Czym jest zagęszczone drewno, porównywalne pod względem wytrzymałości do stali, stopów tytanu i włókna węglowego?

Drewno było używane od czasów starożytnych do produkcji mebli, budowy domów, łodzi, kadłubów wczesnych samolotów i wielu innych przedmiotów. Nowoczesne materiały, takie jak stal, beton czy plastik, zastąpiły je, ponieważ były znacznie lepsze pod względem wytrzymałości i twardości. Ale obecnie wydajność materiału jest również oceniana pod kątem jego wpływu na środowisko, a drewno jest zdecydowanym zwycięzcą. Wraca więc w centrum uwagi, a naukowcy odkrywają nowe sposoby na poprawę jego wydajności. Tak jest w tym przypadku grupa badaczy z Uniwersytetu Maryland co pozwoliło uzyskać drewno o niezwykłych właściwościach, 12 razy mocniejsze i 10 razy twardsze niż przed obróbką, porównywalne ze stalą, stopami tytanu lub włóknem węglowym.

Usuwanie części ligniny i prasowanie podgrzanego drewna

Obróbka może nie być najwłaściwszym terminem, ponieważ drewno nie jest traktowane żadną inną substancją, a jedynie przetwarzane w określony sposób. W przeciwieństwie do Accoya lub Kebony, gdzie drewno zostało poddane obróbce różnymi żywicami w celu zwiększenia jego odporności na czynniki zewnętrzne, super drewno - został poddany częściowej delignifikacji, a następnie prasowaniu.

Głównymi materiałami tworzącymi drewno są celuloza, hemicelulozy i lignina. To one tworzą komórkę drewna. Celuloza i hemicelulozy tworzą matrycę, a lignina impregnuje matrycę, która nadaje drewnu sztywność, wagę i kolor. Naukowcy z University of Maryland, którzy w przeszłości również przezroczyste drewnoPoddali oni drewno częściowej delignifikacji za pomocą środków chemicznych, a następnie prasowali je przez 24 godziny, podczas których drewno było stale podgrzewane do temperatury 65°C.

Częściowe usunięcie ligniny sprawiło, że drewno stało się lżejsze i gąbczaste. Późniejsze ciśnienie spowodowało zapadnięcie się ścian komórkowych, powodując zagęszczenie włókien celulozowych i utworzenie nowych, bardzo silnych wiązań wodorowych. Prasowanie wyeliminowało również wady, takie jak puste przestrzenie, skręcone włókna lub sęki, a właściwości drewna stały się bardziej jednolite.

Należy zauważyć, że badaczom udało się znaleźć granicę delignifikacji, która prowadzi do niezwykłej wydajności uzyskanego materiału. Wyższy lub niższy procent usuniętej ligniny prowadzi do bardzo różnych wyników, przy czym uzyskane drewno działa znacznie gorzej. Wynika to z wiązań wodorowych powstających, gdy procent ligniny pozostałej w strukturze drewna jest optymalny.

Drewno o nowych właściwościach, znacznie mocniejsze i twardsze

Uzyskane w ten sposób drewno jest 5 razy cieńsze niż pierwotnie, ale 12 razy mocniejsze i 10 razy twardsze. Z materiału tego wytwarzano gwoździe, które wbijano w drewno, przepuszczając je z łatwością przez 3 płyty lub noże tnące grube kawałki wołowiny. Do materiału strzelano również pociskami przypominającymi kule, które z łatwością przechodziły przez normalne drewno, ale nie przebijały zagęszczonego drewna. Test można zobaczyć tutaj.

Drewno stosowane w budownictwie jest krytykuje że chociaż jest bardzo wytrzymałe wzdłuż włókien, ustępuje, gdy siła jest przyłożona prostopadle do niego. W przypadku zagęszczonego drewna potrzeba 10 razy większej siły, aby spowodować jego zniszczenie. Zagęszczone drewno jest tak wytrzymałe jak stal, ale 6 razy lżejsze. Naukowcy uważają, że nowy materiał może być wykorzystywany do produkcji samochodów i samolotów, w budownictwie - w zasadzie wszędzie tam, gdzie używana jest stal.

Zastosowanie tej metody w przemyśle pozwoliłoby na wykorzystanie szybko rosnących gatunków o bardzo niskiej wytrzymałości i twardości do produkcji bardzo mocnego materiału, który jest zarówno biodegradowalny, jak i ma niski ślad węglowy. Pozwoliłoby to chronić gatunki o bardzo dobrych właściwościach, ale bardzo powolnym wzroście. W połączeniu z trwałym zalesianiem i zrównoważonym pozyskiwaniem drewna, byłby to bardzo dobry sposób na wykorzystanie wysokowydajnych materiałów bez szkody dla środowiska i zdrowia mieszkańców planety.

Chociaż woda jest wysoce odporna, nadal pozostaje podatna na zagrożenia

Ponieważ nie ma idealnego materiału i super drewno ma swoją słabość, a mianowicie podatność na działanie wody. Nowy materiał nie traci rozpoznawalnego dla drewna powinowactwa do wody, a wraz ze wzrostem zawartości wilgoci jego właściwości fizyczne i mechaniczne maleją. Dlatego zagęszczone drewno musi być chronione przed wodą i wilgocią, aby mogło korzystać ze swoich specjalnych właściwości. Jedną z metod ochrony przed wodą jest powlekanie lub częściowa impregnacja olejami. Jest to metoda zainspirowana przeszłością, kiedy to do ochrony łodzi używano oleju lub impregnatu. smoła otrzymywana przez ogrzewanie drewna w wysokich temperaturach.

Jednak powinowactwo do wody jest przydatne w biodegradacji drewna. Obecnie coraz częściej stosuje się produkty biodegradowalne, które w dłuższej perspektywie nie szkodzą środowisku. Drewno jest takim materiałem, ale do degradacji potrzebuje wody. Dlatego należy znaleźć równowagę między odpornością na wilgoć a powinowactwem do wody.

XXI wiek wydaje się być drewnem

Chociaż pierwsze zagęszczone drewno uzyskano ponad 5 lat temu, wyniki badań nie osiągnęły jeszcze poziomu przemysłowego. Jest to jednak proces, który wymaga czasu i inwestycji, a grupa badaczy nawiązała już pewne kontakty. Z pewnością osiągnie ten poziom, ponieważ XXI wiek wydaje się być wiekiem drewna. Pojawienie się nowych, uprzemysłowionych produktów, które są coraz częściej wykorzystywane w branży budowlanej, świadczy o chęci uczynienia drewna materiałem o tak wysokiej wydajności, jak to tylko możliwe. A superwood jest właśnie takim materiałem.

Aby nadal cieszyć się drewnem i jego wyjątkowymi właściwościami, potrzebujemy jednak zrównoważonej gospodarki leśnej, trwałego zalesiania i rozwiązań umożliwiających wykorzystanie gatunków uważanych za gorsze, ale znacznie szybciej rosnących.