Содержание
прозрачная древесина вместо стекла / Хабр
Древесина + человечество = one love
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.
Если удалить из древесины лигнин, она может стать прозрачной
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.
ПРОЗРАЧНАЯ ДРЕВЕСИНА – МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО
Ксения ЧерноваловаТехнологии
Теги:
12:01
28 июня 2022
На протяжении долгого времени дерево считается идеальным строительным материалом из-за его прочности, низкой стоимости и доступности. Ученые и исследователи по всему миру постоянно демонстрируют общественности интересные открытия в области древесины.
Они каждый раз показывают, что ее сложный состав можно изменить, придавая материалу совершенно новые свойства.
2905
0
0
отправить по
e-mail
В наше время для изготовления окон практически не используется дерево, люди предпочитают стекло и пластик, которые хорошо держат форму. Однако стекло — плохой теплоизолятор, а дерево обладает хорошими изоляционными свойствами и благодаря специальной обработке его можно сделать прозрачным. Натуральная целлюлоза в структуре древесины и энергопоглощающий полимерный наполнитель в прозрачной древесине означают, что она намного прочнее и легче стекла. Он может выдерживать гораздо более сильные удары, чем стекло, и, в отличие от него, гнется или раскалывается, а не разбивается вдребезги.
В последние годы исследователи работают над получением идеального прозрачного дерева.
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 прозрачным. Результаты работы были представлены на ежегодной выставке Американского химического общества в 2019 году.
Прозрачная древесина считается перспективным конструкционным и светорегулирующим материалом для энергоэффективных инженерных применений. Однако процесс делигнификации на основе раствора, используемый для изготовления прозрачной древесины, как правило, потребляет большое количество химических веществ и энергии.
Непрозрачной древесину делают два её основных компонента: целлюлоза и лигнин. Чтобы сделать дерево прозрачным, сначала из него вымывают лигнин, который придает характерный цвет. Для этого бруски кипятят в смеси гидроксида натрия, воды, иных химических веществ около 2 часов. Лигнин представляет собой вещество, в которое превращаются стенки растительных клеток после одеревенения.
Это сложное полимерное соединение, образовывающееся в сосудистых растениях и некоторых водорослях. Удалив лигнин, древесину можно сделать практически прозрачной, хотя пока она и уступает по этому параметру привычному нам стеклу. В настоящее время шведские исследователи работают как раз над этой проблемой, добиваясь от древесины идеальной прозрачности.
Далее материал насыщают ПЭГ и иными компонентами. В завершение процесса бруски покрывают эпоксидной смолой, которая повышает прочность дерева в 4-5 раз.В результате вымывания лигнина в структуре древесины остаются пустые поры, которые заполняют синтетическими полимерами, чтобы придать материалу прочность и прозрачность. Однако не так давно ученые нашли более экологичную замену в качестве мономера, сделанного из компонента кожуры цитрусовых под названием «лимонен». Новый лимоненакрилат производится из возобновляемых источников цитрусовых, таких как остатки кожуры, которые образуются в процессе производства апельсинового сока.
Лимоненакрилатный мономер используют для заполнения пустых пор в древесине, позволяя ей пропускать до 90% видимого спектра света при толщине пластинки в 1,2 мм. Новые образцы превосходят предыдущие достижения ученых и, что важно, прочность модифицированного дерева составляет 174 Мпа при эластичности 17 Гпа. Производство прозрачной древесины не ограничивается лишь вымыванием лигнина из его состава. 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 нанесят щеткой на древесину, а затем активируют 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.Данный метод применим к большим кускам сырья, что позволяет 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 внутренней отделки помещений.
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.
Окна из деревянного стекла имеют высокие показатели прочности и низкую теплопроводность.
Переход на прозрачную древесину может оказаться экономически эффективным — это примерно в пять раз более теплоэффективно, чем стекло, что снижает энергозатраты. Он изготовлен из устойчивого, возобновляемого ресурса с низким уровнем выбросов углекислого газа, а также совместим с существующим промышленным технологическим оборудованием, что облегчает переход к производству.
Наш журнал ММ
Поддержать ММ
Технологии
Ксения Черновалова
Машины и Механизмы
- Поделиться
Прозрачная древесина может стать окном в будущее
Автор: Эми Андрофф, Лаборатория лесных товаров, Роберт Вестовер, Управление коммуникаций, Лесная служба Министерства сельского хозяйства США в
Лесное хозяйство
29 июля 2021 г.
Кусок стекла на фотографии выше был сделан из дерева. Исследовательская работа в Лаборатории лесных товаров по использованию дерева для создания прозрачных окон продвигается вперед. (Фото Лесной службы Министерства сельского хозяйства США)
Может ли взгляд сквозь деревья быть взглядом на более зеленое будущее? Деревья, заменяющие прозрачные стекла в ваших окнах, — это не произведение научной фантастики. Это происходит сейчас.
Исследователь Лаборатории лесных товаров (FPL) Джуньонг Чжу в сотрудничестве с коллегами из Университета Мэриленда и Университета Колорадо разработал прозрачный древесный материал, который может стать окном завтрашнего дня. Исследователи обнаружили, что прозрачная древесина может превзойти стекло, используемое в настоящее время в строительстве, практически во всех отношениях.
Их результаты были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials в статье «Чистая, прочная и теплоизолированная прозрачная древесина для энергоэффективных окон».
В то время как стекло является наиболее распространенным материалом, используемым в производстве окон, оно имеет высокую экономическую и экологическую цену.
Тепло легко передается через стекло, особенно одинарное стекло, и приводит к более высоким счетам за электроэнергию, когда оно уходит в холодную погоду и проникает внутрь, когда тепло. Производство стекла в строительстве также имеет большой углеродный след. Производственные выбросы составляют примерно 25 000 метрических тонн в год.
Теперь прозрачное дерево становится одним из самых многообещающих материалов будущего.
Прозрачная древесина получается, когда древесина из быстрорастущего бальзового дерева с низкой плотностью обрабатывается при комнатной температуре в окислительной ванне, которая отбеливает ее почти до полной видимости. Затем древесину пропитывают синтетическим полимером, называемым поливиниловым спиртом (ПВА), в результате чего получается практически прозрачный продукт.
Натуральная целлюлоза в структуре древесины и энергопоглощающий полимерный наполнитель в прозрачной древесине означают, что она намного прочнее и легче стекла.
Он может выдерживать гораздо более сильные удары, чем стекло, и, в отличие от стекла, гнется или раскалывается, а не разбивается.
Переход на прозрачную древесину также может оказаться экономически выгодным. Он примерно в пять раз более термически эффективен, чем стекло, что снижает затраты на электроэнергию. Он изготовлен из устойчивого, возобновляемого ресурса с низким уровнем выбросов углерода. Он также совместим с существующим промышленным технологическим оборудованием, что упрощает переход к производству.
Со всеми этими потенциальными преимуществами для потребителей, производства и окружающей среды доводы в пользу прозрачной древесины не могут быть… яснее.
Категория/Тема:
Лесное хозяйство
Метки:
Лесная служба
Лесное хозяйство
Лаборатория лесных товаров
Университет Мэриленда
Университет Колорадо
прозрачное дерево
Написать ответ
Комментарии
Ученые разработали прозрачную древесину, которая прочнее и легче стекла
Исследователи из Университета Мэриленда превратили обычные листы дерева в прозрачный материал , почти такой же прозрачный, как стекло, но более прочный и обладающий лучшими изоляционными свойствами.
В будущем он может стать энергоэффективным строительным материалом.
Древесина состоит из двух основных компонентов: целлюлозы, представляющей собой крошечные волокна, и лигнина, который связывает эти волокна вместе, придавая им прочность.
Разорвите бумажное полотенце пополам и внимательно осмотрите край. Вы увидите, как торчат маленькие волокна целлюлозы. Лигнин — это клейкий материал, который связывает волокна вместе, немного похожий на пластиковую смолу в стекловолокне или углеродном волокне. Лигнин также содержит молекулы, называемые хромофорами, которые придают древесине коричневый цвет и препятствуют прохождению света.
Первые попытки сделать прозрачную древесину включали удаление лигнина, но для этого использовались опасные химические вещества, высокие температуры и много времени, что делало продукт дорогим и несколько хрупким. Новая техника настолько дешева и проста, что ее можно буквально сделать на заднем дворе.
Начав с деревянных досок длиной в метр и толщиной в один миллиметр, ученые просто нанесли на них раствор перекиси водорода, используя обычную кисть.
Если оставить его на солнце или под УФ-лампой на час или около того, перекись обесцветила коричневые хромофоры, но оставила лигнин нетронутым, поэтому древесина стала белой.
Исследователи продемонстрировали, что после нанесения слоя перекиси водорода на непрозрачный древесный материал и воздействия на него солнечного света в течение одного часа он становится прозрачным. (Циньцинь Ся, Мэрилендский университет/Science Advances)
Затем они залили древесину прочной прозрачной эпоксидной смолой, предназначенной для морского использования, которая заполнила пустоты и поры в древесине, а затем затвердела. Это сделало белое дерево прозрачным.
Вы можете увидеть аналогичный эффект, если взять тот же кусок бумажного полотенца, окунуть его наполовину в воду и положить на узорчатую поверхность. Белое бумажное полотенце станет полупрозрачным при прохождении света через воду и волокна целлюлозы без преломления.
Эпоксидная смола в дереве работает еще лучше, позволяя 9пропускает 0 процентов видимого света.
В результате получается длинный кусок стекла, обладающий прочностью и гибкостью дерева.
Исследователь держит квадрат из прозрачного деревянного материала против зеленого листа. (Лесная служба Министерства сельского хозяйства США)
В качестве оконного материала он был бы гораздо более устойчивым к случайным поломкам. Чистая древесина легче стекла и обладает лучшими изоляционными свойствами, что важно, поскольку окна являются основным источником потерь тепла в зданиях. Кроме того, для производства чистой древесины может потребоваться меньше энергии, поскольку не используются высокие температуры.
Прозрачная древесина может стать альтернативой стеклу в энергоэффективных зданиях или, возможно, покрытием для солнечных батарей в суровых условиях. Не может быть конца использованию.
Множество разных пород дерева, от бальзы до дуба, можно сделать прозрачными, и неважно, вдоль волокон или против них. Если сделать прозрачную древесину немного толще, она станет достаточно прочной, чтобы стать частью конструкции здания, так что могут быть целые прозрачные деревянные стены.