WikiDer > Прозрачные древесные композиты

Transparent wood composites

Прозрачные древесные композиты находятся новые древесные материалы которые имеют до 90% прозрачность и более высокие механические свойства, чем дерево Сама, впервые сделанная в 1992 году.

Когда эти материалы коммерчески доступны, ожидается значительная выгода из-за присущих им биоразлагаемый свойства, так как это дерево. Эти материалы значительно более биоразлагаемы, чем стекло и пластмассы.[1][2][3] Прозрачное дерево также небьющееся. С другой стороны, могут возникнуть опасения из-за использования небиоразлагаемых пластиков для долгосрочного использования, например, в строительстве.

История

Исследовательская группа под руководством профессора Ларса Берглунда[4] со шведского KTH университет вместе с Университет Мэриленда исследовательская группа под руководством профессора Лянбинга Ху[3] разработали метод удаления цвета и некоторых химикаты с малого блоки из деревас последующим добавлением полимеры, Такие как Полиметилметакрилат) и эпоксидная смола, на клеточном уровне, тем самым делая их прозрачными.

Сразу после выпуска в период с 2015 по 2016 год прозрачная древесина вызвала большой резонанс в прессе со статьями в ScienceDaily,[5] Проводной,[6] Журнал "Уолл Стрит,[7] Нью-Йорк Таймс,[1] назвать несколько.

Фактически эти исследовательские группы заново открыли для себя работу Зигфрида Финка, немецкого исследователя, датируемую еще в 1992 году: с помощью процесса, очень похожего на метод Берглунда и Ху, немецкий исследователь сделал дерево прозрачным, чтобы выявить определенные полости в структуре дерева для аналитических целей.[8]

Процесс

В естественном состоянии древесина не является прозрачным материалом из-за рассеяния и поглощения света. Дубильный цвет древесины обусловлен ее химическим полимерным составом из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Лигнин древесины в основном отвечает за характерный цвет древесины. Следовательно, количество лигнина определяет уровень видимости древесины, около 80-95%.[9] Чтобы сделать древесину видимым и прозрачным материалом, при его производстве необходимо уменьшить как поглощение, так и рассеивание. Процесс производства прозрачной древесины основан на удалении всего лигнина, что называется процессом делигнификации.

Процесс делигнификации

Производство прозрачной древесины путем делигнификации варьируется от исследования к исследованию. Однако основные принципы заключаются в следующем: образец древесины погружают в нагретые (80–100 ° C) растворы, содержащие хлорид натрия, гипохлорит натрия или гидроксид / сульфит натрия, примерно на 3–12 часов с последующим погружением в кипящую воду. пероксид водорода.[10] Затем лигнин отделяется от структуры целлюлозы и гемицеллюлозы, делая древесину белой и позволяя начать проникновение смолы. Наконец, образец погружают в подходящую смолу, обычно полиметилметакрилат (ПММА), при высоких температурах (85 ° C) и вакууме на 12 часов.[10] Этот процесс заполняет пространство, ранее занимаемое лигнином, и открытой ячеистой структурой древесины, в результате чего получается прозрачный древесный композит.

Хотя процесс делигнификации является успешным методом производства, он ограничивается лабораторным и экспериментальным производством небольшого материала малой толщины, который не может соответствовать требованиям его практического применения.[11] Тем не менее, в Центре совместных инноваций Цзянсу для эффективной обработки и использования лесных ресурсов Ван и его коллеги недавно разработали новый производственный метод пропитки раствора преполимеризованного метилметакрилата (ММА) в делигнифицированные древесные волокна. Используя эту новаторскую стратегию, можно легко изготавливать крупногабаритную прозрачную древесину любой толщины и любого размера.[11] Тем не менее, несмотря на этот успех в производстве, все еще существуют проблемы в отношении механической стабильности и регулируемых оптических характеристик.[9] Эти вопросы следует рассмотреть в будущих результатах.

Характеристики

Дерево - это натуральный растительный материал, обладающий превосходными механическими свойствами, включая высокую прочность, хорошую долговечность, высокое содержание влаги и высокий удельный вес.[10] Древесину можно разделить на два типа: мягкую и твердую. Хотя каждый тип отличается, например, продольные ячейки в мягкой древесине короче по длине по сравнению с лиственной древесиной, оба типа имеют аналогичную иерархическую структуру, что означает, что ориентация ячеек идентична в древесине.[10] Эта уникальная анизотропная структура, свойства которой имеют отличительные значения при измерении в нескольких направлениях, позволяет ей перекачивать ионы и воду для фотосинтеза в древесине.[10] Точно так же в прозрачных древесных композитах удаление лигнина и поддержание трубок из целлюлозного волокна позволяет ему превратиться в чистую древесину, которая может пропитаться эпоксидной смолой, напоминающей клей, что делает ее прочным и прозрачным материалом.[12] Превосходное сырье с высоким коэффициентом пропускания и улучшенными механическими свойствами.

Механические свойства

Прозрачная древесина приобретает свои механические свойства и рабочие характеристики, прежде всего, из-за содержания в ней целлюлозного волокна и геометрической ориентации структуры ячеек волоконных трубок (радиальной и тангенциальной), что обеспечивает структурную основу для разработки современных материалов.[10]

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 и вдвое выше, чем перпендикулярные к продольному направлению, соответственно 1,22 ГПа и 23,38 МПа.[3] Они пришли к выводу, что продольные и поперечные свойства прозрачной древесины уменьшились, что они и ожидали, поскольку присутствие полимерной смолы подавляет пространство полости.[3] Кроме того, пластичность прозрачного древесного композита дает преимущества по сравнению с другими хрупкими материалами, такими как стекло, что означает, что он не разбивается при ударе.[12]

Оптическое пропускание и теплопроводность

Прозрачная древесина, плотно упакованные и перпендикулярно выровненные целлюлозные волокна работают как широкополосные волноводы с высокими потерями на рассеяние света. Эта уникальная возможность управления светом приводит к эффекту распространения света.[13] Измеряя его оптические свойства с помощью интегрированной сферы, Ли и ее коллеги обнаружили, что прозрачная древесина демонстрирует высокий коэффициент пропускания 90% и высокую оптическую мутность 95%.[13] В результате прозрачная древесина в качестве энергоэффективного материала может быть использована для уменьшения потребления энергии дневным освещением за счет эффективного направления солнечного света в дом, обеспечивая при этом равномерное и постоянное освещение в течение дня.[13]

Точно так же 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⋅K−1 в осевом направлении и 0,15 Вт⋅м−1⋅K−1 в радиальном направлении прилично.[13] На основе исследования, проведенного Селин Монтанари из Королевский технологический институт KTH В Стокгольме теплопроводность прозрачного дерева, которая при нагревании превращается из полупрозрачной в прозрачную, может быть использована для повышения энергоэффективности зданий за счет улавливания солнечной энергии в течение дня и ее последующего использования ночью во внутреннем пространстве.[14]

Будущее приложение

Хотя разработка прозрачных древесных композитов все еще находится на лабораторном уровне и на уровне прототипов, их потенциал для повышения энергоэффективности и эксплуатационной экономии в строительной отрасли очень многообещающий. Существенным преимуществом прозрачной древесины является сочетание структурных и функциональных характеристик для несущих конструкций, сочетающих оптические, теплозащитные или магнитные функции.[15]

Система остекления

Так обстоит дело в строительных приложениях, где искусственный свет может быть заменен солнечным за счет конструкции светопропускания. На основе исследований и моделирования, выполненных Джозефом Арехартом из Университета Колорадо в Боулдере, прозрачная древесина в качестве замены системы остекления стекла может снизить потребление энергии для кондиционирования помещения на 24,6% до 33,3% в средних (климатическая зона 3C, Сан-Франциско, Калифорния) и большие офисные помещения (климатическая зона 4С, Сиэтл, Вашингтон) достойно.[16] Это актуальное понимание потенциальной функциональности прозрачной древесины, поскольку она показывает более низкую теплопроводность и лучшую ударную вязкость по сравнению с популярными системами остекления из стекла.

Солнечные батареи

Другое направление применения прозрачной древесины - это использование оптоэлектронных устройств с высоким оптическим пропусканием в качестве подложек в фотоэлектрических солнечных элементах. 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 высокий оптический коэффициент пропускания 86% и долговременную стабильность при разрушении стойкость 3,2 МПа⋅м1/2 по сравнению со стеклянной подложкой ударной вязкостью 0,7–0,85 МПа⋅м1/2, что соответствует требованиям к подложке для солнечных элементов.[17] Это важная информация для возможного применения прозрачной древесины, потому что это подходящее и устойчивое решение для подложки для сборки солнечных элементов с потенциалом в энергоэффективном строительстве, а также для замены стекла и снижения углеродного следа для устройств.[17]

Прозрачная древесина может преобразить науку о материалах и строительную промышленность, открыв новые возможности, такие как несущие окна. Эти компоненты могут также способствовать экономии энергии и эффективности по сравнению со стеклом или другими традиционными материалами. Требуется много работы и исследований, чтобы понять взаимодействие между светом и структурой дерева, настроить оптические и механические свойства и воспользоваться преимуществами передовых применений прозрачных древесных композитов.

Рекомендации

  1. ^ а б Санкт-Флуер, Николай (13 мая 2016 г.). "Дерево, которое можно было принять за стекло". Нью-Йорк Таймс. Нью-Йорк. Получено 16 мая 2016.
  2. ^ Шарпинг, Натаниэль (16 мая 2015 г.). «Прозрачное дерево - удивительно универсальный материал». Обнаружить. В сети. Получено 16 мая 2015.
  3. ^ а б c d Чжу, Минвэй; Сун, Цзяньвэй; Ли, Тиан; Гонг, Эми; Ван, Янбинь; Дай, Цзяци; Яо, Юнган; Ло, Вэй; Хендерсон, Дуг; Ху, Лянбин (04.05.2016). «Высокоанизотропные, высокопрозрачные древесные композиты». Современные материалы. Вайли. 28 (26): 5181–5187. Дои:10.1002 / adma.201600427. ISSN 0935-9648.
  4. ^ Ли, Юаньюань; Фу, Цилян; Ю, Шунь; Ян, Мин; Берглунд, Ларс (2016). «Оптически прозрачная древесина из нанопористого целлюлозного шаблона: сочетание функциональных и структурных характеристик». Биомакромолекулы. 17 (4): 1358–1364. Дои:10.1021 / acs.biomac.6b00145. PMID 26942562.
  5. ^ KTH Королевский технологический институт (30 марта 2016 г.). «Деревянные окна? Прозрачный древесный материал, из которого строятся солнечные батареи». Science Daily. Получено 27 мая 2019.
  6. ^ Эмили Рейнольдс (31 марта 2016 г.). «Из этого прозрачного дерева можно строить окна». Проводная Великобритания. Получено 27 мая 2017.
  7. ^ Даниэль Акст (21 апреля 2016 г.). «Что мы можем построить из сверхпрочной прозрачной древесины?». Журнал "Уолл Стрит. Получено 27 марта 2019.
  8. ^ Финк, Зигфрид (1992-01-01). «Прозрачная древесина - новый подход к функциональному изучению структуры древесины». Holzforschung. 46 (5): 403–408. Дои:10.1515 / hfsg.1992.46.5.403. ISSN 1437-434X.
  9. ^ а б Ли, Юаньюань; Васильева, Елена; Сычугов Илья; Попов, Сергей; Берглунд, Ларс (2018). «Оптически прозрачная древесина: последние достижения, возможности и проблемы». Современные оптические материалы. 6 (14): 1800059. Дои:10.1002 / adom.201800059. ISSN 2195-1071.
  10. ^ а б c d е ж Ядданапуди, Харита Шри; Хикерсон, Натан; Шайни, Шрикант; Тивари, Ашутош (01.12.2017). «Изготовление и определение характеристик прозрачной древесины для интеллектуальных зданий нового поколения». Вакуум. 146: 649–654. Bibcode:2017Vacuu.146..649Y. Дои:10.1016 / j.vacuum.2017.01.016. ISSN 0042-207X.
  11. ^ а б Ван, Сюань; Чжань, Тяньи; Лю, Ян; Ши, Цзянтао; Пан, Бяо; Чжан, Яоли; Цай, Липин; Ши, Шелдон К. (2018). «Крупногабаритная прозрачная древесина для энергосберегающего строительства». ChemSusChem. 11 (23): 4086–4093. Дои:10.1002 / cssc.201801826. ISSN 1864–564X.
  12. ^ а б Мошер, Дэйв. «Ученые создали прозрачную древесину, которая холоднее стекла». Business Insider. Получено 2019-12-10.
  13. ^ а б c d Ли, Тиан; Чжу, Минвэй; Ян, Чжи; Сун, Цзяньвэй; Дай, Цзяци; Яо, Юнган; Ло, Вэй; Пастель, Гленн; Ян, Бао; Ху, Лянбин (2016-08-11). «Древесный композит как энергоэффективный строительный материал: регулируемое пропускание солнечного света и эффективная теплоизоляция». Современные энергетические материалы. 6 (22): 1601122. Дои:10.1002 / aenm.201601122. ISSN 1614-6832.
  14. ^ Дэвис, Никола (2019-04-03). «Ученые изобрели« прозрачное дерево »в поисках экологически чистого строительного материала». Хранитель. ISSN 0261-3077. Получено 2019-12-10.
  15. ^ Ли, Юаньюань; Фу, Цилян; Ян, Сюань; Берглунд, Ларс (13 февраля 2018 г.). «Прозрачная древесина для функциональных и конструкционных применений». Философские труды. Серия A, математические, физические и инженерные науки. 376 (2112): 20170182. Дои:10.1098 / rsta.2017.0182. ISSN 1471-2962. ЧВК 5746562. PMID 29277747.
  16. ^ Арехарт, Джозеф (01.01.2017). «Анализ энергетических характеристик систем остекления на основе прозрачных древесных композитов в коммерческих зданиях». Дипломные работы и диссертации по гражданскому строительству.
  17. ^ а б Ли, Юаньюань; Ченг, Мин; Юнгштедт, Эрик; Сюй, Бо; Солнце, Личэн; Берглунд, Ларс (18 марта 2019 г.). «Оптически прозрачная деревянная подложка для перовскитных солнечных элементов». ACS Устойчивая химия и инженерия. 7 (6): 6061–6067. Дои:10.1021 / acssuschemeng.8b06248. ISSN 2168-0485. ЧВК 6430497. PMID 30918764.

дальнейшее чтение

  • Финк, С. (1992). "Прозрачное дерево; Новый подход в функциональном изучении структуры древесины ». Holzforschung-Международный журнал биологии, химии, физики и технологии древесины. 46(5), 403–408. Чикаго. Дои:10.1515 / hfsg.1992.46.5.403
  • Берглунд, Л. и др. (2018). «Биоинспирированная нанотехнология древесины для функциональных материалов». Дополнительные материалы, 30 (19), 1704285. Дои:10.1002 / adma.201704285
  • Чжу, Х. и др. (2014). «Прозрачная бумага: изготовление, свойства и применение в устройствах». Энергетика и экология, 7 (1), 269–287. Дои:10.1039 / c3ee43024c