Национальная исследовательская лаборатория Лесной службы США
Forest Products Laboratory ( FPL) — национальная исследовательская лаборатория Лесной службы США , которая является частью Министерства сельского хозяйства США . С момента своего открытия в 1910 году FPL проводила научные исследования древесины, древесных продуктов и их коммерческого использования в партнерстве с академическими кругами, промышленностью, племенными, государственными, местными и другими правительственными учреждениями. [1] Штаб-квартира лаборатории находится в Мэдисоне, штат Висконсин . Основное внимание в Forest Products Laboratory уделяется содействию здоровым лесам и лесной экономике посредством эффективного и устойчивого использования древесных ресурсов страны. [2]
История
К концу 1800-х годов росло понимание того, что лесные ресурсы ограничены и бережное использование может продлить их. В 1887 году BE Fernow , начальник отдела лесного хозяйства в Департаменте сельского хозяйства, сообщил:
Свойства, на которых основано использование древесины, ее технология, должны быть хорошо известны управляющему лесным хозяйством, если он хочет производить урожай заданного качества, полезный для определенных целей. Наше незнание этого направления было наиболее плодотворным в содействии расточительному использованию наших естественных лесов, и то же самое незнание вводит в заблуждение даже лесовода сегодняшнего дня при выборе древесины, которую он сажает, и местности, к которой он ее адаптирует. Как черный орех был принесен в жертву ради материала для забора, как ценный каштановый дуб сгнил в лесах без использования, как тсуга была презираема и обойдена вниманием, когда ее можно было бы успешно использовать для продления срока поставок белой сосны , как древесина теперь используется в неоправданно больших размерах и применяется для целей, для которых она не приспособлена, в то время как другие виды древесины игнорируются для целей, для которых она приспособлена, — все эти досадные ошибки являются или были следствием отсутствия знаний о технологических свойствах нашей древесины. [3]
В период с 1890 по 1910 год исследования в области лесоуправления и лесовосстановления были разбросаны по разным университетам США. Исследования механических свойств различных пород древесины проводились в Пердью и университетах Вашингтона, Калифорнии, Орегона и Колорадо. Йель проводил исследования по консервации и сушке в печи. Экспериментальный целлюлозный завод находился в Бостоне, наряду с исследованиями по химии древесины и консервации. [3]
Лаборатория лесной продукции была задумана в 1907 году Макгарви Клайном, руководителем Управления лесного хозяйства США по использованию древесины. Клайн видел необходимость в централизованном исследовательском центре для улучшения координации между региональными исследовательскими центрами. Вместе с руководителем лесной службы Гиффордом Пинчотом Клайн выбрал кампус Университета Висконсина в качестве места для этой новой лаборатории, поскольку Мэдисон имел хороший доступ к железнодорожным линиям, был близок к лесным ресурсам, а UW имел хорошую репутацию в области научных исследований. [3]
В 1910 году было завершено строительство здания Forest Products по адресу 1509 University Avenue (сейчас это здание Materials Science and Engineering Building), в котором разместились 45 исследователей в восьми подразделениях: Timber Physics, Timber Testing, Pulp and Paper, Wood Preservation, Wood Chemistry, Wood Distillation, Wood Engineering и Pathology. [3] Пропаганда исследований Рафаэлем Зоном привела к организации первых Федеральных лесных экспериментальных станций и Лаборатории лесных продуктов в рамках Исследовательского отделения, которое было сформировано в 1915 году. [4] [5]
Работа лаборатории росла, и в 1919 году уже было предложение о новом здании. Оно было окончательно профинансировано в 1928 году. UW предоставил 10 акров (4,0 га) на западной оконечности кампуса, а Лесная служба построила новую лабораторию в 1931 и 1932 годах. Здание было спроектировано Holabird и Root из Чикаго в международном стиле , что отражено в отсутствии орнамента, ленточных окнах и угловых окнах. Очертания здания имеют U-образную форму, центральный блок высотой в шесть этажей. Внутри пол вестибюля выложен терраццо , а двери и деревянная отделка выполнены из окрашенного и лакированного американского ореха . Второй этаж отделан белым и красным дубом , третий — каштаном , четвертый — прозрачной березой, а пятый — редгумом . В 1935 и 1950-х годах к главному зданию лаборатории были пристроены низкие пристройки, а на протяжении многих лет были добавлены различные отдельные хозяйственные постройки, например, здание для испытаний на огнестойкость 1934 года. [3]
Исследования в FPL улучшили качество жизни почти каждого американца, способствуя прорывам в жилищном строительстве, упаковке, переработке и сохранении лесных ресурсов. [6] В частности, исследователи в FPL разработали древесно-стружечные плиты, клееную ламинированную древесину, ламинированную арку, процессы производства целлюлозной бумаги, а также коробки из ДВП и деревянные ящики. [7] FPL также внесла многочисленные важные вклады в развитие страны за время ее истории, включая важнейшие исследования для вооруженных сил во время войны. [6]
Обзор
Миссия Лаборатории лесной продукции заключается в выявлении и проведении инновационных исследований в области использования древесины и волокна, которые способствуют сохранению и производительности лесных ресурсов, тем самым поддерживая леса, экономику и качество жизни. FPL организована в семь основных исследовательских рабочих подразделений. Эти подразделения используют испытательные ресурсы нескольких лабораторий и информационных репозиториев, расположенных в многочисленных объектах кампуса FPL. Пять основных направлений фокусировки являются центром всех исследований FPL. Сотрудничество в этом исследовании осуществляется с различными другими федеральными агентствами; государственными, местными и племенными правительствами; частной промышленностью и академическими учреждениями.
Направления исследований
Недоиспользуемая древесная биомасса : леса в Соединенных Штатах содержат значительное количество малоразмерной и недоиспользуемой древесной биомассы . Избыточные насаждения деревьев увеличивают риск катастрофических лесных пожаров и ущерба от насекомых, болезней и засухи. Прореживание этих насаждений может помочь снизить риски, но может быть очень дорогостоящим и может превысить стоимость удаляемой биомассы. Коммерческое использование материала для прореживания создает рынок для продуктов с добавленной стоимостью и является одним из способов улучшения экономики операций по прореживанию, направленных на улучшение здоровья лесов. С 1993 года Лаборатория лесной продукции (FPL) сосредоточила часть своих многочисленных исследовательских усилий на характеристике и выявлении потенциальных применений материала для прореживания и мелкоразмерного материала. Исследователи FPL также предоставляют технологии, чтобы помочь сельским общинам создавать успешный бизнес из побочных продуктов управления экосистемами . В некоторых проектах изучался потенциал конструкционного материала «круглой» формы малого диаметра для использования в мостах, дощатых настилах, конструкциях дорожек, навесах для пикников, складских помещениях и других постройках в деревенском стиле.
Нанотехнологии : Исследования в области нанотехнологий представляют большой потенциал для улучшения эксплуатационных характеристик и удобства эксплуатации изделий из древесины. Таким образом, FPL готова стать выдающимся федеральным учреждением для применения нанонауки в исследованиях лесной продукции. Потенциальные приложения нанотехнологий включают древесные композитные материалы со встроенными нанодатчиками для измерения и реагирования на структурные силы, нагрузки, влажность и температуру. Антимикробные и водостойкие покрытия на основе нанотехнологий на пиломатериалах для использования в районах, подверженных наводнениям, и зонах ураганов могут улучшить здоровье, безопасность и устойчивость древесины в этих районах. Разработка высококачественных продуктов из недооцененных древесных ресурсов с использованием нанокристаллов целлюлозы и нанофибрилированных целлюлозных компонентов также может улучшить эксплуатационные характеристики и долговечность ДВП , ДСП и клееных конструкционных изделий для использования в широком спектре структурных применений.
Advanced Structures Research : В прошлом конструкции в первую очередь проектировались на основе вопросов жизни и безопасности. Сегодня структурное проектирование также включает функциональность, воздействие на окружающую среду и экономику. Инженерное проектирование на основе производительности охватывает эти соображения в структурном проектировании и набирает обороты у архитекторов и инженеров. Инженерное проектирование на основе производительности подразумевает проектирование, оценку и строительство инженерных объектов, которые соответствуют неопределенным будущим требованиям. Концепции требуют перехода от эмпирических и основанных на опыте соглашений к процессу проектирования и оценки, более прочно укорененному в точном прогнозировании структурных характеристик при реалистичном описании факторов нагрузки окружающей среды, которые испытывает конструкция. Этот подход также подчеркивает мониторинг состояния структурной системы, оценку эксплуатационных характеристик и выявление необходимости в реконструкции или новом строительстве. Он формирует основу стратегий по оживлению нашей разрушающейся инфраструктуры.
Современные композиты : на протяжении десятилетий древесные композитные материалы использовались для создания товаров с добавленной стоимостью для строительства и обустройства дома (например, фанера , ДСП , ДВП , ДВП ). Совсем недавно на рынке появились биокомпозитные продукты на основе натуральных волокон и гибридные продукты, такие как древесно-пластиковые композиты. Новые композитные технологии, такие как нанокомпозиты, разрабатываются как малообъемные, высокоценные композиты. Каждая из этих технологий добавляет значительную ценность разнообразному древесному и биоволоконному сырью, включая древесину малого диаметра, древесину, выращенную на плантациях, сельскохозяйственные и промышленные отходы, экзотические инвазивные виды, а также материалы для сноса и переработки. Биокомпозиты также являются выходом для вывозки и прореживания древесины, что помогает лесоустроителям восстанавливать поврежденные экосистемы и способствует устойчивым методам управления лесами . Недавние достижения в исследованиях древесины и биокомпозитов привели к новому пониманию между материалами, процессами и производительностью композитов. Достижения в области создания биокомпозитов оказывают влияние на широкий спектр композитных продуктов, включая экономичные товары массового спроса и высокопроизводительные нишевые продукты.
Научно-исследовательские рабочие подразделения
Долговечность и защита древесины : повышение долговечности и защиты древесины за счет улучшения конструкции зданий, достижений в области малотоксичных консервантов для древесины и повышения пожарной безопасности.
Экономика и статистика : предоставление экономической информации, анализа и прогнозов, а также повышение эффективности исследований посредством разработки, оценки и применения современных статистических исследований.
Науки о композитных материалах : понимание взаимосвязей между материалами, процессами и эксплуатационными характеристиками для проектирования биокомпозитов, которые приносят пользу пользователям, одновременно способствуя устойчивости как первичных, так и переработанных лесных ресурсов.
Технические свойства древесины, древесных материалов и конструкций : улучшение характеристик механических и физических свойств древесины и изделий из нее, которые важны при проектировании и содействии их эффективному использованию в системах деревянного строительства.
Исследования в области волокон и химических наук : разработка эффективных процессов переработки древесины в химикаты и волокна, разработка экономически выгодных вариантов использования недоиспользуемых древесных ресурсов и совершенствование методов восстановления и повторного использования лесоматериалов, таких как макулатура и строительный мусор.
Институт микробных и биохимических технологий : разработка биотехнологий и нанотехнологий для переработки древесины и волокон посредством исследований, способствующих эффективному использованию древесины и улучшению здоровья лесов.
Наука и техника лесных биополимеров : понимание основных свойств древесины и других материалов, используемых совместно с древесиной, для улучшения их свойств, увеличения срока службы и разработки новых областей применения.
Лабораторные подразделения
Лаборатория аналитической химии и микроскопии (ACML): ACML предоставляет высококачественную аналитическую поддержку и технические консультации исследователям FPL, используя специализированное оборудование и возможности, такие как наноиндентор , атомно-силовой микроскоп и сканирующий электронный микроскоп .
Лаборатория инженерной механики и дистанционного зондирования (EMRSL): EMRSL проводит физические и механические испытания широкого спектра материалов, строительных систем и конструкций для использования в разработке строительных норм и проектирования конструкций . Испытания изделий и конструкций могут включать образцы размером от зубочисток до целых структурных балок и трехмерных макетов зданий.
Лаборатория тестирования бумаги : Лаборатория тестирования бумаги в основном занимается анализом печатных и писчих сортов бумаги. Исследователи способны решать большинство задач по тестированию бумаги в отношении прочности, оптических и поверхностных свойств. Тестирование проводится в помещении со строго контролируемой влажностью для оптимальной точности.
Ресурсы и техническая помощь
Центр исследований анатомии древесины : [8] Центр исследований анатомии древесины в FPL является домом для крупнейшей в мире исследовательской коллекции древесины. Более 100 000 образцов используются для исследований и идентификации. Исследователи изучают анатомические и другие характеристики древесины, которые могут повлиять на ее потенциал использования, предоставляют услуги по идентификации древесины и отвечают на вопросы, касающиеся свойств, характеристик и использования тропических и малоизвестных местных видов.
Центр исследований лесной микологии : [9] Центр исследований микологии содержит гербарий, содержащий 70 000 высушенных образцов грибов гниения , собранных с начала 1900-х годов, а также коллекцию из более чем 12 000 живых культур. Образцы из этих коллекций используются исследователями по всему миру для дальнейших исследований. Хотя Центр исследований лесной микологии находится в FPL, он официально является подразделением Северной исследовательской станции Лесной службы.
Подразделение маркетинга технологий : [10] Расположенное в FPL, подразделение маркетинга технологий (TMU) Лесной службы США по государственным и частным лесным хозяйствам предоставляет широкий спектр экспертных знаний в области использования и маркетинга древесных продуктов, передачи технологий и технической помощи. TMU работает в сотрудничестве со многими различными партнерами, чтобы обеспечить готовое внедрение технологий на основе лесных материалов для многих малых сельских предприятий по производству лесных продуктов . Сфера их деятельности включает сохранение лесных продуктов, переработку, эффективность производства, маркетинг, переработку и биоэнергетику . Предоставляемая ими техническая помощь включает публикации, визиты технической помощи, конференции, семинары, встречи и индивидуальные консультации по телефону или лично. TMU также управляет и присуждает ежегодные гранты, направленные на помощь в улучшении использования древесной биомассы, изъятой из проектов по восстановлению лесов .
Библиотека FPL : [11] В FPL находится библиотека Национальной лесной службы, открытая для публики. Предметные области включают изделия из цельной древесины, целлюлозу и бумагу, микологию, анатомию древесины, деревообрабатывающую промышленность, биотехнологию, клеи, консервацию древесины , исследования пожаров, экономику, биодеградацию древесины, краски и покрытия, а также переработку.
Научно-исследовательские и испытательные центры
Исследовательский центр Centennial
Самым передовым крупномасштабным дополнением к FPL за более чем 70 лет является новый исследовательский центр Centennial Research Facility (CRF), многоцелевая лаборатория площадью 87 000 квадратных футов (8 100 м 2 ). Этот центр был построен в соответствии с требованиями Серебряной сертификации по рейтинговой системе Leadership in Energy and Environmental Design (LEED), разработанной Советом по экологическому строительству США . Таким образом, CRF был спроектирован и построен с использованием стратегий для повышения производительности по наиболее важным показателям эффективности: энергосбережение, использование воды, сокращение выбросов парниковых газов , улучшение качества внутренней среды и управление ресурсами, включая чувствительность к их воздействию. Исследователи CRF в области инженерной механики могут испытывать прочность полномасштабных конструкций, в то время как исследователи долговечности подвергают изделия из древесины испытанию в довольно суровой камере для моделирования погодных условий. Современное испытательное оборудование для консервации заменит старые сосуды, которые использовались ранее, в то время как эффективная и удобная для производства планировка этажа поможет продвинуть исследования в области композитов на основе древесины и биоматериалов. [12]
Научно-исследовательский демонстрационный дом и каретный сарай
FPL построила две полномасштабные структуры, Research Demonstration House и Carriage House, для проведения исследовательских и образовательных мероприятий. Обе эти структуры позволяют исследователям проводить исследования, связанные с жильем, в реальных условиях, что может значительно расширить знания, полученные в лабораторных условиях. Эти структуры являются результатом сотрудничества в рамках Advanced Housing Research Center [13] , созданного FPL в 2000 году, который включает широкий круг партнеров как из государственного, так и из частного секторов, работающих над улучшением жилищных технологий.
Лаборатория испытаний на огнестойкость
Испытательный стенд на огнестойкость в FPL является ключом к разработке безопасных и долговечных строительных изделий. Текущий стенд оборудован для проведения стандартизированных испытаний на огнестойкость и огнестойкость. Планируется строительство нового испытательного стенда на огнестойкость, и текущие возможности будут расширены за счет возможности моделирования реальных сценариев пожара в большем масштабе. Новый стенд позволит исследователям лучше решать проблемы лесных пожаров для конструкций и разрабатывать строительные нормы на основе эксплуатационных характеристик.
Целлюлозно-бумажный комбинат
Пилотный завод по переработке волокон FPL оснащен оборудованием для воспроизведения промышленных процессов варки целлюлозы и производства бумаги в пилотном масштабе. Благодаря возможностям в производстве щепы, варке целлюлозы, производстве бумаги и ДВП и даже переработке, исследователи могут тестировать новые методы и оценивать их эффективность на оборудовании, аналогичном используемому коммерческими производителями.
Опытная установка по производству наноцеллюлозы
В августе 2012 года FPL открыла производственный объект стоимостью 1,7 млн долларов для возобновляемых наноматериалов на основе леса. Этот объект является первым в своем роде в Соединенных Штатах и позиционирует лабораторию как ведущего производителя наноцеллюлозных материалов в стране. Наноцеллюлоза — это просто древесное волокно, разложенное до наномасштаба. Для сравнения, нанометр составляет примерно одну миллионную толщины американской десятицентовой монеты. Материалы в этом мелком масштабе обладают уникальными свойствами; материалы на основе наноцеллюлозы могут быть прочнее кевларового волокна и обеспечивать высокие прочностные свойства при малом весе. Например, наноцеллюлозные материалы применяются в легкой броне и баллистическом стекле. Компании в автомобильной, аэрокосмической, электронной, потребительской и медицинской промышленности также видят высокий потенциал этих инновационных материалов в самых разных областях применения.
Объект будет поддерживать развивающийся рынок возобновляемых наноматериалов из древесины, помогая стимулировать рост рабочих мест в лесной отрасли и внося, по оценкам, 600 миллиардов долларов в американскую экономику к 2020 году. США и другие страны увидят многочисленные выгоды от коммерциализации целлюлозных наноматериалов из древесины. Разработка и коммерциализация новых легких, высокопроизводительных продуктов из древесины может помочь сократить потребление ископаемого топлива и выбросы парниковых газов, одновременно увеличивая потенциал для возможностей сельского производства, включая создание множества новых высокооплачиваемых рабочих мест. Новый объект Лаборатории лесной продукции будет способствовать коммерциализации этих материалов, предоставляя исследователям и ранним последователям технологии рабочие количества наноматериалов из древесины.
Ссылки
^ "Найдите местных подрядчиков - подрядчиков по ремонту домов на Ecnext". goliath.ecnext.com .
^ «Федерально финансируемая лаборатория проводит эксперименты со всеми деревянными предметами». 12 января 2017 г. – через Slate.
^ abcde E. Gail Throop; Joyce McKay (31 января 1994 г.), Форма регистрации Национального реестра исторических мест: Лаборатория лесной продукции, Служба национальных парков , получено 27 мая 2022 г.С восемью фотографиями.
^ "1 декабря 1874 года: родилась [красная] звезда". 1 декабря 2008 года.
^ "FSEEE". Архивировано из оригинала 2 апреля 2012 г. Получено 10 сентября 2011 г.
^ ab Risbrudt, CD, Ross, RJ, Blankenburg, JJ, Nelson, CA (2007). Лаборатория лесной продукции: Поддержка вооруженных сил страны ценными исследованиями древесины в течение 90 лет. Журнал лесной продукции, т. 57(1&2), стр. 6-14.
^ "Лаборатория лесной продукции". Историческое общество Висконсина . Получено 31 мая 2022 г.
^ "Лаборатория лесной продукции - Лесная служба Министерства сельского хозяйства США". www.fpl.fs.fed.us . Архивировано из оригинала 21 января 2022 г. Получено 8 июля 2010 г.
^ "Лаборатория лесной продукции - Лесная служба Министерства сельского хозяйства США". www.fpl.fs.fed.us .
^ "Лаборатория лесной продукции - Лесная служба Министерства сельского хозяйства США". Архивировано из оригинала 28 мая 2010 г. Получено 8 июля 2010 г.
^ "Лаборатория лесной продукции - Лесная служба Министерства сельского хозяйства США". www.fpl.fs.fed.us .
↑ Forest Products Journal, октябрь 2009 г., Век исследований, работающих на вас. Том 59(10) стр. 6-20.
^ "Лаборатория лесной продукции - Лесная служба Министерства сельского хозяйства США". www.fpl.fs.fed.us .
Внешние ссылки
Медиа, связанные с Forest Products Laboratory на Wikimedia Commons
Официальный сайт
Старая лаборатория лесной продукции в зданиях Висконсинского университета
Исследования и разработки Лесной службы Министерства сельского хозяйства США