bahan lapisan dalam kertas kemasan karena memiliki properti barrier yang baik. Manfaat menggunakan nanocelulosa sebagai elemen lapisan adalah masalah drainase tidak lagi menjadi masalah karena ditambahkan setelah kertas dibuat. Ada berbagai pendekatan yang dapat diupayakan untuk menerapkan nanocelulosa yang mencakup penyemprotan, bar coating, size pressing dan roll coating. Aplikasi nanocelulosa terutama nanofibrila selulosa telah dilaporkan meningkatkan barrier oksigen dan resistensi minyak [69]. Dalam satu contoh, penurunan permeabilitas udara diamati dari 69.000 menjadi 4,8 dan 660 menjadi 0,2 nm Pa⁻¹ untuk kertas belum dibiakkan dan kertas tahan minyak, masing-masing [70], menggunakan rod coater. Syverud dan Stenius [71] menerapkan berbagai jumlah NFC dari 0 hingga 8% pada pulp softwood dan menemukan bahwa properti barrier meningkat secara luar biasa dari 6,5 menjadi 360 nm Pa⁻¹ s⁻¹. Ini disebabkan oleh penurunan porositas yang disebabkan oleh peningkatan nanofibril. Pengaplikasian NFC dan shellac juga dicoba oleh Hult et al. [72] pada kertas dan karton yang mengarah pada penurunan permeabilitas udara, laju transmisi oksigen dan laju transmisi uap air sehingga berpotensi untuk kemasan barrier.

Tidak hanya itu, nanocelulosa terutama nanofibrila selulosa dapat diubah menjadi film tipis mandiri atau nanopaper. Nanopaper ini dapat digunakan sebagai substrat untuk aplikasi elektronik karena transparan dan fleksibel [73].

Nanomaterial sebagai Agen Retensi untuk Peningkatan Properti

Agen retensi ditambahkan ke pembuatan kertas untuk meningkatkan retensi kimia fungsional pada kertas. Beberapa nanomaterial telah diuji dalam produk kertas seperti penggunaan nanozeolite [74] dan nanotitanium dioksida. Nanozeolite digunakan sebagai pengering di industri kertas untuk menyerap kelembaban dan juga berfungsi untuk menghilangkan emisi gas jika digunakan untuk kertas khusus. Luas permukaan besar nanozeolite yang terdiri dari ruang kosong dan pori membantu selama proses tersebut. Nanotitanium oksida yang ditambahkan ke kertas dapat membentuk kertas dengan modulus elastis dinamis yang lebih baik dibandingkan sampel kontrol [75].

Efek Nanofiller untuk Peningkatan Properti

Penggunaan filler di industri kertas sebagian besar karena pengurangan biaya karena filler biasanya lebih murah daripada pulp itu sendiri. Selain diteliti sebagai aditif penguat, nanocelulosa juga dapat digunakan sebagai filler. Penambahan nanofibrila selulosa dapat mengurangi jumlah pulp kayu dan meningkatkan jumlah filler, sehingga mengurangi biaya produksi [76]. Selain itu, kertas yang dihasilkan memiliki properti yang ditingkatkan seperti porositas rendah dan opasitas tinggi. Juga dilaporkan bahwa penambahan 2–10% nanofibrila selulosa sebagai filler menghasilkan peningkatan kekuatan sebesar 50–90% (Future Markets Inc. 2012). Nanoclay dapat digunakan sebagai aditif dalam pembuatan kertas untuk mengurangi permeabilitas gas yang dapat mengarah pada umur simpan kertas yang lebih lama. Ini penting di industri kemasan di mana barrier gas dan air memainkan peran penting dalam mencegah kerusakan makanan dan minuman.

Nanokalium karbonat digunakan sebagai filler untuk meningkatkan pencaran cahaya. Kalium karbonat hasil presipitasi yang dimodifikasi dengan partikel nanostruktur memberikan dampak positif pada pencaran cahaya [77]. Kalium karbonat hasil presipitasi dilapisi dengan silikat dan nanopartikel sulfida seng. Wild et al. [78] melaporkan studi serupa di mana lapisan nanopartikel digunakan pada uji laboratorium, pilot dan pabrik. Studi menemukan bahwa lapisan nanopartikel memberikan kualitas cetakan yang baik, keutahan air dan stabilitas dimensi. Nanozink oksida yang ditambahkan ke furnis kertas memberikan properti antibakteri pada kertas. Pada saat yang sama, properti optik seperti kecerahan dan keputihan serta cetakabilitas kertas juga ditingkatkan dengan penambahan nanozink oksida. Nanotitanium oksida juga telah diteliti dalam kombinasi dengan beta-siklotodeksin dalam kertas berlapis [79]. Ditemukan bahwa campuran nanomaterial memiliki efek degradasi yang lebih baik pada xilena dibandingkan kertas yang dilapisi dengan nanotitanium oksida saja.

Nanomaterial sebagai Agen Sizing untuk Peningkatan Properti

Agen sizing ditambahkan ke pembuatan kertas untuk meningkatkan resistensi terhadap penetrasi air/cair sehingga kertas cocok untuk tujuan cetak dan tulis. Penggunaan nanosilika dapat meningkatkan properti optik dan penurunan print-through hingga 30%. Kertas yang dilapisi dengan nanosilika ditemukan menghasilkan densitas optik yang lebih baik, stabilitas dimensi, kualitas cetakan dibandingkan kertas tanpa lapisan [80,81,82].

Komposit Kayu

Kayu adalah karunia alam bagi umat manusia karena merupakan bahan yang terurai dan dapat diperbarui yang dapat digunakan dalam banyak aplikasi. Namun, kayu itu sendiri memiliki beberapa kelemahan seperti rapuh, tidak fleksibel dan tidak tahan lama karena serangan rayap dan lainnya. Penggunaan serat kayu dalam produksi komposit kayu memiliki kelemahan sendiri karena memiliki densitas massa rendah, stabilitas termal rendah, kecenderungan tinggi untuk menyerap kelembaban dan kerapakan terhadap biodegradasi. Nanoteknologi telah digunakan dalam banyak ilmu, dan dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas banyak materi, termasuk kayu dan komposit kayu.

Nanocelulosa sebagai Bahan Penguat

Prinsip penggunaan nanocelulosa sebagai bahan penguat dalam materi matriks telah mengarah pada banyak karya penelitian yang dilakukan. Dengan menambahkan selulosa skala nano, komposit nano memiliki properti luar biasa dalam berbagai cara, yang tidak dapat dicapai oleh mikrokomposit [83]. Komposit yang diperkuat nanocelulosa ini mampu menggantikan komposit konvensional. Dengan modifikasi yang tepat dari NCC, berbagai nanomaterial fungsional dengan properti luar biasa atau properti fisik, kimia, biologi, serta elektronik yang signifikan ditingkatkan dapat dikembangkan. Properti komposit nano bergantung pada beberapa faktor seperti properti materi matriks, karakteristik nanocelulosa, dispersi nanocelulosa dalam materi matriks, dan interaksi antarmuka antara filler dan materi matriks [84].

Nanocelulosa sebagai penguat ke dalam berbagai jenis materi matriks telah banyak diteliti. Komposit polimer nano yang terdiri dari polimer alami atau sintetis yang diperkuat dengan nanocelulosa telah menetapkan dirinya sebagai kelas materi yang menjanjikan. Peningkatan properti mekanik adalah tujuan paling umum yang ditargetkan saat mempersiapkan komposit polimer yang diperkuat nanocelulosa ini [85,86,87]. Polimer berbasis minyak umumnya dibagi menjadi tipe termoplastik dan termo setting. Perbedaan antara polimer termoplastik dan termo set adalah ikatan yang memegang molekul rantai panjangnya, yang pertama dipegang oleh ikatan van der Waals yang lemah, sementara yang terakhir oleh ikatan kovalen yang kuat [88]. Berbagai termo set telah diteliti untuk digunakan dalam komposit nanocelulosa. Hars epoksi, misalnya, telah digunakan untuk produk materi lanjutan karena properti ikatan yang baik, dan properti mekanik yang baik setelah pengeringan (modulus tinggi, creep rendah, dan performa suhu yang baik). Namun, ia dapat gagal dengan mudah karena kerusakan dampak karena struktur terhubung silang yang tinggi [89]. Dengan penambahan nanocelulosa yang difungsikan sebagai bahan penguat, properti mekanik komposit selulosa berbasis epoksi telah ditingkatkan secara signifikan [90, 91]. Pendekatan telah dilakukan untuk menyiapkan komposit epoksi-selulosa nanofibre dengan struktur terorientasi [92]. Proses menggabungkan metode templating es (atau freeze-casting) untuk menyiapkan jaringan nanocelulosa berpori tinggi sebelum digunakan sebagai preform untuk impregnasi dengan hars epoksi bio. Hasilnya menunjukkan bahwa modulus elastis dan penyimpanan komposit nano lebih baik daripada epoksi murni di kedua arah pengujian, dan kekuatan ditingkatkan di arah longitudinal. Thermo set resin yang paling umum digunakan lainnya adalah poliestere tidak terjenuh (UP). Komposit bio nanostruktur UP dengan kandungan nanocelulosa sejauh 45 vol%, jauh lebih tinggi dari studi sebelumnya, berhasil diproses dan dikarakterisasi [93]. Penguatan jaringan nanocelulosa nanostruktur secara kuat tidak hanya meningkatkan modulus dan kekuatan UP tetapi juga kelembutan dan ketahanan. Gambar 2 menunjukkan morfologi kerusakan dari poliestere hidrofobik, poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) (PHB) baik diperkuat dengan 15 wt% NCC atau 15 wt% NCC asetilasi dengan menggunakan mikroskop elektron sken emisi lapangan (FE-SEM). Citra FE-SEM secara jelas menunjukkan bahwa NCC asetilasi terdistribusi homogen ke dalam PHB dibandingkan NCC. Homogenitas telah berkontribusi pada interaksi antarmuka yang kuat antara bahan penguat dan matriks polimer [94].

Tabel 2 menggambarkan penggabungan nanocelulosa ke dalam polimer termoplastik seperti PLA, PVA, pati, PU, PP dan lain-lain. Proses yang digunakan untuk mengembangkan komposit nano ini termasuk pertukaran pelarut, dispersi air, peluncuran larutan, grafting, injeksi pembalut busa core-back, elektrospinning, koagulasi dan termokompresi, dan reaksi polimerisasi anjonik pembukaan cincin in situ, di antara lain. Sebagian besar studi melaporkan bahwa penambahan nanocelulosa dalam komposit nano menghasilkan peningkatan properti mekanik (kekuatan, kekakuan, resistensi creep, elastisitas) stabilitas termal, properti barrier dan bahkan beberapa menunjukkan fungsi antibakteri dan antioksidan komposit nano, tergantung pada komponen komposit nano yang digunakan. Secara keseluruhan, temuan melaporkan hasil positif pada penguatan nanocelulosa dalam matriks termoplastik yang mendorong dan menginspirasi lebih banyak studi dalam produksi komposit materi yang lebih hijau dan berkelanjutan.

Polimer alami biasanya terjadi dalam alam dan dapat diekstrak. Polimer alami bukan termoplastik, dengan beberapa pengecualian. Namun, teknik modifikasi kimia dan fisika mampu memicu termoplastisitas dalam polimer alami dari sumber biomasa seperti selulosa, lignin, dan kitosan. Dengan meningkatnya kesadaran lingkungan dan permintaan produk hijau, berbagai polimer alami yang diperkuat dengan nanocelulosa telah digunakan untuk menghasilkan komposit bio nano. Terdapat sejumlah studi yang sangat terbatas yang melaporkan penggunaan nanocelulosa derived tanaman dalam regenerasi jaringan tulang. Salah satu studi [113] melaporkan persiapan komposit nano dengan sintesis nanofibrila selulosa (TNFC) atau selulosa kristal nano (NCC) yang dioksidasi (TEMPO) dengan hidroksiapatit (HA). Komposit ditemukan menunjukkan kekuatan tekan, modulus elastis, dan ketahanan kerusakan yang lebih baik, dalam rentang tulang kortikal padat dan padat, dibandingkan dengan NCC-based ones. Selain itu, komposit tidak menimbulkan sitotoksisitas pada sel osteoblast manusia yang berasal dari tulang melainkan meningkatkan kelangsungan hidupnya, menjadikannya menjanjikan untuk regenerasi jaringan tulang dalam aplikasi yang membebani beban.

Di antara polimer bio alami lainnya yang digunakan adalah natrium alginat, selulosa dan protein yang memiliki karakteristik properti seperti terurai, kompatibel dengan tubuh dan toksisitas rendah. Natrium alginat, misalnya, telah banyak digunakan sebagai biomaterial yang baik di banyak bidang seperti teknik jaringan, pengobatan, kemasan makanan dan aplikasi biomedis. Namun, kekuatan mekanik yang buruk dan properti degradasi yang tidak terkontrol membatasi aplikasinya. Beberapa upaya telah dilakukan untuk mengatasi masalah ini dengan mengembangkan film komposit nano dengan penggabungan nanocelulosa ke dalam matriks alginat. Ditemukan bahwa penggabungan NFC ke dalam matriks alginat meningkatkan resistensi air dan properti mekaniknya. Penyelidikan lebih lanjut telah menunjukkan bahwa dengan perlakuan ultrasonikasi untuk memfasilitasi dispersi, NCC yang dioksidasi TEMPO-mediated memiliki efisiensi yang lebih baik dalam memperkuat polimer bio alginat dibandingkan NFC. Konsep serajat strategi penguatan sinergi bioinspirasi dalam mengintegrasikan nanocelulosa ke dalam matriks kitosan, chitosan, isolat protein kedelai (SPI) dan gusi biji alsi membuka jalur baru untuk konstruksi komposit nano berkinerja tinggi.

Nanopartikel untuk Peningkatan Properti Panel Kayu Berbasis

Komposit kayu umumnya dijelaskan sebagai berbagai produk yang memiliki kombinasi elemen kayu yang dibiikat bersama oleh pengikat. Di antara keuntungan komposit kayu adalah dapat dirancang untuk kualitas atau persyaratan performa tertentu pada ketebalan, grade dan ukuran yang berbeda. Komposit kayu diproduksi untuk memanfaatkan karakteristik kekuatan alami kayu (dan kadang-kadang menghasilkan kekuatan struktural dan stabilitas yang lebih besar daripada kayu biasa). Di sisi lain, komposit kayu juga memiliki kelemahan seperti memerlukan energi primer lebih banyak untuk diproduksi dibandingkan kayu padat. Oleh karena itu, komposit kayu tidak cocok untuk penggunaan luar ruangan karena dapat menyerap air dan lebih rentan terhadap keranggaan yang diinduksi kelembaban daripada kayu padat. Pengikat yang digunakan merilis formaldehyd beracun dalam produk akhir. Nanoteknologi dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas komposit kayu berbasis untuk memenuhi permintaan yang meningkat untuk produk yang ada dan untuk produk baru yang akan digunakan dalam aplikasi baru.

Kelemahan utama kayu adalah kerapakan dan biodegradasi oleh mikroorganisme dan juga ketidakstabilan dimensi saat diberlakukan berbagai konten kelembaban. Ini sebagian besar disebabkan oleh polimer utama dinding sel dan kelimpahannya yang tinggi dari grup hidroksil (OH) [114]. Kayu secara alami higroskopik, dan penyerapan kelembaban oleh bahan kayu secara langsung terkait dengan luas permukaan yang terpapar. Penambahan nanopartikel anorganik ke komposit kayu telah dilaporkan meningkatkan properti antimikroba komposit. Nanopartikel oksida seng (ZnO) menunjukkan aktivitas antimikroba yang baik. Nanopartikel ini ditambahkan ke lem kering melamin-urea formaldehyd (MUF) sebelum digunakan untuk produksi partikel papan [115]. Temuan menunjukkan bahwa terdapat peningkatan daya tahan partikel papan terhadap bakteri Gram-positif Staphylococcus aureus, bakteri Gram-negatif Escherichia coli, jamur Aspergillus niger dan Penicillium brevicompactum serta jamur busuk cokelat Coniophora puteana. Nanopartikel perak yang dikenal sebagai aditif biocida juga menunjukkan efek antibakteri dan anti-jamur yang serupa ketika diterapkan pada permukaan partikel papan yang berlapis melamin [116]. Kombinasi nanoksida tembaga dan surfaktan alkana juga dikonfirmasi untuk meningkatkan resistensi air dan rayap pada spesimen plywood yang dirawat [117]. Lem berbasis pati modifikasi dieksplorasi sebagai opsi lain untuk meningkatkan resistensi kerusakan partikel papan. Partikel papan yang diikat dengan lem PWA/pati kelapa sawit modifikasi yang ditambahkan dengan nanosilika oksida (SiO₂) dan asam borat ditemukan lebih tahan terhadap kerusakan dibandingkan partikel papan yang diikat dengan pati asli mereka [118]. Penambahan nano-SiO₂ dan asam borat sebagai agen penolak air dan antifungus, masing-masing, telah mencegah aktivitas mikroorganisme dalam partikel papan akhir.

Pembuatan panel komposit kayu dapat diperbaiki dengan mengembangkan metode untuk mempersingkat waktu pengeringan hars selama penekan panas, yang dapat mempercepat produksi atau meningkatkan kualitas keseluruhan papan. Transfer panas yang mempengaruhi waktu penekanan panel komposit kayu bervariasi dengan ketebalan, suhu press, laju penutupan, dan distribusi kelembaban mat. Penambahan nanopartikel ZnO meningkatkan transfer panas di tengah partikel papan selama penekan panas yang menyebabkan tingkat pengeringan hars yang lebih besar dan meningkatkan properti fisiko-mekanik [119]. Nanopartikel konduktivitas tinggi seperti nanotubus karbon dinding ganda (CNTS) dan aluminium oksida (Al₂O₃) juga terbukti meningkatkan properti termal dan mekanik papan serat densitas sedang [120]. Studi juga melaporkan bahwa meskipun nanopartikel karbon aktif tidak memberikan efek yang signifikan pada properti fisik dan mekanik papan, mereka memiliki efek yang lebih mempercepat pada pengeringan urea formaldehyd (UF) dan pengurangan emisi formaldehyd dibandingkan dengan dua nanofiller lainnya.

Dalam pembuatan komposit kayu, pengikat memainkan perana yang sangat signifikan yang mempengaruhi properti komposit yang meliputi properti mekanik, kemampuan untuk bekerja dalam kondisi basah dan efeknya pada lingkungan. Urea formaldehyd, melamine urea formaldehyd dan phenol formaldehyd biasa digunakan di industri komposit kayu. Pemanfaatan nanopartikel telah mengarah pada peningkatan properti pengikat. Banyak studi telah dilakukan untuk menghasilkan komposit kayu yang diperkuat nanomaterial dengan performa fisik dan mekanik yang ditingkatkan dan emisi formaldehyd yang berkurang. Nanoclay telah ditunjukkan sebagai pengisi dan penguat yang baik untuk matriks hars, dan secara signifikan meningkatkan kekuatan, ketahanan dan properti lainnya. Modifikasi UF adhesive menggunakan partikel nanoclay untuk plywood yang dibuat dengan tiga spesies hutan dari perkebunan pertumbuhan cepat: Cordia alliodora, Gmelina arborea dan Vochysia ferruginea dilaporkan oleh Muñoz dan Moya [121]. Ditetapkan bahwa nanomodifikasi hars dengan nanoclay pada 0,75% meningkatkan modulus retak dan kekuatan lentur papan. Penggunaan partikel nanoclay dalam adhesif PF secara signifikan meningkatkan properti mekanik adhesif pada garis ikatan dan berkontribusi pada peningkatan kekuatan ikatan makro plywood [122]. Menariknya, nanoclay bentonit yang dimodifikasi ion logam transisi (TMI-BNT) digunakan untuk mengubah hars UF kristal menjadi polimer amorf dengan memblokir ikatan hidrogen melalui metode interkalasi in situ [123]. Ini menghasilkan peningkatan kekuatan ikatan sebesar 56,4% dan pengurangan emisi formaldehyd sebesar 48,3%.

Nanopartikel lain yang digunakan untuk mengimprovisasi properti fisik dan mekanik komposit kayu termasuk nanowollastonite (NW) [124, 125] nano-ZnO [126], nano-SiO₂, nano-Al₂O₃ [127], nanosilver [128] dan nanocelulosa (NCC dan NFC). NCC digunakan sebagai filler untuk adhesif, sementara NFC digunakan sebagai pengikat dalam formulasi papan komposit. Baru-baru ini, terungkap bahwa penambahan mikro- dan nanofibre selulosa memiliki efek menguntungkan pada properti hars. Berdasarkan penyelidikan, ditemukan bahwa penambahan NCC secara signifikan meningkatkan properti mekanik plywood dalam jumlah 10%/100 g hars padat [129]. Di sisi lain, properti fisik partikel papan setelah menambahkan NCC ke UF adhesif menunjukkan permukaan yang halus, perbedaan tidak signifikan dalam densitas dan konten kelembaban panel dan hanya nilai kandungan nanocelulosa yang tinggi yang menunjukkan peningkatan swelling ketebalan yang signifikan [130]. Sementara itu, panel partikel papan yang diproduksi menggunakan NFC sebagai bahan ikatan ditemukan memenuhi persyaratan industri dalam hal properti mekanik untuk grade densitas rendah [131]. Untuk partikel papan densitas tinggi, diperkirakan bahwa peningkatan ras NFC dan tekanan yang lebih tinggi dapat meningkatkan properti ikatan internal. Bahkan kekuatan tarik pas dan segel wajah ditemukan meningkat dengan peningkatan ras penambahan NFC dan densitas panel [132, 133].

Lapisan Kayu

Hutan terutama atau sebagian digunakan untuk produksi kayu dan produk hutan non-kayu. Produk hutan non-kayu termasuk bambu, rotan, kayu api, arang, damar, palem, dll. Ada permintaan besar untuk kayu berkualitas tinggi, tetapi ketersediaan kayu dari hutan alam telah menurun. Akibatnya, pencarian sumber non-kayu sebagai alternatif untuk kayu telah dipercepat. Karena properti pertumbuhan cepatnya, bambu telah dikembangkan menjadi salah satu produk hutan non-kayu yang paling penting. Kayu adalah struktur polimer biologis alami yang tersusun sendiri (selulosa, lignin, hemiselulosa). Ini adalah salah satu bahan paling serbaguna dan telah digunakan selama berabad-abad dalam bentuk bangunan dan struktur. Namun, kayu tertarik pada proses degradasi oksidatif intens seperti fotooksidasi, oksidasi kimia, dekomposisi termal dan reaksi fotolisis dari lingkungan, termasuk cahaya ultraviolet (UV), kelembaban, polutan kimia dan variasi suhu dingin/panas [134]. Bahkan bahan non-kayu seperti bambu itu sendiri adalah bahan organik alami yang kaya akan protein, karbohidrat dan nutrien lainnya dan rentan terhadap jamur, dimakan oleh mol dan busuk. Oleh karena itu, produk akhir dari kayu dan produk non-kayu konvensional terdiri dari aditif yang dapat digunakan sebagai lapisan untuk pelindung dan penampilan estetika, pelindung untuk pelindung terhadap api dan faktor biologis (jamur dan serangga).

Lapisan adalah proses penerapan lapisan pada permukaan substrat. Contoh lapisan umum yang diterapkan pada permukaan kayu adalah vernish, lak, dan cat yang tujuannya dapat melindungi dan hias. Komponen utama lapisan menentukan properti dasarnya seperti pengikat, pigmen, pelarut, pengisi, dan aditif [135]. Setiap elemen menyumbang properti spesifik pada permukaan kayu. Pengikat berkontribusi pada ikatan pigmen ke kayu dan menciptakan lapisan pelindung, sementara pigmen menyediakan warna dan membentuk lapisan permukaan tidak transparan. Pelarut memberikan viskositas yang diperlukan untuk aplikasi lapisan, dan penambahan pengisi mengubah kekuatan warna dan kilap lapisan. Seperti yang disebutkan, aditif, mereka mencegah pertumbuhan jamur dan busuk, membantu proses pengeringan, meningkatkan properti ikatan dan mengontrol finishing. Namun, ada kelemahan pada lapisan seperti fleksibilitas yang terbatas, kehilangan kekuatan, ikatan tidak proporsional antara lapisan lapisan dan substrat, resistensi gosok yang kurang dan ketahanan yang lebih rendah.

Nanocoating memiliki kemampuan untuk menyelesaikan masalah ini. Nanocoating adalah proses di mana lapisan tipis dengan ketebalan sekitar < 100 nm ditetapkan pada substrat untuk meningkatkan beberapa properti atau untuk memberikan fungsionalitas baru. Nanocoating dapat digunakan tidak hanya pada nanomaterial tetapi juga pada bahan yang lebih besar dengan lapisan tipis yang sangat tipis tanpa mempengaruhi topografi permukaan substrat. Aplikasi nanocoating pada kayu dan produk kayu terutama difokuskan pada peningkatan daya tahan, properti mekanik, resistensi api dan penyerapan UV serta penurunan penyerapan air. Salah satu pendekatan untuk meningkatkan fungsionalitas dan nilai pengguna akhir nanocoating adalah penambahan nanopartikel [136]. Nanopartikel ini memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang sangat besar karena morfologinya, yang memungkinkan mereka untuk berinteraksi secara intensif dengan lingkungan sekitarnya, dan ukuran nanosnya memastikan transparansi tetap terpertahankan.

Nanoaditif untuk Peningkatan Daya Tahan

Nanocoating mampu meningkatkan daya tahan kayu dan produk non-kayu dengan memanfaatkan nanopartikel dan sistem pengiriman nano yang membuat perubahan pada tingkat molekuler produk. Salah satu tujuan lapisan adalah mencegah pertumbuhan berbagai mikroorganisme seperti jamur dan bakteri. Nanopartikel partikel oksida logam, seperti oksida seng (ZnO) [137, 138], oksida titanium [138, 139] dan oksida cerium (CeO₂) [140] dilaporkan menunjukkan properti antimikroba yang kuat. Studi telah dilakukan dalam deponisi langsung nanopartikel pada permukaan kayu atau fungsionalisasi langsung permukaan kayu dengan nanopartikel. Nanopartikel ZnO berhasil diproduksi pada permukaan kayu bambu dengan metode kimia basah suhu rendah sederhana berdasarkan lapisan benih ZnO yang disiapkan sol–gel. Temuan menunjukkan bahwa kayu bambu yang dirawat memiliki resistensi yang lebih baik terhadap Aspergillus niger V. Tiegh (A. niger) dan Penicillium citrinum Thom (P. citrinum), tetapi resistensi yang buruk terhadap Trichoderma viride Pers. ex Fr (T. viride) [141]. Grafin juga menunjukkan kemampuan unggul untuk menghambat pertumbuhan bakteri. Oleh karena itu, kombinasi penggunaan grafin oksida yang direduksi dan nano-ZnO untuk melapisi bahan bambu untuk luar ruangan melalui proses dua langkah celup-kering dan hidrotermal, yang mengarah pada peningkatan properti resistensi jamur dan aktivitas antibakteri [142]. Serupa, nanopartikel ZnO nanostruktur menggunakan proses hidrotermal juga telah memberikan perlindungan yang efektif dari permukaan kayu dari biodeteriorasi [143].

Lapisan poliuretana berbasis air [144] (WPU) yang digabungkan dengan selulosa kristal nano (NCC) dan nanopartikel perak (AgNPs) digunakan untuk meningkatkan properti antibakteri papan kayu [145]. AgNPs dikenal untuk bahan antimikroba tetapi mudah mengagregasi selama proses persiapan. Oleh karena itu, NCC diperkenalkan untuk membantu pencampuran dan dispersibilitas AgNPs dengan WPU atau lapisan lainnya. Selain itu, NCC juga merupakan agen penguat yang baik untuk meningkatkan properti mekanik komposit nano. Emulsi mini polimerisasi juga digunakan untuk sintetis lapisan latex akrilik yang mengandung AgNPs, yang akan membatasi pertumbuhan jamur hitam pada permukaan kayu [146]. Studi tentang efek antibakteri perak dan nanopartikel oksida seng dalam lapisan akrilik yang diterapkan selama perawatan komposit kayu komersial seperti partikel papan dan papan serat densitas sedang telah dilakukan [147]. Ag dan nanopartikel ZnO sebagian lebih efektif terhadap bakteri Gram-negatif Escherichia coli dibandingkan bakteri Gram-positif Staphylococcus aureus.

Nanoaditif untuk Peningkatan Penyerapan Air

Diketahui dengan baik bahwa kayu rentan terhadap air atau kelembaban. Ini disebabkan oleh sifat hidrofilik polimer utama dinding sel dan struktur pori kapiler. Interaksi antara kayu dan air mengarah pada biodegradasi kayu, ketidakstabilan dimensi dan peregasan yang dipercepat. Meskipun ada modifikasi kimia konvensional yang digunakan untuk meningkatkan hidrofobikitas kayu, aksesibilitas air ke dalam kayu masih tidak sepenuhnya terhambat [148]. Selain itu, kimia yang digunakan dalam proses perawatan mungkin berbahaya. Oleh karena itu, nanoteknologi digunakan sebagai pendekatan alternatif untuk modifikasi dan fungsionalisasi kayu. Penggabungan nanopartikel ke dalam lapisan polimer digunakan untuk meningkatkan penyerapan air permukaan kayu. Dua pendekatan digunakan untuk mengintegrasikan nanopartikel ke dalam lapisan, yaitu pencampuran larutan dan penambahan in situ [149]. Pendekatan pertama (pencampuran larutan) adalah ketika pelarut digabungkan dengan polimer sebelum dispersi pada permukaan kayu. Metode fisika ini dapat diterapkan melalui celup, kuas dan penyemprotan [150]. Wu et al. [151] melaporkan bahwa lapisan superhidrofobik dikonstruksi pada permukaan kayu poplar dengan sudut kontak hingga 158,4° melalui produk lac UV berbasis air (WUV) yang dimodifikasi oleh nanopartikel ZnO dan asam stearat. Dibandingkan dengan WUV, resistensi air lapisan super-hidrofobik zinc stearate/waterborne UV lacquer (ZnSt₂/WUV) lebih kuat, yang menguntungkan untuk mempersiapkan lapisan superhidrofobik dengan cara yang mudah dan ramah lingkungan. Menariknya, lapisan vernish berbasis air ditambahkan nanopartikel TiO₂ digunakan untuk mengevaluasi finishing dari sembilan spesies kayu tropis [152]. Ditemukan bahwa penggabungan nanopartikel TiO₂ menurunkan nilai penyerapan air dan setelah satu tahun paparan cuaca, lapisan vernish tanpa tambahan nanopartikel TiO₂ hancur sepenuhnya, sementara film lapisan yang dimodifikasi tahan lama. Contoh lain dari lapisan kayu superhidrofobik yang berhasil disiapkan adalah sistem cat komposit partikel selulosa kristal nano dilapisi lignin (L-NCC)/alkohol polivinil (PVA) [153], lapisan komposit metakrilat-siloksen-selulosa yang dapat dikeringkan dengan cahaya UV [154], film komposit SiO₂/TiO₂ yang didoping Fe³⁺ [155] dan sistem lapisan hibrid polidimetilsiloksan (PDMS)/silika [156].

Pendekatan kedua adalah penambahan in situ atau proses kimia yang melibatkan penambahan senyawa langsung ke monomer dan kemudian polimerisasi. Nanopartikel disintesis in situ oleh reaksi kimia pada permukaan kayu seperti metode hidrotermal atau deponisi solgel. Gao et al. [157] menerapkan metode sederhana dan efektif dalam persiapan permukaan kayu konduktif superhidrofobik dengan resistensi minyak super menggunakan AgNPs yang dimodifikasi oleh fluoroalkil silane. Lapisan multifungsi ini dapat dikomersialkan untuk berbagai aplikasi, terutama untuk perangkat elektronik medis dan self-cleaning. Dalam studi lain, bambu dirawat menggunakan sol ZnO, dan jaringan nanosheet ZnO ditumbuhkan hidrotermal pada permukaan bambu dan kemudian dimodifikasi dengan fluoroalkil silane [158]. Bambu yang berhasil dirawat menunjukkan properti unggul seperti superhidrofobikitas yang kuat, resistensi stabil terhadap asam hujan simulasi, tahan UV dan tahan api. Properti unggul yang serupa diperoleh ketika kayu bambu dipersiapkan oleh deponisi hidrotermal nanopartikel anatase TiO₂ dan kemudian dimodifikasi dengan oktadesiltriklorosilan [159]. Permukaan kayu superhidrofobik juga dapat disiapkan menggunakan pendekatan seperti susunan lapis demi lapis [160] polielektrolit/TiO₂ nanopartikel multi-lapisan dan modifikasi hidrofobik dengan perfluoroalkiltrietoksisilan (POTS) [161], penyemprotan komposit nano PMC/TiO2 berbasis air pada substrat yang telah dilapisi PDMS [162] dan proses hidrotermal one-step menggunakan tetrabutiltitanat (Ti(OC₄H₉)₄, TBOT) dan viniltrietoksisilan (CH₂CHSi(OC₂H₅)₃, VTES) sebagai pre-kursor [163]. Bahkan pendekatan biomimetik untuk menghasilkan permukaan bambu superhidrofobik berbentuk daun teratai SiO₂ berdasarkan litografi lunak berhasil dilakukan [122].

Nanoaditif untuk Peningkatan Properti Mekanik

Partikel anorganik yang terintegrasi ke dalam polimer organik biasa digunakan dalam lapisan kayu untuk meningkatkan properti mekanik. Sebagai pengisi, kekakuan dan kekerasan materi anorganik dikombinasikan secara efektif dengan prosesabilitas polimer. Partikel anorganik ketika diterapkan dalam ukuran mikron memiliki kelemahan seperti mengurangi fleksibilitas materi dan mengurangi transparansi sistem lapisan [164]. Penggunaan partikel anorganik dalam ukuran nano meningkatkan luas permukaan dan rasio area antarmuka, yang kemudian mempengaruhi properti materi mentah [165]. Studi terbaru telah menyelidiki penggunaan nanocelulosa sebagai penguat terbarukan untuk mengembangkan sistem lapisan komposit nano berbasis bio dengan performa yang ditingkatkan. Nanocelulosa dimodifikasi permukaan karena masalah ketidakcocokan dengan matriks polimer. Penambahan nanofibre selulosa yang dioksidasi TEMPO meningkatkan properti mekanik lapisan WPU [144, 166]. Dalam kasus matriks polimer non-polar [167], selulosa kristal nano dimodifikasi dengan dua metode, dengan klorida akroil atau surfaktan kationik [167]. Peningkatan tingkat muatan NCC hingga 2% meningkatkan kekerasan, modulus elastis, dan kekuatan tarik.

Nanosilika adalah nanopartikel umum lain yang diterapkan untuk peningkatan properti mekanik. Di antara keuntungan penggunaan nanosilika adalah kekerasan tinggi dan dapat dengan mudah dimodifikasi kimiawi untuk meningkatkan kompatibilitasnya dengan matriks polimer. Studi terbaru oleh Meng et al. [168] melaporkan lapisan hibrid acrylate berbasis air minyak ricin (CWA)/SiO₂ dengan struktur jaringan silang kovalen organik-anorganik yang disiapkan melalui solgel dan reaksi tiol-ene. Temuan menunjukkan bahwa selain emulsi memiliki stabilitas yang baik, properti termal dan mekanik lapisan meningkat secara signifikan pada 10 wt% SiO₂. Peningkatan properti mekanik dengan penambahan nanosilika juga dijelaskan dalam sistem lapisan lain seperti nitroselulosa berbasis air [169] dan acrylate [170].

Nanoaditif untuk Peningkatan Penyerapan UV

Proses degradasi foto kayu dimulai langsung setelah terpapar cahaya matahari, dan kemudian perubahan warna dan erosi progresif permukaan kayu terjadi. Radiasi UV mampu mengdegradasi secara fotokimia komponen struktur polimer kayu (lignin, selulosa dan hemiselulosa) [171]. Proses degradasi foto biasanya mengarah pada penurunan resistensi air kayu dan materi berbasis kayu yang mengarah pada biodegradasi lebih lanjut dalam kondisi paparan luar ruangan. Kerusakan intens pada materi karena komponen UV dalam radiasi matahari dapat dicegah dengan menggunakan teknologi stabilisasi cahaya, lapisan permukaan atau dengan mengganti materi ini dengan materi yang lebih tahan terhadap radiasi UV [172]. Nanopartikel dapat digunakan untuk meningkatkan resistensi UV untuk lapisan pelarut, berbasis air dan lapisan UV untuk melindungi permukaan kayu. Nanopartikel yang mengandung lapisan fungsional untuk mencapai properti pemblokir UV menawarkan tingkat perlindungan yang tinggi terhadap UV tanpa mempengaruhi transparansi permukaan. Ukuran kecil nanopartikel memberikan peningkatan signifikan dalam efektivitas pemblokir cahaya UV dibandingkan bahan alami karena rasio luas permukaan terhadap volume yang besar.

Penggunaan lapisan penyerap radiasi UV bertujuan untuk mencegah degradasi lignin dari cahaya UV. Di antara nanopartikel yang digunakan sebagai penyerap UV terutama TiO₂ dan ZnO. Wallenhorst et al. [173] melaporkan sistem yang terdiri dari lapisan Zn/ZnO dan pengikat poliuretana tambahan yang sangat mengurangi fotodenaturasi permukaan kayu dan terbukti kimiawi stabil. Kombinasi benzotriazole (BTZ) dan nanopartikel ZnO diterapkan sebagai penyerap UV dalam lapisan eksterior bambu berbasis akrilik [174]. Efek sinergi kuat terdeteksi dalam lapisan BTZ–ZnO, terutama untuk formulasi rasio 2:1. Sistem lapisan ini memberikan resistensi tinggi terhadap degradasi foto dan secara efektif mencegah fotodenaturasi substrat bambu. Campuran lain dari benzotriazoles, stabilisator cahaya amina terhambat (HALS), dan nanopartikel ZnO dalam lapisan akrilik berbasis air tebal juga memberikan efek paling positif dalam modifikasi permukaan pelindung UV ketika diterapkan pada kayu oak. Campuran benzotriazoles, HALS dan baik TiO₂ dan nanopartikel ZnO dikonfirmasi sebagai salah satu perawatan paling efektif untuk stabilisasi warna kayu karena spektrum UV dan VIS. Dilaporkan bahwa spesimen kayu yang dilapisi dengan rutile TiO₂ dan campuran metiltrimetoksisilan dan heksadesiltrimetoksisilan menunjukkan performa cuaca yang unggul dan meningkatkan resistensi terhadap perubahan warna permukaan dan kehilangan berat [176]. Lapisan TiO₂ juga ditemukan secara nyata meningkatkan stabilitas warna kayu selama iradiasi cahaya UV tanpa semprotan air. Namun, permukaan kayu yang berseberangan rusak karena aktivitas fotokatalitik TiO₂ [177].

Nanoaditif untuk Peningkatan Perapi Api

Kebakaran kayu dan produk non-kayu telah membatasi pemanfaatannya, dengan keselamatan api menjadi kekhawatiran utama untuk berbagai aplikasi. Untuk mengatasi kekurangan bawaan dan penggunaan kayu dan non-kayu dengan cara yang aman, properti api tahan perlu dipertimbangkan serius. Nanopartikel baru-baru ini digunakan untuk menghasilkan komposit nano untuk peningkatan properti api tahan. Pemanfaatan nanopartikel, baik secara tunggal atau dalam kombinasi dengan api tahan konvensional, bertujuan untuk mengurangi kemudahan terbakar kayu. Ukuran nano dan luas permukaan besar nanomaterial membuatnya lebih efektif pada konsentrasi rendah dibandingkan senyawa konvensional lainnya yang merupakan keuntungan besar secara industri dan ekonomi. Modifikasi permukaan diperlukan untuk nanopartikel untuk mencapai kompatibilitas dan dispersi homogen yang lebih baik. Kayu yang dilapisi TiO₂ ditemukan mampu mengurangi kebakaran kayu dan penyebaran nyala api, dibandingkan sampel tanpa lapisan [178]. Nanostruktur berlapis ZnO–TiO₂ telah disintesis pada substrat bambu [179]. Temuan menunjukkan bahwa indeks oksigen meningkat dari 25,6 menjadi 30,2% setelah ditutupi dengan lapisan ZnO–TiO₂, yang mengungkapkan peningkatan signifikan properti api tahan. Hidroksida berlapis [180] dapat menyerap sejumlah besar panas, mereduksi konsentrasi gas terbakar, dan menyerap gas asam berbahaya selama proses dekomposisi; oleh karena itu, merupakan api tahan yang baik. Yao et al. [180] menerapkan hidroksida berlapis magnesium aluminium nano (Mg–Al LDH) pada bambu dalam proses one-step in situ dan menemukan bahwa total pelepasan panas dan total produksi asap berkurang sebesar 33,3% dan 88,9%, masing-masing, dibandingkan dengan sampel tanpa Mg–Al LDH. Wang et al. [181] memperkenalkan nanostruktur hidroksida berlapis zinc aluminium (Zn–Al LDH) ke dalam kayu dan menemukan bahwa laju pelepasan panas puncak (PHRR) dan total produksi asap berkurang sebesar 55% dan 47%, masing-masing, dibandingkan dengan kayu asli [181]. Bahan karbon nanostruktur seperti grafin juga terbukti memiliki potensi besar untuk digunakan sebagai api tahan yang efektif dalam kayu dan materi komposit kayu untuk pelindung permukaan terhadap api [182].

Daya Tahan Kayu

Kayu adalah bahan yang serbaguna yang menemui penggunaannya dalam berbagai bidang seperti konstruksi, mebel dan karya seni [183,184,185]. Kayu digunakan sebagai bahan konstruksi karena rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi, karakteristik ramah lingkungan, penampilan estetika dan fitur biodegradasi. Sayangnya, kayu sangat sensitif terhadap serangan biologis, terutama oleh jamur busuk dan serangga [186, 187]. Kayu juga terpapar paparan radiasi UV, api dan kelembaban [188]. Kelembaban dapat menyebabkan kayu membengkak, retak dan ketidakstabilan dimensi. Degradasi kayu dapat menyebabkan kerusakan estetika dan struktural internal. Degradasi kayu mengakibatkan kerugian yang tak terhitung setiap tahunnya. Selain itu, pertumbuhan jamur busuk pada struktur kayu akan memicu masalah kesehatan bagi manusia termasuk alergi, gejala pernapasan dan asma terutama setelah paparan indoor yang berkepanjangan [189]. Oleh karena itu, masalah yang terkait dengan kayu tidak dapat diabaikan secara sederhana. Pelestarian kayu menggunakan kimia adalah cara yang efektif untuk melindungi dan memperpanjang masa pakai kayu.

Selama beberapa dekade terakhir, banyak pelindung kimia telah dikembangkan dan digunakan untuk melindungi kayu terhadap agen biodegradasi [188, 190]. Sayangnya, sebagian besar pelindung kimia ini dapat menimbulkan efek serius bagi manusia, organisme hidup dan lingkungan karena akumulasi di tanah dan ekosistem [191]. Chromated copper arsenate (CCA) adalah salah satu pelindung kimia yang banyak digunakan sejak pertengahan 1930-an dan secara efektif melindungi kayu terhadap jamur busuk, rayap dan pengebor serangga. Namun, CCA terbukti beracun bagi manusia dan lingkungan [192,193,194]. Masalah serupa juga dihadapi oleh kimia lain, yaitu pentachlorophenol (PCP). Ia dianggap berbahaya bagi kesehatan manusia; oleh karena itu, produksi dan penggunaannya dilarang di banyak negara [195].

Respon terhadap masalah ini, serangkaian pelindung kimia baru yang diklaim aman dan kurang mencemarkan diperkenalkan. Pelindung kimia ini dapat diperoleh dari ekstrak tanaman atau diproduksi secara sintetis dan memiliki properti senyawa bioaktif tanaman. Misalnya, piretroid, yang berasal dari bunga piretrum (Chrysanthemum cinerariifolium), memiliki aktivitas insektisida yang kuat dan sekarang dapat diproduksi secara sintetis. Sayangnya, kimia ini ditemukan mudah terdegradasi oleh cahaya dan suhu, dan memiliki spektrum efisiensi yang sempit [196]. Keterbatasan lain dari pestisida organik adalah sebagian besarnya larut dalam pelarut organik dan tidak dapat diformulasikan sebagai pelindung kayu berbasis air. Oleh karena itu, sistem pengiriman pestisida organik yang pintar dan cerdas sangat penting. Melalui sistem pengiriman pintar, biocida dapat dikirimkan dengan cara yang terkontrol dan spesifik. Ini akan mengurangi bahaya bagi manusia dan lingkungan [17].

Perawatan kayu melalui metode nanoteknologi dapat meningkatkan daya tahan kayu terhadap agen biodegradasi dan cuaca [14, 197, 198]. Keuntungan utama penerapan produk nano pada kayu adalah kemampuan uniknya untuk menembus dalam ke dalam struktur kayu [14, 199], sehingga meningkatkan properti daya tahan yang menghasilkan masa pakai yang panjang. Di sisi lain, penetrasi lengkap dengan distribusi seragam produk nano juga dapat dicapai [200]. Hingga saat ini, banyak produk nano (nanopelindung) siap pakai untuk perlindungan kayu tersedia di pasar, sementara beberapa masih dalam tahap penelitian dan pengembangan. Secara umum, produk nano yang digunakan untuk melindungi kayu dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu nano kapsul dan nanomaterial. Nano kapsul merujuk pada pestisida yang ditempelkan dalam nanokarier polimer, sementara nanomaterial adalah logam berukuran nano yang dapat langsung diimpregnasi ke dalam kayu [201].

Peningkatan Properti Biocida melalui Nanoenkapsulasi

Enkapsulasi pestisida dalam nanokarier polimer adalah salah satu teknik nanoteknologi yang menjanjikan untuk meningkatkan impregnasi kayu dengan pestisida. Teknik ini dirancang untuk meningkatkan disolubilitas pestisida yang tidak larut air dengan baik dan untuk melepaskan pestisida secara perlahan [202]. Enkapsulasi memungkinkan pestisida dengan disolubilitas rendah ini untuk disperse dengan mudah dalam nanopartikel polimer padat. Polimer kemudian dapat dit suspended dalam air dan diterapkan ke kayu melalui perawatan berbasis air konvensional [149]. Enkapsulasi juga mampu melindungi bahan aktif hidrofilik dari peluasan berlebihan [19]. Karena diameter kapsul yang kecil, ia dapat dengan mudah dimasukkan dan menembus dinding sel kayu. Ini dengan demikian meningkatkan daya tahan kayu yang dirawat terhadap agen biodegradasi. Teknologi ini tidak hanya dapat mengirimkan pestisida dengan aman, ia juga dapat memperpanjang umur pestisida, yang mengarah pada perlindungan kayu yang lebih lama [203].

Enkapsulasi pestisida adalah pendekatan bottom-up. Ini dapat dilakukan melalui beberapa teknik seperti nanoprecipitasi [17, 204,205,206], emulsion-diffusion [207] dan double emulsification [208] (Tabel 3). Bahan yang digunakan sebagai nanokarier polimer dapat berasal dari polimer alami, polimer sintetis atau kombinasi keduanya [209]. Misalnya, polimer alami mencakup selulosa, pati, alginat, silika dan halloysite. Polimer sintetis yang biasanya digunakan sebagai nanokarier polimer mencakup poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(lactic acid), dll. (Tabel 3).

Studi sebelumnya oleh Liu et al. [18, 216] berhasil mengenkapsulasi tebuconazole dan chlorothalonil ke dalam polyvinylpyridine dan polyvinylpyridine-co-styrene menggunakan metode impregnasi. Ukuran partikel kapsul yang diperoleh berada antara 100 dan 250 nm. Mereka mengimpregnasi suspensi kapsul ke dalam kayu merah southern yellow pine dan birch dengan perawatan tekanan konvensional. Kayu yang dirawat kemudian diekspos terhadap jamur busuk cokelat (Gloeophyllum trabeum) dan jamur busuk putih (Trametes versicolour) selama 55 hari. Hasilnya menunjukkan resistensi yang besar terhadap kedua jamur busuk.

Salma et al. [17] menggunakan teknik nanoprecipitasi untuk mengenkapsulasi tebuconazole. Kapsul polimer yang mengandung tebuconazole disiapkan dari kopolimer amfifilik gelatine yang di-graft dengan metil metakrilat dengan diameter berkisar dari 200 hingga 400 nm atau 10 hingga 100 nm tergantung pada ras massa inti/kulit polimer. Tebuconazole yang dienkapsulasi dilaporkan mampu melestarikan kayu terhadap jamur busuk cokelat. Di sisi lain, sistem formulasi yang dikembangkan oleh Salma et al. [17] fleksibel dan dapat dengan mudah dimodifikasi menggunakan kopolimerisasi monomer akrilik lain seperti hidroksietil metakrilat. Ini menunjukkan bahwa laju pelarutan tebuconazole dapat disesuaikan. Namun, kelemahan dari nano kapsul ini adalah mereka rentan terhadap aglomerasi, yang mengurangi efisiensi pengiriman nano kapsul ke dalam kayu.

Can et al. [217] berhasil mengenkapsulasi nano perak ke dalam kopolimer polystyrene-soybean. Dalam studi mereka, kayu Scots pine diimpregnasi dengan kapsul dan diuji terhadap jamur busuk putih (Trametes versicolor). Temuan yang diperoleh dari studi ini menunjukkan bahwa minyak kedelai, polystyrene dan nano perak memainkan peran penting dalam efek sinergi peningkatan resistensi kerusakan Scots pine.

Impregnasi Nanopartikel Logam untuk Peningkatan Daya Tahan

Nanopartikel logam telah digunakan untuk melindungi kayu terhadap agen biodegradasi dan peregasan sejak dekade lalu [197, 218, 219]. Nanopartikel menawarkan karakteristik yang lebih baik dibandingkan bentuk massa mereka, terutama karena ukuran yang lebih kecil yang mengarah pada rasio luas permukaan spesifik terhadap volume yang tinggi, distribusi ukuran seragam dan stabilitas yang baik. Karena ukurannya yang sangat kecil, nanopartikel dapat menembus secara dalam dan seragam ke dalam pori kayu yang mengarah pada perlindungan kayu [197, 220]. Selain itu, stabilitas dispersi ditingkatkan karena ukurannya dan juga dengan penambahan surfaktan [221]. Stabilitas dispersi yang dipadukan dengan ukuran partikel kecil dapat secara besar-besaran meningkatkan aspek-aspek berikut: (1) penetrasi pelindung, (2) treatability kayu, (3) stabilitas produk finishing dan lapisan, (4) viskositas rendah, dan (5) non-leachability [222, 223]. Selain itu, ia dapat meningkatkan kompatibilitas dengan pengikat sehingga dapat meningkatkan affinnya dengan polimer kayu [197, 224].

Nanopartikel logam dapat disiapkan dengan mengubah ukuran partikel logam melalui reaksi kimia, perlakuan mekanis, pemanasan atau merebus. Hingga saat ini, banyak nanopartikel telah digunakan untuk pelindungan kayu. Nanopartikel logam terutama tembaga, perak, bor dan seng menunjukkan performa yang baik terhadap jamur busuk putih dan cokelat tetapi kurang efisien terhadap jamur [219]. Titanium dioksida (TiO₂) adalah nanopartikel lain yang memiliki potensi untuk digunakan sebagai pelindung kayu. Potensi TiO₂ terkait dengan properti antibakteri dan antifungus [14, 225] dan tahan UV [225, 226]. Namun, studi tentang kayu yang dirawat dengan TiO₂ masih dalam tahap penyelidikan awal [14, 225]. Tabel 4 mencantumkan karya tentang penggunaan TiO₂ untuk pelindungan kayu. Distribusi TiO₂ dalam kayu diteliti oleh Mohammadnia-Afrouzi et al. (Fig. 3).

Citra SEM yang diambil dari bagian tendensial sampel kayu yang dirawat nano-TiO₂: konten kelembaban 0%/konsentrasi 0,5% (a1), 25% MC/konsentrasi 0,5% (A2), 0% MC/konsentrasi 1% (A3), 25% MC/konsentrasi 1% (A4), 0% MC/konsentrasi 1,5% (A5) dan (25% MC/1,5% konsentrasi. Sumber: Afrouzi et al. [227]

Tembaga adalah biocida esensial untuk pelindungan kayu. Namun, tembaga sendirian gagal melindungi kayu terhadap jamur busuk kayu yang toleran tembaga. Nanopartikel tembaga adalah generasi baru pelindung kayu berbasis tembaga. Penggunaan nanopartikel tembaga alih-alih tembaga konvensional menunjukkan peningkatan daya tahan kayu terhadap jamur busuk [230]. Ini menunjukkan bahwa nanopartikel tembaga dapat digunakan untuk melindungi kayu tanpa kehadiran kromium dan arsenik [230].

Cristea et al. [15] mempelajari efek penambahan nanopartikel ZnO dan nanopartikel perak ke dalam lapisan kayu eksterior. Tujuan studi adalah untuk meningkatkan daya tahan dan perlindungan kayu melalui perlindungan UV. Selain memberikan perlindungan yang efisien terhadap UV, properti mekanik kayu seperti kekerasan, kekuatan ikatan, resistensi gosok dan efek barrier untuk difusi uap air sedikit ditingkatkan.

Campuran nanopartikel ZnO dengan nanopartikel perak mampu melindungi kayu dari masalah cuaca seperti sinar UV [231]. Mereka mengimpregnasi kayu buluh cottonwood dengan tiga konsentrasi berbeda dari campuran dengan proses full-cell. Sampel kemudian diekspos pada cuaca alami. Perubahan warna sampel kayu yang dirawat diukur menggunakan spektrofotometer. Kayu yang dirawat dengan nanopartikel ZnO sendirian digunakan sebagai kontrol. Temuan menunjukkan bahwa kayu yang dirawat dengan campuran nanopartikel ZnO dan nanopartikel perak memiliki perubahan warna terendah dibandingkan sampel yang dirawat dengan masing-masing nanopartikel logam.

Dalam studi lain, Mantanis et al. [197] merawat kayu pinus hitam dengan nanopartikel ZnO, zink borat dan oksida tembaga di bawah vakum. Mereka menggunakan emulsi akrilik untuk memaksa nanopartikel logam masuk ke dalam struktur kayu untuk menghindari peluasan. Daya tahan kayu yang dirawat terhadap jamur busuk dan rayap bawah tanah dievaluasi. Hasil menunjukkan bahwa kayu yang dirawat dengan zink borat sedikit menghambat jamur, sementara nanopartikel logam lainnya tidak menunjukkan jamur. Temuan serupa dilaporkan oleh Terzi et al. [232] bahwa nanopartikel ZnO tidak menunjukkan pertumbuhan jamur pada spesimen kayu. Namun, semua nanopartikel logam secara signifikan menghambat jamur busuk putih dan rayap.

Studi lain menunjukkan bahwa nanopartikel logam mampu meningkatkan properti api tahan kayu. Francĕs et al. [16] mempelajari efek SiO₂, TiO₂ dan ZnO₂ yang disusupkan ke dalam furnir pinus. Mereka melaporkan bahwa furnir yang dirawat menggunakan 3 wt% SiO₂ paling efektif untuk meningkatkan perilaku api tahan.

Meski ada keuntungan luar biasa dari nanoteknologi di sektor pelindungan kayu seperti yang dibahas di atas, pemahaman mendasar tentang sintesis, pemrosesan dan karakterisasi nano kapsul dan nanopartikel logam untuk pelindungan kayu masih perlu ditingkatkan. Karakteristik paling menarik yang perlu dipertimbangkan selama desain dan pengembangan nano kapsul atau nanopartikel logam untuk pelindungan kayu tercantum dalam Tabel 5.

Potensi Material Berbasis Nanocelulosa di Sektor Energi

Energi adalah sumber daya penting yang memiliki korelasi kuat antara pertumbuhan dan pembangunan ekonomi [233]. Saat ini, sumber energi utama berasal dari bahan bakar fosil dan sumber hidroelektrik, yang sangat berbahaya bagi lingkungan karena dapat menyebabkan perubahan iklim dan pemanasan global serta penurunan lapisan ozon, pencemaran, emisi gas rumah kaca dan kehancuran ekologis [234,235,236]. Sekitar 80% emisi karbon dioksida (CO₂) di dunia berasal dari sektor energi dan kemajuan teknologi diperlukan untuk mengembangkan sumber energi terbarukan berkelanjutan untuk mengurangi emisi CO₂ serta untuk mengatasi dampak pemanasan global terhadap kehidupan dan kesehatan sejalan dengan kebutuhan mempercepat perkembangan teknologi [234, 237].

Untuk meminimalkan dampak lingkungan, materi berbasis karbon yang efisien energi dan berbiaya rendah telah dieksplorasi sebagai potensi untuk menggantikan beberapa materi konvensional dalam pembuatan perangkat energi. Salah satu materi berbasis karbon alami adalah selulosa yang merupakan polimer alami paling menjanjikan dengan banyak penggunaan, termasuk energi [237].

Nanoteknologi adalah salah satu teknologi lanjutan yang memiliki potensi dan prospek untuk memenuhi permintaan menciptakan energi bersih dan hijau. Mengembangkan materi baru ini pada skala nano memungkinkan aplikasi baru dan interaksinya dengan teknologi energi saat ini yang akan merevolusi bidang energi dari penggunaan ke供应, konversi ke penyimpanan dan transmisi ke distribusi [238]. Dengan menyesuaikan nanoteknologi ini, akan berdampak tinggi pada perkembangan energi bersih dan hijau serta memberikan manfaat bagi lingkungan dan sumber daya alam [239].

Menurut Serrano et al. [234] dan Hut et al. [235], aplikasi paling menjanjikan dari nanoteknologi untuk konversi energi terutama difokuskan pada energi matahari, materi konduktif, hidrogen matahari, sel bahan bakar, baterai, generasi daya dan perangkat energi. Memahami properti struktural dan morfologi nanomaterial sangat penting untuk mendapatkan keahlian dan keberlanjutan untuk banyak aplikasi. Aplikasi terbesar dari nanoteknologi dalam generasi energi adalah energi matahari menggunakan sel fotovoltaik (PV) yang difokuskan pada efisiensi penangkapan [233]. Konsumsi energi yang dihasilkan dari sel matahari ini menggunakan sumber daya alam akan mengurangi penggunaan bahan bakar fosil dan mengurangi pencemaran menuju penciptaan energi ramah lingkungan dan hijau [239]. Selain itu, perkembangan nano perangkat menggunakan sel matahari dapat meningkatkan efisiensi materi yang ada serta mengurangi biaya produksi yang mungkin meningkatkan pertumbuhan ekonomi [236].

Nanoteknologi telah digunakan dalam berbagai aplikasi untuk meningkatkan lingkungan, memecahkan masalah kemanusiaan dan menghasilkan energi yang lebih efisien dan hemat biaya, seperti menghasilkan kurang pencemaran selama produksi produk, memproduksi sel matahari dan bahan bakar dengan biaya yang kompetitif, produksi hidrogen, membersihkan kimia organik yang mencemari air tanah dan mengatasi masalah ketersediaan energi, perubahan iklim dan penyakit serta untuk mengurangi ketergantungan pada sumber energi non-terbarukan [233, 235, 240].

Material Berbasis Nanocelulosa untuk Energi Matahari

Energi matahari tersedia di berbagai bagian dunia dan dapat ditangkap dari matahari dengan energi 15.000 kali lebih banyak setiap tahun. Sumber energi ini dapat digunakan dengan berbagai cara: teknologi fotovoltaik (PV), sistem panas matahari, fotosintesis buatan, teknologi matahari pasif dan teknologi biomass, yang digunakan untuk menghasilkan listrik, uap atau biofuel [234, 235].

Di masa depan, nanoteknologi mungkin berkontribusi untuk mengembangkan sistem yang efektif dan hemat biaya untuk produksi, penyimpanan dan transportasi energi [235]. Menurut Serrano et al. [234] dan Hut et al. [235], pasar PV saat ini didasarkan pada sel matahari berbasis wafer silikon (generasi pertama) dan lapisan tipis bahan semiconductor (generasi kedua). Kekurangan saat ini dari penggunaan sel matahari adalah biaya produksi terutama pada biaya sel PV konvensional yang tinggi dengan efisiensi penyerapan energi yang rendah (kurang dari 40%) [233].

Nanocelulosa menunjukkan potensi yang baik untuk digunakan dalam sistem energi matahari karena keberlanjutannya, biodegradasi, kompatibilitas biologis, kapasitas modifikasi yang luas, adaptabilitas dan morfologi serbaguna [241, 242]. Substrat selulosa yang hemat biaya, fleksibel dan berpori dapat digunakan untuk menghasilkan sel matahari. Nanofibrila selulosa (NFC) dengan ukuran sekecil 4 nm dapat menjadi kandidat yang baik untuk produksi kertas ultra tipis untuk digunakan dalam komponen sel matahari untuk menyimpan energi [235]. Klochko et al. [243] menggunakan nanocelulosa dari biomass untuk pengembangan film tipis fleksibel ramah lingkungan yang terurai sebagai bahan termoelektrik. Film tipis digunakan untuk mengonversi buangan panas rendah dari radiasi matahari menjadi listrik pada suhu mendekati suhu kamar.

Material Konduktif Berbasis Nanocelulosa

Materi konduktif memungkinkan aliran arus listrik yang dibutuhkan dalam pembuatan perangkat energi. Ada banyak jenis materi konduktif seperti polimer konduktif dan materi karbon konduktif (misalnya nanotubus karbon, grafin, dan hitam karbon) dan partikel logam dengan tingkat konduktivitas yang berbeda. Materi konduktif ini dapat digabungkan dengan nanocelulosa untuk membentuk komposit baru. Proses produksi nanocelulosa konduktif ditunjukkan pada Gambar 2. Ada dua strategi utama yang terlibat dalam proses pembuatan komposit hibrida berbasis nanocelulosa; satu adalah pelapisan materi konduktif pada permukaan substrat nanocelulosa, dan yang lain adalah mencampur materi konduktif di dalam substrat nanocelulosa untuk membuat komposit [237]. Polimer konduktif adalah alternatif untuk materi logam karena performa elektrokimia yang baik, ringan dan biaya rendah. Salah satu polimer konduktif yang paling menjanjikan adalah polianilin (PANI) karena rute sintesis yang sederhana, konduktivitas yang dapat dikontrol dan kapasitansi spesifik yang tinggi [244].

Materi konduktif berbasis nanocelulosa dikembangkan untuk aplikasi superkapasitor dan perangkat penyimpanan energi menggunakan berbagai jenis metode seperti polimerisasi in situ, doping, pelapisan, pencetakan inkjet dan deponisi in situ [68, 244,245,246]. Modifikasi superkapasitor yang ada dengan menambahkan komponen nano telah meningkatkan kemampuannya untuk menyimpan sejumlah besar energi dengan waktu pasokan yang lebih lama [238].

Selain itu, elektroda membran komposit berbasis nanocelulosa dapat dikembangkan melalui polimerisasi in situ nanocelulosa menggunakan komponen konduktif melalui unit penyaringan sederhana (Gambar 3). Membran komposit konduktif/nanocelulosa yang tercampur rata tersisa pada filter setelah cairan telah melewati filter dan membran komposit yang dikeringkan udara dapat dikupas dari membran filter untuk digunakan lebih lanjut sebagai superkapasitor [244].

Nanocelulosa untuk Penyimpanan Energi

Potensi aplikasi nanocelulosa untuk aplikasi penyimpanan energi telah mendapat banyak perhatian akhir-akhir ini. Ini karena ukurannya pada skala nano, rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi, dan kaya akan grup hidroksil, yang membuat kimia permukaannya mudah dimodifikasi untuk pemrosesan komposit. Aspek terpenting dalam penyimpanan energi adalah mengembangkan nanocelulosa dengan properti konduktivitas dan fleksibilitas. Ini dapat dicapai dengan menambahkan polimer konduktif seperti polianilin dan polipirrol. Misalnya, film komposit nanocelulosa/polianilin banyak digunakan sebagai sensor berbasis kertas, elektroda fleksibel dan lem konduktif [68, 247,248,249]. Razaq et al. [250] memproduksi elektroda dari komposit nanocelulosa/polipirrol dan filamen karbon untuk perangkat penyimpanan energi berbasis kertas. Wang et al. [248] melaporkan bahwa perangkat mereka yang dikembangkan menggunakan komposit nanocelulosa/polipirrol memberikan kemampuan tarif charge dan discharge yang tinggi, kapasitansi sel yang tinggi, dan performa siklus.

Material Berbasis Nanocelulosa untuk Baterai Litium dan Vanadium

Permintaan tinggi pada perangkat elektronik portabel fleksibel akhir-akhir ini seperti ponsel cerdas, kendaraan listrik, laptop, dan bahkan penyimpanan energi jaringan menyebabkan permintaan yang meningkat pada baterai lithium-ion (LIBs) [251] dan superkapasitor [252]. LIBs adalah salah satu kandidat penyimpanan energi yang paling ideal untuk perangkat elektronik, karena densitas energi yang tinggi, densitas daya yang moderat dan stabilitas siklus. Dalam LIBs, elektrolit penting untuk transfer ion litium (Li⁺) antara anoda dan katoda. Elektrolit cair organik digunakan untuk sistem LIBs, tetapi dapat menimbulkan kekhawatiran keselamatan yang luar biasa karena toksisitas tinggi dan kebakaran. Elektrolit padat telah menjadi perhatian karena menunjukkan keuntungan yang jelas dari kebakaran rendah dan toksisitas rendah [253, 254]. Menurut Janek et al. [255], elektrolit padat diklasifikasikan sebagai elektrolit polimer padat (SPE) dan elektrolit anorganik padat (ISE). Namun, SPE menawarkan keuntungan dari pemrosesan yang mudah dan fleksibilitas [255].

Qin et al. [256] mengembangkan SPE dengan menggabungkan oksida polietilena (PEO) dengan aerogel nanofibrila selulosa dan garam lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide (LiTFSI). Hasilnya menunjukkan bahwa properti konduktivitas ionik SPE ditingkatkan secara signifikan karena nanocelulosa nanofibrila yang bermuatan negatif. Hasilnya juga membuktikan bahwa SPE yang dibuat kimiawi stabil, mekanis kuat dan stabil termal serta fleksibel, diharapkan untuk digunakan dalam perangkat elektronik fleksibel.

Nair el at. [257] membuat elektrolit polimer komposit terisi nanocelulosa untuk baterai lithium-sulfur yang berkinerja tinggi menggunakan metode polimerisasi yang diinduksi termal. Elektrolit polimer komposit menunjukkan konduktivitas ionik yang baik, stabilitas termal hingga lebih dari 200 °C dan antarmuka yang stabil terhadap litium. Elektrolit juga memiliki profil siklus yang stabil yang dikaitkan dengan penurunan signifikan migrasi polisulfida menuju anoda oleh penangkap nanocelulosa dalam matriks polimer.

Studi lain dilakukan oleh Zhang et al. [258] pada membran pertukaran proton yang kuat yang dikembangkan menggunakan pol(ether sulphone) yang disulfonasi dan diperkuat oleh nanocelulosa core–shell untuk baterai aliran redox vanadium (VRFBs). Ditemukan bahwa dengan penggabungan nanocelulosa yang dienkapsulasi silika, membran pertukaran proton menunjukkan kekuatan mekanik luar biasa sebesar 54,5 MPa dan efisiensi energi di atas 82% pada 100 mA cm⁻², yang stabil selama 200 siklus charge–discharge. Membran pertukaran proton adalah salah satu komponen kunci dalam VRFBs. Ia berfungsi sebagai pemisah untuk mencegah crossover ion vanadium. Ia juga bertindak sebagai konduktor proton yang berkontribusi pada efisiensi tegangan yang tinggi dalam VRFBs [259].

Material Berbasis Nanocelulosa untuk Superkapasitor Fleksibel

Superkapasitor atau dikenal sebagai kapasitor lapisan ganda elektrokimia atau ultrakapasitor adalah sistem penyimpanan energi serbaguna lain yang telah mendapat perhatian penelita di seluruh dunia [260]. Dengan densitas daya yang tinggi, umur siklus panjang, prinsip sederhana, pemeliharaan rendah, portabilitas, performa stabil dan laju charge/discharge yang cepat membuat superkapasitor mampu mengisi kesenjangan antara baterai dan kapasitor konvensional [260]. Properti ini menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk memenuhi permintaan daya yang terus meningkat.

Elektroda adalah komponen yang sangat penting dalam superkapasitor. Ia memerlukan performa elektrokimia yang baik dan fleksibilitas terutama untuk mempersiapkan superkapasitor fleksibel berkinerja tinggi. Him et al. [261] dan Zhe et al. [262] menemukan bahwa grafin dan nanocelulosa adalah bahan elektroda fleksibel yang baik untuk superkapasitor. Nanocelulosa telah digunakan sebagai bahan substrat karena biodegradasi yang baik, kekuatan mekanik, fleksibilitas dan reaktivitas kimia. Struktur poros dan hidrofilik nanocelulosa dapat memfasilitasi penyaluran materi lain misalnya grafin dalam struktur jaringan seratnya [263]. Pada saat yang sama, kelimpahan grup hidroksil pada permukaan nanocelulosa memungkinkan interaksi nanocelulosa dengan polimer lain untuk membentuk komposit kuat [264].

Khosrozadeh et al. [265] mengembangkan elektroda untuk superkapasitor menggunakan komposit nano grafin/perak kawat nanobasis nanocelulosa/polianilin dan setelah menerapkannya selama 2400 siklus, pada densitas arus 1,6 A/g, superkapasitor menunjukkan densitas daya, densitas energi dan kapasitansi masing-masing sebesar 108%, 98% dan 84%. Ini menunjukkan bahwa elektroda memiliki stabilitas siklus yang baik dan fleksibilitas mekanik yang baik. Di sisi lain, Ma et al. [266] mengembangkan elektroda menggunakan selulosa bakteri/polipirrol yang dilapisi grafin. Elektroda yang disiapkan memiliki fleksibilitas mekanik yang baik sehingga dapat membungkuk pada sudut apa pun. Kapasitansi area dan densitas energi dapat mencapai 790 mF cm⁻² dan 0,11 mWh cm⁻², masing-masing, ketika dirangka sebagai superkapasitor simetris. Elektroda nanocelulosa-grafin dapat diproduksi menggunakan metode silang kering kimia atau silang fisik [267, 268]. Nanocelulosa sebagai komponen elektroda superkapasitor juga berperan sebagai reservoir elektrolit internal. Ini karena nanocelulosa dapat memberikan cara yang efektif untuk transportasi ion. Struktur pori yang tinggi dan properti hidrofilik nanocelulosa memudahkan transportasi ion elektrolit [261].

Kertas Berbasis Nanocelulosa untuk Perangkat Elektronik

Kertas berbasis nanocelulosa adalah substrat hijau yang dapat digunakan untuk perangkat elektronik dan optoelektronik. Saat ini, kertas komersial memiliki permukaan yang cukup kasar dan properti mekanik yang lemah yang dapat cukup mempersulit pembuatan perangkat elektronik [269]. Sebagian besar pembuatan perangkat elektronik menggunakan komponen non-terurai dan non-daurgulah seperti plastik, kaca dan silikon sebagai substrat [270]. Pembentukan kertas berbasis nanocelulosa dari NFC melalui metode penyaringan sederhana dapat menghasilkan kertas dengan kekuatan mekanik yang kuat dan koefisien ekspansi termal rendah sebagai alternatif untuk kertas komersial [6, 269]. Menurut Li dan Lee [270], kertas berbasis nanocelulosa transparan untuk perangkat elektronik telah dirancang dan diterapkan untuk elektrochrom, sensor sentuh, sel matahari, transistor, dioda pengemitter cahaya organik (OLED), pembuktian cetak gravur dan identifikasi radio-frekuensi (RFID).

Salah satu aplikasi kertas nanocelulosa transparan adalah untuk produksi materi elektronik fleksibel melalui cetakan rangkaian langsung pada permukaan substrat melalui teknik pelapisan atau deponisi termal. Pertama, pembuatan elektronik fleksibel dibangun pada wafer silikon khusus yang memungkinkan nanomembran silikon (Si NMs) untuk dilepaskan dan kemudian dipindahkan ke substrat NFC dengan lapisan lem, dan perangkat diselesaikan dengan langkah pembentukan fotoresist dan pengeringan kering seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4 [271].

Selanjutnya, NFC juga menjadi substrat utama untuk dioda pengemitter cahaya organik (OLED) (Gambar 5). Okahisa et al. [272] melaporkan bahwa perangkat OLED diproduksi pada komposit NFC berbasis kayu.

Potensi Komposit Berbasis Nanocelulosa untuk Pengembangan Sensor

Nanocelulosa telah banyak digunakan untuk mengembangkan sensor baru dan meningkatkan sensitivitas sensor. Di industri makanan misalnya, sensor telah menjadi alat penting untuk melindungi manusia dari bahaya kesehatan dan risiko yang disebabkan oleh kontaminan makanan. Sensor dapat membantu mengidentifikasi mikotoksin, patogen, logam berat, pestisida, ion logam, dan sebagainya dalam makanan dengan cepat. Selain itu, teknologi sensor dapat mengatasi proses yang rumit, memerlukan tenaga kerja dan waktu yang lama menggunakan instrumen mahal yang biasanya memerlukan personel yang terlatih dengan baik [273, 274]. Sensor juga memberikan deteksi keamanan makanan yang cepat dan sensitif.

Selama dekade terakhir, banyak sensor (sensor elektrokimia, biosensor dan sensor kimia) telah berhasil dikembangkan sebagai alat deteksi alternatif atau komplementer untuk deteksi yang cepat dan sensitif [275,276,277]. Namun, sensor konvensional dikembangkan menggunakan plastik, produk berbasis petrokimia dan materi anorganik yang mengakibatkan masalah lingkungan. Selain itu, masalah seperti emisi gas rumah kaca, toksisitas dan keberlanjutan bahan semakin meningkat. Oleh karena itu, permintaan akan perangkat sensor berkelanjutan meningkat dengan cepat dalam beberapa tahun terakhir.

Nanocelulosa dari tumbuhan dan bakteri telah menunjukkan potensi yang menjanjikan karena properti fisik, termal, mekanik, optik dan fisik yang baik, yang penting untuk pembuatan perangkat sensor berkinerja tinggi. Properti ini membuat nanocelulosa lebih dipilih sebagai biomaterial karena dapat meningkatkan selektivitas dan sensitivitas sensor untuk deteksi analit. Di sisi lain, properti ikatan nanocelulosa mencegah masalah peluasan reagen yang diimobilisasi. Dengan demikian, perbaikan yang luar biasa dapat diperoleh untuk stabilitas jangka panjang sensor. Selain itu, grup hidroksil –OH pada nanocelulosa dapat dimodifikasi untuk memasukkan situs ikatan untuk adsorpsi selektif berbagai spesies analit [278]. Kombinasi karakteristik ini membuat serat nanocelulosa nanostruktur sebagai blok bangunan ideal untuk konjugasi dengan materi fungsional lainnya [248, 279, 280] (Tabel 6).

Pengembangan Biosensor

Kim et al. [286] mengimobilisasi enzim candida rigosa lipase ke dalam berbagai kristal selulosa nano. Temuan menunjukkan bahwa lipase candida rigisa yang terserap pada nanocelulosa relatif lebih tinggi dibandingkan mikroselulosa. Ini dapat terkait dengan luas permukaan yang besar pada nanocelulosa dan oleh karena itu meningkatkan interaksi ionik antara grup anionik nanocelulosa dan lipase candida rigisa. Dalam studi ini, mereka menemukan bahwa umur paruh lipase candida rigisa yang diimobilisasi pada nanocelulosa meningkat 27 kali lebih tinggi dibandingkan dalam bentuk bebas. Selain itu, stabilitas enzim juga meningkat (Gambar 6).

Grup peneliti lainnya, Edwards et al. [287] mempelajari profil kinetik substrat tri- dan tetrapeptida elastase untuk pembuatan biosensor elastase yang dikenal sebagai human neutrophil elastase (HNE) dan porcine pancreatic elastase (PPE). Untuk mengembangkan HNE dan PPE, tri- dan tetrapeptida yang diimobilisasi digunakan ke dalam kristal selulosa nano kapas. Mereka menemukan bahwa 2 mg tripeptida yang dikonjugasi kristal selulosa nano kapas dalam 1 jam mampu mendeteksi 0,03 U mL⁻¹ PPE, sedangkan 0,2 mL tetrapeptida yang dikonjugasi kristal selulosa nano kapas selama 15 menit mampu mendeteksi aktivitas 0,05 U mL⁻¹ HNE. Incani et al. [288] membuat biosensor dengan mengimobilisasi enzim glukosa oksidase (GOx) dalam komposit nano nanocelulosa/polietilenimina (PEI)/nanopartikel emas (AuNPs). AuNPs terserap pada PEI kationik dan nanocelulosa. Spektra Infra-merah Transform Fourier (FTIR) mengonfirmasi bahwa GOx berhasil diimobilisasi pada komposit polimer (Gambar 7).

Abd Manan et al. [289] berhasil mengembangkan biosensor berdasarkan komposit nano titik kuantum selulosa kristal nano (NCC)/sulfida kadmium (CdS) (QDs) untuk penentuan fenol. Mereka memodifikasi NCC dengan surfaktan kationik bromida setiltrimetilamonium (CTAB) dan kemudian dihias dengan titik kuantum CdS yang dicap 3-merkaptoasam propionat (MPA) sebagai sandaran untuk imobilisasi enzim tirosinase (Tyr). Citra TEM NCC dan CTAB-NCC (Gambar 8a, b) menunjukkan bahwa struktur sisik seperti aglomerasi NCC tidak terpengaruh oleh modifikasi, sementara MPA QDs berbentuk bola (Gambar 8c). Citra FESEM film nanostruktur CTAB-NCC (Gambar 8d) menunjukkan struktur serikat serat yang homogen, seragam dan padat yang diagregasi, sementara untuk film komposit nano CTAB-NCC/QDs (Gambar 8e), titik kuantum CdS muncul seperti titik putih kecil. Analisis EDX menunjukkan keberadaan unsur unsur karbon (C), oksigen (O), sulfura (S) dan kadmium (Cd), yang mengindikasikan bahwa titik kuantum CdS berhasil dilekatkan pada film CTAB-NCC. Temuan pengujian terhadap fenol menunjukkan bahwa biosensor menunjukkan linearitas yang baik terhadap fenol dalam rentang konsentrasi 5–40 µM (R2 = 0,9904) dengan sensitivitas dan batas deteksi masing-masing 0,078 µA/µM dan 0,082 µM.

Di industri makanan, sensor digunakan untuk memantau kualitas atau kesegaran makanan. Moradi et al. [290] mengembangkan indikator sensor pH berdasarkan nanofibre selulosa bakteri untuk memantau kesegaran ikan. Mereka menggunakan antosianin wortel sebagai indikator. Sensor yang dibuat menunjukkan perbedaan warna yang luas dari merah ke abu-abu pada rentang pH 2–11. Perubahan warna dapat dibedakan di mana warna karmin tua menunjukkan ikan segar, warna charm pink menunjukkan ikan terbaik untuk dimakan segera, dan ikan busuk ditunjukkan oleh warna jelly bean blue dan khaki.

Pengembangan Sensor Kimia

Struktur hidrogel nanocelulosa sebelumnya digunakan untuk mengimobilisasi titik kuantum grafin yang didoping sulfura dan nitrogen sebagai sensor hemat biaya untuk mendeteksi enzim laccase [291]. Laccase adalah enzim keluarga multi-tembaga oksidasi. Ia terlibat dalam oksidasi monoelektronik dari berbagai senyawa aromatik dan amina alifatis. Oleh karena itu, ia biasanya digunakan dalam produk dekolorasi dan pewarnaan [292, 293]. Oleh karena itu, pemantauan aktivitas laccase dalam produk komersial sangat menarik. Dari studi ini, para penulis menemukan titik kuantum grafin yang didoping sulfura dan nitrogen secara mandiri melalui interaksi elektrostatis.

Faham et al. [294] mendeskripsikan pengembangan kit ensai colorimetrik berbasis nanocelulosa untuk pengesanan ponsel logam besi, Fe(II) dan obat penangkap logam besi deferoxamine (DFO) dalam cairan bio. Mereka menyematkan kurkumin dalam nanopaper selulosa bakteri transparan, sebagai kit ensai colorimetrik. Kit ensai kemudian digunakan untuk memantau besi dan deferoxamine sebagai obat penangkap logam besi dalam cairan biologis seperti urine, darah, air liur dan serum. Kit ensai dapat dengan mudah dikaitkan dengan teknologi ponsel untuk pemantauan colorimetrik Fe(II) dan DFO.

Pengembangan Sensor Elektrokimia

Burrs et al. [295] mendemonstrasikan biosensor elektrokimia berbasis glukosa untuk deteksi bakteri patogen. Kertas konduktif yang digunakan untuk pengembangan sensor elektrokimia disiapkan menggunakan komposit grafin-nanocelulosa. Platinum di-elektrodekan pada komposit grafin-selulosa menggunakan pulsed sonoelectrodeposition [296]. Kemudian sensor diproduksi dengan memfungsikan nanoplatina dengan enzim glukosa oksidase (GO_x) yang terjebak dalam hidrogel kitosan pada kertas konduktif. Mereka menemukan bahwa sensor sangat efisien untuk digunakan dalam biosensing elektrokimia dengan batas deteksi rendah untuk glukosa atau bakteri patogen.

Ortolani et al. [297] mengembangkan perangkat sensing elektrokimia menggunakan nanocelulosa dan nanohorn tunggal karbon (SWCNH) untuk penentuan guanin dan adenin. Keduanya nanocelulosa dan SWCNH memiliki luas permukaan besar, konduktivitas yang baik, porositas tinggi dan stabilitas kimia. Sensor yang disiapkan menunjukkan sensitivitas yang sangat tinggi dan aktivitas katalitik elektro yang tinggi untuk penentuan bersamaan guanin dan adenin. Sensor juga menyajikan batas deteksi yang lebih rendah. Studi lain yang dilakukan oleh Shalauddin et al. [298] menggunakan hibrida nanocelulosa/nanotubus karbon multi-dinding yang difungsikan (f-MWCNTs untuk pengembangan sensing elektrokimia. Sensor untuk penentuan natrium diklofenak dalam obat-obatan farmasi dan sampel cairan biologis digunakan. Kehadiran grup –OH pada nanocelulosa dilaporkan memberikan lebih banyak situs ikatan untuk berbagai analit yang memastikan pengaturan ulang modulus aksial dan penggabungan f-MWCNTs.