Древесина – матеріал майбутнього

Древесина — матеріал будущего

Владимир Фрадкин Разрабатывая нові будівельні та конструкційні матеріали, хіміки і технологи головне увагу приділяють їх експлуатаційним властивостями. Такі критерії як екологічність чи витрата сировинних і енергоресурсів відходять спочатку другого план. Але, зрештою, вони відіграють дуже помітну роль оскільки у значною мірою диктують ринкову ціну нового матеріалу. Саме тому інтерес до традиційних матеріалам з урахуванням поновлюваних видів сировини стрімко росте. Типовим прикладом може бути деревина. Завдяки новим технологіям вони можуть сьогодні у багатьох областях успішно конкурувати з металами, полімерами і навіть керамикой.

Древесина високої плотности

Многие покоління будівельників бачили одна з головних недоліків деревини в обмежену можливість її формування. Фахівці Дрезденського технічного університету розробили і запатентували нову технологію обробки дерев’яних конструкцій, яка істотно розширює сферу їх застосування. При зовнішньому огляді відрізнити звичайний смерековий брус від такої ж бруса, але обробленого по дрезденскому методу, практично неможливо. Лише узявши в руки, помічаєш, що перший майже вдвічі більше важче іншого. Причина стає зрозуміла розглядаючи торці: однією річні кільця круглі, іншою — овальні, хіба що сплюснені. «Ця деревина піддалася ущільнення, — пояснює Пеер Халлер (Peer Haller), професор Інституту будівельних конструкцій і дерев’яних споруд при Дрезденському технічному університеті. — Процес ущільнення здійснюється за нормальної температури 150ºC пресом гарячого пресування. У цьому відбувається стиснення мікроструктури деревини, і цього ми маємо деревину дуже високої густини — приблизно 1кг/дм3».

Один кілограм на кубічний дециметр — це щільність води. Суха ялинова деревина має у нормальний стан вдвічі меншу щільність — вона ж є свого роду губку. Саме висока пористість деревини і дозволяє зі стовбурів круглого перерізу отримувати методом гарячого пресування без будь-яких втрат балки прямокутного сечения.

Преимущества ущільнювальної древесины

Преимущества ущільнювальної деревини найбільш чітко виявляючись у спорудженні великих інженерних споруд — наприклад, мостів. Тут навантаження завжди розподіляються вкрай нерівномірно, отже окремі балки піддаються підвищеному зносу. Якщо такі балки зліпити з ущільнювальної деревини, проте інші тієї самої перерізу — зі звичайної, то таке рішення дозволить зберегти архітектурну гармонійність мосту і навіть забезпечити оптимальні експлуатаційні характеристики.

Там, де очікувані навантаження дуже високі, інженери використовують, зазвичай, сталеві балки різного профілю. Широке торгівлі поширення набули, наприклад, тавровое і двутавровое перерізу. Але й пустотілі балки коробчатого чи круглого перерізу здатні нести більше навантаження, ніж суцільні масивні балки. Технологія, розроблена професором Халлером, дає змогу отримувати пустотілі балки з деревини. І тому спочатку круглий стовбур пресуються в брус квадратного перерізу, та був з одного боку деформація снимается.

В результаті квадратне перетин перетворюється на трапецеидальное, але це дозволяє з кількох таких балок скласти пустотілу трубу.

Как з'єднати деревину з полимером Судя з усього, балки з ущільнювальної деревини вже у незабаром з’являться на багатьох будмайданчиках. Деревина безумовно отримала широке застосування й у машинобудівних галузях, але ті труднощі, із якими досі зіштовхуються технологи, при спробах міцно з'єднати дерев’яну основу з полімерним покриттям. Для цього сьогодні використовується клей, що зовсім не завжди дає оптимальні результати. І ось фахівці Лазерного центру на Ганновері запропонували інший метод — природно, з допомогою лазера. Штефан Барчиковски (Stefan Bartcikowsky) — одне із розробників нової технології - говорит:

— Потрібно уявляти собі справа отже пластмаса для лазерного променя прозора. Лазерний промінь хіба що дивиться у пласт-масу, не помічаючи її, але бачить з ним деревину. І саме там, цій межі, і концентрується енергія лазера. Деревина нагрівається, і подплавляет пласт-масу, отож у результаті виходить міцне зварне з'єднання, має суттєві переваги перед клееным.

Одно з головних достоїнств лазерної технології - її гнучкість: переналагодити таке завдання, пристосувавши її на вирішення нових завдань, можна за лічені години. Енергія лазерного променя може бути підібрана з такою розрахунком, щоб температура в прикордонному шарі не перевищувала 400-т градусів, інакше деревина починає обвуглюватися. Проте такий високих температур й непотрібні, оскільки більшість полімерів плавляться вже за часів 90 градусах. Розплав затікає в пори деревини, завдяки чого і утворюється міцне з'єднання. Штефан Барчиковски говорит:

— Зараз ситуація така: під час випробування наших зразків на розрив, тобто ми намагаємося знову відокремити пласт-масу від деревини, зразок завжди рветься над зоні сполуки, а товщі матеріалу. Нам це дуже гарний ознака: отже, отримане нами зварне з'єднання міцніше, ніж самі соединяемые материалы.

Сегодня досвідчена установка ганноверських інженерів забезпечує досить скромну швидкість зварювання — 1м/мин. Автори розробки мають намір значно підвищити потужність лазера, який поки що не перевищує 100Вт, довести швидкість зварювання до 80м/мин. Вчені сподіваються, що вже рік зможуть уявити діючий прототип промислової установки.

Древесина під час виробництва керамики

Между тим, деревину починають застосовувати під час виробництва кераміки. До цього часу вихідним матеріалом неї служили мінеральні порошки — наприклад, тонко мелений карбід кремнію містився конкретної форми та спекался. Але здрібнення і агломерація — дуже енергоємні процеси, тому американські інженери розробили більш экологичную технологію виробництва кераміки: вона лише обленерго вимагає менше енергії, а й як вихідний матеріал поновлюване сировину — деревину. Мритианджей Сінгх (Mrityunjay Singh), науковий співробітник відділу НАСА для розробки нових керамічних матеріалів Клівленді, штат Огайо, говорит:

— Ми можемо вдаватися тирса, утилізація якого є для лісопильних підприємств серйозної проблемою. До обпилюванням додаються в’яжучі речовини, потім отриманої масі надається форма майбутньої деталі, після чого ця заготівля піддається пиролизу.

Упомянутый Сінгхом піроліз — це що інше, як розкладання під впливом високих температурах безкисневому середовищі. Саме це процес дозволяє перетворювати деревину на деревне вугілля, який — з хімічною погляду — представляє собою чистий вуглець. Ну, а потім в піч додається кремній — другий компонент майбутньої карборундовой керамики.

Кроме сполук кремнію, можна використовувати і розплави деяких солей, що дає змогу виробляти різноманітний асортимент сучасних керамік. Особливість запропонованої технології у тому, що протягом всього процесу зберігається мікроструктура деревини (ілюстрації зрізів деревини див. у статті «Архітектура дерев»), і кераміка хіба що переймає деякі властивості вихідний матеріал. Для кераміки з цими властивостями знайдеться чимало нових сфер применения.

От фільтрації води до термозащиты космічних аппаратов

В частковості, — вважає Сінгх, — може бути використана для фільтрації питної води. Вчені університету у Ерлангені відчувають керамічні матеріали з урахуванням соснової деревини як каталізаторів для хімічної промисловості. А НАСА вважає, новий клас матеріалів якнайкраще адресований термозащиты космічних аппаратов.

По думці Сінгха, перші вироби з кераміки з урахуванням деревини можуть з’явитися над ринком вже рік-два. Але який промисловий потенціал цієї нової класу матеріалів — поки неясно.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.