Получение искусственной древесины
Такие натуральные материалы, как древесина, растительные волокна, шелк, кожа, кость и рог столетиями используются людьми. По сути, все они являются композитами, состоящими из тонкого волокна и смолообразного связующего. В отличие от искусственных природные композиты имеют значительно более тонкую и сложную структуру.
По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений.
Древесина есть натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза.
Связующим для этих волокон является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева, трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева придает древесине высокую прочность.
В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание волокон целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль волокон трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку.
Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. А так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, оно может быть воспроизведено для других материалов.
Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловолокна, пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки волокна составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.
Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловолокна с параллельно расположенными волокнами формовали рифленые поверхности так, чтобы волокна располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.
Механические испытания показали, что искусственная древесина при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.
Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками, такими, как устойчивость к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью, удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе волокон углерода, кевлара, стекловолокна или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой.
В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация волокон в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов, нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.
Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине отверстий. При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.
Игорь ПРИВАЛОВ
По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений.
Древесина есть натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза.
Связующим для этих волокон является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева, трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева придает древесине высокую прочность.
В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание волокон целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль волокон трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку.
Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. А так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, оно может быть воспроизведено для других материалов.
Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловолокна, пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки волокна составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.
Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловолокна с параллельно расположенными волокнами формовали рифленые поверхности так, чтобы волокна располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.
Механические испытания показали, что искусственная древесина при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.
Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками, такими, как устойчивость к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью, удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе волокон углерода, кевлара, стекловолокна или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой.
В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация волокон в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов, нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.
Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине отверстий. При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.
Игорь ПРИВАЛОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 44 за 2009 год в рубрике мат. и тех.
