Naturligt træ og metal har været essentielle byggematerialer for mennesker i tusinder af år. De syntetiske polymerer, vi kalder plast, er en nylig opfindelse, der eksploderede i det 20. århundrede.
Både metaller og plast har egenskaber, der er velegnede til industriel og kommerciel brug. Metaller er stærke, stive og generelt modstandsdygtige over for luft, vand, varme og konstant stress. De kræver dog også flere ressourcer (hvilket betyder dyrere) for at producere og forfine deres produkter. Plast giver nogle af metallets funktioner, mens det kræver mindre masse og er meget billigt at producere. Deres egenskaber kan tilpasses til næsten enhver brug. Men billig kommerciel plast fremstiller forfærdelige strukturelle materialer: plastikapparater er ikke en god ting, og ingen ønsker at bo i et plastikhus. Derudover er de ofte raffineret fra fossile brændstoffer.
I nogle applikationer kan naturligt træ konkurrere med metaller og plastik. De fleste familiehuse er bygget på trærammer. Problemet er, at naturligt træ er for blødt og for let beskadiget af vand til at erstatte plastik og metal det meste af tiden. Et nyligt papir offentliggjort i tidsskriftet Matter udforsker skabelsen af et hærdet træmateriale, der overvinder disse begrænsninger. Denne forskning kulminerede i skabelsen af træknive og -søm. Hvor god er trækniven, og vil du bruge den snart?
Træets fibrøse struktur består af ca. 50 % cellulose, en naturlig polymer med teoretisk gode styrkeegenskaber. Den resterende halvdel af træstrukturen er hovedsageligt lignin og hemicellulose. Mens cellulose danner lange, seje fibre, der giver træet rygraden i dets naturlige styrke, hemicellulose har ringe sammenhængende struktur og bidrager dermed intet til træets styrke. Lignin udfylder hulrummene mellem cellulosefibre og udfører nyttige opgaver for levende træ. Men for menneskers formål med at komprimere træ og binde dets cellulosefibre tættere sammen, blev lignin en hindring.
I denne undersøgelse blev naturligt træ lavet om til hærdet træ (HW) i fire trin. Først koges træet i natriumhydroxid og natriumsulfat for at fjerne noget af hemicellulosen og ligninen. Efter denne kemiske behandling bliver træet tættere ved presning det i en presse i flere timer ved stuetemperatur. Dette reducerer de naturlige huller eller porer i træet og forbedrer den kemiske binding mellem tilstødende cellulosefibre. Dernæst sættes træet under tryk ved 105 ° C (221 ° F) i et par mere timer for at fuldføre fortætning, og derefter tørret. Til sidst nedsænkes træet i mineralolie i 48 timer for at gøre det færdige produkt vandtæt.
En mekanisk egenskab ved et strukturelt materiale er fordybningshårdhed, som er et mål for dets evne til at modstå deformation, når den presses med kraft. Diamant er hårdere end stål, hårdere end guld, hårdere end træ og hårdere end pakkeskum. Blandt de mange teknikker test, der bruges til at bestemme hårdhed, såsom Mohs-hårdheden, der bruges i gemologi, er Brinell-testen en af dem. Dens koncept er simpelt: et hårdmetalkugleleje presses ind i testoverfladen med en vis kraft. Mål diameteren af den cirkulære fordybning skabt af bolden. Brinell hårdhedsværdien beregnes ved hjælp af en matematisk formel;groft sagt, jo større hul bolden rammer, jo blødere er materialet. I denne test er HW 23 gange hårdere end naturligt træ.
Det meste ubehandlet naturligt træ vil absorbere vand. Dette kan udvide træet og i sidste ende ødelægge dets strukturelle egenskaber. Forfatterne brugte en to-dages mineralopblødning til at øge vandmodstanden for HW, hvilket gør det mere hydrofobt ("vand bange"). Hydrofobicitetstesten går ud på at placere en dråbe vand på en overflade. Jo mere hydrofob overfladen er, jo mere kugleformede bliver vanddråberne. En hydrofil ("vandelskende") overflade spreder derimod dråberne fladt (og efterfølgende). absorberer lettere vand). Derfor øger mineralopblødning ikke kun hydrofobiciteten af HW markant, men forhindrer også træet i at optage fugt.
I nogle tekniske test klarede HW-knive sig lidt bedre end metalknive. Forfatterne hævder, at HW-kniven er omkring tre gange så skarp som en kommercielt tilgængelig kniv. Der er dog en advarsel til dette interessante resultat. Forskere sammenligner bordknive, eller hvad vi kan kalde smørknive. Disse er ikke beregnet til at være særlig skarpe. Forfatterne viser en video af deres kniv, der skærer en bøf, men en rimelig stærk voksen kunne nok skære den samme bøf med den kedelige side af en metalgaffel, og en bøfkniv ville fungere meget bedre.
Hvad med sømmene? Et enkelt HW-søm kan tilsyneladende let hamres ind i en stak af tre planker, selvom det ikke er så detaljeret, da det er relativt let sammenlignet med jernsøm. Træpløkker kan så holde plankerne sammen og modstå den kraft, der ville rive dem adskilt, med nogenlunde samme sejhed som jernpløkker. I deres test fejlede brædderne dog i begge tilfælde, før en af søm svigtede, så de stærkere søm blev ikke blotlagt.
Er HW-søm bedre på andre måder?Træpløkker er lettere, men vægten af strukturen er ikke primært drevet af massen af pløkkene, der holder den sammen.Træpløkke ruster ikke. Den vil dog ikke være uigennemtrængelig for vand eller bionedbrydes.
Der er ingen tvivl om, at forfatteren har udviklet en proces til at gøre træ stærkere end naturligt træ.Men brugen af hardware til et bestemt job kræver yderligere undersøgelse.Kan det være lige så billigt og ressourceløst som plastik?Kan det konkurrere med stærkere , mere attraktive, uendeligt genanvendelige metalgenstande? Deres forskning rejser interessante spørgsmål. Løbende ingeniørarbejde (og i sidste ende markedet) vil besvare dem.
Indlægstid: 13-apr-2022
