Древесина – материал будущего

Владимир Фрадкин

Разрабатывая новые строительные и конструкционные материалы, химики и технологи главное внимание уделяют их эксплуатационным свойствам. Такие критерии как экологичность или расход сырьевых и энергоресурсов отходят поначалу на второй план. Но, в конечном счете, они играют весьма заметную роль потому, что в значительной мере диктуют рыночную цену нового материала. Именно поэтому интерес к традиционным материалам на основе возобновляемых видов сырья стремительно растёт. Типичным примером может служить древесина. Благодаря новым технологиям она может сегодня во многих областях успешно конкурировать с металлами, полимерами и даже керамикой.

Древесина высокой плотности

Многие поколения строителей видели один из главных недостатков древесины в ограниченной возможности её формования. Специалисты Дрезденского технического университета разработали и запатентовали новую технологию обработки деревянных конструкций, которая существенно расширяет сферу их применения. При внешнем осмотре отличить обычный еловый брус от такого же бруса, но обработанного по дрезденскому методу, практически невозможно. Лишь взяв их в руки, замечаешь, что один почти вдвое тяжелее другого. Причина становится ясна при взгляде на торцы: на одном годовые кольца круглые, на другом – овальные, как бы сплюснутые. «Эта древесина подверглась уплотнению, – поясняет Пеер Халлер (Peer Haller), профессор Института строительных конструкций и деревянных сооружений при Дрезденском техническом университете. – Процесс уплотнения осуществляется при температуре 150ºC прессом горячего прессования. При этом происходит сжатие микроструктуры древесины, и в результате мы получаем древесину очень высокой плотности – примерно 1кг/дм3».

Один килограмм на кубический дециметр – это плотность воды. Сухая еловая древесина имеет в нормальном состоянии вдвое меньшую плотность – ведь она представляет собой своего рода губку. Именно высокая пористость древесины и позволяет из стволов круглого сечения получать методом горячего прессования без каких-либо потерь балки прямоугольного сечения.

Преимущества уплотнённой древесины

Преимущества уплотнённой древесины наиболее отчётливо проявляются при возведении крупных инженерных сооружений – например, мостов. Здесь нагрузки всегда распределяются крайне неравномерно, так что отдельные балки подвержены повышенному износу. Если эти балки изготовить из уплотнённой древесины, а все прочие того же сечения – из обычной, то такое решение позволит сохранить архитектурную гармоничность моста и при этом обеспечить оптимальные эксплуатационные характеристики.

Там, где ожидаемые нагрузки особенно велики, инженеры используют, как правило, стальные балки различного профиля. Широкое распространение получили, например, тавровое и двутавровое сечения. Однако и пустотелые балки коробчатого или круглого сечения способны нести большую нагрузку, чем сплошные массивные балки. Технология, разработанная профессором Халлером, позволяет получать пустотелые балки из древесины. Для этого сначала круглый ствол прессуется в брус квадратного сечения, а затем с одной стороны деформация снимается.

В результате квадратное сечение превращается в трапецеидальное, а это позволяет из нескольких таких балок сложить пустотелую трубу.

Как соединить древесину с полимером

Судя по всему, балки из уплотнённой древесины уже в скором времени появятся на многих стройплощадках. Древесина безусловно могла бы найти широкое применение и в машиностроительных отраслях, если бы не те трудности, с которыми до сих пор сталкиваются технологи при попытках прочно соединить деревянную основу с полимерным покрытием. Для этих целей сегодня используется клей, что далеко не всегда даёт оптимальные результаты. Теперь же специалисты Лазерного центра в Ганновере предложили другой метод – естественно, с использованием лазера. Штефан Барчиковски (Stefan Bartcikowsky) – один из разработчиков новой технологии – говорит:

– Нужно представлять себе дело так, что пластмасса для лазерного луча прозрачна. Лазерный луч как бы смотрит сквозь пластмассу, не замечая её, но видит за ней древесину. И вот там-то, на этой границе, и концентрируется энергия лазера. Древесина нагревается и подплавляет пластмассу, так что в результате образуется прочное сварное соединение, имеющее существенные преимущества перед клееным.

Одно из главных достоинств лазерной технологии – её гибкость: переналадить такую установку, приспособив её для решения новых задач, можно за считанные часы. Энергия лазерного луча должен быть подобрана с таким расчётом, чтобы температура в пограничном слое не превышала 400-т градусов, иначе древесина начинает обугливаться. Однако столь высокие температуры и не нужны, поскольку большинство полимеров плавятся уже при 90 градусах. Расплав затекает в поры древесины, благодаря чему и образуется прочное соединение. Штефан Барчиковски говорит:

– Сейчас ситуация такова: при испытании наших образцов на разрыв, то есть когда мы пытаемся снова отделить пластмассу от древесины, образец всегда рвётся не в зоне соединения, а в толще материала. Для нас это очень хороший признак: значит, полученное нами сварное соединение прочнее, чем сами соединяемые материалы.

Сегодня опытная установка ганноверских инженеров обеспечивает довольно скромную скорость сварки – 1м/мин. Авторы разработки намерены значительно повысить мощность лазера, которая пока составляет всего 100Вт, и довести скорость сварки до 80м/мин. Учёные надеются, что уже через год смогут представить действующий прототип промышленной установки.

Древесина при производстве керамики

Между тем, древесину начинают применять при производстве керамики. До сих пор исходным материалом для неё служили минеральные порошки – например, тонко молотый карбид кремния помещался в форму и спекался. Но измельчение и спекание – весьма энергоёмкие процессы, а потому американские инженеры разработали более экологичную технологию производства керамики: она не только требует меньше энергии, но и использует в качестве исходного материала возобновляемое сырьё – древесину. Мритианджей Сингх (Mrityunjay Singh), научный сотрудник отдела НАСА по разработке новых керамических материалов в Кливленде, штат Огайо, говорит:

– Мы можем использовать даже опилки, утилизация которых является для лесопильных предприятий серьёзной проблемой. К опилкам добавляются вяжущие вещества, затем полученной массе придаётся форма будущей детали, после чего эта заготовка подвергается пиролизу.

Упомянутый Сингхом пиролиз – это не что иное, как разложение под действием высоких температур в бескислородной среде. Именно этот процесс позволяет превращать древесину в древесный уголь, который – с химической точки зрения – представляет собой чистый углерод. А затем в печь добавляется кремний – второй компонент будущей карборундовой керамики.

Кроме соединений кремния, могут быть использованы и расплавы некоторых солей, что позволяет производить широкий ассортимент современных керамик. Особенность предложенной технологии состоит в том, что на протяжении всего процесса сохраняется микроструктура древесины (иллюстрации срезов древесины см. в статье «Архитектура деревьев»), и керамика как бы перенимает некоторые свойства исходного материала. Для керамики с такими свойствами найдётся немало новых сфер применения.

От фильтрации воды до термозащиты космических аппаратов

В частности, – полагает Сингх, – она может быть использована для фильтрации питьевой воды. Учёные университета в Эрлангене испытывают керамические материалы на основе сосновой древесины в качестве катализаторов для химической промышленности. А НАСА полагает, что новый класс материалов как нельзя лучше подходит для термозащиты космических аппаратов.

По мнению Сингха, первые изделия из керамики на основе древесины могут появиться на рынке уже через год-два. Но каков промышленный потенциал этого нового класса материалов – пока неясно.