Kayu Transparan & Inovasi Netral Karbon: Masa Depan Bahan Berkelanjutan

Serbaguna, netral karbon, terbarukan. Tidak, ini bukan slogan pemasaran untuk bahan khusus yang baru saja dikembangkan, tetapi tiga fitur utama dari sebuah material yang sangat familiar — kayu — sebuah material yang hingga saat ini masih mengejutkan kita dengan adaptabilitasnya dan terus berada di garis depan pengembangan material. Dalam artikel ini, saya akan menyelami beberapa perkembangan menarik ini — dari kayu transparan hingga komposit kayu karbon.

Pertama, sekilas pengingat tentang kayu. Kayu adalah komposit alami dari serat selulosa yang tertanam dalam matriks lignin. Selulosa bertindak sebagai batang panjang sepanjang batang pohon dan memberi kayu kekuatan tariknya, sementara matriks lignin memberi kayu kekuatan tekannya.

Gambar 1: Mikrostruktur dasar kayu.

Artikel ini berfokus pada tiga contoh yang meningkatkan sifat kayu dan memperluas penggunaannya, yaitu kayu padat, kayu transparan, dan nano-lapisan untuk kayu. Kami juga akan menjelajahi kayu sebagai sumber karbon berkualitas tinggi dengan struktur yang menguntungkan.

Kayu Padat

Kayu adalah material struktural yang banyak digunakan karena modulus spesifik tinggi, kekuatan tinggi, biaya rendah, dan sifat terbarukan [1]. Namun, penggunaan yang lebih luas saat ini terhambat oleh variansi tinggi dalam sifatnya [1]. Ini disebabkan oleh berbagai kondisi pertumbuhan yang mungkin dialami pohon (misalnya, jenis tanah, ketersediaan air dan nutrisi), yang mengakibatkan perbedaan struktur dan variasi kemiringan serat, lebar cincin, dan prevalensi simpul [1][2].

Untuk mengatasi variasi alami ini, ilmuwan dan insinyur telah mengembangkan produk kayu rekayasa, termasuk kayu lapangan bersilang dan kayu lamelasi (glulam) [1]. Ini telah sangat meningkatkan sifat kayu dan telah menjadi alternatif yang layak lingkungan terhadap baja dan beton [2]. Namun, produk kayu rekayasa saat ini membutuhkan jumlah besar perekat dan perekat logam, yang mengurangi keberlanjutan dan kemampuan daur ulang mereka, terutama ketika perekat tertentu digunakan karena mereka menghasilkan gas beracun (misalnya formaldehida dan Senyawa Organik Volatil) [1].

Akibatnya, penelitian telah difokuskan pada berbagai alternatif, dan khususnya, kayu padat. Inilah tempat di mana densitas kayu ditingkatkan:

• Padatisasi Volume: Sepanjang volume kayu [1] [2]
• Padatisasi Permukaan: Hanya pada lapisan permukaan kayu [2]
• Padatisasi Infiltasi: Sepanjang volumenya melalui impregnasi void menggunakan logam cair/sulfur atau polimer [3]

Densitas yang meningkat ini mengarah pada properti mekanis yang ditingkatkan (Tabel 1) dan memperluas jenis kayu yang dapat digunakan, karena spesies kayu densitas rendah kini dapat diproses menjadi material struktural yang layak [1]. Ketiganya menjanjikan.

Spesies	Kekuatan Tarik Longitudinal [MPa]
	Tidak Ditekan	Ditekan (80%)
Oak (Quercus)	115,3	584,3
Poplar (Populus)	55,6	431,5
Western red cedar (Thuja plicata)	46,5	550,1
Eastern white pine (Pinus strobus)	70,2	536,9
Basswood (Tilia)	52,0	587,0

Tabel 1: Kekuatan tarik longitudinal kayu sebelum dan setelah kompresi.[1]

Salah satu faktor pembatas untuk padatisasi volume adalah dinding sel kayu (lignin), yang menghambat padatisasi dan tidak memiliki kontribusi signifikan secara keseluruhan terhadap properti kayu padat [3]. Pada saat yang sama, ada penelitian yang berkelanjutan untuk memecah kayu hingga skala nano dan menggunakan material nano selulosa delignifikasi, yang memiliki properti material yang sangat baik [3]. Namun, penelitian telah kesulitan untuk meningkatkan skala/mengrakit ini menggunakan pencetakan 3D atau 4D [3].

Salah satu solusi parsial adalah berubah dari pendekatan bottom-up ke pendekatan top-down dengan delignifikasi penuh dan padatisasi kayu. Secara efektif, ini menambahkan langkah awal ke proses padatisasi dan membantu membentuk material bulk selulosa baru dengan properti mekanis yang ditingkatkan dibandingkan kayu padat (modulus elastis ≈ 40 GPa dan kekuatan tarik ≈ 270 MPa) [3]. Selain itu, dapat dengan mudah dibentuk menjadi bentuk kompleks [3], membuka aplikasi yang lebih luas daripada aplikasi struktural dan mungkin menyongsong tipe baru biokomposit terpelintir serat.

Gambar 2: Material bulk selulosa dapat dengan mudah dibentuk menjadi berbagai bentuk geometris. [3]

Kayu Transparan

Seperti yang mungkin Anda perhatikan, kayu dalam gambar 2 hampir transparan. Nah, ternyata kayu transparan saat ini adalah area yang sedang diteliti, dan langkah pertama dalam prosesnya adalah delignifikasi. Ini diikuti oleh infiltasi dengan polimer yang memiliki indeks bias yang cocok, sehingga menciptakan kayu hampir transparan [4] dengan sedikit pencaran yang tersisa karena beberapa celah yang timbul dari pengecilan polimer selama polimerisasi [4]. Masih, karena infiltasi polimer adalah bentuk padatisasi, ini mengarah pada kayu yang kuat dan transparan. Infiltasi polimer juga mengurangi sifat anisotropik kayu hingga faktor lima [5]. Ini karena arah transversal yang lemah dari kayu ditingkatkan oleh polimer, menekan lenturan dinding sel, yang merupakan mekanisme kegagalan dominant dalam arah ini [5].

Gambar 3: Gambar sebelum dan sesudah dari sampel kayu yang telah melalui delignifikasi dan infiltasi polimer.[4]

Selain menjadi material yang memukau, ia memiliki berbagai potensi penggunaan, termasuk atap transparan, jendela, dan penutup panel surya. Atap transparan, bagian, dan jendela dapat mengganti kaca dengan properti mekanis dan isolasi termal yang unggul. Nilai kabur (ukuran pencaharan cahaya) yang tinggi dari kayu transparan juga berarti ia menyediakan cahaya yang lebih lemah dan lebih difus dibandingkan kaca tradisional. Difusi cahaya ini juga membuatnya menjadi penutup panel surya yang sangat efektif, meningkatkan jalur cahaya dalam sel surya dan memungkinkan waktu lebih banyak untuk mengekstrak energi yang mengarah pada efisiensi lebih tinggi [4].

Nano-lapisan untuk Kayu

Di sini, kita melihat kasus di luar mengubah sifat kayu, di mana melapisi kayu dengan nanomaterial dapat membantu mengatasi beberapa kelemahan kayu dan meningkatkan properti mekanisnya [6]. Kelemahan ini termasuk keberahan, fotodegradasi, dan penyerapan air.

Nano-lapisan kayu dapat dilakukan dengan dua cara: nanopartikel ditambahkan ke lapisan untuk meningkatkan propertinya sebelum aplikasi, atau nanopartikel disetorkan langsung pada kayu [6].

Metode kedua telah digunakan untuk mengurangi keberahan kayu melalui penyetoran partikel TiO2/ZnO. Mereka pertama kali dicampur dalam larutan dengan etanol, dan kemudian larutan yang melapisi kayu dikunci dalam autoklaf. Ini mengarah pada pembentukan nanopartikel dengan ukuran yang berkisar antara 80-200 nm pada permukaan, meningkatkan waktu hingga nyala empat kali lipat [7].

Fotodegradasi adalah ketika radiasi UV yang terserap menyebabkan fotooksidasi, yang mengakibatkan perubahan warna permukaan dan penurunan parah dalam properti mekanis. Di sini, menyetorkan lapisan ZnO menghasilkan lapisan nanopartikel yang mengurangi penuaan yang diinduksi UV dan pertumbuhan agen jamur dan mikroba. Resistensi ini terhadap penuaan UV disebabkan oleh ZnO yang secara preferensial menyerap radiasi UV dan melindungi kayu di bawahnya [8]. Ketika datang ke meningkatkan properti mekanis, nanosilika digunakan. Partikel nanosilika memiliki kekerasan dan sifat termal yang tinggi. Mereka dapat bereaksi ketika reaksi sol-gel digunakan dengan polimer untuk membentuk struktur jaringan bersilang yang dapat diterapkan pada kayu [6].

Komposit/Keramik Kayu Karbon

Aplikasi ini menggunakan materi sintetis yang paling tua, yaitu arang. Arang adalah material selular yang terkربون di bawah pirolisis. Ia digunakan dalam pembuatan gambar gua [9]. Kini, kita masih menggunakan arang untuk berbagai aplikasi, termasuk template bio untuk keramik canggih dan komposit serta pembakaran. Karbonisasi kayu melibatkan proses dua tahap [9].

• Tahap 1 adalah dekomposisi material bio-organik (seringkali kayu tetapi juga serat alami dan kertas) menjadi template karbon.
• Tahap 2 adalah mengonversi template karbon melalui transformasi atau substitusi menjadi struktur keramik atau komposit.

Kedua metode memerlukan infiltasi template karbon oleh material yang dipilih karena ini, oleh naturnya, medium berpori. Material harus berada dalam keadaan gas, keadaan cair, atau dalam bentuk nanopartikel [9].
Transformasi melibatkan pencampuran template karbon dengan Si atau Ti dalam berbagai bentuk, termasuk gas, cair, atau sol-gel [9][10]. Substitusi adalah ketika oksida keramik disetorkan pada template sebagai sol-gel atau nanopartikel dan kemudian disinter [9][10].

Kedua jalur ini dapat menghasilkan material berpori atau padat dengan morfologi mikroseluler berdasarkan kayu awal [10]. Bentuk pemrosesan ini membuka berbagai opsi desain karena geometri komposit kini dapat dengan mudah diubah dengan membentuk template kayu menjadi bentuk yang diperlukan — proses yang jauh lebih mudah daripada membentuk atau memesin produk akhir. Ada juga opsi untuk menyesuaikan morfologi material melalui pilihan kayu untuk template. Misalnya, kayu lunak memberikan distribusi pori monomodal, sementara beberapa kayu keras memberikan distribusi pori multimodal [10].

Gambar 4: Citra SEM kristal TiC yang telah terbentuk pada substrat kayu karbon. [9]

Komposit kayu karbon ini belum mencapai pasar massal namun dipertimbangkan untuk berbagai aplikasi, di mana porositas tinggi mereka (filter, pemanas pemindah, dan struktur pendukung katalis) dan keformaan mereka (tabung keramik dan material tahan aus) dapat terbukti menguntungkan untuk banyak aplikasi [9][10][11].

Serat Karbon dari Kayu

Serat karbon (CF) memiliki rasio kekuatan terhadap bobot yang luar biasa, yang, ketika dipadukan dengan plastik terpelintir, membuatnya menjadi komposit ringan yang sangat efektif. Namun, karena biayanya yangrelatif tinggi, mereka terbatas terutama pada aplikasi high-end, seperti daun turbin angin, mobil Formula 1, dan bagian penerbangan angkasa. Mereka belum memasuki penggunaan luas dalam aplikasi otomotif, sektor energi, dan konstruksi [12], di mana aplikasi mereka dapat menghasilkan peningkatan signifikan dalam efisiensi energi dan pengurangan emisi CO2. Misalnya, pengurangan bobot 10% pada mobil dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar sekitar 7% [12].

Biaya CF yang tinggi disebabkan karena mereka terutama diproduksi (>96%) menggunakan poli akrilonitril berbasis fosil (PAN) [12][13], sebuah material yangrelatif mahal. Ia diproses menjadi serat karbon melalui spinning larutan, serangkaian perawatan termal (200-350 ºC) dan karbonisasi (> 1000 ºC) [12]. Untuk mengatasi masalah harga ini, penelitian telah mencari bahan precur sor dengan biaya rendah, terbaik dari sumber terbarukan, sehingga menghindari penggunaan bahan bakar fosil.

Dua material telah muncul sebagai calon yang layak, lignin dan selulosa [12][13].

Lignin digunakan karena kandungan karbonnya yang tinggi, yang memungkinkan hasil CF yang tinggi setelah konversi [12]. Selulosa digunakan karena struktur molekulnya yang bermanfaat, yang memberikan kemampuan untuk menghasilkan CF dengan properti mekanis setara dengan CF PAN [13]. Kedua material ini, namun, menderita masalah, karena heterogenitas struktural lignin berarti CF yang dihasilkan memiliki properti mekanis yang lebih rendah, dan kandungan karbon rendah selulosa berarti ia memiliki hasil konversi yang rendah (10-30%) [12][13].

Seperti yang dapat Anda lihat, kelemahan satu adalah keuntungan yang lain. Oleh karena itu, peneliti menggabungkan keduanya menggunakan campuran 70:30 lignin kraft kayu lunak dan pulpa kraft (selulosa) [12], yang dikonversi menjadi filamen melalui spinning basah jet kering dan kemudian CF melalui oksidasi dan karbonisasi (1000 ºC) [13].

Properti	Bahan Precur sor
	PAN standar dan menengah [14][15]	Selulosa [12]	Lignin [12]	Campuran lignin-selulosa 70:30 [12]
Modulus Tarik (GPa)	200-400	500 >	30-60	76 - 77
Kekuatan Tarik (MPa)	4000 - 6000	2500 >	400-550	1070 - 1170
Hasil (wt%)	40-55	10-30	40-55	38-40

Tabel 2: Properti CF yang terbentuk dari berbagai bahan precur sor.[1]

Dari tabel 2, kita melihat campuran ini meningkatkan properti mekanis dibandingkan lignin dan meningkatkan hasil dibandingkan selulosa. Properti mekanis dan hasilnya tetap, namun, lebih rendah dibandingkan CF PAN. Ini bukan hambatan besar karena aplikasi yang diantisipasi di energi, konstruksi, dan otomotif tidak memerlukan kekuatan tarik > 3GPa yang ditawarkan oleh CF berbasis PAN. Oleh karena itu, campuran ini dapat memenuhi persyaratan ini dengan cukup.
Masalah beberapa masih ada sebelum ini memasuki manufaktur massal, seperti tegangan dinamis selama manufaktur dan mengubah manufaktur dari batch ke kontinu. Kami masih bertahun-tahun jauh dari produksi tingkat komersial [13]. Meskipun demikian, kunci pasar massal serat karbon mungkin adalah kayu.

Kesimpulan

Semoga artikel ini telah menunjukkan bahwa kayu masih memiliki potensi yang belum teredarkan sebagai material struktural/fungsional dan dasar untuk diproses menjadi material baru. Artikel ini mencakup sebagian kecil dari kemajuan saat ini di bidang ini, dan salah satu topik ini layak mendapatkan artikelnya sendiri, termasuk material kayu hibrida atau nanofiller untuk kayu. Untuk menekan lebih lanjut potensi yang belum teredarkan dari kayu, ada penelitian aktif oleh Universitas Kyoto untuk mengirim satelit kayu ke angkasa. Ini hanya awalnya dalam upaya mencapai potensi penuh dari kayu.