Как приготовить древесину

11.10.2018

Какой материал на нашей планете можно считать самым твердым? Самым прочным? Кто-то ответит – алмаз, и будет близок к истине, но не прав. По прочности алмаз уступает тем же кевлару, графену, карбину. Углеродные нанотрубки или металлические микрорешетки, использующиеся в производстве космических аппаратов, не только превосходят алмаз по прочности, но еще и легче. Лонсдейлит – углеродная структура, образующаяся при ударе графитосодержащих метеоритов о поверхность Земли, тверже алмаза почти на 60 % (152 ГПа). Но и это не предел: твердость фуллерита (структурированного молекулярного кристалла) достигает 310 ГПа.

Все эти материалы на голову превосходят древесину по своим характеристикам, ведь даже древесный «лидер» – граб – имеет твердость всего около 80 МПа, а сосна, лиственница и береза не «добираются» даже до 40 МПа. Для сравнения: твердость обыкновенной конструкционной стали (Ст3) составляет 131 МПа, а для инструментальных углеродистых высококачественных сталей характерна твердость до 180–190 МПа.

Таким образом, древесине было довольно сложно конкурировать с металлами и другими конструкционными материалами, однако наука не стоит на месте. Инженеры Университета Мэриленда, США (далее – UMD), нашли способ сделать древесину более чем в 10 раз тверже и прочнее.

ТВЕРЖЕ СТАЛИ И ТИТАНА
Суть способа заключается в двухэтапной обработке древесины. Первый шаг – кипячение древесины в водных растворах гидроксида натрия (NaOH) и сульфита натрия (Na2SO3). За счет этой операции в древесине оптимизируется уровень лигнина – естественного клея, соединяющего клетки. Лигнин, аналогично хитину у насекомых, располагается в стенках клеток и межклеточном пространстве, скрепляя целлюлозные волокна. Также снижается уровень гемицеллюлоз – так называется группа полисахаридов, содержащихся в клеточных мембранах растений и выполняющих конструкционную роль. Вместе эти вещества обеспечивают механическую прочность стволов деревьев.

Применяемые сегодня методы улучшения прочностных характеристик древесины, основанные на обработке паром, теплом, аммиаком, и другие способы, к сожалению, не обеспечивают полного уплотнения материала, а также не гарантируют стабильности размеров, особенно под воздействием влаги. Из-за неполного уплотнения вода по-прежнему может попадать внутрь, из-за чего древесина будет расширяться.

Для того чтобы не допустить такого расширения, после оптимизации уровня лигнина и гемицеллюлоз древесина подвергается горячему прессованию, при котором происходит полное разрушение клеточных мембран и древесина окончательно уплотняется на уровне нановолокон целлюлозы.

КОММЕНТАРИИ ЭКСПЕРТОВ
«Этот новый способ обработки древесины делает ее в 12 раз прочнее натуральной и в 10 раз тверже, – рассказывает Лянгбин Ху (Liangbing Hu), руководитель команды инженеров, проводившей исследования в Мэрилендском университете. – Она может стать конкурентом стали или даже титановых сплавов – за счет столь высоких прочностных характеристик и долговечности. Она также сопоставима с углеродным волокном, но гораздо дешевле». Лянгбин Ху является доцентом кафедры материаловедения и инженерии, членом Инновационного института энергетики штата Мэриленд (University of Maryland Energy Research Center – UMERC).

«Такое сочетание прочности и твердости обычно не встречается в природе, – комментирует Тенг Ли (Teng Li), один из руководителей команды, профессор кафедры машиностроения в школе Джеймса Кларка (James Clark School of Engineering) при UMD. Его команда проводила эксперименты, проверяя механические свойства модифицированной древесины».
Этот материал по прочности не уступает стали, но в 6 раз легче, а для разрушения требуется приложить в 10 раз больше энергии, чем для обычной древесины

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Команда протестировала этот новый древесный материал и натуральную древесину, используя и излюбленный у американцев научный метод – стрельбу по материалу из оружия различного калибра. Не вдаваясь в детали рассказов исследователей, описывающих этот сугубо научный процесс, вот результат эксперимента: пуля пробивает обычное дерево, но не пробивает улучшенный материал.

Как отмечает руководитель группы инженеров Лянгбин Ху, подобной обработке может подвергаться любая порода древесины, и вне зависимости от того, проводится ли обработка сосны, бальсы или тика, характеристики получившегося материала всегда примерно одинаковы.

«Мягкие породы, такие как сосна или бальса, растут быстро и более экологичны, а в результате обработки они вполне смогут заменить в производстве мебели и строительстве более плотные, но медленно растущие породы, к примеру тиковое дерево», – делится мнением Лянгбин Ху.

Таким образом, инженерам из Мэрилендского университета удалось найти весьма перспективный путь к проектированию легких, высокоэффективных конструкционных материалов с огромным потенциалом для широкого спектра применений, где требуется высокая прочность, большая твердость и превосходная баллистическая стойкость. Такая древесина может использоваться в автомобилях, самолетах, зданиях и других конструкциях.


мнение эксперта

Орландо-Дж.-Рохас.jpg



Орландо Дж. Рохас
профессор университета Аалто в Финляндии



Самым выдающимся наблюдением, на мой взгляд, является существование предельного уровня концентрации лигнина, который позволяет достичь максимальных механических характеристик уплотненной древесины. Чрезмерное или недостаточное количество этого естественного полимерного клея понижает прочность. А максимальная прочность наблюдается при каких-то промежуточных значениях, которые достигаются в результате частичного удаления лигнина из древесины. Это выявляет наличие зависимости между процессом образования водородных связей и адгезией*, придаваемой полифенольными соединениями. Кроме того, особый интерес представляет тот факт, что уплотнение древесины приводит как к увеличению прочности, так и к увеличению ударной вязкости – двум свойствам, которые обычно компенсируют друг друга.

* Адгезия – сцепление поверхностей разнородных твердых и/или жидких тел, обусловленное межмолекулярными взаимодействиями в поверхностных слоях.


В итоге можно констатировать, что американским инженерам удалось создать совершенно новый материал, способный конкурировать на рынке строительных и конструкционных материалов с более привычными сегодня металлом, бетоном и композитами. Ранее эта же группа исследователей уже разработала ряд новейших технологий в области использования наноцеллюлозных материалов, таких как прозрачная бумага в качестве альтернативы пластику, фотонная бумага для повышения эффективности солнечных батарей, аккумуляторы и суперконденсаторы из древесины, бумажные батарейки, прозрачная древесина для повышения энергоэффективности зданий и другие. Об этих разработках мы обязательно расскажем в следующих выпусках журнала!

Кирилл Веревочкин


Оцените материал:
Читайте также в рубрике
30.11.2018
Зарубежный опыт
12.09.2018
Зарубежный опыт
30.07.2018
Зарубежный опыт