В ближайшем магазине продаются ножи и гвозди из закаленного дерева?
Ключевые выводы
- Специально обработанная древесина может конкурировать со сталью и пластиком в некоторых областях применения.
- Авторы демонстрируют, что деревянным ножом можно разрезать стейк, а деревянными гвоздями можно скрепить доски.
- В конечном счете полезность изделий из дерева будет определяться техническими возможностями и рынком.
Натуральное дерево и металл на протяжении тысячелетий служили человечеству основными строительными материалами. Синтетические полимеры, которые мы называем пластмассами, - это недавнее изобретение, взорвавшееся в двадцатом веке.
И металлы, и пластмассы обладают превосходными свойствами для промышленного и коммерческого использования. Металлы прочны, тверды и, как правило, устойчивы к воздействию воздуха, воды, тепла и длительного стресса. Но они также более ресурсоемкие (что означает более дорогие) для производства и переработки в продукты. Пластмассы предлагают некоторые возможности металлов, но требуют меньшей массы и чрезвычайно дешевы в производстве. Их свойства могут быть адаптированы практически для любого использования. Однако из дешевого промышленного пластика получаются паршивые конструкционные материалы: пластиковая посуда никуда не годится, а жить в пластиковом доме никто не хочет. Кроме того, они обычно перерабатываются из ископаемого топлива.
Натуральное дерево может конкурировать с металлом и пластиком в некоторых областях применения. Большинство семейных домов построены на деревянных каркасах. Проблема в том, что натуральное дерево слишком мягкое и слишком легко поддается воздействию воды, чтобы в большинстве случаев заменить пластик и металл. В статье, недавно опубликованной в журнале Matter, исследуется создание закаленного древесного материала, преодолевающего эти ограничения. Кульминацией исследований стало создание деревянных ножей и гвоздей. Насколько хорош деревянный нож и скоро ли он вам понадобится?
Грунтовка по дереву
Волокнистая структура древесины примерно на 50 процентов состоит из целлюлозы, природного полимера, который в чистом виде теоретически обладает хорошими прочностными свойствами. Оставшаяся половина структуры древесины состоит в основном из лигнина и гемицеллюлозы. В то время как целлюлоза образует длинные прочные волокна, которые придают древесине основу ее естественной прочности, гемицеллюлоза имеет слабую связную структуру и, таким образом, не способствует прочности древесины. Лигнин заполняет промежутки между волокнами целлюлозы и выполняет полезные задачи для живой древесины. Но в человеческих целях по уплотнению древесины и более плотному связыванию ее волокон целлюлозы лигнин мешает.
Как сделать дерево в 23 раза тверже
В этом исследовании натуральная древесина превращается в закаленную древесину (HW) в четыре этапа. Сначала древесину кипятят в гидроксиде натрия и сульфате натрия, чтобы удалить часть гемицеллюлозы и лигнина. После этой химической обработки древесину делают более плотной, выдавливая ее в прессе при комнатной температуре в течение нескольких часов. Это уменьшает естественные зазоры или поры в древесине и усиливает химическую связь между соседними волокнами целлюлозы. Затем древесина прессуется еще несколько часов при температуре 105 ° C (221 ° F) для окончательного уплотнения, а затем высыхает. Наконец, древесина погружается в минеральное масло на 48 часов, что придает готовому изделию водонепроницаемость.
Одним из механических свойств конструкционного материала является твердость при вдавливании, мера его способности сопротивляться деформации при воздействии силы. Алмаз тверже стали, тверже золота, тверже дерева, тверже пенопласта. Среди ряда инженерных тестов для определения твердости, таких как шкала Мооса для геммологии, есть тест Бринелля. Его концепция проста: шарикоподшипник из твердого металла вдавливается в испытуемую поверхность с определенной силой. Измеряется диаметр круглого углубления, созданного шариком. Число твердости по Бринеллю рассчитывается по математической формуле; грубо говоря, чем больше отверстие делает мяч, тем мягче материал. В этом тесте твердость HW в 23 раза выше, чем у натурального дерева.
Большинство необработанных натуральных пород дерева впитывают воду. Это расширяет древесину и в конечном итоге разрушает ее структурные свойства. Авторы используют двухдневное замачивание минералами, чтобы улучшить водонепроницаемость HW, сделав его более гидрофобным («водобоязненным»). Тест на гидрофобность заключается в размещении капли воды на поверхности. Чем более гидрофобна поверхность, тем более сферической будет капля воды. С другой стороны, гидрофильная («водолюбивая») поверхность будет распределять капли ровно (и впоследствии поглощать воду гораздо легче). Таким образом, минеральная пропитка не только резко повышает гидрофобность ГС, но и препятствует поглощению водой древесины.
Насколько острым является нож из закаленного дерева?
Для чего может использоваться закаленная древесина? Авторы создают два HW-объекта: ножи и гвозди.
В ходе некоторых инженерных испытаний ножи HW показали себя немного лучше, чем металлические ножи. Авторы утверждают, что нож HW примерно в три раза острее имеющихся в продаже ножей. Но есть одно предостережение в отношении этого интересного результата. Исследователи сравнивали столовые ножи, или то, что мы могли бы назвать ножами для масла. Они не должны быть особенно острыми. Авторы показывают видео, как их нож режет стейк, но достаточно сильный взрослый, вероятно, мог бы разрезать тот же стейк тупой стороной металлической вилки, а нож для стейка работал бы намного лучше.
Как насчет гвоздя? Гвоздь HW, по-видимому, можно без особых проблем забить в стопку из трех досок, хотя относительная легкость по сравнению с железным гвоздем подробно не описана. Деревянный гвоздь может удерживать доски вместе против силы, разрывающей их на части, примерно с такой же прочностью, как и железный гвоздь. Однако в их тестах доски в обоих случаях выходят из строя до того, как выйдет из строя любой из гвоздей, поэтому более прочный гвоздь не обнаруживается.
Гвоздь HW лучше в чем-то другом? Деревянный гвоздь легче, но тогда вес конструкции определяется не массой гвоздей, скрепляющих ее. Деревянный гвоздь будет непроницаем для ржавчины. Однако он не будет непроницаемым для поглощения воды или биологического гниения.
В ближайшем к вам магазине продаются деревянные ножи?
Несомненно, авторы разработали процесс создания древесины, которая значительно прочнее, чем ее натуральный аналог. Однако полезность HW для любой конкретной работы потребует дальнейшего изучения. Можно ли сделать его так же дешево и с таким же малым количеством ресурсов, как пластик? Может ли он конкурировать с более прочным, привлекательным и бесконечно многоразовым металлическим объектом? Их исследования поднимают интересные вопросы. Непрерывное проектирование (и, в конечном счете, рынок) ответят на них.