Vědci se naučili zvyšovat pevnost dřeva vařením dřevěných špalíků v alkalickém roztoku a jejich lisováním. Po této proceduře se tyčinky pětkrát ztenčí a 11,5krát zpevní, uvádí časopis. Příroda.

Ne všichni vědci v oblasti materiálů vyvíjejí nové materiály od začátku a uměle je syntetizují. Někteří lidé dávají přednost vycházet ze stávajících přírodních materiálů a různými způsoby vylepšovat jejich vlastnosti. Jako základ se často používá dřevo, jeden z nejběžnějších přírodních materiálů. Například v loňském roce vědci vytvořili kompozitní analog pavučiny, který se skládá z 90 procent celulózových nanovláken extrahovaných ze dřeva.

Vědci vedení Liangbingem Huem z Marylandské univerzity také vzali jako základ dřevo a vyvinuli metodu, která řádově zvyšuje jeho pevnost. Skládá se ze dvou hlavních etap. Nejprve se dřevěné špalíky vloží do vroucího roztoku hydroxidu sodného a siřičitanu sodného a vaří se sedm hodin. Poté se několikrát promyjí vroucí deionizovanou vodou a zbylý roztok se odstraní. Tato úprava zanechá ve dřevě téměř všechna celulózová vlákna, ale odstraní většinu okolního ligninu a hemicelulózy. Díky tomu se dřevo stává poréznějším a méně tuhým.

Poté se dřevěné bloky lisují při teplotě 100 stupňů Celsia. Testy vědců na dubových a lipových prutech ukázaly, že jejich tloušťka se pětkrát zmenšuje a hustota se zvyšuje třikrát, zatímco bez odstranění ligninu a hemicelulóz se hustota mění mnohem méně.

Vědci navíc testovali mechanické vlastnosti ošetřeného dřeva. Ukázalo se, že po ošetření se síla lípy zvýší 11,5krát z 52 na 587 megapascalů. Výzkumníci dokázali zpevnit dubové tyče na podobné hodnoty (608 megapascalů), ale jejich síla byla zpočátku dvakrát silnější. Tato pevnost je srovnatelná s mnoha druhy nerezové oceli. Navíc se ukázalo, že specifická pevnost takového dřeva je znatelně vyšší než u mnoha slitin, například 1,7krát vyšší než u titanové slitiny Ti-6Al-4V.

Vědci analyzovali strukturu pomocí skenovacího mikroskopu a zjistili, že na rozdíl od lisovaného dřeva, ze kterého nebyly odstraněny lignin a hemicelulózy, v ošetřeném dřevě se struktury celulózy při lisování mnohem více přibližují a proplétají.

V roce 2016 vytvořila tato skupina výzkumníků podobným způsobem další materiál na bázi dřeva. Místo lisování dřeva po uvaření ho naplnili epoxidovou pryskyřicí, která odstranila vzduch z dutin uvnitř dřeva a zprůhlednila.

Grigorij Kopiev
Našli jste překlep? Vyberte fragment a stiskněte Ctrl + Enter.
Motýlí křídlo pomáhá vytvářet chladivý barevný film
Její teplota na přímém slunci byla až o dva stupně nižší než okolní vzduch

Čínští vědci vyvinuli vícevrstvé barevné filmy, které dokážou ochladit povrch až o dva stupně Celsia v porovnání s okolní teplotou. Vysoce syté barvy těchto filmů – až 100% barevné podání – jsou viditelné v širokém rozsahu úhlů (±60 stupňů). Fyziky k vytvoření takové stavby inspirovali motýli druhu Morpho menelaus. Článek byl publikován v časopise Optica. Většina umělých barev funguje tak, že absorbuje část spektra viditelného světla, což může způsobit výrazné zahřátí předmětů, které malují. K zamezení nežádoucího zahřívání se často používá bílá barva, která téměř úplně odráží sluneční energii. Vytváření vícebarevných povrchů, které se nezahřívají, je stále obtížný úkol. V přírodě však existuje i jiný způsob přenosu barev. Například u některých motýlů se barva jejich křídel objevuje, když dochází k interferenci v důsledku specifického odrazu světla od periodické struktury jejich křídel. Wang Guo Ping Wong a kolegové z univerzity v Shenzhenu navrhli své řešení problému zahřívání lakovaných povrchů, inspirovaných strukturou křídel M. menelaus. Vzhledem k vícevrstvé povaze a přítomnosti neuspořádaných složek zprostředkovávají křídla motýlů tohoto druhu vysokou sytost modré barvy v širokém pozorovacím úhlu. Vědci vytvořili podobnou strukturu umístěním několika vrstev oxidu titanu TiO2 a křemíku SiO2 na matné sklo umístěné na reflexním stříbrném povrchu. Vědci optimalizovali tloušťku vrchních vrstev a dosáhli úplného odrazu nežádoucího žlutého světla. V tomto případě modré světlo volně proniklo přes horní vícevrstvou strukturu, zažilo difúzní odraz od neuspořádaného matného skla, odráželo se od stříbrného zrcadla a vracející se přes horní vícevrstvou strukturu poskytlo vzorku sytě modrou barvu. Výsledkem bylo, že vědci byli schopni dosáhnout vysoké sytosti modré, až 100 procent, při pozorovacím úhlu ±60 stupňů, s výjimkou úzkého rozsahu – zrcadlového vzhledem k dopadajícímu světlu – ve kterém se odrážela žlutá. Tato fólie zároveň zajistila chlazení až o dva stupně Celsia pod teplotu okolí, což je srovnatelné s účinností bezbarvé chladicí fólie na bázi stříbra a polydimethylsiloxanu (PDMS). K ochlazení vzorku došlo díky vysoké účinnosti difúzního odrazu modré části spektra, nízké absorpci nežádoucí části viditelného spektra a blízkého infračerveného záření a také díky vysokému záření ve středním infračerveném rozsahu. Pomocí stejné technologie vytvořili vědci vzorky různých barev a experimentálně měřili jejich schopnost ochlazovat povrchy umístěním na střechu budovy ústavu a na auta. Obyčejná modrá barva se při teplotě vzduchu 27 stupňů Celsia a na přímém slunci při těchto pokusech zahřála až na cca 70 stupňů. A vzorky nového filmu za stejných podmínek prokázaly povrchové teploty až o 45 stupňů nižší. Autoři článku vypočítali, že v typickém meteorologickém roce v Shenzhenu by nahrazení běžné modré barvy studenou barvou mohlo ušetřit asi 1377 XNUMX megajoulů na metr čtvereční chladicí energie. Vědci se domnívají, že další optimalizace struktury filmu, například nahrazení stříbra vícevrstvým dielektrikem, dále zvýší chladicí efekt. Není to poprvé, co vědce přitahuje schopnost neuspořádaných struktur v přírodních objektech chladit.

READ
Jak hluboko zasadit brambory?

Hustota dřeva je nejdůležitější charakteristikou materiálu, která umožňuje vypočítat zatížení při přepravě, zpracování a použití dřevěných surovin nebo předmětů. Tento ukazatel se měří v gramech na centimetr krychlový nebo kilogramech na metr krychlový, ale háček spočívá v tom, že tyto ukazatele nelze považovat za stabilní.

Co to je a na čem to závisí?

Hustota dřeva, pokud mluvíme suchou řečí definic, je poměr hmotnosti materiálu k jeho objemu. Na první pohled není stanovení indikátoru obtížné, ale hustota silně závisí na počtu pórů v konkrétním druhu dřeva a jeho schopnosti zadržovat vlhkost. Protože voda je hustší látka než mnoho druhů suchého dřeva a přirozeně hustší než dutiny mezi vlákny, procento jejího obsahu výrazně ovlivňuje konečný ukazatel.

Vzhledem ke všemu výše uvedenému existují dva ukazatele hustoty dřeva, které se blíží nejobecnější definici, ale zároveň jsou přesnější.

  • Specifická gravitace. Toto kritérium je také známé jako základní nebo podmíněná hustota. Pro měření berou tzv. dřevní hmotu – to už není přírodní materiál v původní podobě, ale suchý blok, který je stlačen pod vysokým tlakem, aby se odstranily i dutiny. Ve skutečnosti tento indikátor charakterizuje skutečnou hustotu dřevěných vláken, ale v přírodě, bez předběžného sušení a lisování, takový materiál nenajdete. V souladu s tím je hustota dřeva ve většině případů stále vyšší než jeho specifická hmotnost.
  • Objemová hmotnost. Tento ukazatel je již blíže realitě, protože se odhaduje hmotnost ani nevysušeného, ​​ale surového dřeva. Tento způsob je každopádně adekvátnější, protože u nás v zásadě nemůže být ideálně suché dřevo – vysušený materiál má tendenci absorbovat chybějící vlhkost z atmosférického vzduchu a opět ztěžkne. S ohledem na to se objemová hmotnost obvykle určuje pro dřevo s určitou, jasně definovanou úrovní vlhkosti, která je pro konkrétní odrůdu normální. Do takového stavu je potřeba čerstvou látku ještě dosušit, ale není cílem dosáhnout nulové úrovně vlhkosti – zastaví se na ukazateli, který ještě zajistí fyzikální zákony při kontaktu se vzduchem.

Hustota dřevěného materiálu je propojena s několika dalšími fyzikálními vlastnostmi. Například přítomnost pórů znamená přítomnost plynových bublin v tloušťce dřeva – je jasné, že váží méně a zabírají stejný objem. Dřevo s porézní strukturou má proto vždy nižší hustotu než druh, který nemá velké množství pórů.

Podobně existuje vztah mezi hustotou a vlhkostí a teplotou. Pokud se póry materiálu zaplní těžkou vodou, pak samotná tvárnice ztěžkne a naopak – při sušení se materiál objemově smrští jen nepatrně, ale výrazně ztrácí na hmotnosti. Teplota se zde podílí na ještě složitějším vzoru – když stoupá, na jedné straně nutí vodu expandovat, čímž se zvětšuje objem obrobku, na druhé straně vyvolává rychlejší odpařování. Snížení teploty pod nulu zároveň promění vlhkost v led, který bez přidání váhy mírně zvětší svůj objem. Odpařování i zamrzání vlhkosti ve struktuře dřeva je spojeno s mechanickou deformací tyče.

READ
Jak zajistit, aby ve sklepě nebyla voda?

Protože mluvíme o vlhkosti, stojí za to si to ujasnit Podle jeho úrovně se rozlišují tři kategorie káceného dřeva. Čerstvě nařezaný materiál má navíc obvykle obsah vlhkosti alespoň 50 %. S ukazateli vyššími než 35% je strom považován za surový, ukazatel v rozmezí 25-35% umožňuje, aby byl materiál považován za polosuchý, koncept absolutní suchosti začíná s obsahem vody 25% a méně.

Suroviny lze přivést do absolutního sucha i přirozeným sušením pod přístřeškem, ale pro dosažení ještě nižšího obsahu vody bude nutné použít speciální sušící komory. V tomto případě je třeba provést měření se dřevem, jehož vlhkost nepřesahuje 12 %.

S hustotou také úzce souvisí vstřebávání, tedy schopnost určitého druhu dřeva absorbovat vlhkost z atmosférického vzduchu. Materiál s vysokou mírou absorpce bude a priori hustší – jednoduše proto neustále odebírá vodu z atmosféry a za normálních podmínek nemůže být víceméně suchá.

Při znalosti hustotních parametrů dřeva lze zhruba posoudit jeho tepelnou vodivost. Logika je velmi jednoduchá: pokud dřevo není husté, znamená to, že je v něm mnoho vzduchových dutin a dřevěný výrobek bude mít dobré tepelně izolační vlastnosti. Pokud má vzduch nízkou tepelnou vodivost, pak voda je pravý opak. Vysoká hustota (a tedy i vlhkost) tedy naznačuje, že konkrétní druh dřeva je pro tepelnou izolaci zcela nevhodný!

Z hlediska hořlavosti obecně je pozorován podobný trend. Póry naplněné vzduchem nemohou samy hořet, ale neruší proces, a proto sypké druhy dřeva obvykle hoří docela dobře. Vysoká hustota díky značnému obsahu vody je přímou překážkou šíření požáru.

Je to trochu paradoxní, ale méně husté druhy dřeva se vyznačují zvýšenou odolností proti deformaci při nárazu. Důvod spočívá ve skutečnosti, že takový materiál se snadněji stlačuje kvůli velkému počtu nevyplněných vnitřních dutin. To nebude fungovat s hustým dřevem – těžká vlákna budou přemístěna, takže nejčastěji se obrobek rozdělí silným úderem.

Konečně, husté dřevo je ve většině případů méně náchylné k hnilobě. V tloušťce takového materiálu prostě není žádný volný prostor a mokrý stav vláken je pro něj normou. Vzhledem k tomu při zpracování dřeva někdy používají i máčení v obyčejné destilované vodě, kterou využívají jako metodu ochrany před vlivem nežádoucích biologických faktorů.

READ
Co jsou akustické lampy?

Jak se to určuje?

Uvažujeme-li stanovení hustoty dřeva čistě z pohledu matematického vzorce, pak Hmotnost produktu vynásobená parametrem vlhkosti se vydělí objemem, rovněž vynásobeným stejným parametrem. Parametr vlhkosti je ve vzorci zahrnut z toho důvodu, že při nasávání vody má suché dřevo tendenci bobtnat, tedy zvětšovat objem. To nemusí být pouhým okem patrné, ale pro vyřešení většiny problémů je důležité vzít v úvahu každý milimetr a kilogram navíc.

Vzhledem k praktické stránce měření vycházíme z toho, že před měřením musíte nejprve dosáhnout rovnováhy vlhkosti – kdy se ze dřeva vysoušením odstraní přebytečná voda, ale materiál není příliš suchý a nebude čerpat vlhkost ze vzduchu. Pro každé plemeno bude doporučený parametr vlhkosti jiný, ale obecně by toto číslo nemělo klesnout pod 11 %.

Poté se provedou nezbytná primární měření – změří se rozměry obrobku a na základě těchto údajů se vypočítá objem, poté se zváží experimentální kus dřeva.

Dále se obrobek namočí do destilované vody po dobu tří dnů, i když existuje další kritérium pro zastavení namáčení – je nutné zajistit, aby se tloušťka kusu zvýšila alespoň o 0,1 mm. Po dosažení požadovaného výsledku se nabobtnalý fragment znovu změří a zváží, čímž se získá maximální objem.

Dalším krokem je dlouhodobé sušení dřeva zakončené dalším vážením.

Hmotnost vysušeného obrobku se vydělí maximálním objemem, který byl charakteristický pro stejný kus, ale nabobtnalý vlhkostí. Výsledkem je stejná základní hustota (kg/m³) nebo specifická hmotnost.

Popsané akce jsou pokyny uznávané v Rusku na státní úrovni – postup pro operace a vypořádání je stanoven v GOST 16483.1-84.

Protože záleží na každém gramu a milimetru, norma dokonce upravuje požadavky na obrobek – jedná se o řezivo ve tvaru obdélníku o délce a šířce 2 cm a výšce 3 cm. Navíc pro maximální přesnost měření je obrobek musí být před zahájením experimentů pečlivě zpracovány. Výstupky a drsnost by neměly mít vliv na hodnoty.

Hustota různých hornin

Z výše uvedeného by se dal vyvodit předvídatelný závěr, že postup měření a odhadu hustoty dřeva je poměrně složitý úkol a vyžaduje velmi přesná měření. Ve většině případů veškerou náročnou práci odvádějí za spotřebitele dodavatelé a dodavatelé. – na obalech stejných hraněných nebo parketových prken musí být uvedeny všechny základní vlastnosti materiálu.

READ
Jak vytopit byt bez topení?

Složitější je situace, pokud si člověk dokonce sám těží různé druhy dřeva, protože pak nebudou žádné informativní obaly, ale pak se dají najít na internetu přibližné ukazatele hustoty pro každý druh dřeva, ze kterých se sestavují celé tabulky. Je jen důležité si to pamatovat obsah vlhkosti každé jednotlivé tyčinky je ovlivněn mnoha faktory, samostatně popsanými výše, což znamená, že v konkrétním případě jsou kolísání hmotnosti velmi pravděpodobné.

V některých případech je možná i jiná situace: když mistr dostane pouze úkol, ale stále není dřevo na jeho realizaci. Suroviny si musíte nakoupit sami, ale zároveň musíte přijít na to, které plemeno bude nejúčinnější.

Vzhledem k tomu, že hustota ovlivňuje mnoho dalších praktických vlastností dřeva, můžete většinu nevhodných kandidátů okamžitě vyřadit, když se zaměříte na konkrétní kategorii materiálu. Speciálně k tomu určené tři hlavní skupiny druhů dřeva podle hustoty.

Nízká hustota je praktická alespoň z toho pohledu, že lehké dřevo se snáze těží a přepravuje a nakladače budou spotřebiteli vděčné za výběr takového stromu. Podle běžné klasifikace, Horní hranice hustoty pro dřevo s nízkou hustotou je 540, méně často 530 kg/m³.

Právě tato kategorie zahrnuje většinu průmyslových jehličnanů, jako je smrk a borovice, osika a mnoho druhů ořechů, kaštanů a cedrů, vrby a lípy. Třešeň a olši lze v závislosti na konkrétní odrůdě a podmínkách zařadit mezi druhy s nízkou a střední hustotou, přičemž třešeň častěji klasifikujeme jako středně hustou. Vzhledem k relativní snadnosti přepravy je takové dřevo levnější. Dalším zřejmým argumentem ve prospěch jeho levnosti a poptávky je to značná část tuzemských lesů je složena právě z takových druhů.

Odborníci na to upozorňují stromy s nízkou hustotou kmenů jsou nejčastější v severních oblastech. To je způsobeno skutečností, že oblasti, ve kterých rostou lesy odpovídajících druhů, nemohou vždy poskytnout rostlinnému světu velké množství vlhkosti.

Rostliny s nízkou hustotou dřeva se přizpůsobují stávajícím podmínkám a vytvářejí kmeny s relativně nízkou vlhkostí, což v konečném důsledku ovlivňuje hmotu.

Průměr

Dřevo střední hustoty je „zlatým středem“ při výběru materiálu, který nemá žádné zjevné výhody, kromě podstatného bodu, že nemá žádné zjevné nevýhody. Aniž by byl příliš těžký, vykazuje takový materiál dobrou pevnost v tlaku, aniž by měl zjevné nevýhody hustých hornin, jako je dobrá tepelná vodivost.

READ
Jak opravit prasklinu v kmeni stromu?

Kategorie střední hustoty zahrnuje řezivo z modřínu a břízy, jabloně a hrušně, jeřábu a javoru, lísky a ořechu, jasanu a topolu, třešně, buku a jilmu. Třešeň a olše mají výrazný rozdíl v hustotě, což nám neumožňuje s jistotou zařadit všechny zástupce plemene do jedné kategorie – obě kolísají mezi nízkou a střední, přičemž olše je blíže k nízké hustotě. Ukazatele, které umožňují zařazení plemene do kategorie střední hustoty, jsou 540-740 kg/m³.

Jak je vidět, jedná se i u nás o velmi rozšířené dřeviny, které jsou velmi žádané v různých oblastech průmyslu a mohou se pochlubit vysokými kvalitami nejen v praktické, ale i v dekorativní sféře.

Vysoký

Zvýšená hustota dřeva se může jevit jako nevýhoda vzhledem k tomu, že výrobky z něj jsou velmi těžké a masivní a nemohou se pochlubit dobrými tepelně izolačními vlastnostmi a dokonce se štěpí při nárazu.

Současně je materiál schopen odolat značnému konstantnímu zatížení bez deformace., a také se liší poměrně nízká hořlavost a úžasná životnost. Mimo jiné je takové dřevo také poměrně málo náchylné k hnilobě.

Abyste spadali do kategorie hutného dřeva, potřebujete hustotu dřeva minimálně 740 kg/m³. Z běžných druhů dřeva se jako první vybaví dub a akát, ale také habr a buxus. Patří sem i některé druhy, které v našich zeměpisných šířkách nerostou, například pistácie a železníky.

Poznámka: téměř všechna uvedená plemena jsou klasifikována jako drahá a prestižní. Ani jejich velmi významná hmotnost nebrání přepravě některých druhů materiálu z jiné polokoule, což jen dále ovlivňuje cenu.

Odtud plyne pouze jeden závěr: Přes všechny své nedostatky má takové dřevo řadu výhod, které stojí za to štědře zaplatit.