Прозрачные древесные композиты — это новые древесные материалы, прозрачность которых достигает 90% . Некоторые из них имеют лучшие механические свойства, чем сама древесина . Впервые они были изготовлены в 1992 году. Эти материалы значительно более биоразлагаемы, чем стекло и пластик . [1] [2] [3] Прозрачная древесина также небьется, что делает ее подходящей для таких применений, как экраны мобильных телефонов. [4]
Исследовательская группа под руководством профессора Ларса Берглунда [6] из шведского университета KTH вместе с исследовательской группой из Университета Мэриленда под руководством профессора Лянбин Ху [3] разработали метод удаления цвета и некоторых химикатов с небольших блоков дерева , а затем добавление полимеров , таких как полиметилметакрилат (ПММА) и эпоксидная смола , на клеточном уровне, тем самым делая их прозрачными.
Как только в период с 2015 по 2016 год прозрачная древесина была выпущена, она вызвала бурную реакцию в прессе: появились статьи в ScienceDaily , [7] Wired , [8] The Wall Street Journal , [9] и The New York Times . [1]
На самом деле эти исследовательские группы заново открыли для себя работу немецкого исследователя Зигфрида Финка еще в 1992 году: с помощью процесса, очень похожего на процесс Берглунда и Ху, немецкий исследователь сделал древесину прозрачной, чтобы выявить определенные полости в структуре древесины для аналитических целей. [10]
В 2021 году исследователи сообщили о способе производства прозрачной древесины, легче и прочнее стекла, для которого требуется значительно меньшее количество химикатов и энергии, чем методы, использовавшиеся раньше. Утверждается, что тонкая древесина, полученная с помощью «химической чистки с использованием солнечной энергии», легче и примерно в 50 раз прочнее, чем древесина, обработанная предыдущими процессами. [11] [12] [13]
В своем естественном состоянии древесина не является прозрачным материалом из-за рассеивания и поглощения света. Дубленый цвет древесины обусловлен химическим полимерным составом целлюлозы , гемицеллюлозы и лигнина . Лигнин древесины в основном отвечает за характерный цвет древесины. Следовательно, количество лигнина определяет уровень видимости древесины - около 80–95%. [14] Чтобы сделать древесину видимым и прозрачным материалом, при ее производстве необходимо уменьшить как поглощение, так и рассеяние. Процесс производства прозрачной древесины основан на удалении всего лигнина и называется процессом делигнификации.
Производство прозрачной древесины в процессе делигнификации варьируется от исследования к исследованию. Однако основы этого метода заключаются в следующем: образец древесины пропитывают нагретыми (80–100 °C) растворами, содержащими хлорид натрия , гипохлорит натрия или гидроксид / сульфит натрия, примерно на 3–12 часов с последующим погружением в кипящую воду. пероксид водорода . [15] Затем лигнин отделяется от структуры целлюлозы и гемицеллюлозы, делая древесину белой и позволяя начать проникновение смолы. Наконец, образец погружается в соответствующую смолу, обычно ПММА, при высоких температурах (85 °C) и вакууме на 12 часов. [15] Этот процесс заполняет пространство, ранее занимаемое лигнином, и открытую ячеистую структуру древесины, в результате чего получается окончательный прозрачный древесный композит.
Хотя процесс делигнификации является успешным методом производства, он ограничивается лабораторным и экспериментальным производством небольшого материала малой толщины, который не может удовлетворить требования его практического применения. [16] Однако в Цзянсуском совместном инновационном центре по эффективной переработке и использованию лесных ресурсов в 2018 году Сюань Ван и его коллеги разработали новый производственный метод внедрения раствора преполимеризованного метилметакрилата (ММА) в делигнифицированные древесные волокна. Используя эту новую технику, можно легко изготовить прозрачную древесину больших размеров любой толщины и любых размеров. [16] Тем не менее, несмотря на этот успех в производстве, все еще существуют проблемы в отношении механической стабильности и регулируемых оптических характеристик. [14]
Древесина — это природный растущий материал, обладающий превосходными механическими свойствами, включая высокую прочность, долговечность, высокое содержание влаги и высокий удельный вес. [15] Древесину можно разделить на два типа: хвойную и лиственную. Хотя каждый тип различен (например, продольные клетки хвойной древесины короче по длине по сравнению с лиственными), оба типа имеют схожую иерархическую структуру, то есть ориентация ячеек в древесине идентична. [15] Эта уникальная анизотропная структура, свойства которой имеют отличительные значения при измерении в нескольких направлениях, позволяет перекачивать ионы и воду для фотосинтеза в древесину. [15] Аналогичным образом, в прозрачных древесных композитах удаление лигнина и сохранение трубок из целлюлозного волокна позволяет ему стать чистой древесиной, которая может пропитываться клееподобной эпоксидной смолой, что делает ее прочным и прозрачным материалом. [17] Превосходное сырье с высоким коэффициентом пропускания и улучшенными механическими свойствами.
Исследователи успешно протестировали экологически чистую альтернативу: лимонен-акрилат, 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 кожуры цитрусовых. Полимеры на биологической основе могут предложить преимущества по сравнению с обычными невозобновляемыми полимерами из ископаемых ресурсов, сохраняя при этом высокие механические характеристики и легкий вес, что обусловлено их пористой и анизотропной целлюлозной структурой; и представляет большой интерес для крупномасштабных устойчивых нанотехнологий. Сукцинилирование делигнифицированного древесного субстрата с использованием янтарного ангидрида приводит к образованию наноструктурированного и механически прочного биокомпозита. Полимерная матрица обычно составляет ≈70 об.%, в результате чего получаются наноструктурированные биокомпозиты, сочетающие превосходный оптический коэффициент пропускания 90% при толщине 1,2 мм и удивительно низкую мутность 30% с высокими механическими характеристиками (прочность 174 МПа, модуль Юнга 17 ГПа). ). [19]
Механические свойства и эксплуатационные характеристики прозрачной древесины обусловлены, прежде всего, содержанием в ней целлюлозных волокон и геометрической ориентацией структуры ячеек волоконных трубок (радиальной и тангенциальной), что обеспечивает структурную основу для разработки современных материалов. [15]
Одним из аспектов механических свойств прозрачной древесины является прочность материала. По данным 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 у модулей, перпендикулярных продольному направлению. 1,22 ГПа и 23,38 МПа соответственно. [3] Они пришли к выводу, что продольные и поперечные свойства прозрачной древесины уменьшились, чего они и ожидали, поскольку присутствие полимерной смолы подавляет полость пространства. [3] Кроме того, пластичность 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 расположенные целлюлозные волокна действуют как широкополосные волноводы с высокими потерями на рассеяние света. Эта уникальная способность управления светом приводит к эффекту распространения света. [21] Измеряя оптические свойства интегрированной сферы, Ли и ее коллеги обнаружили, что прозрачная древесина имеет высокий коэффициент пропускания 90% (ниже, чем у чистого ПММА) и высокую оптическую мутность 95%. [21] В результате прозрачная древесина как энергоэффективный материал может быть использована для уменьшения 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 инфильтрации полимера. 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 за счет улавливания тепла. энергию солнца в течение дня и выпускать ее позже ночью во внутренние помещения. [22]
Хотя разработка прозрачных древесных композитов все еще находится на уровне лабораторных исследований и прототипов, их потенциал для повышения энергоэффективности и экономии эксплуатационных расходов в строительной отрасли очень многообещающий. Существенным преимуществом прозрачной древесины является сочетание ее структурных и функциональных характеристик для несущих конструкций, сочетающих в себе оптические, теплозащитные или магнитные функции. [23] Прозрачная древесина также исследуется на предмет потенциального использования для чувствительных к прикосновению поверхностей. [13] [24]
Так обстоит дело в строительстве, где искусственный свет может быть заменен солнечным светом за счет конструкции, обеспечивающей пропускание света. По данным исследований и моделирования, проведенных Джозефом Арехартом из Университета Колорадо в Боулдере, прозрачная древесина в качестве замены стеклянной системы остекления может снизить потребление энергии на кондиционирование помещений на 24,6–33,3% в средних (климатическая зона 3C, Сан-Франциско, Калифорния) и Большие офисные помещения (климатическая зона 4С, Сиэтл, Вашингтон) респектабельно. [25] Это важные выводы о потенциальной функциональности прозрачной древесины, поскольку она демонстрирует более низкую теплопроводность и лучшую ударную вязкость по сравнению с популярными системами стеклянного остекления.
Еще одним направлением применения прозрачной древесины является обеспечение высокого оптического пропускания для оптоэлектронных устройств в качестве подложек фотоэлектрических солнечных элементов. Ли и ее коллеги из Королевского технологического института KTH изучили высокий оптический коэффициент пропускания, который делает прозрачную древесину кандидатом в качестве подложки в перовскитных солнечных элементах. Они пришли к выводу, что прозрачная древесина имеет высокое оптическое пропускание 86% и долговременную стабильность с вязкостью разрушения 3,2 МПа⋅м 1/2 по сравнению со стеклянной подложкой с вязкостью разрушения 0,7–0,85 МПа⋅м 1/2 , что соответствует требованиям подложки к солнечные батареи. [26] Это актуальная информация для возможного применения прозрачной древесины, поскольку она является подходящим и устойчивым решением в качестве основы для сборки солнечных элементов с потенциалом в энергоэффективных строительных применениях, а также в качестве замены стекла и снижения выбросов углекислого газа для устройств. . [26]
Прозрачная древесина может изменить материаловедение и строительную промышленность, открыв новые возможности применения, например, в производстве несущих окон. Эти компоненты также могут привести к улучшению энергосбережения и эффективности по сравнению со стеклом или другими традиционными материалами. Требуется много работы и исследований, чтобы понять взаимодействие между светом и структурой древесины, настроить оптические и механические свойства, а также воспользоваться преимуществами передовых технологий применения прозрачных древесных композитов.
