Innovatief Transparant Hout Biedt Duurzaam Kunststofalternatief

Een van de belangrijkste hernieuwbare en duurzame grondstoffen is hout. Het is overal om ons heen aanwezig en bezit geweldige eigenschappen. Dit duurzame en veelzijdige materiaal is een natuurlijke isolator die niet vervuilend en duurzaam is.

Hout heeft een breed scala aan toepassingen, van brandhout, papier en constructie tot meubels, brandstof, smaakstoffen en geuren. Het is al eeuwenlang cruciaal voor de menselijke beschaving en economische ontwikkeling. 

Nu zijn we allemaal bekend met hout, de toepassingsgebieden en het belang ervan in ons leven. Maar hout kan zelfs transparant worden gemaakt. Dit van nature voorkomende, vaste materiaal afkomstig van bomen kan worden omgevormd tot transparant hout door de sleutelcomponenten van hout te vervangen.

Hout heeft drie hoofdcomponenten: cellulose, hemicellulose en lignine, en het verwijderen van zowel lignine als hemicellulose maakt hout transparant. 

De donkere kleur van lignine komt door de complexe chromoforen. Cellulose en hemicellulose zijn daarentegen kleurloos.

Wanneer deze componenten worden verwijderd, blijft er een poreus, papierachtig netwerk van cellulose over. Een kleurloos materiaal vult vervolgens die poriën, waardoor een zekere rigiditeit wordt hersteld. 

Deze fascinerende transformatie van hout, die het transparant maakt terwijl de sterkte behouden blijft, is niet recent; het werd tientallen jaren geleden voor het eerst ontdekt, maar heeft pas recent tractie gekregen in onderzoek naar duurzame materialen.

Transparant Hout: Een Wetenschappelijke Doorbraak

De transformatie van hout naar een transparant materiaal werd in 1992 geïnitieerd door de Duitse wetenschapper Siegfried Fink.

Het idee was om de interne mechanismen van houtige planten te zien zonder ze te dissecteren. Dus bleekte de botanicus de pigmenten en creëerde uiteindelijk transparant hout.

Gedurende meer dan een decennium na Fink’s eerste ontdekking werd dit gebied niet onderzocht, totdat Lars Berglund, een materiaalkundige aan het KTH Royal Institute of Technology in Zweden, begon te zoeken naar een alternatief voor transparante kunststoffen.

Vijf jaar na de eerste ontwikkeling van transparant hout, testten de onderzoekers succesvol¹ een milieuvriendelijk alternatief in 2021. Het alternatief was limoneenacrylaat, gemaakt van hernieuwbare citrus, zoals schilafval.

“Het vervangen van fossiel gebaseerde polymeren is een van de uitdagingen die we hebben gehad bij het maken van duurzaam transparant hout.”

– Berglund zei destijds

Het nieuwe composiet bood een optische transmissie van 90% bij een dikte van 1,2 mm en een extreem lage neveligheid van 30%. Ontwikkeld voor structureel gebruik, vertoonde het zware mechanische prestaties, met een elasticiteit van 17 GPa (ongeveer 2,5 Mpsi) en een sterkte van 174 MPa (25,2 ksi).

Rond dezelfde tijd was professor Liang Bing Hu van de University of Maryland (UMD) geïnteresseerd in het benutten van de sterkte van hout. Ze ontdekten dat transparant hout, wanneer gemengd met epoxyhars, tien keer veerkrachtiger was dan glas en drie keer sterker dan transparante kunststoffen.

In 2019, UMD‑onderzoekers ontwikkelden² een structureel materiaal met een mechanische sterkte van 404,3 megapascal, meer dan acht keer die van natuurlijk hout, door volledige delignificatie en densificatie van hout. Volgens de onderzoekers kan hun koelende hout energiebesparingen opleveren tussen 20% en 60%.

De Toenemende Populariteit van Transparant Hout in Onderzoek

Met de voortdurende vooruitgang in het vakgebied de afgelopen jaren is transparant hout niet langer alleen een wetenschappelijke nieuwigheid. Het krijgt eindelijk de aandacht nu experimenten vruchten afwerpen en potentieel buiten de laboratoria laten zien.

De optische, fysieke en mechanische eigenschappen van transparant hout, in het bijzonder, zorgen voor veel buzz. Bijvoorbeeld, transparant hout is zeer sterk en tevens lichtgewicht.

Niet te vergeten, transparant hout is ook veel beter in isolatie dan glas, wat enorme voordelen biedt in de architectuur. Echter, glas is milieuvriendelijker gebleken doordat het niet-toxisch is en gemakkelijker te recyclen.

Desondanks heeft transparant hout tal van milieuvoordelen, net als elk ander materiaal dat uit planten wordt gewonnen. Ten eerste is het biologisch afbreekbaar. Het kan ook onbeperkt worden gekweekt, en deze nieuwe groei vangt en slaat CO₂ op, wat gunstig is voor het milieu.

Een levenscyclusanalyse van transparant hout³ toonde aan dat, dankzij de hernieuwbare en biologisch afbreekbare eigenschappen, transparant hout het potentieel heeft om traditionele op petroleum gebaseerde polymeren te vervangen. De eind‑levenscyclusanalyse (EOL) liet een aanzienlijk verminderde ecologische impact (107 keer) zien in vergelijking met polyethyleen.

De studie merkte verder op dat de cradle‑to‑gate analyse van TW aangeeft dat delignificatie met natriumsulfiet, natriumhydroxide en waterstofperoxide, gecombineerd met epoxy‑infiltratie, de laagste milieu‑impacten oplevert. 

Wat betreft toepassingsgebieden kan transparant hout worden gebruikt in verlichtingsarmaturen, slimme ramen en zelfs in smartphones. Er wordt ook verwacht dat het toepassingen vindt in de automobielsector, waar ingenieurs werken aan de integratie van elektronica in aanraakgevoelig transparant hout. 

Andere toepassingen voor dit hout zijn ook in ontwikkeling, waaronder hout‑gebaseerde lichtgevende diodes (LED’s) en afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) door toevoeging van magnetische nanodeeltjes. 

Maar natuurlijk is de brede adoptie van transparant hout nog niet bereikt vanwege het ontbreken van een opgeschaalde fabricagetechniek. Daarnaast werken onderzoekers aan het verbeteren van de duurzaamheid van de productie van transparant hout.

Klik hier om te leren hoe massief hout de weg vrijmaakt voor houten wolkenkrabbers.

Natuurlijke Materialen Gebruiken om Sterk, Transparant Hout te Maken 

Onderzoekers hebben daadwerkelijk halftransparant hout ontwikkeld met natuurlijke materialen zoals eiwitten en rijst, wat resulteert in een stevige, biologisch afbreekbare vervanging voor kunststoffen.

Bharat Baruah, een professor scheikunde aan Kennesaw State University (KSU), presenteerde het onderzoek op een bijeenkomst van de American Chemical Society (ACS). Het onderzoek heeft als doel transparant hout (TW) te creëren met eigenschappen zoals elektrische geleiding, optische transparantie en flexibiliteit.

Met deze eigenschappen kan hout worden gebruikt in energie‑efficiënte en elektrische apparaten, die onmisbare onderdelen van ons leven zijn.

Om apparaten zoals sensoren, flexibele elektronica en energieopslagapparaten te bouwen, hebben we goedkope en gemakkelijk verkrijgbare materialen nodig die eenvoudig te fabriceren zijn. Traditioneel hebben kunststoffen deze rol vervuld, maar deze niet‑biologisch afbreekbare materialen blijven honderden jaren in het milieu bestaan en zijn schadelijk voor het ecosysteem.

“In de moderne tijd is plastic overal, ook in de apparaten die we bij ons dragen. En het is een probleem wanneer we het einde van de levensduur van dat apparaat bereiken. Het is niet biologisch afbreekbaar. Dus vroeg ik me af, wat als we iets kunnen creëren dat natuurlijk en biologisch afbreekbaar is in plaats daarvan?”

– Baruah

Met het doel alternatieven te vinden die goedkoper, gemakkelijk verkrijgbaar en eenvoudig te fabriceren zijn voor elektronische apparaten, keken onderzoekers van nature naar hout.

In de nieuwste studie impregneerden de onderzoekers het delignificeerde hout (DW) met een biocompatibel en biologisch afbreekbaar polymeer om transparant hout (TW) te creëren. Deze natuurlijke polymeren voegden flexibiliteit toe aan het transparante hout.

Ondertussen introduceerde de incorporatie van zilvernanodraden (AgNWs) elektrische geleiding in de TW. Het resulterende gemodificeerde hout (MW), volgens de onderzoekers, “zou een enorm potentieel hebben in opto‑elektronica, energieopslag en biomedische apparaten.”

Dit innovatieve materiaal kan mogelijk industrieën revolutioneren door een milieuvriendelijke vervanging voor kunststoffen te bieden in producten zoals smartphoneschermen en energie‑efficiënte ramen. Gezien de veelbelovende eigenschappen kunnen commerciële toepassingen naar verwachting binnen de komende 3 tot 5 jaar opduiken.​

Klik hier om te leren hoe nieuwe chemische methoden rubber omzetten in hoogwaardige harsen.

Het Uitbreiden van de Toepassingen van Transparant Hout door Geleidbaarheid Mogelijk te Maken 

Transparante houtsoorten, hoewel al jaren in ontwikkeling, gebruiken nog steeds plastic, een vorm daarvan (epoxy’s) om ze te versterken. Dus moest Baruah natuurlijke materialen vinden om het hout stevig en stabiel te houden over de tijd.

Gefinancierd door KSU en een luchtfiltratie‑fabrikant Purafil, gebruikte Baruah in de nieuwste studie balsa‑hout en verwijderde de lignine en hemicellulose. De verwijdering werd uitgevoerd met een vacuümkamer en chemicaliën, waaronder verdund bleekmiddel, natriumhydroxide (een vorm van loog) en natriumsulfiet, een delignificerende agent.

Nu, om de poriën te vullen, werd het ondergedompeld in een mengsel van eiwit en rijstextract. Een uithardingsmiddel genaamd di-ethyleentriamine werd ook gebruikt om ervoor te zorgen dat het materiaal transparant blijft.

Omdat deze reagentia hier in kleine hoeveelheden werden gebruikt, vormen ze volgens de onderzoekers weinig gevaar voor het milieu. Sommige uithardingsmiddelen, vooral die met epoxyhars, kunnen milieugevaren vormen vanwege hun toxiciteit, en wanneer ze niet correct worden afgevoerd, kunnen ze vervuiling veroorzaken. Uiteindelijk bleven er flexibele en duurzame halftransparante houtschijven over.

De volgende stap was het verkennen van potentiële toepassingen voor dit geëngineerde hout. Een van de onderzochte use‑cases was het vervangen van glazen ramen.

Hiervoor renoveerde Baruah eerst een vogelhuisje tot een klein, geïsoleerd huisje met één raam. Om de energie‑efficiëntie te testen, werd het vogelhuisje onder een hitte‑lamp geplaatst met een temperatuurmeter binnenin. 

Bij gebruik van het transparante hout vond het team dat de temperatuur binnen het kleine huisje 5 tot 6 graden Celsius (of 9 tot 11 graden Fahrenheit) koeler was dan bij gebruik van glas. Dit suggereert dat het nieuwe materiaal bruikbaar is als een energie‑efficiënt alternatief voor glas in ramen.

Het team voegde vervolgens zilvernanodraden toe aan enkele monsters om de potentiële toepassingen van TW uit te breiden. De toevoeging van zilvernanodraden stelde het hout, een slechte geleider van elektriciteit, in staat elektriciteit te geleiden. Deze eigenschap maakt het gemodificeerde hout nuttig voor coatings voor zonnecellen of draagbare sensoren. 

Hoewel zilvernanodraden niet kunnen worden afgebroken door levende organismen zoals bacteriën, plant het team verdere experimenten met geleidend materiaal zoals grafeen om de volledige naturaliteit van hun transparante hout te behouden. 

Het werk hier is echter nog niet voltooid, aangezien meer onderzoek nodig is om de transparantie van het hout te verbeteren. Het team is echter enthousiast over hun eerste prestatie, namelijk het gebruik van natuurlijke en goedkope materialen. 

“Ik wil een boodschap overbrengen aan mijn bachelorstudenten dat je interessant onderzoek kunt doen zonder duizenden dollars uit te geven.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Een leider in de ontwikkeling van geavanceerde hout‑gebaseerde materialen, Nippon Paper onderzoekt duurzame alternatieven voor traditionele kunststoffen. 

Een van zijn milieuvriendelijke producten omvat Non‑Aluminum FUJIPAK, een drankkarton dat gedurende een langere periode bij kamertemperatuur kan worden bewaard. In plaats van aluminium te gebruiken voor de barrièrelaag, maakt het gebruik van hernieuwbaar biomassa‑materiaal, zoals karton gecoat met een barrièrefilm. Door dezelfde route als melk‑drankkartons voor inzameling te volgen, wordt de recycle‑graad naar verwachting verbeterd. Bovendien maakt het verwijderen van aluminium het gemakkelijk om polyethyleen te verwerken na het terugwinnen van cellulose‑vezel.

Het andere product is School POP®, een rietloze karton die het gebruik van wegwerpp plastic in het dagelijks leven vermindert. Volgens Nippon kan het product helpen om milieubewustzijn vanaf jonge leeftijd te vergroten. Het werd ontwikkeld voor schoolmelk en draagt bij aan het voorkomen van voedselverlies. 

SPOPS® is nog een product van Nippon dat het “bijvullen” van shampoo vervangt door “vervangen”. Volgens het bedrijf wordt de bijvultijd met maar liefst 75% verkort met SPOPS®, waarbij de pomp wordt verwijderd, de cartridge wordt vervangen en de pomp wordt teruggeplaatst. 

Het gebruik van papier als hoofdmateriaal vermindert ondertussen het gebruik van plastic met 25% tot 40%, waardoor het zowel “gebruikersvriendelijk” als “milieuvriendelijk” is. Ondanks dat het een papieren product is, biedt het hoge functionaliteit omdat SPOPS® een verscheidenheid aan vloeistoffen kan verwerken, zoals hoog geconcentreerde alcohol en oppervlakteactieve stoffen.

Een paar maanden geleden aankondigde Nippon de uitbreiding van zijn SPOPS‑business naar de Zuid‑Koreaanse markt in samenwerking met lifestyle‑merk NOTRAC Inc. onder het “ECOJE”‑merk.

Daarna zijn er eco‑vriendelijke verpakkingsmaterialen zoals SHIELDPLUS® die een “papier‑maakende water‑gebaseerde coatingtechnologie” gebruiken voor een 100 % houtachtig materiaal, cellulose‑nanovezels (CNF) genaamd Cellenpia® die worden gecreëerd met technologie die cellulose‑vezels tot extreem kleine (nano) niveaus afbreekt, MinerPa® met unieke pulp‑vormbaarheid en diverse anorganische functies, hitte‑afdichtbaar papier Lamina® dat kan worden gebruikt voor verpakking zonder laminering, en zijn multifunctionele kartonnen basispapier Waterproof Liner.

Nippon is ook een lignine‑producent die producten ontwikkelt door gebruik te maken van de uitstekende eigenschappen ervan. De dispergeerbaarheid, klontering en chelaterende eigenschappen van lignine‑producten maken ze breed inzetbaar in industriële sectoren.

Naast deze duurzame inspanningen produceert en verkoopt Nippon Paper Industries, met het hoofdkantoor in Japan, papierproducten via verschillende segmenten, waaronder Paper and Pulp, Paper‑related, Wood Products, Construction‑related en andere.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $7,96, met een koers‑winstverhouding (P/E) van 3,75 en een prijs‑omzet‑ratio van 0,10. Het betaalt een dividendrendement van 0,95%.

Voor het derde kwartaal van het financiële jaar 2025 rapporteerde Nippon een stijging van 1,3% in de nettowinst tot 886,3 miljard yen ($5,9 miljard) ondanks een daling in de vraag naar grafisch papier. Dit kwam door een groei in de verkoop van huishoudelijk papier, gezondheids‑producten en chemicaliën. De operationele winst steeg ook met 9,2% jaar‑op‑jaar tot 11,1 miljard yen ($74,2 miljoen) dankzij sterke prestaties in de Energy Business. 

Nippon’s binnenlandse verkoopvolume van papier‑ en kartonproducten daalde door een slappe vraag, net als de winsten, ondanks de stabiele prijs van brandstoffen zoals steenkool. Dit kwam door een stijging van arbeids‑ en logistieke kosten.

Het bedrijf meldde ook dat het de concurrentiekracht van zijn biomassa‑producten versterkt heeft door de uitstoot van broeikasgassen (GHG) bij de Ishinomaki‑Molen te verminderen. De significante reductie was het resultaat van het stilleggen van de kolen‑ketel en de installatie van een hoogrendement‑koolzuur‑recovery‑ketel.

Conclusie

In de wereld van energieopslag en elektronica is er behoefte aan goedkope en duurzame materialen. Kunststof, zoals we allemaal weten, is zeer waardevol vanwege zijn lichtgewicht, vervormbaarheid en goede isolerende eigenschappen, maar is niet biologisch afbreekbaar en veroorzaakt aanzienlijke milieu‑ en gezondheidsproblemen.

Hier biedt hout een natuurlijke, goedkope, duurzame en koolstof‑bindende oplossing. Onderzoekers hebben het nog beter gemaakt door aanpassingen te doen. Het resulterende transparante hout vormt een grote stap richting duurzame materialen voor elektronica en energieopslag. Het nieuwste onderzoek gaat nog een stap verder door natuurlijke materialen zoals eiwitten en rijstextract te gebruiken, wat een baanbrekende innovatie demonstreert die alledaagse toepassingen belooft zonder ten koste te gaan van ons milieu. 

Naarmate het onderzoek naar transparant hout vordert en real‑world implementaties ziet, kan het de toekomst van elektronica en energieopslag herdefiniëren door high‑tech en milieuvriendelijk te combineren.

Gerefereerde Studies:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Hoge prestaties, volledig biogebaseerd en optisch transparant hout biocomposieten. Advanced Science. https://doi.org/10.1002/advs.202100559

2. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., Dalgo, D., Mi, R., Zhao, X., Song, J., Dai, J., Chen, C., Aili, A., Vellore, A., Martini, A., Yang, R., Srebric, J., Yin, X., & Hu, L. (2019). Een stralingskoelend structureel materiaal. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Levenscyclusanalyse van de productie van transparant hout met behulp van opkomende technologieën en een strategisch opschalingskader. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301