Эксперименты с деревом: от бруса и опилок — к «стеклянной» древесине и композитам

Материаловедение сегодня развивается стремительно, и одним из перспективных направлений является модификация древесины. Усилия учёных сосредоточены в нескольких направлениях. С одной стороны, они стремятся устранить природные недостатки этого материала (горючесть, подверженность гниению, нестабильность размеров). С другой — надеются придать ему новые свойства, от сверхпрочности до оптической прозрачности, и заставить выполнять функции, которые раньше казались невозможными. 

Наконец, третий популярный вектор научных изысканий связан с экономикой отрасли: в условиях трансформации экспортных рынков и внутреннего спроса развитие глубокой переработки древесины становится для российского ЛПК вопросом не просто эффективности, а выживания. В числе перспективных направлений — производство древесно-полимерных композитов (ДПК), при изготовлении которых применяют низкосортное сырьё, отходы лесопиления (опилки, щепу) и деревообработки (от обрезков до шлифовальной пыли). 

Древесно-полимерный композит — материал будущего?

Высокотехнологичный конструкционный материал, объединяющий эстетику натуральной древесины и долговечность пластика, состоит из измельчённой древесины, полимерного связующего вещества и модифицирующих добавок (аддитивов).

В последнее время набирает популярность технология совместной экструзии, которая позволяет выпускать двухслойные доски. Внутренний слой отвечает за прочность и геометрию, а наружный (из чистого полимера с защитными присадками) — за износостойкость и защиту от выцветания.

Сегодня научные группы разрабатывают методы, позволяющие внедрять в древесные композиты и другое сырьё, раньше считавшееся мусором. Например, новые методы экструзии позволяют смешивать древесную муку с измельчённым синтетическим текстилем (полиэстером, нейлоном) и низкосортным картоном. За надёжность и стойкость готовых досок отвечает внешний слой, который формируется из сверхпрочного полимера. А благодаря дополнению в виде УФ-стабилизаторов материал дольше не выгорает на солнце.

Такие многокомпонентные композитные материалы могут найти применение как полноценная замена ОСП (OSB) и фанеры в каркасном домостроении, для возведения межкомнатных перегородок и создания СИП-панелей, террасной доски и других декоративных элементов, а также в производстве несъёмной или многоразовой опалубки при заливке бетона в домостроении. 

Препятствием к масштабированию технологии может стать необходимость адаптации производства к внедрению нового оборудования: исторически на рынке доминировали европейские (австрийские и немецкие) экструзионные линии, тогда как сегодня вектор сместился в сторону продукции азиатских производителей. 

Очевидно, что направление древесно-полимерных композитов переросло статус экспериментального — для современной лесопромышленной отрасли это эффективный инструмент глубокой переработки биомассы, превращающий издержки на утилизацию отходов в высоколиквидный строительный продукт с высокой маржинальностью.

Читайте также: «Переработка древесных отходов: от щепы до лигнина»

Супердерево: не гниёт, не горит и не ломается

Эксперименты на стыке нанотехнологий, химии и материаловедения превратили традиционную древесину в один из главных хайтек-материалов современности. Учёные научились изменять дерево на клеточном уровне, ликвидируя его природные недостатки: горючесть, гниение, анизотропию (зависимость физических и механических свойств материала от направления). 

В основе большинства этих проектов лежит контролируемая делигнификация — процесс химического удаления лигнина (природного полимера, который скрепляет волокна целлюлозы и придаёт дереву коричневый цвет). 

• Суперпрочная древесина: альтернатива стали и бетону

Технология, разработанная материаловедами (в частности, командой профессора Лянбина Ху из Мэрилендского университета) и коммерциализированная американским стартапом «ИнвентВуд» (InventWood), позволяет создавать древесину, которая по удельной прочности превосходит металлы. Технология базируется на молекулярной модификации: сначала из клеточной структуры дерева удаляют некоторые компоненты (лигнин и гемицеллюлозу), затем материал подвергают горячему прессованию при температуре около 100 °C. 

Полученный монолит в 10–20 раз прочнее и жёстче исходного материала — древесины, а также в 8–10 раз превосходит сталь по соотношению прочности к весу. Такое дерево почти невозможно поцарапать или помять, оно обладает высшим классом огнестойкости и совершенно не вызывает интерес у насекомых. При этом композит сохраняет текстуру, теплоту и обрабатываемость, присущие природной древесине. 

Учёные и специалисты компании-производителя уверены, что их «супердревесина» может заменить сталь и алюминий в архитектуре будущего. В частности, свойства материала позволяют изготавливать из него несущие балки для небоскрёбов, детали автомобилей и ветрогенераторов.

• Прозрачная древесина: окна будущего

Превращение дерева в оптический материал — один из самых красивых и перспективных экспериментов, над которым работают исследовательские группы по всему миру, включая Швецию, США и Россию.

Несколько лет назад группа шведских учёных из Королевского технологического института объявила о создании нового вида материала — прозрачной древесине, которая способна заменить в строительстве пластик или стекло. Удалив из структуры природного дерева лигнин, исследователи заполнили опустевшие поры водоотталкивающим акрилом. За счёт этого им удалось сохранить структуру материала, а также придать ему новые свойства: древесное стекло обладает высокой плотностью, прозрачностью, отлично сохраняет и выделяет тепло.

Специалисты уже упоминавшегося Мэрилендского университета под руководством доктора Бхарата Баруа поставили целью усовершенствовать технологию, придав «стеклянной» древесине больше экологичности. Для этого они заменили синтетические полимеры на натуральные или биоразлагаемые (например, поливиниловый спирт). 

Кроме того, они усовершенствовали процесс отбеливания: вместо агрессивного вымывания лигнина за счёт химического разрушения клеточных стенок применяется метод бережного обесцвечивания с применением простой перекиси водорода и солнечного света.

Российский вариант стеклянной древесины также экологичен: учёные Сибирского государственного университета инженерии и биотехнологий полностью отказались от токсичных синтетических полимеров в пользу натуральных возобновляемых компонентов. Результаты исследований показали, что полученный материал полностью безопасен для закрытых жилых помещений, не выделяет вредных веществ и сохраняет естественную текстуру.

Все версии древесного стекла обладают рядом общих преимуществ:

• пропускает до 85–92% света и мягко его рассеивает,
  не бьётся на осколки, 
• обладает меньшей теплопроводностью, чем обычное стекло,
• гасит блики от солнца.

Благодаря этим свойствам определились сферы применения прозрачной древесины: её можно использовать для изготовления «умных» окон и фасадов зданий, верхних покрытий для солнечных панелей, а также экранов для смартфонов, планшетов и приборных панелей автомобилей.

Читайте также: «Экологичное стекло: прозрачная древесина как стройматериал будущего»

• «Умные» композиты: дерево-магнит и древесный аккумулятор

Модификация пористого каркаса древесины, избавленной от лигнина, позволяет интегрировать в неё совершенно несвойственные этому материалу функции. 

Например, структурированное дерево пронизывают серебряными нанопроволоками или углеродными нанотрубками для получения композита, который получает электропроводность. Такой материал используют при создании сенсорных деревянных панелей для систем «умный дом», когда стена или стол реагируют на прикосновения. В частности, французская биотехнологическая компания «Вуду» (Woodoo) активно сотрудничает с автоконцернами для замены пластиковых кнопок в салонах автомобилей на полностью деревянные тактильные панели управления.

Ещё один вариант модифицированной древесины — терморегулирующий полимер: природный материал пропитывают фазопереходными составами (например, полиэтиленгликолем). Днём, когда жарко, они плавятся внутри пор древесины, поглощая излишки тепла. Ночью, при охлаждении, затвердевают и отдают тепло обратно в комнату, работая как пассивный климат-контроль.

Древесные композиты могут обладать и магнитными свойствами. Это установили учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института исследования материалов под руководством профессора Инго Бургерта. В ходе работы они установили, что внедрение наночастиц оксида железа придаёт дереву магнитные свойства. В своих отчётах исследователи описали метод соосаждения ионов двух- и трёхвалентного железа прямо внутри пор и клеточных стенок древесины ели и бука.

Такое дерево можно использовать для создания безопасных скрытых обогревательных элементов внутри стен дома или мебели. Кроме того, панели из магнитной древесины способны поглощать и блокировать электромагнитные волны, что позволяет применять их в отделке помещений для экранирования или защиты от излучения высокой частоты.

Китайские исследователи из Куньминского университета науки и технологии создали из древесины настоящий аккумулятор для накопления солнечной энергии. Стартовая операция была та же, что и в других разработках, — удаление лигнина. За основу взяли пробковое дерево, которое после этой операции приобрело пористый вид — под микроскопом учёные увидели пучки выровненных микротрубочек диаметром 20−50 микрометров. 

Стенки этих каналов покрыли ультратонкими листами чёрного фосфорена, который поглощает свет в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Усилить поглощение света помогли наночастицы серебра. Внутрь каналов поместили стеариновую кислоту: при нагревании она плавится и накапливает энергию, а при охлаждении затвердевает и отдаёт тепло. 

Полученный «древесный аккумулятор» продолжает вырабатывать электричество даже после захода солнца. В сочетании с термоэлектрическим генератором система обеспечивает до 0,65 вольта при стандартном освещении. В числе дополнительных преимуществ материала — огнестойкость и антимикробные свойства. Наукоёмкий продукт может открыть новые перспективы на пути создания энергоэффективных строительных материалов, но это дело будущего. Авторам ещё предстоит убедиться, что технология подходит для масштабирования.