Прозрачное стекло из дерева: и тепло, и светло, и экологично
Древесина – один из самых разносторонних материалов для строительства и отделки. Перечень вариантов её использования включает десятки задач от возведения несущих конструкций до создания декоративных элементов. Однако функциональные возможности дерева ещё далеки от исчерпания. Исследователи находят для него все новые и новые роли. В том числе и весьма оригинальные. В частности, одна из недавних американских разработок рассматривает дерево как натуральную замену... стеклу!
Новый прозрачный материал на древесной основе разработали учёные из Лаборатории лесных продуктов (Forest Products Laboratory) и Университетов Колорадо и Мэриленда. Пока этот материал является скорее прототипом, даже не получившим собственного названия и определяемым в научных отчётах как «прозрачное дерево». Однако разработчики полагают, что у него большие перспективы. Они рассматривают своё открытие ни много ни мало как материал, способный во многих задачах заменить традиционное стекло. И такие заявления не беспочвенны: судя по заявлениям учёных, последнее уступает новинке по всем ключевым параметрам.
Содержание
Главная задача – сокращение потерь тепла
Как рассказывает руководитель проекта Джуньюн Чжу, представляющий FPL, основной гипотезой работы команды стало предположение, что низкую теплопроводность древесины можно использовать и при остеклении. Нужно только сделать её прозрачной.
Сама идея довольно актуальна:
- В среднестатистическом доме через окна теряется от 10 до 25% тепла, что сопоставимо с теплопотерями через стены или крышу, площадь которых гораздо больше. То есть оконные проёмы – едва ли не самая «холодная точка» в доме.
- Системы стеклопакетов достигли уже практически предельной теплоизолированности. Сделать их ещё теплее, не прибегая к другим материалам, попросту нет технических возможностей.
А древесина в принципе отличается отменной энергоэффективностью. Например, сложенные из бруса стены будут значительно лучше держать тепло, чем кирпичная кладка той же толщины. Стекло же с монолитной структурой вообще оказывается в аутсайдерах.
Да, для остекления могут использоваться и другие материалы. Например, прозрачные акриловые листы, поликарбонат с 2 слоями и сотовой структурой между ними, ПВХ-материалы и т.д. Но и они не идеальны. Главный минус всех таких альтернатив – низкая экологичность, а в отдельных случаях даже токсичность. Коэффициент прозрачности у них тоже заметно ниже, чем у обычного стекла.
Прозрачное дерево в его текущем состоянии тоже даёт не столь чёткую и ясную картинку. Его прозрачность ниже стеклянной на 15-20%. В то же время оно лучше держит тепло, экологически безопасно и достаточно прочно. Ещё одно большое преимущество перед традиционным остеклением – гораздо меньший вес. Серьёзный минус же только один – не слишком экономичное производство. Однако технологиям свойственно дешеветь, так что доступность прозрачного стекла из дерева – вопрос времени.
Как дерево становится прозрачным?
В действительности этот процесс довольно прост и не требует каких-либо сложных технологий и инструментов. Такая простота обусловлена, прежде всего, особенностями состава древесины. В нём всего 2 основных компонента:
- целлюлоза, составляющая основу древесных волокон;
- природный полимер лигнин, связывающий отдельные волокна в единую прочную конструкцию.
В структуру лигнина входят т.н. хромофоры – это вещества, отвечающие за цвет дерева. А, придавая окрас, они одновременно блокируют и прохождение света. Следовательно, главная задача здесь – удалить из лигнина молекулы, отвечающие за пигмент.
Подобные попытки предпринимались и прежде. Однако технология была далеко не идеальной: в ней применялись токсичные вещества, термическая обработка при опасно высоких температурах. А ещё она требовала слишком много времени.
Джуньюну Чжу и его команде удалось одновременно и упростить процесс обесцвечивания древесины, и повысить его эффективность. Так что это определённо заявка на успех.
Способ изготовления и технические характеристики
Основой для опытных образцов нового материала стала бальзовая древесина, отличающаяся чрезвычайной мягкостью и минимальной плотностью.
Сначала сырьё, нарезанное на тонкие листы шпона, выдерживается в окислительной ванне с перекисью. В результате цвет полностью теряется. Причём сам лигнин не разрушается – из его полимерной молекулы «стираются» фрагменты, отвечающие за окраску древесины. Далее идёт стадия синтетической обработки – дерево покрывается поливиниловым спиртом. Последний представляет собой наполнитель для эпоксидных смол. Он экологичен и безопасен, его широко используют в бытовой химии, пищепроме, фармацевтике и т.д. Проникая в древесную структуру, он заполняет полости и, затвердевая, придаёт и прочность, и прозрачность. После высыхания готовые стеклоподобные листы можно использовать для остекления.
Благодаря сочетанию волокнистой структуры и полимерной пропитки, материал обладает отличными эксплуатационными качествами:
- значительно меньший вес в сравнении со стеклом аналогичной толщины;
- втрое бòльшая прочность на разрыв;
- в 5 раз более эффективное сохранение тепла.
С безопасностью для природы у нового материала тоже всё хорошо. Бальзовые леса очень быстро восстанавливаются – полный цикл занимает всего 5 лет. Поэтому даже при активном производстве деревянного стекла серьёзного ущерба мировой лесной фонд не получит.
Каковы перспективы?
Даже приблизительно оценивать сегмент рынка, который может занять прозрачное дерево, пока слишком рано. Всё-таки это больше концепция, хотя и уже близкая к практической реализации.
Впрочем, положительных характеристик у нового материала достаточно много, а это уже серьёзный плюс в его пользу. Как минимум, стекло он превосходит по большинству характеристик. Синтетические аналоги тоже обыгрывает с лёгкостью уже за счёт одной только экологичности. Да и для окружающей среды изготовление и использование бальсового стекла будет намного менее опасным. А это сейчас, когда всё активнее обсуждаются планы по снижению оставляемого промышленностью углеродного следа, очень весомый аргумент.
Потенциальные возможности использования такого материала довольно широки. Это действительно неплохой вариант для остекления зданий, в особенности возводимых с применением энергоэффективных технологий. Причём площадь остекления здесь может быть очень большой – это заслуга легковесности бальсовых листов в сочетании с высокой прочностью.
Ещё одна перспективная сфера применения – солнечные панели. За счёт высокого коэффициента прозрачности деревянное стекло будет пропускать солнечный свет практически полностью. А крепкая структура обеспечит защиту от неблагоприятных внешних факторов – как минимум, разбить древесно-эпоксидную панель будет непросто.
Кроме того, производство прозрачного дерева можно легко масштабировать. Разработанная американскими учёными технология обесцвечивания может использоваться не только для бальзовой древесины. Ведь у большинства видов деревьев структура примерно одинаковая. Так что стекло может быть и берёзовым, и дубовым.
В целом же, результаты, полученные командой Джуньюна Чжу, можно считать прорывными. Хотя бы потому что им удалось не просто решить задачу, над которой учёные работали уже много лет, но и найти для неё действительно эффективное решение. Поэтому деревянное стекло можно считать перспективной разработкой.
- Комментарии