Naturalne drewno i metal są niezbędnymi materiałami budowlanymi dla człowieka od tysięcy lat. Polimery syntetyczne, które nazywamy tworzywami sztucznymi, to najnowszy wynalazek, który eksplodował w XX wieku.
Zarówno metale, jak i tworzywa sztuczne mają właściwości, które dobrze nadają się do zastosowań przemysłowych i komercyjnych. Metale są mocne, sztywne i ogólnie odporne na powietrze, wodę, ciepło i ciągłe naprężenia. Jednak wymagają również więcej zasobów (co oznacza droższe) do produkują i udoskonalają swoje produkty. Tworzywa sztuczne spełniają niektóre funkcje metalu, a jednocześnie wymagają mniejszej masy i są bardzo tanie w produkcji. Ich właściwości można dostosować do niemal każdego zastosowania. Jednak tanie komercyjne tworzywa sztuczne są okropnymi materiałami konstrukcyjnymi: urządzenia z tworzyw sztucznych nie są dobrze, że nikt nie chce mieszkać w plastikowym domu. W dodatku często są one rafinowane z paliw kopalnych.
W niektórych zastosowaniach naturalne drewno może konkurować z metalami i tworzywami sztucznymi. Większość domów jednorodzinnych zbudowana jest na konstrukcji drewnianej. Problem polega na tym, że naturalne drewno jest zbyt miękkie i zbyt łatwo ulega zniszczeniu przez wodę, aby w większości przypadków zastąpić plastik i metal. Niedawny artykuł opublikowany w czasopiśmie Matter bada możliwość stworzenia utwardzanego materiału drzewnego, który pokonuje te ograniczenia. Wynikiem tych badań było stworzenie drewnianych noży i gwoździ. Jak dobry jest drewniany nóż i czy będziesz go używać w najbliższej przyszłości?
Włóknista struktura drewna składa się w około 50% z celulozy, naturalnego polimeru o teoretycznie dobrych właściwościach wytrzymałościowych. Pozostała połowa struktury drewna to głównie lignina i hemiceluloza. Celuloza tworzy długie, wytrzymałe włókna, które zapewniają drewnu szkielet jego naturalnych właściwości. wytrzymałości, hemiceluloza ma mało spójną strukturę i dlatego nie wnosi nic do wytrzymałości drewna. Lignina wypełnia puste przestrzenie pomiędzy włóknami celulozowymi i wykonuje przydatne zadania dla żywego drewna. Jednak w celu zagęszczenia drewna i mocniejszego związania jego włókien celulozowych przez człowieka, lignina stała się przeszkoda.
W tym badaniu naturalne drewno zostało przekształcone w drewno utwardzone (HW) w czterech etapach. Najpierw drewno gotowano w wodorotlenku sodu i siarczanie sodu w celu usunięcia części hemicelulozy i ligniny. Po tej obróbce chemicznej drewno staje się gęstsze poprzez prasowanie w prasie przez kilka godzin w temperaturze pokojowej. Zmniejsza to naturalne szczeliny lub pory w drewnie i wzmacnia wiązania chemiczne pomiędzy sąsiadującymi włóknami celulozowymi. Następnie drewno poddaje się działaniu ciśnienia w temperaturze 105°C (221°F) przez kilka kolejnych godzin do całkowitego zagęszczenia, a następnie suszy. Na koniec drewno zanurza się w oleju mineralnym na 48 godzin, aby gotowy produkt stał się wodoodporny.
Jedną z właściwości mechanicznych materiału konstrukcyjnego jest twardość wcięcia, która jest miarą jego odporności na odkształcenia pod wpływem siły. Diament jest twardszy niż stal, twardszy niż złoto, twardszy niż drewno i twardszy niż pianka uszczelniająca. Wśród wielu inżynierii testy stosowane do określania twardości, takie jak twardość Mohsa stosowana w gemologii, jednym z nich jest test Brinella. Jego koncepcja jest prosta: łożysko kulkowe z twardego metalu wciska się w powierzchnię badaną z określoną siłą. Zmierz średnicę koła wgłębienie utworzone przez kulkę. Wartość twardości Brinella obliczana jest za pomocą wzoru matematycznego; z grubsza mówiąc, im większy otwór uderza piłka, tym bardziej miękki jest materiał. W tym teście HW jest 23 razy twardszy niż naturalne drewno.
Większość nietraktowanego naturalnego drewna będzie wchłaniać wodę. Może to spowodować rozszerzenie drewna i ostatecznie zniszczyć jego właściwości strukturalne. Autorzy zastosowali dwudniowe namaczanie mineralne, aby zwiększyć wodoodporność HW, czyniąc go bardziej hydrofobowym („bojącym się wody”). Badanie hydrofobowości polega na umieszczeniu kropli wody na powierzchni. Im bardziej hydrofobowa jest powierzchnia, tym bardziej kuliste stają się kropelki wody. Z kolei powierzchnia hydrofilowa („lubiąca wodę”) rozprowadza kropelki na płasko (a następnie łatwiej wchłania wodę). Dlatego nasączanie minerałów nie tylko znacznie zwiększa hydrofobowość wody, ale także zapobiega wchłanianiu wilgoci przez drewno.
W niektórych testach inżynieryjnych noże HW wypadły nieco lepiej niż noże metalowe. Autorzy twierdzą, że nóż HW jest około trzy razy ostrzejszy niż nóż dostępny na rynku. Jednak do tego interesującego wyniku istnieje pewne zastrzeżenie. Naukowcy porównują noże stołowe, lub tak zwane noże do masła. Nie mają one być szczególnie ostre. Autorzy pokazują film przedstawiający, jak ich nóż kroi stek, ale w miarę silna osoba dorosła prawdopodobnie mogłaby przeciąć ten sam stek tępą stroną metalowego widelca, i nóż do steków sprawdzi się znacznie lepiej.
A co z gwoździami? Pojedynczy gwóźdź HW można najwyraźniej z łatwością wbić w stos trzech desek, chociaż nie jest on tak szczegółowy, jak jest to względną łatwość w porównaniu z gwoździami żelaznymi. Drewniane kołki mogą następnie utrzymać deski razem, opierając się sile, która mogłaby spowodować rozerwanie je od siebie, z mniej więcej taką samą wytrzymałością jak żelazne kołki. Jednak w ich testach deski w obu przypadkach uległy zniszczeniu, zanim uszkodził się którykolwiek z gwoździ, więc mocniejsze gwoździe nie zostały odsłonięte.
Czy gwoździe HW są lepsze pod innymi względami? Drewniane kołki są lżejsze, ale na ciężar konstrukcji nie wpływa przede wszystkim masa kołków, które ją spajają. Drewniane kołki nie rdzewieją. Nie będą jednak odporne na wodę ani biodegradować.
Nie ma wątpliwości, że autor opracował proces, dzięki któremu drewno staje się mocniejsze niż drewno naturalne. Jednakże użyteczność okuć do konkretnego zadania wymaga dalszych badań. Czy może być tak tani i niewymagający zasobów jak plastik? Czy może konkurować z mocniejszymi , bardziej atrakcyjne, metalowe przedmioty nadające się do nieskończonego wielokrotnego użytku? Ich badania rodzą ciekawe pytania. Bieżąca inżynieria (i ostatecznie rynek) odpowie na nie.
Czas publikacji: 13 kwietnia 2022 r
