Tradicionālie koksnes aizsargpārklājumi joprojām pārsvarā balstās uz fosilās izcelsmes sintētiskajiem polimēriem un organiskajiem šķīdinātājiem, kas rada būtisku slodzi videi un cilvēku veselībai. Ilgtspējīgas alternatīvas attīstība ir kļuvusi par prioritāti ne tikai materiālzinātnē, bet arī kokrūpniecībā un bioekonomikā.
Rakstā Fully bio-based water-resistant wood coatings derived from tree bark, kura līdzautors ir Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta Biorafinēšanas laboratorijas vadītājs un vadošais pētnieks Jānis Rižikovs, piedāvāta fundamentāli jauna pieeja: no pilnībā dabīgām izejvielām iegūtu ūdensnoturīgu koksnes pārklājums, kura sastāvā ir tikai bērza mizas suberīnskābes un egles mizas polifenoli. Šis pētījums ir daļa no plašāka ERA-NET ForestValue projekta BarkBuild, kas veicina mizas kā bioloģiskas izejvielas pilnvērtīgu izmantošanu augstvērtīgu materiālu radīšanā.
Par šī pētījuma izcilību liecina arī starptautiskā atzinība – publikācija žurnālā Materials Horizons 2024. gadā saņēma prestižo “Outstanding Paper Award”, ko piešķir izciliem, nozares attīstību veicinošiem zinātniskiem darbiem.
Tehnoloģiskā inovācija: hibrīda daļiņu dispersija bez toksiskiem šķīdinātājiem
Izmantojot šķīdinātāju apmaiņas metodi, suberīnskābes un polifenoli tika apvienoti stabilā ūdens dispersijā, kas pēc termiskās apstrādes veido viendabīgu, izturīgu aizsargpārklājumu. Polifenoli pilda divkāršu funkciju:
- tie stabilizē hidrofobās suberīnskābes ūdens dispersijā;
- pēc žāvēšanas un termiskās sacietēšanas kļūst par mehāniski stiprinošu nanopildvielu pārklājumā.
Optimālais sastāvs (10 % polifenolu un 90 % suberīnskābju) nodrošina zemāko ūdens absorbciju (100 g/m² pēc 72 h), pārspējot komerciāli pieejamu alkīda emulsijas pārklājumu. Turklāt pārklājums uzrādīja augstu adhēzijas spēju (4B pēc ASTM D3359) un izturību pret traipiem.
Bioloģiskā struktūra kā iedvesmas avots materiālzinātnei
Autoru pieeja atdarina dabiskās mizas barjerfunkciju, pārnesot to uz koksnes virsmu. Mikroskopiskā izpēte (AFM, cryo-TEM) atklāja sarežģītu daļiņu morfoloģiju – no divslāņu struktūrām līdz jūraszvaigznes formas vezikulām. Šīs daļiņas, žūstot, spontāni veido trīsdimensiju polimēru tīklu, kas uzlabo mehāniskās īpašības un samazina porainību.
Termiskā analīze (DSC, TGA, FTIR) apstiprina, ka sacietēšanas procesā notiek polikondensācijas reakcijas, veidojot estera saišu tīklu, kurā aktīvi piedalās polifenoliskie savienojumi.
Ietekme uz bioekonomiku un ilgtspēju
Eiropas Savienībā katru gadu rodas ~23 miljoni tonnu mizas kā rūpniecības blakusprodukts. Šī pētījuma rezultāti rāda, ka tā var kļūt par augstas pievienotās vērtības resursu, nevis tikai kurināmo. Pilnībā dabīgā pārklājuma ražošana notiek bez toksiskiem šķīdinātājiem, bez sintētiskiem šķērssaistītājiem, un tas samazina CO₂ pēdu, vienlaikus nodrošinot konkurētspējīgu veiktspēju.
Konteksts un nākotnes perspektīvas
Šī tehnoloģija iezīmē būtisku soli uz priekšu virzībā uz aprites ekonomiku materiālzinātnē. Tā ne tikai paver iespējas aizstāt sintētiskos pārklājumus ar bioloģiskas izcelsmes alternatīvām, bet arī demonstrē, kā ķīmiskā inženierija un koksnes zinātne varstrādāt kopā, lai radītu reāli izmantojamus, komerciāli dzīvotspējīgus risinājumus.
Turpmāk plānots paplašināt pētījumu virzienu, iekļaujot arī citu koku mizas frakciju vai dabas vielu izmantošanu dabīgos kompozītmateriātos, kā arī to iespējamu funkcionalizēšanu UV aizsardzības vai antibakteriālu īpašību nodrošināšanai.
Pilns publikācijas teksts: Fully bio-based water-resistant wood coatings derived from tree bark
Vairāk par Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta Biorafinēšanas laboratorijas vadītāja un vadošā pētnieka Jāņa Rižikova pētniecību:
