Натуральная драўніна і метал былі неабходнымі будаўнічымі матэрыяламі для чалавека на працягу тысяч гадоў. Сінтэтычныя палімеры, якія мы называем пластмасамі, — гэта нядаўняе вынаходніцтва, якое атрымала бурны ўздым у 20 стагоддзі.
Як металы, так і пластмасы валодаюць уласцівасцямі, якія добра падыходзяць для прамысловага і камерцыйнага выкарыстання. Металы трывалыя, жорсткія і, як правіла, устойлівыя да паветра, вады, цяпла і пастаянных нагрузак. Аднак для іх вытворчасці і перапрацоўкі патрабуецца больш рэсурсаў (што азначае больш высокія выдаткі). Пластык выконвае некаторыя функцыі металу, але патрабуе меншай масы і вельмі танны ў вытворчасці. Іх уласцівасці можна наладзіць практычна для любога выкарыстання. Аднак танныя камерцыйныя пластмасы з'яўляюцца жудаснымі канструкцыйнымі матэрыяламі: пластыкавая бытавая тэхніка — гэта дрэнная рэч, і ніхто не хоча жыць у пластыкавым доме. Акрамя таго, іх часта перапрацоўваюць з выкапнёвага паліва.
У некаторых выпадках натуральная драўніна можа канкураваць з металамі і пластыкамі. Большасць сямейных дамоў пабудаваны на драўляным каркасе. Праблема ў тым, што натуральная драўніна занадта мяккая і занадта лёгка пашкоджваецца вадой, каб замяніць пластык і метал у большасці выпадкаў. Нядаўняя праца, апублікаваная ў часопісе Matter, даследуе стварэнне загартаванага драўнянага матэрыялу, які пераадольвае гэтыя абмежаванні. Гэта даследаванне завяршылася стварэннем драўляных нажоў і цвікоў. Наколькі добры драўляны нож і ці будзеце вы яго выкарыстоўваць у бліжэйшы час?
Валакністыя структуры драўніны складаюцца прыкладна на 50% з цэлюлозы, натуральнага палімера з тэарэтычна добрымі трываласнымі ўласцівасцямі. Астатняя палова драўлянай структуры ў асноўным складаецца з лігніну і геміцэлюлозы. У той час як цэлюлоза ўтварае доўгія, трывалыя валокны, якія забяспечваюць драўніне аснову яе натуральнай трываласці, геміцэлюлоза мае мала кагерэнтнай структуры і, такім чынам, ніяк не ўплывае на трываласць драўніны. Лігнін запаўняе пустэчы паміж цэлюлознымі валокнамі і выконвае карысныя задачы для жывой драўніны. Але для мэты чалавека ўшчыльняць драўніну і мацней звязваць яе цэлюлозныя валокны разам лігнін стаў перашкодай.
У гэтым даследаванні натуральная драўніна была ператворана ў загартаваную драўніну (ДД) у чатыры этапы. Спачатку драўніну кіпяцяць у гідраксідзе натрыю і сульфаце натрыю, каб выдаліць частку геміцэлюлозы і лігніну. Пасля гэтай хімічнай апрацоўкі драўніна становіцца больш шчыльнай шляхам прэсавання ў прэсе на працягу некалькіх гадзін пры пакаёвай тэмпературы. Гэта памяншае натуральныя шчыліны або пары ў драўніне і паляпшае хімічную сувязь паміж суседнімі валокнамі цэлюлозы. Затым драўніна падвяргаецца ціску пры тэмпературы 105°C (221°F) яшчэ на некалькі гадзін для завяршэння ўшчыльнення, а затым сушыць. Нарэшце, драўніна апускаецца ў мінеральны алей на 48 гадзін, каб зрабіць гатовы прадукт воданепранікальным.
Адной з механічных уласцівасцей канструкцыйнага матэрыялу з'яўляецца цвёрдасць пры ўцісканні, якая з'яўляецца мерай яго здольнасці супраціўляцца дэфармацыі пры сцісканні пад уздзеяннем сілы. Алмаз цвярдзейшы за сталь, цвярдзейшы за золата, цвярдзейшы за дрэва і цвярдзейшы за пенапласт. Сярод многіх інжынерных выпрабаванняў, якія выкарыстоўваюцца для вызначэння цвёрдасці, такіх як цвёрдасць па Моосу, якая выкарыстоўваецца ў гемалогіі, тэст па Брынэлю з'яўляецца адным з іх. Яго канцэпцыя простая: шарыкавы падшыпнік з цвёрдага металу ўціскаецца ў паверхню, у якую прыкладзена пэўная сіла. Вымерайце дыяметр круглага ўціскання, створанага шарыкам. Значэнне цвёрдасці па Брынэлю разлічваецца з дапамогай матэматычнай формулы; груба кажучы, чым большая адтуліна, у якую трапляе шарык, тым мякчэйшы матэрыял. У гэтым тэсце HW у 23 разы цвярдзейшая за натуральнае дрэва.
Большая частка неапрацаванай натуральнай драўніны ўбірае ваду. Гэта можа пашырыць драўніну і ў рэшце рэшт разбурыць яе структурныя ўласцівасці. Аўтары выкарысталі двухдзённае мінеральнае замочванне, каб павялічыць воданепранікальнасць галоўнага дрэва, зрабіўшы яго больш гідрафобным («баіцца вады»). Тэст на гідрафобнасць прадугледжвае нанясенне кроплі вады на паверхню. Чым больш гідрафобная паверхня, тым больш сферычнымі становяцца кроплі вады. Гідрафільная («вільгалюбная») паверхня, з іншага боку, размяркоўвае кроплі (і ў выніку лягчэй убірае ваду). Такім чынам, мінеральнае замочванне не толькі значна павялічвае гідрафобнасць галоўнага дрэва, але і перашкаджае драўніне ўбіраць вільгаць.
У некаторых інжынерных тэстах нажы з дрэва і металу паказалі сябе крыху лепш, чым металічныя нажы. Аўтары сцвярджаюць, што нож з дрэва і металу прыкладна ў тры разы больш востры, чым камерцыйны нож. Аднак у гэтым цікавым выніку ёсць адна агаворка. Даследчыкі параўноўваюць сталовыя нажы, або тое, што мы маглі б назваць нажамі для масла. Яны не павінны быць асабліва вострымі. Аўтары паказваюць відэа, на якім іх нож рэжа стэйк, але дастаткова моцны дарослы чалавек, верагодна, мог бы разрэзаць той жа стэйк тупым бокам металічнай відэльцы, і нож для стэйка падышоў бы значна лепш.
А як наконт цвікоў? Адзін цвёрдацельны цвік, відаць, лёгка забіць у стос з трох дошак, хоць гэта не так дэталёва, бо гэта адносна лёгка ў параўнанні з жалезнымі цвікамі. Драўляныя калкі могуць утрымліваць дошкі разам, супраціўляючыся сіле, якая магла б іх разарваць, прыкладна з такой жа трываласцю, як і жалезныя калкі. Аднак у іх выпрабаваннях дошкі ў абодвух выпадках разваліліся раней, чым разваліўся любы з цвікоў, таму больш моцныя цвікі не былі падвергнуты ўздзеянню.
Ці лепшыя цвікі HW у іншых адносінах? Драўляныя калкі лягчэйшыя, але вага канструкцыі ў першую чаргу не залежыць ад масы калкоў, якія яе ўтрымліваюць. Драўляныя калкі не іржавеюць. Аднак яны не будуць непранікальнымі для вады або біяраскладання.
Няма сумненняў, што аўтар распрацаваў працэс, які дазваляе зрабіць драўніну мацнейшай за натуральную. Аднак карыснасць вырабаў для любой канкрэтнай працы патрабуе далейшага вывучэння. Ці можа яна быць такой жа таннай і экалагічна чыстай, як пластык? Ці можа яна канкураваць з больш моцнымі, больш прывабнымі, бясконца шматразовымі металічнымі прадметамі? Іх даследаванні выклікаюць цікавыя пытанні. Бягучая інжынерыя (і, у рэшце рэшт, рынак) дасць на іх адказы.
Час публікацыі: 13 красавіка 2022 г.
