Деревина матеріал майбутнього. Поточні публікації. Наука і техніка

03.10.2015

Деревина – матеріал майбутнього

Деревина матеріал майбутнього. Поточні публікації. Наука і техніка

Володимир ФРАДКІН

Розробляючи нові будівельні та конструкційні матеріали, хіміки і технологи головну увагу приділяють їх експлуатаційними властивостями. Критерії, такі як екологічність або витрата сировинних та енергоресурсів відходять спочатку на другий план. Але, в кінцевому рахунку, вони відіграють дуже помітну роль тому, що значною мірою диктують ринкову ціну нового матеріалу. Саме тому інтерес до традиційних матеріалів на основі відновлюваних видів сировини стрімко зростає. Типовим прикладом може служити деревина. Завдяки новим технологіям вона може сьогодні в багатьох областях успішно конкурувати з металами, полімерами і навіть керамікою.

Деревина високої щільності

Багато поколінь будівельників бачили один з головних недоліків деревини в обмеженій можливості її формування. Фахівці Дрезденського технічного університету розробили і запатентували нову технологію обробки дерев’яних конструкцій, яка суттєво розширює сферу їх застосування. При зовнішньому огляді відрізнити звичайний смерековий брус від такого ж бруса, але обробленого за дрезденскому методом, практично неможливо. Лише взявши їх у руки, помічаєш, що один майже вдвічі важчий іншого. Причина стає зрозумілою при погляді на торці: на одному річні кільця круглі, на іншому – овальні, як би сплюснуті. «Ця деревина піддалася ущільненню, – пояснює Пеєр Халлер (Peer Haller), професор Інституту будівельних конструкцій та дерев’яних споруд при Дрезденському технічному університеті. – Процес ущільнення здійснюється при температурі 150ºC пресом гарячого пресування. При цьому відбувається стиснення мікроструктури деревини, і в результаті ми отримуємо дуже деревину високої щільності – приблизно 1 кг/дм 3 ».

Один кілограм на кубічний дециметр – це щільність води. Суха ялинова деревина має в нормальному стані вдвічі меншу щільність – адже вона являє собою свого роду губку. Саме висока пористість деревини і дозволяє з стовбурів круглого перерізу отримувати методом гарячого пресування без будь-яких втрат балки прямокутного перерізу.

Переваги ущільненої деревини

Переваги ущільненої деревини найбільш виразно проявляються при зведенні великих інженерних споруд – наприклад, мостів. Тут навантаження розподіляються вкрай нерівномірно, так що окремі балки схильні до підвищеного зносу. Якщо ці балки виготовити з ущільненої деревини, а всі інші того ж перерізу – зі звичайної, то таке рішення дозволить зберегти архітектурну гармонійність мосту і при цьому забезпечити оптимальні експлуатаційні характеристики.

Там, де очікувані навантаження особливо великі, інженери використовують, як правило, сталеві балки різного профілю. Широке поширення отримали, наприклад, таврове і двотаврове перерізу. Однак і пустотілі балки коробчатого або круглого перерізу здатні нести велике навантаження, ніж суцільні масивні балки. Технологія, розроблена професором Халлером, дозволяє отримувати пустотілі балки з деревини. Для цього спочатку круглий стовбур пресується в брус квадратного перетину, а потім з одного боку деформація знімається.

В результаті квадратний перетин перетворюється в трапецієподібне, а це дозволяє з декількох таких балок скласти порожнисту трубу.

Як з’єднати деревину з полімером

Судячи з усього, балки з ущільненої деревини вже незабаром з’являться на багатьох будмайданчиках. Деревина безумовно могла б знайти широке застосування і в машинобудівних галузях, якби не ті труднощі, з якими досі стикаються технологи при спробах міцно з’єднати дерев’яну основу з полімерним покриттям. Для цих цілей сьогодні використовується клей, що далеко не завжди дає оптимальні результати. Тепер же фахівці Лазерного центру в Ганновері запропонували інший метод – природно, з використанням лазера. Штефан Барчиковски (Stefan Bartcikowsky) – один з розробників нової технології – каже:

– Треба уявляти собі справу так, що пластмаса для лазерного променя прозора. Лазерний промінь як би дивиться крізь пластмасу, не помічаючи її, але бачить за нею деревину. І ось там-то, на цьому кордоні, і концентрується енергія лазера. Деревина нагрівається і подплавляет пластмасу, так що в результаті утворюється міцне зварне з’єднання, що має істотні переваги перед клеєним.

Одне з головних достоїнств лазерної технології – її гнучкість: переналагодити таку установку, пристосувавши її для вирішення нових завдань, можна за лічені години. Енергія лазерного променя повинен бути підібрана з таким розрахунком, щоб температура в прикордонному шарі не перевищувала 400-т градусів, інакше деревина починає обвуглюватися. Однак настільки високі температури і не потрібні, оскільки більшість полімерів плавляться вже при 90 градусах. Розплав затікає в пори деревини, завдяки чому і утворюється міцне з’єднання. Штефан Барчиковски каже:

– Зараз ситуація така: при випробуванні наших зразків на розрив, тобто коли ми намагаємося знову відокремити пластмасу від деревини, зразок завжди рветься не в зоні з’єднання, а в товщі матеріалу. Для нас це дуже добрий знак: значить, отримане нами зварне з’єднання міцніше, ніж самі з’єднуються матеріали.

Сьогодні дослідна установка ганноверських інженерів забезпечує досить скромну швидкість зварювання – 1 м/хв. Автори розробки намір значно підвищити потужність лазера, яка наразі становить всього 100 Вт, і довести швидкість зварювання до 80 м/хв. Вчені сподіваються, що вже через рік зможуть презентувати діючий прототип промислової установки.

Деревина при виробництві кераміки

Між тим, деревину починають застосовувати при виробництві кераміки. Досі вихідним матеріалом для неї служили мінеральні порошки – наприклад, тонко мелений карбід кремнію містився у форму і спекався. Але подрібнення і спікання – вельми енергоємні процеси, а тому американські інженери розробили більш екологічну технологію виробництва кераміки: вона не тільки вимагає менше енергії, але і використовує в якості вихідного матеріалу відновлювальна сировина – деревину. Мритианджей Сінгх (Mrityunjay Singh), науковий співробітник відділу НАСА по розробці нових керамічних матеріалів в Клівленді, штат Огайо, каже:

– Ми можемо використовувати навіть тирсу, утилізація яких є для лісопильних підприємств серйозною проблемою. До тирси додаються в’яжучі речовини, потім отриманої масі надається форма майбутньої деталі, після чого ця заготовка піддається піролізу.

Згаданий Сінгхом піроліз – це не що інше, як розкладання під дією високих температур у безкисневому середовищі. Саме цей процес дозволяє перетворювати деревину деревне вугілля, який – з хімічної точки зору – являє собою чистий вуглець. А потім в піч додається кремній – другий компонент майбутньої карборундовою кераміки.

Крім сполук кремнію, можуть бути використані і розплави деяких солей, що дозволяє виробляти широкий асортимент сучасних керамік. Особливість запропонованої технології полягає в тому, що протягом усього процесу зберігається мікроструктура деревини (ілюстрації зрізів деревини див. у статті «Архітектура дерев» ), і кераміка як би переймає деякі властивості вихідного матеріалу. Для кераміки з такими властивостями знайдеться чимало нових сфер застосування.

Від фільтрації води до термозахисту космічних апаратів

зокрема, – вважає Сінгх, – вона може бути використана для фільтрації питної води. Вчені університету в Ерлангені відчувають керамічні матеріали на основі соснової деревини в якості каталізаторів для хімічної промисловості. А НАСА вважає, що новий клас матеріалів як не можна краще підходить для термозахисту космічних апаратів.

На думку Сінгха, перші вироби з кераміки на основі деревини можуть з’явитися на ринку вже через рік-два. Але який промисловий потенціал цього нового класу матеріалів – поки неясно.

Короткий опис статті: деревина

Джерело: Деревина – матеріал майбутнього. Поточні публікації. Наука і техніка

Також ви можете прочитати