Прозрачные деревянные композиции - это новые деревянные материалы , которые имеют до 90 % прозрачности .
Исследовательская группа под руководством профессора Ларса Берглунда [6] из шведского университета KTH совместно с исследовательской группой Мэрилендского университета под руководством профессора Лянбина Ху [3] разработали метод удаления цвета и некоторых химических веществ с небольших деревянных брусков с последующим добавлением полимеров , таких как полиметилметакрилат (ПММА) и эпоксидная смола , на клеточном уровне, что делает их прозрачными.
Как только выпущенная между 2015 и 2016 годами, прозрачная древесина имела большую реакцию прессы, с статьями в Scienceday , [7] Wired , [ 8] The Wall Street Journal , [9] и The New York Times .
На самом деле эти исследовательские группы вновь открыли работу от Зигфрида Финка, немецкого исследователя, с 1992 года: с процессом, очень похожим на то, что Берглунд и Ху немецкий исследователь стал прозрачным, чтобы выявить конкретные полости структуры древесины для аналитической цели .
В 2021 году исследователи сообщили о способе производства прозрачной древесины и сильнее стекла, которое требует значительно меньшего количества химических веществ и энергии, чем методы, используемые ранее .
В своем естественном состоянии древесина не является прозрачным материалом из-за рассеивания и поглощения света. Желтоватый цвет древесины обусловлен ее химическим полимерным составом целлюлозы , гемицеллюлозы и лигнина . Лигнин древесины в основном отвечает за отличительный цвет древесины. Следовательно, количество лигнина определяет уровни видимости в древесине, около 80–95%. [14] Чтобы сделать древесину видимым и прозрачным материалом, необходимо уменьшить как поглощение, так и рассеивание при ее производстве. Процесс производства прозрачной древесины основан на удалении всего лигнина, что называется процессом делигнификации.
Производство прозрачной древесины из процесса делигнификации варьируется от исследования к исследованию. Однако основы, лежащие в его основе, следующие: образец древесины замачивают в нагретых (80 °C–100 °C) растворах, содержащих хлорид натрия , гипохлорит натрия или гидроксид натрия / сульфит , в течение примерно 3–12 часов, после чего погружают в кипящую перекись водорода . [15] Затем лигнин отделяют от структуры целлюлозы и гемицеллюлозы, делая древесину белой и позволяя начать проникновение смолы. Наконец, образец погружают в соответствующую смолу, обычно ПММА, при высоких температурах (85 °C) и вакууме на 12 часов. [15] Этот процесс заполняет пространство, ранее занимаемое лигнином и открытой клеточной структурой древесины, в результате чего получается конечный прозрачный древесный композит.
Хотя процесс делигнификации является успешным методом производства, он ограничен лабораторным и экспериментальным производством небольшого и малотолщинного материала, который не может удовлетворить его практическим требованиям применения. [16] Однако в 2018 году в Центре совместных инноваций по эффективной переработке и использованию лесных ресурсов Цзянсу Сюань Ван и его коллеги разработали новый метод производства путем инфильтрации раствора преполимеризованного метилметакрилата (ММА) в делигнифицированные древесные волокна. Используя эту новую технологию, можно легко изготовить крупногабаритную прозрачную древесину любой толщины или любого размера. [16] Однако, несмотря на этот успех в производстве, все еще существуют проблемы в отношении механической стабильности и регулируемых оптических характеристик. [14]
Древесина — это натуральный материал, который обладает превосходными механическими свойствами, включая высокую прочность, хорошую долговечность, высокое содержание влаги и высокий удельный вес. [15] Древесину можно разделить на два типа: хвойную и твердую. Хотя каждый тип отличается — например, продольные клетки в мягкой древесине короче по длине по сравнению с твердой древесиной — оба типа имеют схожую иерархическую структуру, что означает, что ориентация клеток в древесине идентична. [15] Эта уникальная анизотропная структура, свойства с отличительными значениями при измерении в нескольких направлениях, позволяет ей перекачивать ионы и воду для фотосинтеза в древесине. [15] Аналогично, в прозрачных древесных композитах удаление лигнина и сохранение трубок из целлюлозных волокон позволяет ей стать прозрачной древесиной, которую можно пропитать клееподобной эпоксидной смолой, что делает ее прочным и прозрачным материалом. [17] Превосходное сырье с высокой пропускаемостью и улучшенными механическими свойствами.
Исследователи успешно протестировали экологически чистую альтернативу: лимоненакрилат, мономер, полученный из лимонена , в акрилат . [18] Лимонен — это распространенный циклический терпен, который можно извлечь из промышленных отходов путем изомеризации α-пинена (из древесины) или из масла цитрусовой кожуры. Биополимеры могут предложить преимущества по сравнению с обычными невозобновляемыми полимерами из ископаемых ресурсов и при этом сохранять высокие механические характеристики, и они легкие, благодаря своей пористой и анизотропной целлюлозной структуре; и представляют большой интерес для крупномасштабных устойчивых нанотехнологий. Сукцинилирование делигнифицированного древесного субстрата с использованием янтарного ангидрида приводит к получению наноструктурированного и механически прочного биокомпозита. Полимерная матрица обычно составляет ≈70 об.%, что приводит к получению наноструктурированных биокомпозитов, сочетающих в себе превосходную оптическую пропускаемость 90% при толщине 1,2 мм и исключительно низкую мутность 30% с высокими механическими характеристиками (прочность 174 МПа, модуль Юнга 17 ГПа). [19]
Прозрачная древесина получает свои механические свойства и эксплуатационные характеристики в первую очередь от содержания в ней целлюлозных волокон и геометрической ориентации ячеек волоконной трубки (радиальной и тангенциальной), обеспечивая структурную основу для проектирования современных материалов. [15]
Одним из аспектов механических свойств прозрачной древесины является прочность материала. По словам Чжу и его коллег, прозрачная древесина в продольном направлении имеет модуль упругости 2,37 ГПа и прочность 45,38 МПа (оба значения ниже, чем у чистого ПММА [20] ), и в два раза выше, чем в перпендикулярном продольном направлении, 1,22 ГПа и 23,38 МПа соответственно. [3] Они приходят к выводу, что продольные и поперечные свойства снизились для прозрачной древесины, чего они и ожидали, поскольку присутствие полимерной смолы подавляет пространство полости. [3] Кроме того, пластичная природа прозрачного древесного композита обеспечивает преимущества по сравнению с другими хрупкими материалами, такими как стекло, то есть он не разбивается при ударе. [17]
Прозрачная древесина, плотно упакованные и перпендикулярно выровненные волокна целлюлозы действуют как широкополосные волноводы с высокими потерями на рассеивание света. Эта уникальная способность управления светом приводит к эффекту распространения света. [21] Измеряя ее оптические свойства с помощью интегрированной сферы, Ли и ее коллеги обнаружили, что прозрачная древесина демонстрирует высокий коэффициент пропускания 90% (ниже, чем у чистого ПММА) и высокую оптическую дымку 95%. [21] В результате прозрачная древесина как энергоэффективный материал может использоваться для снижения потребления энергии дневного освещения за счет эффективного направления солнечного света в дом, обеспечивая при этом равномерное и постоянное освещение в течение дня. [21]
Аналогично, теплопроводность прозрачной древесины объясняется выравниванием волокон древесной целлюлозы, которое сохранилось после удаления лигнина и полимерной инфильтрации. Прозрачная древесина имеет теплопроводность 0,32 Вт⋅м −1 ⋅К −1 в осевом направлении и 0,15 Вт⋅м −1 ⋅К −1 в радиальном направлении соответственно. [21] Согласно исследованию, проведенному Селин Монтанари из Королевского технологического института KTH в Стокгольме, теплопроводность прозрачной древесины, которая при нагревании превращается из полупрозрачной в прозрачную, может быть использована для повышения энергоэффективности зданий путем улавливания солнечной энергии в течение дня и выпуска ее позже ночью во внутренние помещения. [22]
Хотя разработка прозрачных древесных композитов все еще находится на уровне лабораторных исследований и прототипов, их потенциал для энергоэффективности и эксплуатационной экономии в строительной отрасли весьма многообещающий. Существенным преимуществом прозрачной древесины является ее сочетание структурных и функциональных характеристик для несущих конструкций, которые сочетают оптические, теплозащитные или магнитные функции. [23] Прозрачная древесина также исследуется для потенциального использования в сенсорных поверхностях. [13] [24]
Так обстоит дело в зданиях, где искусственный свет может быть заменен солнечным светом с помощью конструкции светопропускания. На основе исследований и моделирования, проведенных Джозефом Арехартом в Университете Колорадо в Боулдере, прозрачная древесина в качестве замены стеклянной системы остекления может сократить потребление энергии на кондиционирование пространства на 24,6–33,3% в средних (климатическая зона 3C, Сан-Франциско, Калифорния) и больших офисных помещениях (климатическая зона 4C, Сиэтл, Вашингтон) в значительной степени. [25] Это важные сведения о потенциальной функциональности прозрачной древесины, поскольку она показывает более низкую теплопроводность и лучшую ударопрочность по сравнению с популярными системами стеклянного остекления.
Другим направлением применения прозрачной древесины является ее высокая оптическая пропускаемость для оптоэлектронных устройств в качестве подложек в фотоэлектрических солнечных элементах. Ли и ее коллеги из Королевского технологического института KTH изучали высокую оптическую пропускаемость, которая делает прозрачную древесину кандидатом на подложку в перовскитных солнечных элементах. Они пришли к выводу, что прозрачная древесина имеет высокую оптическую пропускаемость 86% и долгосрочную стабильность с прочностью на излом 3,2 МПа⋅м 1/2 по сравнению со стеклянной подложкой с прочностью на излом 0,7–0,85 МПа⋅м 1/2 , что соответствует требованиям к подложке для солнечных элементов. [26] Это важная информация для возможного применения прозрачной древесины, поскольку она является подходящим и устойчивым решением для подложки для сборки солнечных элементов с потенциалом в энергоэффективных строительных приложениях, а также для замены стекла и снижения углеродного следа для устройств. [26]
Прозрачная древесина может преобразовать материаловедение и строительную промышленность, позволяя использовать новые приложения, такие как несущие окна. Эти компоненты также могут генерировать улучшения в энергосбережении и эффективности по сравнению со стеклом или другими традиционными материалами. Необходимо много работы и исследований, чтобы глубже понять взаимодействие света и структуры древесины, настроить оптические и механические свойства и воспользоваться преимуществами современных приложений из прозрачного древесного композита
