Натуральная древесина и металл на протяжении тысячелетий были важнейшими строительными материалами для человечества. Синтетические полимеры, которые мы называем пластмассами, — это относительно недавнее изобретение, получившее широкое распространение в XX веке.
И металлы, и пластмассы обладают свойствами, хорошо подходящими для промышленного и коммерческого использования. Металлы прочны, жестки и, как правило, устойчивы к воздействию воздуха, воды, тепла и постоянных нагрузок. Однако для их производства и обработки требуется больше ресурсов (а значит, и больше затрат). Пластмассы выполняют некоторые функции металла, при этом требуют меньшей массы и очень дешевы в производстве. Их свойства можно адаптировать практически под любое применение. Однако дешевые коммерческие пластмассы — это ужасные конструкционные материалы: пластиковые изделия — это плохо, и никто не хочет жить в пластиковом доме. Кроме того, их часто перерабатывают из ископаемого топлива.
В некоторых областях применения натуральная древесина может конкурировать с металлами и пластиком. Большинство семейных домов строятся на деревянном каркасе. Проблема в том, что натуральная древесина слишком мягкая и слишком легко повреждается водой, чтобы в большинстве случаев заменить пластик и металл. В недавней статье, опубликованной в журнале Matter, исследуется создание закаленного древесного материала, который преодолевает эти ограничения. Результатом этого исследования стало создание деревянных ножей и гвоздей. Насколько хорош этот деревянный нож, и будете ли вы использовать его в ближайшее время?
Волокнистая структура древесины состоит примерно на 50% из целлюлозы, природного полимера с теоретически хорошими прочностными свойствами. Оставшаяся половина структуры древесины состоит в основном из лигнина и гемицеллюлозы. В то время как целлюлоза образует длинные, прочные волокна, которые обеспечивают древесине основу ее естественной прочности, гемицеллюлоза имеет слабосвязную структуру и, следовательно, не вносит никакого вклада в прочность древесины. Лигнин заполняет пустоты между целлюлозными волокнами и выполняет полезные функции для живой древесины. Но для целей человека, таких как уплотнение древесины и более прочное связывание ее целлюлозных волокон, лигнин стал препятствием.
В данном исследовании древесина из натурального сырья была преобразована в закалённую древесину (ЗД) в четыре этапа. Сначала древесину кипятят в растворе гидроксида натрия и сульфата натрия для удаления части гемицеллюлозы и лигнина. После этой химической обработки древесина становится более плотной за счёт прессования в течение нескольких часов при комнатной температуре. Это уменьшает естественные зазоры или поры в древесине и усиливает химическую связь между соседними целлюлозными волокнами. Затем древесина подвергается прессованию при температуре 105°C (221°F) в течение ещё нескольких часов для завершения уплотнения, после чего её сушат. Наконец, древесина погружается в минеральное масло на 48 часов, чтобы сделать готовый продукт водонепроницаемым.
Одним из механических свойств конструкционного материала является твердость по вдавливанию, которая измеряет его способность сопротивляться деформации при сжатии. Алмаз тверже стали, тверже золота, тверже дерева и тверже упаковочной пены. Среди множества инженерных тестов, используемых для определения твердости, таких как твердость по шкале Мооса, используемая в геммологии, тест Бринелля является одним из них. Его принцип прост: твердый металлический шарик вдавливается в исследуемую поверхность с определенной силой. Измеряется диаметр круглого углубления, созданного шариком. Значение твердости по Бринеллю рассчитывается по математической формуле; грубо говоря, чем больше отверстие, в которое попадает шарик, тем мягче материал. В этом тесте HW в 23 раза тверже натуральной древесины.
Большинство необработанных натуральных пород древесины впитывают воду. Это может привести к расширению древесины и, в конечном итоге, к разрушению ее структурных свойств. Авторы использовали двухдневное замачивание в минеральной среде для повышения водостойкости древесины, делая ее более гидрофобной («боящейся воды»). Тест на гидрофобность включает в себя нанесение капли воды на поверхность. Чем более гидрофобна поверхность, тем более сферическими становятся капли воды. Гидрофильная («водолюбивая») поверхность, наоборот, расплющивает капли (и, следовательно, легче впитывает воду). Таким образом, замачивание в минеральной среде не только значительно повышает гидрофобность древесины, но и предотвращает впитывание влаги.
В некоторых инженерных тестах ножи HW показали себя немного лучше, чем металлические ножи. Авторы утверждают, что нож HW примерно в три раза острее, чем нож, продающийся в магазинах. Однако у этого интересного результата есть оговорка. Исследователи сравнивают столовые ножи, или, как мы могли бы их назвать, ножи для масла. Они не предназначены для того, чтобы быть особенно острыми. Авторы показывают видео, где их нож режет стейк, но достаточно сильный взрослый человек, вероятно, смог бы разрезать тот же стейк тупой стороной металлической вилки, и нож для стейка справился бы гораздо лучше.
А что насчет гвоздей? Один деревянный гвоздь, по-видимому, легко забивается в стопку из трех досок, хотя и не так тщательно, как в случае с железными гвоздями. Затем деревянные штифты могут скреплять доски, сопротивляясь силе, которая разорвала бы их, с примерно такой же прочностью, как и железные штифты. Однако в их тестах доски в обоих случаях разрушились раньше, чем разрушился какой-либо гвоздь, поэтому более прочные гвозди не были обнаружены.
В чем еще преимущества деревянных гвоздей? Деревянные штифты легче, но вес конструкции определяется не столько массой штифтов, которые ее скрепляют. Деревянные штифты не ржавеют. Однако они не являются водонепроницаемыми и не разлагаются биологическим путем.
Нет сомнений в том, что автор разработал процесс, позволяющий сделать древесину прочнее натуральной. Однако полезность фурнитуры для конкретной задачи требует дальнейшего изучения. Может ли она быть такой же дешевой и ресурсосберегающей, как пластик? Может ли она конкурировать с более прочными, привлекательными и бесконечно многоразовыми металлическими изделиями? Их исследования поднимают интересные вопросы. Дальнейшие инженерные разработки (и в конечном итоге рынок) дадут на них ответы.
Дата публикации: 13 апреля 2022 г.
