Aktiva biobaserade material

• Integrering av hybridmaterial: Integrering av olika aktiva material med träbaserade komponenter (inklusive grafen, kolnanorör, ledande polymerer och andra oorganiska partiklar) i kombination med cellulosa, hemicellulosa och lignin.
• Materialformer: Förmåga att tillverka material i olika former, såsom flexibla filmer, högabsorberande hydrogeler, avancerade kompositer, starka filament eller pappersbaserade material.
• Skräddarsydda interaktioner: Kontroll av gränsyteinteraktioner mellan aktiva komponenter och cellulosa för att justera materialegenskaper. Denna kontroll möjliggör vattenbaserad bearbetning av substanser som vanligtvis är vattenavvisande (t.ex. integrering av kolnanorör eller grafen i vattenbaserade system).
• Tillverkning av elektroniska komponenter: Expertis och utrustning för att skapa elektroniska komponenter från de framställda aktiva materialkompositerna. Vi kan till exempel tillverka enheter såsom superkondensatorer, batterier, sensorer, transistorer och ställdon helt och hållet av träbaserade aktiva material.
• Applikationsutveckling: Utforskning av ett brett spektrum av applikationer för dessa interaktiva material, inklusive storskaliga energilagringssystem, aktiva förpackningslösningar, smarta kläder (bärbara elektroniska textilier), högpresterande antenner och miljöaktiva filter.

• Fotokatalytiskt “självrengörande” papper: Impregnerat med fotokatalytiska zinkoxid-nanopartiklar renar detta papper luften och självrengörs när det belyses av UV-ljus. RISE har demonstrerat konceptet i industriell skala och visat en kostnadseffektiv produktionsprocess.
• “Power Paper” – energilagrande nanocellulosafilm: Detta flexibla svarta papper fungerar som en uppladdningsbar superkondensator och kan lagra samt avge betydande elektrisk laddning. Det nådde ett världsrekord i prestanda inom området organisk elektronik.
• Smarta förpackningsmaterial: RISE utvecklar aktiva förpackningslösningar som interagerar med innehållet eller omgivningen för att förbättra hållbarhet och användarupplevelse. Dessa inkluderar multifunktionellt papper som kan känna av förhållanden och skicka dem trådlöst, ge elektromagnetisk avskärmning eller reglera temperatur. Hållbara lösningar för trådlös avläsning blir allt viktigare för införandet av nya krav på Passports (Trace4Value & SwePass | RISE).
• Responsiva nanocellulosahydrogeler: Dessa hydrogeler reagerar på stimuli eller fyller avancerade funktioner, till exempel genom att fungera som fuktsensorer eller biobaserade superabsorbenter.

Produktion i pilotskala: Utveckling av effektiva produktionsprocesser i pilotskala för att underlätta övergången från laboratorieforskning till skalbar tillverkning. Till exempel driver RISE pilotanläggningar för produktion av nanocellulosa i större skala, vilket gör materialet mer tillgängligt för industrin. RISE har både laboratorie- (10 g–1 kg/dag) och pilotanläggningar (50–100 kg/dag) för tillverkning av cellulosananofibriller (CNF) i Stockholm. Dessutom har en pilotlinje för produktion av kristallin nanocellulosa (CNC) uppgraderats från 4 kg till 10 kg per dag, vilket har gjort nanocellulosaproduktion genomförbar och kostnadseffektiv genom minskad energiförbrukning. RISE tillhandahåller även pilotlinjer för papperstillverkning, cellulosafilmer och foam forming (skumbildning).

Beläggningstekniker: RISE erbjuder ett omfattande utbud av beläggningstekniker, såsom doppbeläggning, ytlimning, spraybeläggning, spin coating, valsbeläggning och nFOG. Vi erbjuder också ytbehandlingstjänster som förbättrar materialens funktionalitet inom olika industrier, till exempel Physical vapour deposition (PVD) (PVD) – en funktionell tunnskiktsbeläggningsteknik lämplig för plaster, metaller och keramer som förbättrar ytegenskaper som slitstyrka, korrosionsskydd, elektrisk isolering m.m. Andra exempel är funktionella ytbehandlingar via våtkemiska metoder (silankemi, etsning eller polymergraftning) eller torra metoder (plasma-, corona- eller flambehandling) som ger antikorrosiva, antibakteriella, isavvisande, smuts- och vätskeavvisande samt brandskyddande egenskaper.

RISE är aktivt engagerat i att utveckla avancerade kolmaterial från biobaserade resurser. Centrala forskningsområden inkluderar produktion av hårt kol (hard carbon) för batterier, karbonisering av biomassa till bränsle eller elektrodmaterial, samt grafitisering av biokol till grafit.

• Hydrotermisk karbonisering (HTC): RISE driver reaktorer för hydrotermisk karbonisering i både laboratorie- och pilotskala i Stockholm och Örnsköldsvik. Dessa anläggningar används för att omvandla bioslam och annat lågvärdigt bioavfall till hydrokol (hydrochar), som kan användas för jordförbättring, energilagring och miljösanering.
• Produktion av grafit och grafen: RISE utvecklar både konventionella och nya metoder för att omvandla biomassa, såsom lignin, till högpresterande grafit och grafen. Vi har laboratorieutrustning som stödjer utvecklingen av ugnsbaserad grafit, liksom framställning av laserinducerad grafen.
• Produktion av hårt kol för batterier: RISE utvecklar anodmaterial av hårt kol från bioavfall, som använd kaffesump, eller sidoströmmar från massabruk (t.ex. lignin). Detta arbete ingår i ett initiativ som möter den växande efterfrågan på kolmaterial i batterikvalitet.

Exempel på innovationsprojekt inom hårt kol:

Ett exempel är projektet Valorisering av kaffeavfall för batterimaterial ”Waste to Watt?”, där kaffesump valoriseras till batterimaterial, som utår från att efterfrågan på grafit och hårt kol i batterier förväntas öka dramatiskt, och innefattar bearbetning av kaffesump genom olika karboniseringssteg för att producera hårda kolanoder för litiumjon- och natriumjonbatterier."

Ett annat exempel där RISE använder sin omfattande expertis inom karboniseringsprocesser är projektet “Hydrotermisk karbonisering (HTC) av slam”, där bioslam omvandlas till värdefulla koldmaterial. RISE demonstrerar dessa tekniker i både labb- och pilotskala, vilket visar förmågan att skala upp biobaserade karboniseringstekniker.

RISE ligger även i framkant av grafitisering – omvandling av amorft kol från biomassa till grafit. Projektet ”Advancing Biobased Graphite Production for Energy Technologies (BioGraph)” demonstrerar detta genom att använda laserinducerad grafitisering för att omvandla biomassa till högkvalitativ grafit och grafen. Detta innovativa angreppssätt producerar ledande kolmaterial för avancerade energilagringsapplikationer (såsom superkondensatorer och batterielektroder) med hjälp av förnybara råvaror.

Projektet Greenwave 2 utforskar dessutom möjligheten att använda mikrovågor för grafitisering av biomassa.

RISE bedriver omfattande forskning om nanocellulosa och dess användning i aktiva materialtillämpningar. Nedan följer en sammanfattning av utbudet inom området aktiva biobaserade material:

Aktiva biobaserade kompositer: Genom att kombinera nanocellulosa med en mängd aktiva komponenter – såsom grafen, aktivt kol, kolnanorör, ledande polymerer och oorganiska nanopartiklar – kan man skapa funktionella kompositer med skräddarsydda egenskaper.

Tryckt elektronik och energilagringsenheter: RISE utvecklar elektroniska komponenter och energilagringsenheter med nanocellulosabaserade material. Framför allt har tryckta batterier och superkondensatorer på papperliknande cellulosasubstrat tillverkats. Genom att kombinera nanocellulosa med elektroaktiva material har vi kunnat demonstrera ledande och laddningslagrande papper som kan fungera som batterier eller ultrakondensatorer, samt utskrivbara sensorer, transistorer, antenner och till och med ställdon byggda av cellulosakompositer.

Fotokatalytiskt & sensorpapper: Fotokatalytiska, optoelektroniska och sensoriska papper har skapats genom att integrera nanocellulosa med fotokatalytiska zinkoxid (ZnO)-nanopartiklar. Exempel på tillämpningar inkluderar luft- och vattenrening.

RISEs enhet för hållbara material och förpackningar erbjuder en bred uppsättning avancerade analytiska tekniker och instrument för heltäckande materialkarakterisering. Dessa resurser stödjer utvecklingen av polymerer, kompositer, fibrer, beläggningar och förpackningsmaterial. Viktiga analytiska tekniker inkluderar:

Mikroskopi (SEM, AFM) – SEM och AFM ger högupplösta avbildningar av materialytor och mikrostrukturer. Fibrers morfologi, polymerblandningars fördelning och beläggningsskikt kan studeras i detalj.

Spektroskopi (FTIR, Raman, NMR, XPS) – Dessa spektroskopiska verktyg möjliggör verifiering av den kemiska sammansättningen hos nya material (t.ex. för att bekräfta polymerstrukturen hos en biobaserad beläggning eller förekomsten av en viss funktionell grupp på en modifierad fiberyta) och säkerställer konsistens i produktionen.

Kromatografi & masspektrometri (GC–MS, LC–MS, GPC) – GC–MS och LC–MS möjliggör identifiering och kvantifiering av kemiska föreningar, inklusive restmonomerer, extraherbara substanser eller illaluktande flyktiga ämnen från material. GPC (SEC) används för att mäta molekylviktsfördelningen hos polymerer.

Termisk analys (TGA, DSC) – Dessa tekniker avslöjar termisk stabilitet och sammansättning, t.ex. fukt- eller fyllmedelshalt (med TGA), och mäter värmeflöde för att detektera övergångar såsom smältpunkter, glasövergångstemperaturer eller kristallisationsbeteenden (med DSC). Detta ger information om materialets värmetålighet och fasbeteende.

Mekanisk & reologisk provning (DMA, dragprov, reometri) – DMA undersöker viskoelastiska egenskaper (styvhet och dämpning) över ett spann av temperaturer eller frekvenser, vilket indikerar hur materialets styvhetsmodul förändras med värme eller under cyklisk belastning. Standardiserade drag-, tryck-, riv- och slagprov kvantifierar förbättringar i hållfasthet och seghet, och reometrar mäter flöde och deformation hos vätskor eller pastor. Sammantaget bidrar RISEs mekaniska och reologiska provning till att säkerställa att nya material uppfyller nödvändiga kriterier för styrka och bearbetbarhet innan de skaleras upp.

Röntgenanalys (XRD, SAXS/WAXS, 3D-röntgenavbildning) – Röntgendiffraktion (XRD) identifierar kristallina strukturer i material (t.ex. cellulosakristallinitet i fibrer eller polymorfer i farmaceutiska formuleringar). Röntgenspridning vid små och stora vinklar (SAXS/WAXS) undersöker nano- till mikroskaliga strukturer – exempelvis för att analysera dispersionen av lermineralplattor i en nanokomposit eller porstrukturen i ett bioskum. RISE har även tillgång till avancerad 3D-röntgentomografi, inklusive synkrotronanläggningar, för att icke-destruktivt avbilda den inre strukturen hos material med mycket hög upplösning.