Натуральное дерево и металл были важными строительными материалами для людей на протяжении тысячелетий. Синтетические полимеры, которые мы называем пластмассами, — это недавнее изобретение, которое взорвалось в 20 веке.
И металлы, и пластмассы обладают свойствами, которые хорошо подходят для промышленного и коммерческого использования. Металлы прочны, жестки и, как правило, устойчивы к воздуху, воде, теплу и постоянным нагрузкам. производить и улучшать свою продукцию. Пластик выполняет некоторые функции металла, но при этом требует меньше массы и очень дешев в производстве. Их свойства можно адаптировать практически для любого использования. Хорошая вещь, и никто не хочет жить в пластиковом доме. Кроме того, они часто перерабатываются из ископаемого топлива.
В некоторых случаях натуральное дерево может конкурировать с металлом и пластиком. Большинство семейных домов построены на деревянном каркасе. Проблема в том, что натуральное дерево слишком мягкое и слишком легко повреждается водой, чтобы в большинстве случаев заменить пластик и металл. опубликованный в журнале Matter, исследует создание 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 древесной структуры состоит в основном из лигнина и гемицеллюлозы. прочности, гемицеллюлоза имеет слабую когерентную структуру и, таким образом, не способствует прочности древесины. Лигнин заполняет пустоты между волокнами целлюлозы и выполняет полезные задачи 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 путем прессования. его в прессе в течение нескольких часов при комнатной температуре. Это уменьшает естественные зазоры или поры в древесине и усиливает химическую связь между соседними волокнами целлюлозы. часов до полного уплотнения, а затем высушивают. 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 сжатии с силой. Алмаз тверже стали, тверже золота, тверже дерева и тверже упаковочного пенопласта. тесты, используемые для определения твердости, такие как твердость по шкале Мооса, используемая в геммологии, тест Бринелля является одним из них. Его концепция проста: шарикоподшипник из твердого металла вдавливается в испытательную поверхность с определенной силой. Измерьте диаметр круглой углубление, создаваемое шариком. Значение твердости по Бринеллю рассчитывается по математической формуле;Грубо говоря, чем больше отверстие, в которое попал мяч, тем мягче материал. В этом тесте HW в 23 раза тверже натурального дерева.
Большая часть необработанной натуральной древесины впитывает воду. Это может расширить древесину и в конечном итоге разрушить ее структурные свойства. Авторы использовали двухдневную пропитку минералом, чтобы повысить водостойкость HW, сделав ее более гидрофобной («боится воды»). Тест на гидрофобность заключается в размещении капли воды на поверхности. Чем более гидрофобна поверхность, тем более сферическими становятся капли воды. Гидрофильная («любящая воду») поверхность, с другой стороны, распределяет капли по плоскости (а затем и по поверхности). легче впитывает воду). Поэтому минеральная пропитка не только значительно повышает гидрофобность ГС, но и предотвращает впитывание 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 в отношении этого интересного результата есть одна оговорка. или то, что мы могли бы назвать ножами для масла. Они не должны быть особенно острыми. Авторы показывают видео, как их нож режет стейк, но достаточно сильный взрослый, вероятно, мог бы разрезать тот же стейк тупой стороной металлической вилки, и нож для стейка будет работать намного лучше.
А как насчет гвоздей? По-видимому, один гвоздь HW можно легко забить в стопку из трех досок, хотя и не так тщательно, как это относительно легко по сравнению с железными гвоздями. Деревянные колышки могут затем удерживать доски вместе, сопротивляясь силе, которая может их разорвать. их друг от друга примерно с той же прочностью, что и железные колышки. Однако в их испытаниях доски в обоих случаях разрушились до того, как разрушился любой гвоздь, поэтому более прочные гвозди не были обнажены.
Являются ли гвозди HW лучше в других отношениях? Деревянные колышки легче, но вес конструкции в первую очередь определяется массой колышков, которые скрепляют ее. Деревянные колышки не ржавеют. Однако они не будут непроницаемыми для воды или биоразлагаться.
Нет сомнений в том, что автор разработал процесс, позволяющий сделать древесину более прочной, чем натуральная древесина. Однако полезность метизов для любой конкретной работы требует дальнейшего изучения. Может ли она быть такой же дешевой и менее ресурсоемкой, как пластик? Может ли она конкурировать с более прочной , более привлекательные, бесконечно многоразовые металлические объекты? Их исследования поднимают интересные вопросы. Текущие разработки (и, в конечном счете, рынок) ответят на них.
Время публикации: 13 апреля 2022 г.
