Naturalne drewno i metal są niezbędnymi materiałami budowlanymi dla ludzi od tysięcy lat. Syntetyczne polimery, które nazywamy tworzywami sztucznymi, to niedawny wynalazek, który eksplodował w XX wieku.
Zarówno metale, jak i tworzywa sztuczne mają właściwości, które doskonale nadają się do zastosowań przemysłowych i komercyjnych. Metale są mocne, sztywne i generalnie odporne na powietrze, wodę, ciepło i stałe naprężenia. Wymagają jednak również więcej zasobów (co oznacza, że są droższe) do wytwarzają i udoskonalają swoje produkty. Tworzywa sztuczne zapewniają niektóre funkcje metalu, a jednocześnie wymagają mniejszej masy i są bardzo tanie w produkcji. Ich właściwości można dostosować do prawie każdego zastosowania. Jednak tanie tworzywa sztuczne dostępne w handlu są okropnymi materiałami konstrukcyjnymi: plastikowe urządzenia nie są dobrze, a nikt nie chce mieszkać w plastikowym domu. W dodatku często rafinowane są z paliw kopalnych.
W niektórych zastosowaniach naturalne drewno może konkurować z metalami i tworzywami sztucznymi. Większość domów jednorodzinnych budowana jest na drewnianych ramach. Problem polega na tym, że naturalne drewno jest zbyt miękkie i zbyt łatwo uszkadza je woda, aby w większości przypadków zastąpić tworzywa sztuczne i metal. Ostatni artykuł opublikowany w czasopiśmie Matter bada tworzenie utwardzonego materiału drzewnego, który przezwycięża te ograniczenia. Kulminacją tych badań było stworzenie drewnianych noży i gwoździ. Jak dobry jest drewniany nóż i czy będziesz go używać w najbliższym czasie?
Włóknista struktura drewna składa się w około 50% z celulozy, naturalnego polimeru o teoretycznie dobrych właściwościach wytrzymałościowych. Pozostała połowa struktury drewnianej to głównie lignina i hemiceluloza. Podczas gdy celuloza tworzy długie, wytrzymałe włókna, które zapewniają drewnu szkielet jego naturalnego wytrzymałość, hemiceluloza ma mało spójną strukturę, a zatem nie ma żadnego wpływu na wytrzymałość drewna. Lignina wypełnia puste przestrzenie między włóknami celulozy i wykonuje przydatne zadania dla żywego drewna. przeszkoda.
W tym badaniu naturalne drewno zostało przetworzone w drewno utwardzone (HW) w czterech etapach. Najpierw drewno gotuje się 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 między sąsiednimi włóknami celulozy. Następnie drewno jest poddawane 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 był wodoodporny.
Jedną z mechanicznych właściwości materiału konstrukcyjnego jest twardość wgniecenia, która jest miarą jego odporności na odkształcenie przy ściskaniu siłą. Diament jest twardszy niż stal, twardszy niż złoto, twardszy niż drewno i twardszy niż pianka do pakowania. Wśród wielu inżynierii testy stosowane do określania twardości, takie jak twardość Mohsa stosowana w gemologii, test Brinella jest jednym z nich. Jego koncepcja jest prosta: łożysko kulkowe z twardego metalu jest wciskane w badaną powierzchnię z pewną siłą. Zmierz średnicę okrągłego wgłębienie utworzone przez kulkę. Wartość twardości Brinella oblicza się za pomocą wzoru matematycznego;z grubsza mówiąc, im większy otwór trafi piłka, tym bardziej miękki jest materiał. W tym teście HW jest 23 razy twardsze niż naturalne drewno.
Większość nietraktowanego naturalnego drewna wchłania wodę. Może to rozszerzyć drewno i ostatecznie zniszczyć jego właściwości strukturalne. Autorzy zastosowali dwudniowe namaczanie mineralne, aby zwiększyć wodoodporność HW, czyniąc go bardziej hydrofobowym („boi się wody”). Test hydrofobowości polega na umieszczeniu kropli wody na powierzchni. Im bardziej hydrofobowa powierzchnia, tym bardziej kuliste stają się krople wody. Z drugiej strony powierzchnia hydrofilowa („lubiąca wodę”) rozprowadza kropelki płasko (a następnie łatwiej chłonie wodę). Dlatego namaczanie mineralne nie tylko znacznie zwiększa hydrofobowość HW, 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 w handlu. Istnieje jednak zastrzeżenie co do tego interesującego wyniku. Badacze porównują noże stołowe, lub coś, co moglibyśmy nazwać nożami do masła. Nie mają one być szczególnie ostre. Autorzy pokazują film, na którym ich nóż kroi stek, ale dość silny dorosły prawdopodobnie mógłby pokroić ten sam stek tępą stroną metalowego widelca, i nóż do steków działałby znacznie lepiej.
A co z gwoździami? Pojedynczy gwóźdź HW można najwyraźniej łatwo wbić w stos trzech desek, chociaż nie jest to tak szczegółowe, jak stosunkowo łatwe w porównaniu z gwoździami żelaznymi. Drewniane kołki mogą następnie trzymać deski razem, opierając się sile, która mogłaby rozerwać je rozdzielić, z mniej więcej taką samą wytrzymałością jak żelazne kołki. Jednak w ich testach deski w obu przypadkach zawiodły przed uszkodzeniem jednego z gwoździ, więc mocniejsze gwoździe nie zostały odsłonięte.
Czy gwoździe HW są lepsze pod innymi względami? Drewniane kołki są lżejsze, ale ciężar konstrukcji nie zależy przede wszystkim od masy kołków, które ją trzymają. Drewniane kołki nie rdzewieją. Nie będą jednak nieprzepuszczalne dla wody ani ulegać biodegradacji.
Nie ma wątpliwości, że autor opracował proces, dzięki któremu drewno jest mocniejsze niż drewno naturalne.Jednak przydatność okuć do konkretnego zadania wymaga dalszych badań.Czy może być tak tani i zużywa mniej zasobów niż plastik?Czy może konkurować z mocniejszymi , bardziej atrakcyjnych, nieskończenie wielokrotnego użytku metalowych przedmiotów? Ich badania rodzą interesujące pytania. Odpowiedzi na nie udzieli trwająca inżynieria (i ostatecznie rynek).
Czas postu: 13-04-2022
