TWI: Siliziumdioxid

Hydrophobe Partikel zum Schutz von Bio-Isoliermaterial


Entwicklung von wasserabweisenden Siliciumdioxid-Partikeln zum Schutz von Hanfschäben als Isoliermaterial

Deutsche Übersetzung von Stephan W. Kallee<1> der englischen Veröffentlichung von Marion A. Bourebrab<2><3>*, Géraldine G. Durand<4><5> und Alan Taylor<4>: Development of Highly Repellent Silica Particles for Protection of Hemp Shiv Used as Insulation Materials

 

<1> AluStir, Im Unterdorf 19, 63826 Geiselbach, Germany

<2> National Structural Integrity Research Centre, TWI Ltd, Granta Park, Cambridge CB21 6AL, UK
<3> School of Engineering, The University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3FB, UK
<4> TWI Ltd., Granta Park, Great Abington, Cambridge CB21 6AL, UK

<5> Advanced Resins and Coatings Technologies Innovation Centre, School of Engineering, London South Bank University, 103 Borough Road, London SE1 0AA, UK

*Korrespondierende Autorin: marion.bourebrab@ed.ac.uk

DOI: 10.3390/ma11010004  

Bild 1: Farbiges Wassertröpfchen auf der Hanfschäbenprobe H12-1-5 mit einem 130° großen Wasserkontaktwinkel

© TWI Ltd, CC BY 4.0


Zusammenfassung

Die Verwendung von neuen Biomaterialien für Dämmplatten in Wänden stößt auf zunehmendes Interesse, aber die breitere Akzeptanz in der Bauindustrie wird durch ihre Materialeigenschaften behindert. Die Tatsache, dass solche Materialien hauptsächlich aus Zellulose bestehen, macht sie brennbar, und ihre hydrophile Oberfläche führt zu einer hohen Wasseraufnahme, die zu einem schnelleren biologischen Abbau führen würde. Für die hydrophobe Beschichtung mit Siliciumdioxid-Partikeln wurde eine kolloidale Sol-Gel-Dispersion erfolgreich über das Stöber-Verfahren synthetisiert, charakterisiert und auf Hanfschäben abgeschieden. Die Oberfläche der mit 45 und 120 nm Partikeln mehrfach beschichteten Hanfschäben war gleichmäßig bedeckt und weitgehend wasserabweisend. Diese Proben bestanden einen 72 stündigen Test in der Feuchtigkeitskammer ohne Verlust ihrer hydrophoben Eigenschaft und ohne Anzeichen von Schimmelwachstum.

1. Einleitung

Die Hanfpflanze (Cannabis sativa L.) hat kürzlich im Bausektor großes Interesse für die Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Biobasis gefunden [1-4 ]. Die Pflanze benötigt nicht viel Wasser zum Wachsen, ist in gemäßigten Klimazonen leicht zu ernten[5] und weist eine Reihe interessanter und nützlicher Eigenschaften auf. Die Hanfschäben aus dem holzigen Kern der Pflanze, die auf Englisch üblicherweise Hemp Shiv genannt werden, sind sehr porös mit einer niedrigen Schüttdichte [4], was sie zu einem wertvollen Kandidaten für den Einsatz als Dämmstoff für akustische[6 , 7] und thermische [8-11] Dämmplatten macht.


Die Porosität von Hanf bietet die Möglichkeit, eine atmungsaktive Struktur zu schaffen, in der Feuchtigkeit aus der Umgebung aufgenommen und abgegeben werden kann.[3] Durch diese Eigenschaft wirkt eine solche Isolierung als Puffer gegen plötzliche Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat diesen Effekt gezeigt, indem sie die Energieübertragungseffizienz einer Hanf-Kalk-Wandbaugruppe mit einer herkömmlichen Mineralwolle verglichen hat, die einem plötzlichen Temperaturabfall ausgesetzt war. Die Hanfwand übertrug 17% Energie im Vergleich zu 75% für die Mineralwolle.[12] Das auf Hanf basierende Isoliermaterial regulierte somit die Innenraumluft besser, indem es Änderungen abschwächte, was wahrscheinlich zu einem geringeren Bedarf an Klimatisierung und letztendlich zu Energieeinsparungen führt. Mit ähnlichen Hanf-Kalk-Verbundplatten für innere Trennwände wurde umfangreiche Forschung betrieben.[3, 7, 12-18] Am Beispiel einer Hanf-Kalk-Verbundplatte wird der Schutz vor biologischem Abbau durch den vorhandenen hochalkalischen Kalk gewährleistet.[18] Der Schutz der Pflanzenfasern ist jedoch ein neuartiges Untersuchungsgebiet mit industriellen Auswirkungen.


Das Ziel des ISOBIO-Projekts, in dem die hier vorgestellten Arbeiten durchgeführt wurden, ist die Entwicklung von biobasierten Dämmungsmaterialien mit geringer Energieaufwand für den Einsatz in Gebäudewänden entweder für Neubauten oder für die Nachrüstung bestehender Gebäude.


Zwar gibt es Treiber für den Einsatz umweltverträglicher Materialien im Bausektor, doch verzögert ihre Zusammensetzung nach wie vor eine weiter verbreitete Verwendung. Zum Beispiel bestehen die Hanfschäben aus 40–52% Cellulose, 22–30% Lignin und 18–28% Hemicellulose sowie Pektinen, Asche, Wachsen und Fett in kleineren Mengen.[8, 19] Die Prozentanteile variieren erheblich in Abhängigkeit vom Boden und den klimatischen Bedingungen und davon, wie der Hanf geerntet wurde. Die Hauptbestandteile sind jedoch Kohlenwasserstoffe und somit brennbar und die Hydroxylgruppen der Zelluloseteile sind hydrophil, d.h. sie saugen Wasser auf. Diese beiden Probleme müssen angesprochen werden, wenn Biomaterialien der Hauptbestandteil eines Bausteins sind.


Eine andere Gruppe von Forschern im selben Projekt hat erfolgreich gezeigt, dass die Hanfschäben mittels einer Sol-Gel-basierten dünnen mesoporösen Beschichtung auf Siliziumdioxidbasis chemisch modifiziert werden kann, um hydrophob, d.h. wasserabweisend, zu werden.[20]

 

Wie bei vielen Alkoxidsol-Gel-Systeme handelt es sich hierbei um ein sich entwickelndes dynamisches System mit einer bestimmten Lagerfähigkeit und kann zum Gelieren neigen. Unser Ansatz unterscheidet sich von ihnen darin, dass Hydrophobie durch Ablagerung hydrophober Siliziumdioxidpartikel auf den Hanfschäben eingeführt wird. Diese Partikel sind bereits zum Zeitpunkt der Abscheidung vollständig umgesetzt. Die Verwendung von anorganischem Material für die Bioaggregate hat zwei Gründe: Die Größe der Siliciumdioxid-Partikel kann unterschiedlich sein, wodurch sich unterschiedlich dicke Schichten ergeben. Durch die Verwendung von anorganischem Siliciumdioxid entsteht ein Wärmeschutzschild, das die Ableitung von Wärme erleichtert, wenn das Material Feuer ausgesetzt wird. Die zukünftige Arbeit der Autoren konzentriert sich auf diese doppelte Funktionalität der Siliciumdioxid-Partikel. Diese Studie konzentriert sich daher auf das Aufbringen funktionalisierter Siliciumdioxid-Partikel auf Hanfschäben, um hydrophobe Eigenschaften zu erzeugen und den Abbau in feuchter Umgebung zu verhindern, so dass diese Biomaterialien effektiv als Dämmstoffe in Gebäudehüllen verwendet werden können. 

2. Terminologie

Siliciumdioxid (häufig auch: Siliziumdioxid) ist eine Sammelbezeichnung für die Modifikationen der Oxide des Siliciums mit der Summenformel SiO2. Im deutschen Sprachraum wird, vorwiegend in der Kautschuk-Industrie, fälschlich für Siliciumdioxid die Bezeichnung Kieselsäure benutzt[30] oder in letzter Zeit auch das aus dem Englischen übernommene Silica.[31]

 

Hanfschäben (Einzahl: die Hanfschäbe,[32] englisch: Hemp Shiv) werden laut Wikipedia die relativ gleichmäßig gebrochenen, holzähnlichen Teilchen bezeichnet, die bei der Erzeugung von Hanffasern im maschinellen Prozess der Entholzung (Dekortikation) des Pflanzenstängels anfallen. Sie entstammen der holzigen Kernröhre des Stängels, der von den Fasern umgeben ist. Ihre Länge variiert von unter einem bis zu wenigen Zentimetern. Sie sind ein Neben- oder Kuppelprodukt der Fasererzeugung, das vorwiegend als Tiereinstreu Verwendung findet.[33] (Anmerkungen des Übersetzers).

3. Materialien und Methoden

Der in dieser Studie verfolgte Ansatz bestand darin, eine hydrophobe Behandlung für biobasierte Dämmstoffe, insbesondere Hanf, zu entwickeln. Siliciumdioxid-Partikel wurden synthetisiert und funktionalisiert, um Wasser abzustoßen, und dann gemäß den unten beschriebenen Verfahren direkt auf das Schälmittel aufgebracht. 

3.1 Materialien

Siliciumdioxid-Partikel wurden unter Verwendung von Sol-Gel-Verfahren mit Tetraethoxysilan (TEOS) als Siliciumdioxidvorläufer (Silanes & Silicones, Stockport, GB) synthetisiert. Ammoniumhydroxid (Sigma-Aldrich, Gillingham, GB) wurde im eigenen Haus von 28–30 Gew .-% auf 25 Gew .-% verdünnt. Industrieller Brennspiritus (IMS) (99% Ethanol, 1% Methanol), geliefert von VWR International (Lutterworth, UK), wurde als Hilfslösungsmittel verwendet. Schließlich wurde das Wasser im Haus entionisiert. N- Propyltrimethoxysilan (nPTMS) wurde als Funktionalisierungsmittel (Silanes & Silicones, Stockport, UK) mit Dibutylzinndilaurat (Sigma-Aldrich, Gillingham, GB) als Kondensationskatalysator verwendet.[21]


Hanfschäben in verschiedenen Größensortierungen wurden freundlicherweise von Cavac Biomatériaux (Sainte-Gemme-La-Plaine, Frankreich) zur Verfügung gestellt: Die kleinste ist Isofin (etwa 2 mm lang), dann G7 (7 mm), G8 (8 mm), Biofibat (10 mm) und G14 (14 mm). 

3.2. Siliciumdioxid-Partikel-Synthese

In dieser Studie wurden alle Siliciumdioxid-Partikel nach dem Stöber-Verfahren [22] bei Raumtemperatur gemäß den früheren Arbeiten der Autoren [23] synthetisiert. Drei Formulierungen von Siliciumdioxid-Partikeln wurden synthetisiert: eine, die zu einer Partikeldurchmessergröße von ungefähr 30 nm führte, und 45 nm, wenn sie funktionalisiert wurde; eine mit einer funktionalisierten Teilchengröße von ungefähr 120 nm; und eine mit einer funktionalisierten Teilchengröße von 380 nm. Alle Verteilungen waren einheitlich und monomodal (mit einem Polydispersitätsindex unter 0,2) und waren so formuliert, dass sie am Ende der Reaktion 4,3 Gew .-% Siliciumdioxid erreichten. Das Ammoniak wurde dann durch Verdampfen unter Verwendung eines Rotovap aus den Systemen entfernt und IMS wurde zugegeben, so dass der Endgehalt bei 4,3 Gew .-% Siliciumdioxid blieb. 

3.3. Funktionalisierung

Silica-Oberflächen sind typischerweise hydroxylreich. Siliciumdioxid-Nanopartikel, die durch Fällung oder pyrogene Verfahren hergestellt werden, haben Silanoldichten zwischen 4 und 6 OH / nm 2 [24]. In Gegenwart eines Katalysators werden Alkoxysilane durch Reaktion mit den Silanolgruppen (Si-OH) auf die Partikeloberflächen aufgepfropft [25-27]. Wenn die Alkylgruppen auf die Partikel aufgepfropft sind, ergeben sich zwei Vorteile: Die Siliciumdioxidpartikel werden von hydrophil zu hydrophob umgewandelt und die Partikel werden durch sterische Stabilisierung nicht aggregiert. In dieser Studie wurde n-Propyltrimethoxysilan (nPTMS) mit den in Alkohol dispergierten Siliciumdioxidpartikeln über die Verwendung des Zinnkatalysators durch Erhitzen bei 65° C für 18 Stunden umgesetzt, um eine hydrolysefreie Kondensationsreaktion zwischen dem Alkoxysilan und dem Silanol-reichen Oberflächen der Silicapartikel zu ermöglichen.[21] Die relativen Mengen des Silans und der Kieselsäure wurden variiert, um den Einfluss des Silans zu bewerten. Ein einfaches gravimetrisches Funktionalisierungsverhältnis wurde als Menge an Silan als Funktion der Menge an Siliciumdioxid in der Suspension nach dem Beispiel von Posthumus et al.[28]  

3.4. Aufbringung

Siliciumdioxid-Partikel wurden auf Glasträgern abgeschieden, um eine genaue Bewertung der sitzenden Tropfen ohne den Einfluss der Rauheit der Hanfschäben zu ermöglichen. Die Beschichtungen wurden durch Eintauchen von Natronkalkglas-Objektträgern in die Siliciumdioxid-Suspension hergestellt und mit 100 mm / min abgezogen. Die Glasträger wurden eine Stunde lang bei 150 ° C getrocknet, um alle flüchtigen Bestandteile einschließlich überschüssigem nicht umgesetztem Silan zu entfernen.


Vor dem Beschichten wurden die Hanfsamenproben eine Stunde bei 90° C im Ofen getrocknet. Sie wurden dann zwei Minuten lang unter ständigem Mischen in eine Dispersion von Siliciumdioxid-Partikeln eingetaucht, um sicherzustellen, dass alle Aggregate mit den Siliciumdioxid-Partikeln beschichtet waren. Die Biomaterialien wurden dann gespannt, um die gesamte Flüssigkeit zu entfernen, und eine Stunde bei 90 ° C im Ofen getrocknet. Dieser Vorgang wurde wiederholt, um mehrere Schichten von Siliciumdioxid-Partikeln aufzubauen.


Die hergestellten Pflanzenfaserproben sind in Tabelle 1 angegeben. Die für die Reihe der Proben H4-x verwendeten Formulierungen entsprechen Dispersionen funktionalisierter 45-nm-Silicapartikel; Proben H12-x mit Partikeln von 120 nm Durchmesser; und H38-x für diejenigen, die mit Siliciumdioxid-Partikeln mit einem Durchmesser von 380 nm behandelt wurden. 

Tabelle 1: Beschreibung der Proben mit den Eigenschaften der einzelnen Behandlungen, wobei sich die Probennomenklatur zunächst auf das Substrat, dann auf die Partikelgröße des Silicas, dann auf den Funktionalisierungsgrad und schließlich auf die Anzahl der Beschichtungen bezieht

3.5. Charakterisierung

Das zur Charakterisierung der verschiedenen Proben verwendete Protokoll war wie folgt: 

  • Analyse der Partikelgrößenverteilungen (mittlerer Durchmesser (Z-Mittelwert) und gemessene Polydispersitätsindex) der Siliciumdioxid-Suspensionen
  • Tauchbeschichtung von drei Glasträgern für jede Formulierung, gefolgt von einstündigem Trocknen bei 150 ° C
  • Messungen des Wasserkontaktwinkels (WCA) auf Glasträgern zur Überprüfung des hydrophoben Charakters der Dispersion (gemitteltes WCA aus Messungen von drei bis zehn Wassertröpfchen auf jedem der drei Glasträger)
  • Beschichtung durch Eintauchen von Hanfschalen und einstündiges Trocknen bei 90 ° C
  • Messungen des Wasserkontaktwinkels am Hanfspalt und Zeit, für die der WCA größer als 90 ° bleibt
  • Bildgebung von Proben mittels SEM- und EDX-Charakterisierung
  • Analyse der Umgebungsbedingungen auf der behandelten Hanfsorte: Eintauchen in ein Wasserbad für 24 Stunden / Test in einer Feuchtigkeitskammer bei 35 ° C / 90% relativer Luftfeuchtigkeit für 72 Stunden, gefolgt von Trocknungs- und WCA-Messungen.
Bildgebung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM): Die Untersuchung der Oberfläche des beschichteten Hanfmessers wurde mittels REM-Techniken durchgeführt. Die Proben wurden vor der Analyse mittels Sputterverfahren mit Gold beschichtet. Die Bilder des beschichteten Hanfschals wurden auf einem Zeiss-Σigma-FEGSEM (fokussierte Elektronenkanone, focussed electron gun scanning electron microscopy, Zeiss, Deutschland), der bei 5 kV betrieben wurde, unter Verwendung eines Sekundärelektronendetektors für die Topographieanalyse erzeugt.
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX): Die Elementaranalyse der beschichteten Oberflächen wurde durchgeführt, indem EDX-Spektren der ausgewählten Bereiche der Proben erhalten und mit dem AZtec-Charakterisierungssystem (Oxford Instruments, UK) analysiert wurden.
Messung des Wasserkontaktwinkels (water contact angle, WCA): Der hydrophobe Charakter der Proben wurde durch Messung der statischen Tröpfchen-Eigenschaften beurteilt. In dieser Studie wurden alle statischen Wasserkontaktwinkelmessungen mit einem Drop Shape Analyzer DSA-100 (Krüss GmbH, Hamburg, Deutschland) durchgeführt. Für alle Materialien wurden zwischen drei und zehn 2-μl-Tröpfchen entionisiertes Wasser auf die Proben aufgebracht. Bilder der Tröpfchen wurden aufgenommen, um die Messung der Schlüsselabmessungen zu ermöglichen. Diese Daten wurden mit der Software Krüss Advance analysiert (Bild 2). Dann wurden der durchschnittliche WCA-Wert sowie die Standardabweichung für jede auf dem Hanfblatt angewendete Behandlungsformulierung angegeben. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur (24 ± 1 ° C) durchgeführt. 

Bild 2: Mit der Krüss Advance-Software aufgenommene digitale Subtraktionsangiographie am Beispiel von Beispiel H4-1-5

© TWI Ltd, CC BY 4.0 

Feuchtigkeitsexposition: Die Dauerhaftigkeit der Behandlung wurde in feuchter Umgebung beurteilt, indem lose beschichtete Hanfspäne in einer Feuchtigkeitskammer (Vötsch VC 0020, Weiss Technik, Deutschland) untergebracht wurden. Derzeit gibt es keinen Benchmark-Test, um die Haltbarkeit einer hydrophoben Beschichtung auf Biomaterialien in feuchter Umgebung zu bewerten. Es wurde beschlossen, die Parameter der Feuchtigkeitskammer gemäß den Empfehlungen des ISOBIO-Projekts auf 35 ° C und 90% relative Luftfeuchtigkeit (RH) einzustellen. Das Material wurde alle 24 Stunden entnommen, um den WCA zu messen, um den Verlust der Wasserabweisung durch die Umwelt zu überwachen. Der Test wurde abgebrochen, als auf mindestens einer Probe Spuren von Schimmelwachstum sichtbar waren. Die unbeschädigten Proben wurden 5 Tage bei Raumtemperatur getrocknet. 

4. Ergebnisse

4.1. Bewertung der Funktionalisierung

Die Dispersion nicht funktionalisierter Teilchen, die als einzelne Schicht auf Glasträgern abgeschieden wurden, ergab einen Wasserkontaktwinkel von 21 °, was einen hydrophilen Charakter zeigt. Alle anderen Formulierungen von nPTMS-funktionalisierter Kieselsäure hatten Wasserkontaktwinkel von 118,5 ± 0,8 °. Dies ist in Bild 3 grafisch dargestellt . Die Menge an verwendetem Silan schien bei der Messung an Glasträgern keinen signifikanten Einfluss auf die Wasserabweisung zu haben. 

Bild 3: Messungen des Wasserkontaktwinkels auf Objektträgern (die Standardabweichung wird als Fehlerbalken angezeigt) 

© Marion A. Bourebrab et al, CC BY 4.0 

4.2. Gleichmäßigkeit der Ablagerung

Neun Proben von Hanfschäben ohne und mit Oberflächenbehandlung mit Siliciumdioxid-Partikeln (H0-0-0, H4-1-x und H12-1-x) wurden unter Verwendung von REM-Bildgebung untersucht. Es wurden mehrere mit derselben Rezeptur beschichtete Proben von Hanfschnitt mit vierfacher Vergrößerung abgebildet: x 1000, x 5000, x 10.000 und x 25.000. Dies ermöglichte einen repräsentativen Überblick über die gleichmäßige Abscheidung jeder Beschichtung.


Mit nur einer oder zwei Schichten von Siliciumdioxid-Partikeln wurde nur eine teilweise Bedeckung der Oberfläche des Hanfmessers erreicht, was den Proben H12-1-1 und H12-1-2 entspricht (Bild 4 b, c). Da weitere Schichten abgeschieden wurden, wurde eine vollständigere Abdeckung der Oberfläche des Schnittes erzielt, wie in Bild 4 d für die Probe H12-1-3 gezeigt. Bei größerer Vergrößerung für Probe H12-1-2 (Bild 4 c) konnte die Größe der abgeschiedenen Partikel überprüft werden. Aus dem Bild wurden Partikel mit einem maximalen Durchmesser von 152 nm und einem Minimum von 90 nm gemessen. Dies passt gut zu den Erwartungen und der Beurteilung der Partikelgröße in Suspension, 120 nm [23].


Die EDX-Spektren von zwei beschichteten Proben und von unbehandeltem Hanfschnitt sind in 4 dargestellt. Obwohl die EDX-Charakterisierungsmethode nicht quantitativ ist, ist es immer noch möglich zu unterscheiden, welche chemischen Elemente auf der Oberfläche des Hanföls im Überfluss vorhanden sind. Das erste in Bild 5 a gezeigte Spektrum gehört zu unbehandeltem Hanfschnitt (Probe H0-0-0, Bild 4 a), das viel Kohlenstoff und Sauerstoff enthielt, der von der Zellulose seiner Oberfläche herrührte. Die gleichen beiden Elemente waren immer noch im zweiten Spektrum vorhanden (Bild 5 b), wobei Silicium aus den Siliciumdioxid-Partikeln hinzugefügt wurde. Wie aus dem SEM-Bild in Bild 4 b ersichtlich, wurde die entsprechende Probe nur einmal mit Siliciumdioxid-Partikeln beschichtet, und diese deckten die Oberfläche nur teilweise ab, weshalb Elemente aus Cellulose immer noch zu sehen waren. Erwartungsgemäß zeigt der höchste Peak des dritten Spektrums (Bild 5 c) der Probe H12-1-5 weitaus höhere Siliziumspiegel. In dieser Probe war das Signal in Bezug auf Siliciumdioxid das intensivste im Vergleich zu anderen Elementen. Diese Probe wurde fünfmal beschichtet, und das REM-Bild zeigt, dass die Bedeckung der Hanfspitze mit Silica-Partikeln für drei (H12-1-3, Bild 4 d) und mehr Siliciumdioxid-Schichten nahezu vollständig und gleichmäßig war. 

Bild 4: REM-Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskopie) von Proben:

(a) H0-0-0 bei 10000facher Vergrößerung

(b) H12-1-1 zeigt eine teilweise Abdeckung bei einer Vergrößerung von × 10.000

(c) H12-1-2 bei 25.000facher Vergrößerung

(d) H12-1-3 zeigt eine vollständige und gleichmäßige Bedeckung der Hanfschnittfläche bei einer Vergrößerung von × 10.000 

© TWI Ltd, CC BY 4.0 

Bild 5: EDX-Spektren von H0-0-0, H12-1-1 und H12-1-5x:

(a) Probe H0-0-0

(b) H12-1-1, einmal beschichtet mit 120 nm-Siliciumdioxid-Partikeln

(c) H12-1-5, fünfmal beschichtet

Die Peaks für Gold (Au) sind auf die für die REM-Bildgebung verwendete Goldbeschichtung zurückzuführen

 

© TWI Ltd, CC BY 4.0 

4.3. Wasserabweisung von losem beschichtetem Hanfschäben

Der statische Wasserkontaktwinkel wurde jeweils für die Proben H4-1-1, H4-1.5-1, H4-2-1, H12-1-1, H38-1-1 und H0-0-0 gemessen. Der Einfluss der hydrophoben Beschichtung wurde erfolgreich durch den Vergleich von unbehandelten Hanfschnäbenstücken (H0-0-0) mit verschiedenen Formulierungen von hydrophoben Siliciumdioxid-Partikeln auf Hanfschäben nachgewiesen. In den Proben H4-x-1 wurden Partikel mit einem Durchmesser von 45 nm mit einer zunehmenden Menge Alkoxysilan verwendet. Die Verdoppelung der nPTMS-Menge hatte keinen signifikanten Effekt auf den Wasserkontaktwinkel (WCA), wie in Bild 6 zu sehen ist, was die früheren Befunde bei Glasobjektträgern stützt. Probe H12-1-1 mit Partikeln mit einem Durchmesser von 120 nm zeigte ebenfalls einen den anderen Proben ähnlichen WCA, durchschnittlich etwa 114 ° C über den vier behandelten Proben. Die WCA für Probe H38-1-1 war knapp über 90 °, was auf eine weniger hydrophobe Natur als die H4-x-1- und H12-1-1-Proben hinweist. Die für diese Formulierung verwendeten Partikel hatten einen mittleren Durchmesser von 380 nm und wurden als einzelne Schicht aufgetragen.


Die sechs Proben wurden 24 Stunden in ein Bad aus entionisiertem Wasser getaucht, um die Haltbarkeit der Beschichtung zu überprüfen. Nach dem Trocknen der Proben bei 65 ° C für 10 Minuten wurde die WCA erneut gemessen (Bild 6). Wie erwartet zeigte die unbehandelte Probe eine signifikante Reduktion des gemessenen Wasserkontaktwinkels (WCA), was darauf schließen lässt, dass Wasser auch nach dem Trocknen noch in der Struktur der Hanfschäben eingeschlossen ist. Probe H38-1-1 mit 380-nm-Partikeln zeigte auch eine signifikante Verringerung des gemessenen WCA im Vergleich zu dem Wert vor dem Eintauchen. Die vier Proben mit Partikeln von 45 und 120 nm Durchmesser behielten nach dem Eintauchen in Wasser ihr hydrophobes Verhalten bei. Die kleineren Siliciumdioxid-Partikel stellten somit eine wirksame Barriere für flüssiges Wasser in und auf den Hanfschäben dar.

 

Bild 6: Messungen des Wasserkontaktwinkels an Hanfblättern vor (dunkler Schatten) und nach 24 h Eintauchen in ein Wasserbad (hellerer Schatten). Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung der Messungen für jeden Probentyp (es wurden mehrere Hanfschäbenstücke analysiert).  

© Marion A. Bourebrab et al, CC BY 4.0 

4.4. Erhöhung des Siliciumdioxid-Gehalts und der hydrophoben Periode

Wie aus den REM-Bildern (Bild 4) hervorgeht, sollte jede einzelne Hanfschäbe mehr als einmal beschichtet werden, um eine vollständigere Abdeckung der Oberfläche mit Silica zu gewährleisten. Es wurde auch nachgewiesen, dass eine Erhöhung der Menge an beschichtetem Siliciumdioxid den Wasserkontaktwinkel (WCA) um mehr als 10° erhöhte (von 115,5° für H12-1-1, einmal beschichtet, auf 125,9° für H12-1-5, fünfmal beschichtet) (Bild 7 und 6 sowie Tabelle 2). Wenn mehr Siliciumoxid-Partikel auf der Oberfläche vorhanden sind, ist die Barrierewirkung höher, sodass weniger Wasser von den Hanfschäben absorbiert wird. 

Bild 7: Wasserkontaktwinkel- (WCA-) und Zeitmessungen für die Serie der Proben H4-1-x, H12-1-x, H38-1-x und H0-0-0, die die vorteilhafte Wirkung des auf den Hanf aufgebrachten Siliziumdioxids zeigen sowohl auf die Wasserkontaktwinkel (WCA) als auch auf die Zeit der andauernden Wasserabweisung.

© Marion A. Bourebrab et al, CC BY 4.0 

Tabelle 2: Zusammenfassung der Ergebnisse nach Bild 7

© TWI Ltd, CC BY 4.0 

Cellulose ist von Natur aus hydrophil, was bedeutet, dass flüssiges Wasser, wenn das Hanffleisch nicht behandelt wird, schnell in die Struktur der Bioaggregate eindringt. Wenn sich ein Wassertropfen auf der Oberfläche einer Hanfschäbe ablagert, wird es in drei bis fünf Sekunden aufgenommen.[29] Bei der Analyse der beschichteten Hanfschäben wurde jedoch eine Hydrophobizität erreicht, da der Tropfen auf der Oberfläche des Messers deutlich länger mit einem Kontaktwinkel von mehr als 90° blieb. Die Zeit, während der ein einzelner Tropfen einen Kontaktwinkel von mehr als 90° mit dem Substrat aufrechterhielt, wurde für die Reihe der Proben H4-1-x, H12-1-x und H38-1-x überwacht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7' dargestellt . Es besteht eine eindeutige Korrelation zwischen der Anzahl der abgelagerten Schichten auf den Hanfschäben und der Beibehaltung des hydrophoben Verhaltens, die für die Probe H38-1-5 auf fast 25 Minuten und bei 5 Proben auf über 20 Minuten anstieg. Diese Methode hat ihre Mängel, da ein Teil des Wassers während des Experiments verdunsten kann, aber insgesamt kann es eine gute erste Einschätzung des verlängerten hydrophoben Verhaltens einer Oberfläche sein, die normalerweise Wasser absorbiert. Diese erhöhte Beständigkeit gegen Wasserabsorption ist auf die Sperrwirkung der Kieselsäure zurückzuführen. Tatsächlich wurden die fünfmal beschichteten Proben (H4-1-5, H12-1-5 und H38-1-5) hergestellt, so dass mehr anorganisches Material zwischen dem Hanfspalt und dem Wasser abgeschieden wurde, wodurch die Anziehung von Flüssigkeit verhindert wurde Wasser durch die Hydroxylgruppen der Cellulose. 

4.5. Feuchtigkeitstests

Die in dieser Studie untersuchten Biomaterialien sollen als Isolierung im Kern von Dämmplatten in Wänden verwendet werden. Der Grund dafür ist die Fähigkeit des Hanfs, Feuchtigkeit aufgrund seiner Mikroporosität abzupuffern.[3] Dieses atmungsfähige Material lässt dann Wasserdampf durchdringen und verhindert, wenn es mit Siliciumdioxid-Partikeln beschichtet ist, die Absorption von flüssigem Wasser. Wenn Dampf innerhalb der Platte kondensiert, ist es wichtig, dass die Biomaterialien weiterhin flüssiges Wasser abweisen. Darüber hinaus unterliegen Bio-Materialien einem natürlichen biologischen Zerfall, der normalerweise durch eine feuchte und warme Umgebung ausgelöst wird. Um die Wirkung der Feuchtigkeit auf die behandelten Bioaggregate zu bewerten, wurden die Proben H0-0-0, HB12-1-2, HC12-1-2 und HD12-1-2 in eine Feuchtigkeitskammer bei 35° C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit eingebracht. Die drei behandelten Proben wurden mit der gleichen Formulierung aus hydrophoben Siliciumdioxid-Partikeln beschichtet, jedoch auf drei verschiedenen Sorten von Hanfschälchen abgeschieden. Da die Leistung jeder Art von Beschichtung in den vorangegangenen Abschnitten beurteilt wurde, kann die Überprüfung der Wasserabweisung bei größeren Hanfstücken Aufschluss über den Einfluss (oder das Fehlen davon) des Substrats geben. Die Wasserkontaktwinkel (WCA) der losen Materialien wurde in regelmäßigen Abständen gemessen. Die Veränderung der Abstufung der Proben während dieses Experiments ist in Bild 8 dargestellt . Unbehandelter Hanfspeck (Probe H0-0-0) wurde hydrophiler, je länger er Feuchtigkeit ausgesetzt wurde, wobei der WCA in 48 Stunden der Exposition von 68° auf 39° abnahm. Das Fehlen von Daten für eine Expositionsdauer von 72 Stunden ist auf die Entwicklung von Pilzwachstum zurückzuführen, das dazu geführt hat, dass die Probe verworfen wurde. Diese Expositionszeit kennzeichnete den Abbruch des Tests. Auf der anderen Seite hielt beschichteter Hanfspalt über die verschiedenen Proben hinweg während der gesamten drei Tage der Feuchtigkeitsexposition konstant einen Wasserkontaktwinkel (WCA) von durchschnittlich 115°. Nach Beendigung des Experiments und nach dem Trocknen der Proben blieb der endgültige Wasserkontaktwinkel (WCA) mit den während der Feuchtigkeitsexposition erhaltenen Werten ohne Anzeichen eines Mikrobenwachstums im Einklang. Das Vorhandensein von Siliciumdioxid-Partikeln auf den Hanfschäben erwies sich wiederum als Barriere für flüssiges Wasser, aber auch zur Verhinderung der Entwicklung von Schimmel. 

Bild 8: Feuchtigkeitskammerprüfung (bei 35° C und 90% Luftfeuchtigkeit). Die Messungen wurden alle 24 Stunden durchgeführt, bis an mindestens einer Probe Anzeichen von Schimmelwachstum erkennbar waren, und nach fünf Tage langen Trocknen bei Raumtemperatur. Es zeigte sich nur eine sehr geringe Variation der Wasserkontaktwinkel (WCA) während des Experiments für die beschichteten Proben, und die Bildung von Schimmel wurde verhindert.

© Marion A. Bourebrab et al, CC BY 4.0 

5. Diskussion

Aufgrund seiner Mikroporosität und des Zellulosegehalts s sind anfschäben hydrophil und hat ein sehr hohes Wasseraufnahmepotential, da es das Dreifache seines eigenen Trockengewichts aufnehmen kann.[7] Das Beschichten des Hanfschäben mit hydrophoben Siliciumdioxid-Partikeln ist auf zweierlei Weise vorteilhaft. Die Beschichtung kann als Barriere für flüssiges Wasser wirken, daher würden sich Tröpfchen nur auf der Oberfläche der Hanfschäben befinden. Wenn die Siliciumdioxid-Partikel jedoch klein genug sind, blockieren sie nicht die Hauptporen des Hanfschäben, und Wasserdampf könnte noch durchdringen, wodurch das Hanfblatt seine Puffereigenschaften beibehält.

 

Es wurde in dieser Studie gezeigt, dass je mehr funktionalisiertes Siliciumdioxid auf der Oberfläche vorhanden ist, desto größer der Wasserkontaktwinkel war. Die Bildgebung mit SEM-Techniken zeigte, dass mehrere Schichten der Beschichtung zu einer vollständigeren und gleichmäßigeren Abdeckung des Hanfspaltes führten. Die zusätzlichen Schichten verlängerten auch die Zeit, die benötigt wurde, um einen Wassertropfen vollständig aufzusaugen, von fünf Sekunden auf 25 Minuten. Dies zeigte, dass funktionalisierte Siliciumdioxid-Partikel als hydrophobe Behandlung für Biomaterialien verwendet werden können, da sie eine effektive Barriere für Wasser darstellen (wie in Bild 9 dargestellt).


Das Vorhandensein von anorganischem Material zwischen den Hanfschäben und der Umgebung schützte es vor den Auswirkungen des biologischen Abbaus und verringerte die potentielle Anziehungskraft von Wasser durch die Hydroxylgruppen der Cellulose. Die Bindung zwischen Cellulose und Siliciumdioxid war stark genug, um feuchten Bedingungen und dem Eintauchen in Wasser standzuhalten, wenn kleine Partikel (Durchmesser 45 oder 120 nm) auf das Hanfblatt aufgebracht wurden.


Die Siliciumdioxid-Partikel brachten auch Mikrorauigkeit auf die Oberfläche der Hanfschäben. Diese Eigenschaft wurde von anderen Forschern [20] mittels eines optischen 3D-Profilometers demonstriert. Die Verwendung einer solchen Charakterisierungstechnik könnte wertvoll sein, um zu quantifizieren, wie viel Siliciumdioxid nach mehrmaliger Beschichtung effektiv auf den Bioaggregaten abgeschieden wurde. 

Bild 9: Eingefärbte Wassertröpfchen auf der Hanfschäben-Probe H12-1-5 mit einem Wasserkontaktwinkel (WCA) von mehr als 125° 

© TWI Ltd, CC BY 4.0 

6. Schlussfolgerungen

In dieser Studie wurde eine hydrophobe Behandlung von Hanfsschäben durchgeführt, das zur Dämmung von Gebäuden eingesetzt werden kann. Wenn die Hanfsschäben  mehrmals mit funktionalisierten Siliciumdioxid-Partikeln beschichtet wurde, wurde eine gleichmäßige und vollständige Bedeckung der Oberfläche erreicht. Es wurde erfolgreich gezeigt, dass die Hanfschäben durch solch eine Behandlung wasserabweisend wurde: Der hydrophile Charakter der unbehandelten Hanfschäben wurde nach der Beschichtung der Biomaterialien mit funktionalisierten Siliciumdioxid-Partikeln dauerhaft hydrophobiert. Das Schimmelwachstum verzögerte sich, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wurde, während die wasserabweisende Eigenschaft der behandelten Hanfschäben trotz der feuchten Bedingungen erhalten blieb. Die in dieser Studie entwickelte Behandlung könnte eine praktikable Lösung für die Verwendung von Biomaterialien sein, die flüssiges Wasser abweisen müssen, und gleichzeitig die Integrität der Isolierplatte unter normalen Umgebungsbedingungen erhalten. Natürlich müssen noch weitere Tests durchgeführt werden, bevor diese Behandlung im Bausektor vorgenommen wird, wie zusätzliche Feuchtigkeitstests, mechanische Tests, Tests zum biologischen Abbau. Die hier beschriebenen vielversprechenden Ergebnisse geben jedoch eine gute erste Beurteilung der Durchführbarkeit. Bevor sie vollständig im Bausektor übernommen werden, müssen diese Behandlungen und Materialien vollständig gemäß den Bauvorschriften geprüft werden. Angesichts der erst jüngsten Verwendung von Biomaterialien sollten neue Normen und Testmethoden für diese spezifischen Materialien entwickelt werden. 

7. Danksagungen

Die Hauptautorin Marion A. Bourebrab möchte Kollegen von NSIRC und TWI Ltd., insbesondere das FCR-Team von TWI Ltd., Nadia Sid für die Koordinierung des ISOBIO-Projekts und Sheila Stevens für ihre Hilfe beim SEM und EDX würdigen. Kollegen von der School of Engineering der University of Edinburgh wird für ihre Unterstützung und ihr Interesse gedankt, insbesondere Luke A. Bisby und Rory M. Hadden für die Supervision. Die Autoren möchten insbesondere den Wissenschaftlichen Ausschuss ANNIC 2017 würdigen, der die Veröffentlichung dieses Papiers im Anschluss an die 3. Ausgabe der Applied Nanotechnology and Nanoscience International Conference gestattet. Die hier vorgestellte Arbeit wurde im Rahmen des ISOBIO-Projekts mit Finanzmitteln aus dem H2020-Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 636835 durchgeführt. 

8. Autorenbeiträge

Stephan W. Kallee übersetzte den unter einer Creative Commons Lizenz lizensierten Open-Access-Artikel vom Englischen ins Deutsche. Marion A. Bourebrab ist die Hauptautorin des größten Teils dieser Arbeit. Alan Taylor und Géraldine G. Durand haben als Berater beigetragen und das Thema vorgeschlagen. Marion A. Bourebrab und Alan Taylor konzipierten und entwarfen die Experimente. Die Daten wurden von Marion A. Bourebrab, Alan Taylor und Géraldine G. Durand analysiert. Marion A. Bourebrab und Alan Taylor haben den Artikel mit dem Beitrag von Géraldine G. Durand verfasst. 

9. Interessenskonflikte

Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt. Die Gründungssponsoren spielten bei der Gestaltung der Studie keine Rolle; bei der Erhebung, Analyse oder Interpretation von Daten; beim Schreiben des Manuskripts und bei der Entscheidung, die Ergebnisse zu veröffentlichen. Das Projekt ISOBIO zielt darauf ab, neue biobasierte Dämmplatten und Putze zu entwickeln und auf den Mainstream zu bringen, um energieeffizientere Gebäude zu schaffen. Für den Inhalt dieser Veröffentlichung sind ausschließlich die Verfasser verantwortlich und können in keiner Weise die Ansichten der Europäischen Union widerspiegeln.

10. Englische Veröffentlichung

Der englische Open-Access-Artikel (Bild 10) wurde unter einer Creative Commons Lizenz (Namensnennung 4.0 International, CC BY 4.0) wie folgt veröffentlicht:

 

Marion A. Bourebrab, Géraldine G. Durand and Alan Taylor:

Development of Highly Repellent Silica Particles for Protection of Hemp Shiv Used as Insulation Materials

Materials 2018, 11(1), 4
Published: 21 December 2017

DOI: 10.3390/ma11010004

 

Jede weitere Verbreitung dieses Werkes muss die Autoren sowie den Titel des Werks, die Zeitschrift und den digitale Objektbezeichner (DOI) aufführen.

 

Bild 10:  Journal, Autoren, Titel und Englische Zusammenfassung

© Marion A. Bourebrab et al, CC BY 4.0 


11. Einzelnachweise

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