Категория: Строительный материалы
Прозрачное дерево
Прозрачное дерево - эффективный строительный материал
В 2016 году исследовательские группы срузу из двух учебных заведений Мэрилендского университета и Королевского технологического института KTH почти одновременно представили химические решения, способные удалять молекулы, которые придают древесине ее цвет. В конечном результате получили прозрачную, похожую на стекло древесину. Во многих облостях промышленности древесина является более предпочтительным материалом по сравнению со стеклом и пластиком. Этот обновленный традиционный материал может произвести революцию в архитектуре и электронике.
Дерево перед стеклом стеклу в архитектуре имеет несколько преимуществ . Древесина имеет более низкую теплопроводность, что позволяет достигнуть высокой энергоэффективности и поддерживать в здании постоянную температуру.
Древесина имеет более высокии механические свойства - прочность, жесткость, а также более низкую плотность, чем стекло, что делает ее еще более привлекательной в применении. Потенциал испошльзования прозрачной древесины виден не только в строительстве, но и в электронике.
Например, его можно использовать для производства солнечных элементов. Как недорогой, легкодоступный и возобновляемый материал, он может стать потенциальным решением для строительства солнечных панелей, особенно для больших поверхностей.
Особенности прозрачной древесины
Общее описание прозрачной древесины
Оптически прозрачная древесина (TW) с пропусканием до 85% и мутностью 71% была получена с использованием делигнифицированного нанопористого древесного шаблона. Шаблон был подготовлен путем удаления поглощающего свет компонента лигнина, что создало нанопористость в клеточной стенке древесины. Прозрачная древесина была подготовлена путем успешной пропитки просвета и наномасштабной сети целлюлозных волокон в клеточной стенке предварительно полимеризованным метилметакрилатом (ММА) с согласованным показателем преломления. В ходе процесса иерархическая структура древесины была сохранена. Оптические свойства TW можно настраивать путем изменения объемной доли целлюлозы. Синергия между древесиной и ПММА наблюдалась для механических свойств. Легкая и прочная прозрачная древесина является потенциальным кандидатом для легких недорогих светопропускающих зданий и прозрачных окон солнечных батарей.
Потребление энергии в строительном секторе (включая электроэнергию на использование света, воды, вентиляции, кондиционирования, охлаждения и т. д.) составляет около 30−40% от общего потребления энергии и продолжает увеличиваться. Поэтому это имеет большое значение имеет снижение потребления энергии. Солнечная энергия привлекательна в этом контексте, поскольку она бесплатна, неисчерпаема и экологически чистя. Светопропускающие здания также могут способствовать снижению спроса, так как искусственный электрический свет может быть частично заменено естественным освещением.
Древесина является наиболее широко используемым биологическим строительным материалом. Это возобновляемый источник, что позволяет его широко применять в строительстве, где у древесины конкурентоспособная стоимость и хорошие свойства материала. Они включают низкую плотность, высокую прочность и ударная вязкость и низкую теплопроводность
Оптически прозрачное дерево было изготовлено путем объемной фильтрации полимеризованного MMA с совпадающим показателем преломления в нанопористом древесном шаблоне, полученном путем удаления сильно поглощающего света компонента лигнина. Высокая оптическая пропускная
способность 85% и туман 71% были достигнуты при толщине прозрачного дерева 1,2 мм. Оптическая пропускная способность уменьшалась по мере увеличения толщины дерева и объемной доли целлюлозы, в то время как туман увеличивался при тех же изменениях. Целлюлозный древесный шаблон можно было сжимать, чтобы контролировать объемную долю армирования. Механические свойства прозрачного дерева показали синергию между делигнифицированным деревом и PMMA, поскольку оба компонента показали более низкие механические свойства, чем оптически прозрачное дерево.
Прозрачное дерево с объемной долей целлюлозного древесного шаблона 19% показало в два раза большую прочность и модуль, чем чистый PMMA. Таким образом, этот наноструктурированный биокомпозит является как структурным (механические свойства), так и функциональным (оптически прозрачным с туманом) материалом. Оптически прозрачное дерево является отличным кандидатом для легких и недорогих конструкций в светопропускающих зданиях и для прозрачных окон солнечных батарей.
Прозрачное дерево характеризуется высокой оптической дымкой. Как показано на рисунке 5a (вставное изображение), зеленый лазерный луч с первоначальным диаметром 4 мм распространяется на большую площадь в форме параллелограмма после прохождения через прозрачное дерево.
Распространение луча обусловлено структурной анизотропией и агрегатами целлюлозных фибрилл в клеточной стенке, которые дифрагируют свет во всех направлениях. В случае древесной ткани целлюлозные фибриллы выровнены вдоль направления клеточной стенки, что направляет лазерный луч, чтобы он распространялся на конус, имеющий наклон к направлению волокна. После передачи луча через прозрачное дерево его поперечная геометрия распространилась в форме параллелограмма. Рисунок 5a показывает дымку образцов прозрачного дерева с толщиной около 1,2 мм. Эта высокая дымка
привлекательна для приложений в солнечных элементах. Свет будет задерживаться в солнечном элементе дольше из-за рассеяния света, вызванного древесной тканью. Более длительное время задержки означает лучшее взаимодействие между светом и активной средой, что может привести к лучшей эффективности солнечного элемента. В нашей группе сейчас осуществляется изготовление солнечных элементов на основе прозрачного деревянного субстрата с использованием высокой дымки.
Механические свойства прозрачного дерева. В потенциальных приложениях прозрачного дерева механические свойства представляют интерес. Данные также могут быть использованы для оценки эффективности армирования шаблона дерева PMMA. Рисунок 6a представляет собой кривые растяжения - деформации прозрачного дерева. Модуль упругости прозрачного дерева с объемной долей целлюлозы 5% составил 2,05 ± 0,13 ГПа. Это выше, чем для PMMA (1,80 ± 0,18 ГПа) и делигнифицированного древесного шаблона (0,22 ± 0,08 ГПа). Низкое содержание целлюлозы в композите является следствием низкой плотности бальсы. Синергия между PMMA и шаблоном объясняется механическими свойствами целлюлозных нано-волокон в шаблоне, их ориентацией и благоприятным взаимодействием (связью) между целлюлозными нано-волокнами и PMMA.
Рисунок 6b - это поперечное изображение SEM прозрачного дерева (перпендикулярно продольному направлению клеточной стенки), где интерфейс между модифицированной целлюлозой/PMMA клеточной стенкой и областью, богатой PMMA, выглядит хорошо интегрированным. Низкий модуль и прочность делигнифицированного древесного шаблона обусловлены его наноразмерной пористостью и отсутствием сильных механизмов передачи нагрузки между целлюлозными нано-волокнами. MMA в фильтрации и полимеризации в PMMA приводит к созданию наноструктурированной полимерной матрицы (PMMA) композита, улучшенной взаимодействия целлюлозных нановолокон и значительно улучшенной передачи нагрузки между фибриллами. Иерархическая и продольно ориентированная структура целлюлозных нано-волокон не только улучшает модуль, но также может обеспечить сильное синергетическое улучшение прочности по сравнению с чистым PMMA и делигнифицированным древесным шаблоном. Угловой участок древесного шаблона между тремя соседними клетками очевиден, как и нано-волокнистая природа разрушенной клеточной стенки. Короткая длина выдергивания клеточной стенки указывает на сильное межфазное сцепление, как и ожидалось из-за PMMA внутри самой клеточной стенки. Шаблон был сжат так, что объемная доля целлюлозы увеличилась до 19%. Это увеличило прочность на растяжение прозрачного дерева до 90,1 ± 10 МПа, Эти значения более чем в два раза выше, чем для чистого PMMA (44,1 ± 9,5 МПа).
:
Будущее прозрачной древесины
Прозрачная древесина может создать совершенно новые рынки для деревообрабатывающей промышленности, а ее применение заменит материалы, используемые в нескольких областях. Это означает, что появятся новые биологические альтернативы для известных материалов. Обе исследовательские группы считают, что для этого не потребуется много времени.
Прозрачная древесина это недорогой, легкодоступный и возобновляемый материал, который может стать потенциальным решением для применения в строительсве, архитектуре, электроники, а также во многих других областях промышленности и производства.
Древесный композит имеет большие перспективы в качестве будущего строительного материала, особенно в качестве замены стекла в энергоэффективном строительстве с использованием устойчивых материалов.
Прозрачная древесина является энергоэффективным строительным материалом, который позволяет эффективно сборать дневной свет и имеет низную теплопроводность, что позволяет снизить потребление электроэнергии и затраты на утепление. Что делает её оптимальным заменителем стекла, которое имеет ограниченные возможности управления светом и плохую теплоизоляцию.
Впервые прозрачная древесина представлена как строительный материал со следующими преимуществами по сравнению со стеклом:
1. Высокая оптическая прозрачность в видимом диапазоне длин волн (>85%);
2. Широкополосная оптическая дымка (>95%), которая может создавать равномерное и постоянное распределение дневного света в течение дня без эффекта бликов;
3. Уникальный эффект направления света с большим коэффициентом рассеяния вперед-назад для прозрачной древесины, имеющую толщину 0,5 см;
4. Отличная теплоизоляция с теплопроводностью около 0,32 Вт м −1 К −1 вдоль волокон древесины и 0,15 Вт м −1 К −1 поперк волокон, что намного ниже, чем у стекла (≈1 Вт м −1 К −1 );
5. Высокое поглощение энергии удара, т.е. древесина намного безопаснее при использовании, чем стекло;
6. Возможно быстро наладить массовое производства прозрачной древесины.
Прозрачная древесина достаточно гибкая, так как содержит натуральную целлюлозу. Для достижения прозрачности бальзовое дерево замачивают в специальном растворе, а затем в структуру добавляют эпоксидную смолу . Прозрачная древесина или деревянное стекло могут использоваться вместо традиционных стеклопакетов или других элементов в строительных конструкциях, которые должны быть прозрачными, но при этом прочными, экологичными и энергоэффективными.
