Dabīgais koks un metāls ir bijuši svarīgi būvmateriāli cilvēkiem tūkstošiem gadu. Sintētiskie polimēri, ko mēs saucam par plastmasu, ir nesen izgudrojums, kas strauji pieauga 20. gadsimtā.
Gan metāliem, gan plastmasai piemīt īpašības, kas ir labi piemērotas rūpnieciskai un komerciālai izmantošanai. Metāli ir izturīgi, stingri un parasti izturīgi pret gaisu, ūdeni, karstumu un pastāvīgu spriegumu. Tomēr to produktu ražošanai un pilnveidošanai ir nepieciešams arī vairāk resursu (kas nozīmē dārgāk). Plastmasa nodrošina dažas no metāla funkcijām, vienlaikus prasot mazāku masu un ir ļoti lēta ražošanā. Tās īpašības var pielāgot gandrīz jebkuram pielietojumam. Tomēr lētās komerciālās plastmasas ir briesmīgi konstrukcijas materiāli: plastmasas ierīces nav laba lieta, un neviens nevēlas dzīvot plastmasas mājā. Turklāt tās bieži tiek pārstrādātas no fosilā kurināmā.
Dažos pielietojumos dabīgais koks var konkurēt ar metāliem un plastmasu. Lielākā daļa ģimenes māju ir celtas uz koka karkasa. Problēma ir tā, ka dabīgais koks ir pārāk mīksts un pārāk viegli bojājas ar ūdeni, lai lielākoties aizstātu plastmasu un metālu. Nesen žurnālā Matter publicētā rakstā tiek pētīta sacietēta koksnes materiāla izveide, kas pārvar šos ierobežojumus. Šī pētījuma rezultātā tika izveidoti koka naži un naglas. Cik labs ir koka nazis un vai jūs to drīzumā izmantosiet?
Koka šķiedru struktūra sastāv no aptuveni 50% celulozes, dabīga polimēra ar teorētiski labām izturības īpašībām. Atlikušo pusi no koka struktūras galvenokārt veido lignīns un hemiceluloze. Kamēr celuloze veido garas, izturīgas šķiedras, kas nodrošina koksnei tās dabiskās izturības pamatu, hemicelulozei ir maz koherences struktūras, un tāpēc tā neko neveicina koksnes izturību. Lignīns aizpilda tukšumus starp celulozes šķiedrām un veic dzīvai koksnei noderīgus uzdevumus. Taču cilvēku mērķim – sablīvēt koksni un ciešāk sasaistīt tās celulozes šķiedras – lignīns kļuva par šķērsli.
Šajā pētījumā dabīgā koksne tika pārveidota par sacietējušu koksni (HW) četros posmos. Vispirms koksni vāra nātrija hidroksīdā un nātrija sulfātā, lai atdalītu daļu hemicelulozes un lignīna. Pēc šīs ķīmiskās apstrādes koksne kļūst blīvāka, to vairākas stundas presējot presē istabas temperatūrā. Tas samazina dabiskās spraugas vai poras koksnē un uzlabo ķīmisko saiti starp blakus esošajām celulozes šķiedrām. Pēc tam koksne vēl dažas stundas tiek pakļauta spiedienam 105° C (221° F) temperatūrā, lai pabeigtu blīvēšanu, un pēc tam žāvē. Visbeidzot, koksne uz 48 stundām tiek iegremdēta minerāleļļā, lai padarītu gatavo produktu ūdensizturīgu.
Viena no strukturālā materiāla mehāniskajām īpašībām ir iespiešanās cietība, kas mēra tā spēju pretoties deformācijai, kad to saspiež ar spēku. Dimants ir cietāks par tēraudu, cietāks par zeltu, cietāks par koku un cietāks par pildījuma putām. Starp daudzajiem inženiertehniskajiem testiem, ko izmanto cietības noteikšanai, piemēram, gemoloģijā izmantoto Mosa cietību, Brinela tests ir viens no tiem. Tā koncepcija ir vienkārša: cieta metāla lodīšu gultnis tiek iespiests testa virsmā ar noteiktu spēku. Izmēra lodītes radītā apļveida iespiejuma diametru. Brinela cietības vērtību aprēķina, izmantojot matemātisku formulu; aptuveni runājot, jo lielāku caurumu lodīte trāpa, jo mīkstāks ir materiāls. Šajā testā HW ir 23 reizes cietāks nekā dabīgais koks.
Lielākā daļa neapstrādātas dabīgās koksnes absorbē ūdeni. Tas var izplest koksni un galu galā iznīcināt tās strukturālās īpašības. Autori izmantoja divu dienu minerālu mērcēšanu, lai palielinātu HW ūdensizturību, padarot to hidrofobāku (“baidoties no ūdens”). Hidrofobitātes tests ietver ūdens piliena uzklāšanu uz virsmas. Jo hidrofobāka ir virsma, jo sfēriskāki kļūst ūdens pilieni. Savukārt hidrofila (“ūdeni mīloša”) virsma izlīdzina pilienus (un pēc tam vieglāk absorbē ūdeni). Tāpēc minerālu mērcēšana ne tikai ievērojami palielina HW hidrofobitāti, bet arī neļauj koksnei absorbēt mitrumu.
Dažos inženiertehniskos testos cietie naži uzrādīja nedaudz labākus rezultātus nekā metāla naži. Autori apgalvo, ka cietais nazis ir aptuveni trīs reizes asāks nekā komerciāli pieejams nazis. Tomēr šim interesantajam rezultātam ir brīdinājums. Pētnieki salīdzina galda nažus jeb to, ko mēs varētu saukt par sviesta nažiem. Tie nav paredzēti kā īpaši asi. Autori parāda video, kurā redzams, kā viņu nazis griež steiku, taču pietiekami spēcīgs pieaugušais, iespējams, varētu sagriezt to pašu steiku ar metāla dakšas neaso pusi, un steika nazis darbotos daudz labāk.
Kā ar naglām? Vienu HW naglu acīmredzot var viegli iedzīt trīs dēļu kaudzē, lai gan tas nav tik detalizēti, jo tas ir relatīvi viegli, salīdzinot ar dzelzs naglām. Koka mietiņi var saturēt dēļus kopā, pretojoties spēkam, kas tos saplēstu, ar aptuveni tādu pašu izturību kā dzelzs mietiņi. Tomēr viņu testos abos gadījumos dēļi salūza pirms jebkuras naglas salūza, tāpēc izturīgākās naglas netika atsegtas.
Vai HW naglas ir labākas arī citos veidos? Koka mietiņi ir vieglāki, taču konstrukcijas svaru galvenokārt nenosaka mietiņu masa, kas to satur kopā. Koka mietiņi nerūsēs. Tomēr tie nebūs ūdensnecaurlaidīgi vai bioloģiski sadalās.
Nav šaubu, ka autors ir izstrādājis procesu, kā padarīt koksni stiprāku par dabisko koksni. Tomēr furnitūras lietderība jebkurā konkrētā darbā prasa turpmākus pētījumus. Vai tā var būt tikpat lēta un resursu ziņā mazāk nepieciešama kā plastmasa? Vai tā var konkurēt ar stiprākiem, pievilcīgākiem, bezgalīgi atkārtoti lietojamiem metāla priekšmetiem? Viņu pētījumi rada interesantus jautājumus. Atbildes uz tiem sniegs nepārtraukta inženierija (un galu galā tirgus).
Publicēšanas laiks: 2022. gada 13. aprīlis
