Прозрачное дерево технология производства

Прозрачное дерево — новый строительный материал. Он заменит стекло

Действительно, это не шутка и не фантастика. Американский исследователь лаборатории лесных продуктов Джуньюн Чжу вместе с коллегами из Университетов Мэриленда и Колорадо сумели создать невероятный материал. Какое-то конкретное имя ему пока не дали и называют просто — прозрачное дерево (transparent wood). Они уверены, что за ним будущее. Дело в том, что практически по всем параметрам их разработка превосходит привычное нам стекло, которое используется в колоссальных количествах в строительстве, особенно сейчас.

Почему прозрачная древесина — это инновационный материал?

Если посмотреть на статистику распределения теплопотерь в доме, то на окна приходится от 10 до 25%. Примерно столько же — на крышу и стены, но там и площади намного больше, при этом их можно утеплить. Современные стеклопакеты отличаются максимально возможной энергоэффективностью, то есть физически улучшить окна, используя только стекло, можно считать, невозможно.

Прозрачная древесина — это не единственная замена стекла. Есть еще акрил (он же оргстекло), двухслойный поликарбонат/пропилен, поливинилхлорид. Однако используются они далеко не везде ввиду отсутствия необходимых показателей прозрачности, экологичности и токсичности. Поэтому древесное стекло вызвало небывалый интерес у общественности. Этот материал в разы экологичнее, энергоэффективнее, прочнее, а также существенно легче стекла. Минусы тоже есть — пока прозрачная древесина примерно на 15-20% уступает стеклу в прозрачности, а также дороже в производстве.

Как изготавливается материал и его преимущества в цифрах (относительно стекла)

Прозрачную древесину получают из бальзового дерева, которое имеет самую низкую плотность волокон. Его обрабатывают при комнатной температуре в специальной окислительной ванне, что позволяет добиться полного обесцвечивания. После материал пропитывают синтетическим полимером — поливиниловым спиртом (ПВС). Это экологически чистый полимер, широко применяемый в бытовой химии, пищевой промышленности, медицине и т.д. На выходе получается практически прозрачный продукт, готовый к применению в строительной отрасли.

Натуральная целлюлоза в связке с энергопоглощающим полимерным наполнителем позволяют прозрачной древесине быть намного легче и в 3 раза прочнее обычного стекла на разрыв. Натурные испытания материала показали, что оно обладает в 5 раз меньшими энергопотерями.

Может возникнуть вопрос насчет целесообразности применения древесного стекла, ведь для его изготовления нужно вырубать деревья. На деле все не так страшно — Бальза (или Бальса) является быстрорастущим растением. Зрелого возраста оно достигает всего за 5 лет!

И все же, действительно ли за прозрачной древесиной будущее?

Перспективы материала туманны, но только потому, что его еще не успели довести до идеала. Пока трудно оценить, насколько коммерчески выгодным окажется его применение. В целом да, это строительный материал будущего, как по причине его улучшенных по сравнению со стеклом характеристик, так и ввиду большей экологичности. Последнее сейчас особенно актуально в связи с глобальным потеплением. Производство прозрачной древесины не только оставляет существенно меньший углеродный след, но и за счет высокой энергоэффективности позволяет снизить расход ресурсов на отопление. Меньше сожженных дров, газа, угля или истраченного электричества.

Экономически материал не менее выгоден — технически он совместим с существующим промышленным оборудованием, а изготавливается из быстро возобновляемого, экологически чистого ресурса.

Это тоже интересно:

Источник

Окна будущего: прозрачная древесина вместо стекла

История отношений человечества и древесины насчитывает миллионы лет.

Из дерева строят дома и корабли, его используют как источник топлива. Древесина, в отличие от нефти и газа, ресурс не только полезный, но и возобновляемый. Кроме того, деревья удаляют избыток углекислого газа из атмосферы.

Целлюлоза — главный компонент древесины. Ежегодно в мире её производится в 20 раз больше, чем стали.

В 21-м веке мы почти не используем дерево для изготовления окон, предпочитая стекло и пластик, которые хорошо держат форму. Но стекло — плохой теплоизолятор. Именно поэтому нам нужны стеклопакеты, так мы уменьшаем потери тепла внутри помещения. Дерево обладает хорошими изоляционными свойствами, но оно непрозрачно. По крайней мере, сейчас.

В последние годы материаловеды экспериментируют над тем, чтобы получить прозрачное дерево. Прозрачная древесина, сохраняющая свои высокие механические свойства, могла бы стать хорошей альтернативой стеклу.

Как сделать дерево прозрачным

Непрозрачной древесину делают два её основных компонента: целлюлоза и лигнин.

Лигнин поглощает свет, а присутствие в материале хромофоров — свето-активированных соединений — придает древесине коричневый цвет. Волокна древесины, которые в основном состоят из целлюлозы, представляют собой полые трубчатые структуры. Воздух в этих полых трубках рассеивает свет, что еще больше снижает прозрачность материала.

Ранее, чтобы сделать древесину прозрачной, ученые полностью удаляли лигнин из структуры и заменяли его полимерным материалом. Это требовало большого количества экологически вредных химикатов, а также значительно снижало механические свойства материала, делало его слабее.

Новое исследование ученых из Университета Мэриленда, продемонстрировало, как сделать дерево прозрачным с помощью простого химического вещества — перекиси водорода, которую обычно используют для обесцвечивания волос. Это химическое вещество модифицирует хромофоры и изменяет их структуру. Они перестают поглощать свет и больше не окрашивают древесину.

Химикат можно нанести щеткой на древесину, а затем активировать светом, чтобы получить белоснежный материал — светлое дерево. Химическая реакция древесины с перекисью водорода хорошо известна. Её используют для отбеливания древесной массы при изготовлении бумаги, именно поэтому бумага имеет ярко-белый цвет.

Другая причина белизны бумаги заключается в том, что поры (отверстия) в ее структуре рассеивают свет, как и полые волокна целлюлозы в древесине. Если заполнить целлюлозные волокна смолой, это позволит свету беспрепятственно проходить через древесину и сделает ее прозрачной. При этом первоначальные механические свойства древесины сохранятся.

Деревянные окна будущего будут красивыми

Эта разработка интересна тем, что использует хорошо известные химические реакции перекиси водорода с лигнином. Кроме того, метод применим к большим кускам сырья, что позволит производить прозрачные строительные материалы, обладающие реальным потенциалом для замены стекла.

Химикат наносится на древесину щеткой, что дает простор для различных декоративных эффектов на материале. Это может сделать панели из прозрачной древесины популярным материалом не только для дополнительной теплоизоляции, но и для для внутренней отделки помещений.

Ученым необходимо проделать дополнительную работу, чтобы оптимизировать реакцию с древесиной и включить ее в промышленно автоматизированный процесс. Но вполне вероятно, что в скором будущем мы сможем сидеть дома или работать в здании с полностью деревянными окнами.

Источник

Прозрачное дерево — уникальный материал, что сохраняет тепло и пропускает свет

Натуральная древесина — экологичный, качественный и долговечный материал, но по внешнему виду он порой уступает современному высокотехнологичному сырью для постройки домов. Но сейчас самые новомодные архитектурные сооружения делают именно из дерева, правда, не из обычного, а из прозрачного. Это уникальное сырье пропускает через себя лучи света, поэтому смотрится просто потрясающе.

Откуда появилась прозрачная древесина

Над созданием необычного стройматериала одновременно трудились две группы ученых — из Университета Мериленда и из Швеции. Обе команды исследователей практически в одни сроки сумели убрать из дерева цвет и сделать его почти прозрачным. Результаты работы были представлены на ежегодной выставке Американского химического общества в 2019 году.

Сведения о новинке были напечатаны в журнале ACS Biomacromolecules. По рассказам ведущего шведского исследователя, доктора Ларса Берглунда, вначале из оптической древесины был удален лигнин (этот компонент клеточных стенок поглощал свет). После удаления его место занял акрил. Рассеивание света было уменьшено, но не прекратилось полностью, ведь акрил сам по себе является довольно плотным и непрозрачным.

В дальнейших исследованиях в древесные поры после извлечения лигнина был введен полимер ПЭГ (полиэтиленгликоль). Это твердое вещество обладает способностью глубокого внедрения в клетки дерева, поскольку имеет высокое сродство с ним. ПЭГ может сохранять энергию при нагреве. В солнечную погоду он поглощает тепло, а ночью, когда на улице прохладно — проводит его вовнутрь. Таким способом вещество поддерживает постоянную и комфортную температуру в доме, оптимизируя свойства древесины. Чтобы полиэтиленгликоль не расплавлялся и не покидал древесные поры, его поместили в них в капсулированной форме. Акрил также вошел в состав конечного продукта, поэтому современная прозрачная древесина все равно получается чуть мутноватой.

Как именно делают материал

Чтобы сделать дерево прозрачным, первым этапом из него вымывают лигнин, который придает характерный цвет. Для этого бруски кипятят в смеси гидроксида натрия, воды, иных химических веществ около 2 часов. Далее материал насыщают ПЭГ и иными компонентами. В завершение процесса бруски покрывают эпоксидной смолой, которая повышает прочность дерева в 4-5 раз.

Свойства нового сырья

Несмотря на присутствие ряда химических веществ, оптическое дерево считается экологичным материалом. По безопасности оно стоит на строчку выше, чем бетон или пластик, ведь все его компоненты являются биоразлагаемыми. После завершения срока эксплуатации любые элементы из оптического сырья могут быть утилизированы простым способом.

Благодаря присутствию акрила материал становится влагостойким и не боится воздействия влаги. По прочности он тоже не уступает иному строительному сырью и легко выдерживает механические нагрузки (лучше, чем стекло и пластик). Новый стройматериал довольно плохо проводит электричество, при этом обладает отличными теплоизолирующими свойствами и высоким коэффициентом пропускания света.

Применение прозрачной древесины

Материал с уникальным внешним видом и свойствами может изменить привычные технологии строительства. Благодаря ему можно доставить больше света в дом, что позволит сократить энергопотребление и снизить финансовые траты жильцов.

Если заменить часть традиционного строительного сырья новинкой, то такие стены и окна будут не просто пропускать свет, но и накапливать энергию. Следовательно, дом станет более теплым и удобным для проживания.

По мнению ученых, технология может войти в массовое производство примерно через 5 лет. Пока размеры брусков оптической древесины довольно ограничены (примерно 12,5*12,5 см с толщиной около 1 см), но в будущем возможно получение более крупных плит. Из них планируется делать окна, мебель, стройматериалы, заменять стекло и пластик во множестве других сфер и областей.

Также оптическая древесина должна прочно внедриться в интерьер помещений, ведь из нее можно делать интересные предметы быта и дизайна. Китайские исследователи и вовсе планируют строить из такого дерева теплицы, которые наверняка произведут революцию на рынке. В ближайшем будущем материал займет место в нашей жизни, сделав ее более красивой и комфортной.

Прозрачная древесина: новая технология для замены стекла из возобновляемого сырья Прозрачная древесина: новая технология для замены стекла из возобновляемого сырья

Источник