Натуральное дерево и металл были важными строительными материалами для людей на протяжении тысячелетий. Синтетические полимеры, которые мы называем пластиками, — это недавнее изобретение, которое стало популярным в 20 веке.
И металлы, и пластмассы обладают свойствами, которые хорошо подходят для промышленного и коммерческого использования. Металлы прочные, жесткие и, как правило, устойчивы к воздуху, воде, теплу и постоянным нагрузкам. Однако для их производства требуется больше ресурсов (а значит, более дорогих). производят и совершенствуют свою продукцию. Пластик выполняет некоторые функции металла, требует меньшей массы и очень дешев в производстве. Его свойства можно настроить практически для любого использования. Однако из дешевых коммерческих пластиков получаются ужасные конструкционные материалы: пластиковые приборы не являются Хорошая вещь, и никто не хочет жить в пластиковом доме. Кроме того, их часто производят из ископаемого топлива.
В некоторых применениях натуральное дерево может конкурировать с металлами и пластиками. Большинство семейных домов построено на деревянном каркасе. Проблема в том, что натуральное дерево слишком мягкое и слишком легко повреждается водой, чтобы в большинстве случаев заменить пластик и металл. Недавняя статья опубликованная в журнале Matter, посвящена созданию закаленного древесного материала, который преодолевает эти ограничения. Кульминацией этого исследования стало создание деревянных ножей и гвоздей. Насколько хорош деревянный нож и будете ли вы использовать его в ближайшее время?
Волокнистая структура древесины примерно на 50% состоит из целлюлозы, природного полимера с теоретически хорошими прочностными характеристиками. Оставшаяся половина структуры древесины состоит в основном из лигнина и гемицеллюлозы. Целлюлоза образует длинные, прочные волокна, которые обеспечивают древесине основу ее естественного вида. Прочность гемицеллюлозы имеет мало связной структуры и, таким образом, не способствует прочности древесины. Лигнин заполняет пустоты между целлюлозными волокнами и выполняет полезные функции для живой древесины. помеха.
В этом исследовании натуральная древесина была превращена в закаленную древесину (HW) в четыре этапа. Сначала древесину кипятят в гидроксиде натрия и сульфате натрия, чтобы удалить часть гемицеллюлозы и лигнина. После этой химической обработки древесина становится более плотной за счет прессования. его помещают в пресс на несколько часов при комнатной температуре. Это уменьшает естественные зазоры или поры в древесине и усиливает химическую связь между соседними целлюлозными волокнами. Затем древесину подвергают давлению при температуре 105° C (221° F) еще на несколько часов. часов для полного уплотнения, а затем сушится. Наконец, древесину погружают в минеральное масло на 48 часов, чтобы сделать готовое изделие водонепроницаемым.
Одним из механических свойств конструкционного материала является твердость при вдавливании, которая является мерой его способности сопротивляться деформации при сильном сжатии. Алмаз тверже стали, тверже золота, тверже дерева и тверже упаковочного пенопласта. тесты, используемые для определения твердости, такие как твердость по Моосу, используемая в геммологии, тест Бринелля является одним из них. Его концепция проста: шарикоподшипник из твердого металла прижимается к испытуемой поверхности с определенной силой. Измерьте диаметр кругового шарика. углубление, создаваемое шариком. Значение твердости по Бринеллю рассчитывается по математической формуле; Грубо говоря, чем больше отверстие, в которое попадает мяч, тем мягче материал. В этом тесте HW в 23 раза тверже натуральной древесины.
Большая часть необработанной натуральной древесины впитывает воду. Это может расширить древесину и в конечном итоге разрушить ее структурные свойства. Авторы использовали двухдневную минеральную замачивание, чтобы повысить водостойкость HW, сделав ее более гидрофобной («боящейся воды»). Испытание на гидрофобность предполагает размещение капли воды на поверхности. Чем более гидрофобна поверхность, тем более сферическими становятся капли воды. С другой стороны, гидрофильная («любящая воду») поверхность распределяет капли ровно (и впоследствии легче впитывает воду). Поэтому минеральное замачивание не только существенно повышает гидрофобность ГВ, но и препятствует впитыванию влаги древесиной.
В некоторых инженерных испытаниях ножи HW показали себя немного лучше, чем металлические ножи. Авторы утверждают, что нож HW примерно в три раза острее, чем имеющиеся в продаже ножи. Однако к этому интересному результату есть оговорка. Исследователи сравнивают столовые ножи, или то, что мы могли бы назвать ножами для масла. Они не должны быть особенно острыми. Авторы показывают видео, на котором их нож режет стейк, но достаточно сильный взрослый человек, вероятно, мог бы разрезать тот же стейк тупой стороной металлической вилки, и нож для стейка подойдет намного лучше.
А как насчет гвоздей? Один гвоздь HW, очевидно, можно легко забить в стопку из трех досок, хотя это не так подробно, поскольку это относительно легко по сравнению с железными гвоздями. Деревянные колышки могут затем скрепить доски вместе, сопротивляясь силе, которая может разорвать. Однако в ходе испытаний доски в обоих случаях вышли из строя раньше, чем вышел из строя любой гвоздь, поэтому более сильные гвозди не были обнажены.
Являются ли гвозди HW лучше в других отношениях? Деревянные колышки легче, но вес конструкции не определяется в первую очередь массой колышков, которые скрепляют ее. Деревянные колышки не ржавеют. Однако они не будут непроницаемы для воды или биоразлагаются.
Нет сомнений в том, что автор разработал процесс, позволяющий сделать древесину прочнее натуральной древесины. Однако полезность фурнитуры для любой конкретной работы требует дальнейшего изучения. Может ли она быть такой же дешевой и ресурсоемкой, как пластик? Может ли она конкурировать с более прочными материалами? , более привлекательные, бесконечно многоразовые металлические предметы? Их исследования поднимают интересные вопросы. Текущие разработки (и, в конечном итоге, рынок) дадут на них ответы.
Время публикации: 13 апреля 2022 г.
