Натуральная драўніна і метал былі важнымі будаўнічымі матэрыяламі для чалавека на працягу тысячагоддзяў. Сінтэтычныя палімеры, якія мы называем пластмасамі, з'яўляюцца нядаўнім вынаходствам, якое выбухнула ў 20 стагоддзі.
Як металы, так і пластмасы валодаюць уласцівасцямі, якія добра падыходзяць для прамысловага і камерцыйнага выкарыстання. Металы трывалыя, цвёрдыя і ў цэлым устойлівыя да паветра, вады, цяпла і пастаянных нагрузак. Аднак яны таксама патрабуюць больш рэсурсаў (а значыць, больш дарагіх), каб вырабляць і ўдасканальваць сваю прадукцыю. 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 пластыкі робяць жахлівыя канструкцыйныя матэрыялы: пластыкавыя прыборы не з'яўляюцца добрая рэч, і ніхто не хоча жыць у пластыкавым доме. Акрамя таго, яны часта ачышчаюцца з выкапнёвага паліва.
У некаторых сферах прымянення натуральная драўніна можа канкурыраваць з металамі і пластмасамі. Большасць сямейных дамоў будуюцца на драўляным каркасе. Праблема ў тым, што натуральная драўніна занадта мяккая і занадта лёгка пашкоджваецца вадой, каб часцей за ўсё замяняць пластык і метал. Нядаўні артыкул апублікаванае ў часопісе Matter даследуе стварэнне загартаванага драўнянага матэрыялу, які пераадольвае гэтыя абмежаванні. Кульмінацыяй гэтага даследавання стала стварэнне драўляных нажоў і цвікоў. Наколькі добры драўляны нож і ці будзеце вы ім карыстацца ў бліжэйшы час?
Валакністая структура драўніны прыкладна на 50% складаецца з цэлюлозы, натуральнага палімера з тэарэтычна добрымі трывальнымі ўласцівасцямі. Астатняя палова драўлянай структуры ў асноўным складаецца з лігніну і геміцэлюлозы. У той час як цэлюлоза ўтварае доўгія, цвёрдыя валокны, якія забяспечваюць драўніне аснову яе натуральнай трываласць, геміцэлюлоза мае мала цэласную структуру і, такім чынам, не спрыяе трываласці драўніны. Лігнін запаўняе пустэчы паміж валокнамі цэлюлозы і выконвае карысныя задачы для жывой драўніны. перашкода.
У гэтым даследаванні натуральная драўніна была ператворана ў загартаваную драўніну (HW) 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 пры прэсаванні у прэсе на працягу некалькіх гадзін пры пакаёвай тэмпературы. Гэта памяншае натуральныя шчыліны або пары ў драўніне і ўзмацняе хімічную сувязь паміж суседнімі цэлюлознымі валокнамі. Затым драўніна знаходзіцца пад ціскам пры 105° C (221° F) яшчэ некалькі гадзін да поўнага ўшчыльнення, а затым сушаць. Нарэшце, драўніна апускаецца ў мінеральны алей на 48 гадзін, каб зрабіць гатовы прадукт воданепранікальным.
Адной з механічных уласцівасцей канструкцыйнага матэрыялу з'яўляецца цвёрдасць паглыбленняў, якая з'яўляецца мерай яго здольнасці супрацьстаяць дэфармацыі пры сцісканні сілай. Алмаз цвярдзейшы за сталь, цвярдзейшы за золата, цвярдзейшы за дрэва і цвярдзейшы за пенапласт для ўпакоўкі. Сярод многіх інжынерных тэсты, якія выкарыстоўваюцца для вызначэння цвёрдасці, такія як цвёрдасць па Моасу, якая выкарыстоўваецца ў геммалогіі, тэст Брынеля - адзін з іх. Яго канцэпцыя простая: шарыкавы падшыпнік з цвёрдага металу ўціскаецца ў выпрабавальную паверхню з пэўнай сілай. Вымерайце дыяметр круглага паглыбленне, створанае шарыкам. Значэнне цвёрдасці па Брынелю разлічваецца па матэматычнай формуле;Груба кажучы, чым большая дзірка трапляе ў мяч, тым мякчэйшы матэрыял. У гэтым тэсце HW у 23 разы цвярдзей натуральнага дрэва.
Большасць неапрацаванай натуральнай драўніны будзе ўбіраць ваду. Гэта можа пашырыць драўніну і ў канчатковым выніку разбурыць яе структурныя ўласцівасці. Аўтары выкарыстоўвалі двухдзённае мінеральнае замочванне, каб павялічыць воданепранікальнасць HW, зрабіўшы яе больш гідрафобнай («баіцца вады»). Тэст на гідрафобнасць прадугледжвае змяшчэнне кроплі вады на паверхню. Чым больш гідрафобная паверхня, тым больш сферычнымі становяцца кроплі вады. З іншага боку, гідрафільная («водалюбівая») паверхня размяркоўвае кроплі роўна (і пасля лягчэй ўбірае ваду).Такім чынам, мінеральнае замочванне не толькі істотна павялічвае гідрафобнасць ГВ, але і прадухіляе драўніну ад ўбірання вільгаці.
У некаторых інжынерных выпрабаваннях нажы HW паказалі сябе крыху лепш, чым металічныя. Аўтары сцвярджаюць, што нож HW прыкладна ў тры разы вастрэй нажоў, даступных у продажы. Аднак у гэтым цікавым выніку ёсць агаворка. Даследчыкі параўноўваюць сталовыя нажы, або тое, што мы маглі б назваць нажамі для масла. Яны не павінны быць асабліва вострымі. Аўтары дэманструюць відэа, як іх нож разразае біфштэкс, але досыць моцны дарослы чалавек мог бы разрэзаць той жа біфштэкс тупым бокам металічнай відэльцы, і нож для біфштэксаў будзе працаваць значна лепш.
А як наконт цвікоў? Відавочна, адзіны цвік HW можна лёгка ўбіць у стос з трох дошак, хоць і не так дэталёва, як адносная лёгкасць у параўнанні з жалезнымі цвікамі. Затым драўляныя калкі могуць утрымліваць дошкі разам, супрацьстаячы сіле, якое можа разарваць іх адзін ад аднаго, з прыкладна такой жа трываласцю, як і жалезныя калкі. Аднак у іх выпрабаваннях дошкі ў абодвух выпадках праваліліся раней, чым адзін з цвікоў выйшаў з ладу, так што мацнейшыя цвікі не былі аголены.
Цвікі HW лепш у іншых адносінах? Драўляныя калкі лягчэйшыя, але вага канструкцыі ў першую чаргу не абумоўлена масай калкоў, якія ўтрымліваюць яе разам. Драўляныя калкі не будуць іржавець. Аднак яны не будуць непранікальнымі для вады ці біяраскладацца.
Няма сумненняў у тым, што аўтар распрацаваў працэс, каб зрабіць дрэва мацнейшым за натуральнае дрэва. Аднак карыснасць фурнітуры для любой канкрэтнай працы патрабуе далейшага вывучэння. Ці можа яно быць такім жа танным і менш рэсурсным, як пластык? Ці можа яно канкурыраваць з больш трывалым , больш прывабныя, бясконца шматразовыя металічныя аб'екты? Іх даследаванне выклікае цікавыя пытанні. Інжынірынг, які працягваецца (і, у канчатковым рахунку, рынак) адкажа на іх.
Час публікацыі: 13 красавіка 2022 г
