Деревина - матеріал майбутнього

Розробляючи нові будівельні та конструкційні матеріали, хіміки і технологи головну увагу приділяють їх експлуатаційним властивостям. Такі критерії як екологічність або витрата сировинних та енергоресурсів відходять спочатку на другий план. Але, зрештою, вони відіграють дуже помітну роль тому, що значною мірою диктують ринкову ціну нового матеріалу. Саме тому інтерес до традиційних матеріалів на основі поновлюваних 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 обмежену можливість її формування. Фахівці Дрезденського технічного університету розробили і запатентували нову технологію обробки дерев'яних конструкцій, яка істотно розширює сферу їх застосування. При зовнішньому огляді відрізнити звичайний ялиновий брус від такого ж бруса, але обробленого за дрезденським методу, практично неможливо. Лише взявши їх в руки, помічаєш, що один майже вдвічі важче іншого. Причина стає зрозуміла 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 150 ? C пресом гарячого пресування. При цьому відбувається стиснення мікроструктури деревини, і в результаті ми отримуємо деревину дуже високої щільності - приблизно 1 кг/дм3 ».

Один кілограм на кубічний дециметр - це щільність води. Суха ялинова деревина має у нормальному стані вдвічі меншу щільність - адже вона є свого роду губа. Саме висока пористість деревини і дозволяє зі 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 завжди розподіляються вкрай нерівномірно, так що окремі балки схильні до підвищеного зносу. Якщо ці балки виготовити з ущільненої деревини, а всі інші того ж перетину - 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 одержали, наприклад, таврового і двотаврого перетину. Однак і пустотілі балки коробчатого або круглого перерізу здатні нести більше навантаження, ніж суцільні масивні балки. Технологія, розроблена професором Халлер, дозволяє отримувати пустотілі балки з деревини. Для цього спочатку круглий стовбур пресується в брус квадратного перетину, а потім з одного боку деформація знімається. У результаті квадратний перетин перетворюється на трапецієподібну, а це дозволяє з кількох таких балок скласти пустотілу 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 Барчіковскі (Stefan Bartcikowsky) - один з розробників нової технології - каже:
- Потрібно уявляти собі справу так, що пластмаса для лазерного променя прозора. Лазерний промінь хіба що дивиться крізь пластмасу, не помічаючи її, але бачить за нею деревину. І ось там-то, на цій межі, і концентрується енергія лазера. Деревина нагрівається і підплавлє пластмасу, так що в результаті утворюється міцне зварне з'єднання, яке має суттєві переваги перед клеєним.

Одна з головних переваг лазерної технології - її гнучкість: переналагодити таку установку, пристосувавши її для вирішення нових завдань, можна за лічені години. Енергія лазерного променя повинна бути підібрана з таким розрахунком, щоб температура в граничному 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 Барчіковскі 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 добра ознака: значить, отримане нами зварне з'єднання міцніше, ніж самі з'єднуюючі матеріали.

Сьогодні дослідну установку ганноверских інженерів забезпечує досить скромна швидкість зварювання - 1 м / хв. Автори розробки мають намір значно підвищити потужність лазера, яка поки що становить всього 100 Вт, і довести швидкість зварювання до 80 м / хв. Вчені сподіваються, що вже через рік зможуть уявити діючий прототип промислової установки.

Деревина при виробництві кераміки

Між тим, деревину починають застосовувати при виробництві кераміки. До цих пір вихідним матеріалом для неї служили мінеральні порошки - наприклад, тонко мелений карбід кремнію поміщався у форму і спікався. Але подрібнення і спікання - вельми енергоємні процеси, а тому американські інженери розробили більш екологічну технологію виробництва кераміки: вона не тільки вимагає менше енергії, але й використовує в якості вихідного матеріалу відновлювальну сировина - деревину. Мрітіанджей Сінгх (Mrityunjay Singh), науковий співробітник відділу НАСА з розробки нових керамічних матеріалів у Клівленді, штат Огайо, каже:

- Ми можемо використовувати навіть тирсу, утилізація яких є для лісопильних підприємств серйозною проблемою. До тирси додаються в'яжучі речовини, потім до отриманої маси надається форма майбутньої деталі, після чого ця заготівля піддається піролізу.

Згаданий Сінгхом піроліз - це не що інше, як розкладання під дією високих температур в безкисневому середовищі. Саме цей процес дозволяє перетворювати деревину на деревне вугілля, яке - з хімічної точки зору - є чистий вуглець. А потім в піч додається кремній - другий компонент майбутньої карборундової 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 всього процесу зберігається мікроструктура деревини, і кераміка ніби 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 досліджують керамічні матеріали на основі соснової деревини в якості каталізаторів для хімічної промисловості. А НАСА вважає, що новий клас матеріалів якомога 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.