Использование древесных композитов в несущих конструкциях

Древесина сочетает в себе высокие механические характеристики с преимуществами стоимости и устойчивости. Дерево является возобновляемым ресурсом, древесина доступна в больших объемах по низкой цене, у нее есть существующая инфраструктура для энергоэффективной заготовки и переработки, она легкая и биоразлагаемая.

Изделия из инженерной древесины широко используются в инфраструктуре, выдерживая значительные динамические и статические нагрузки. Существует множество конструкционных изделий из древесины, в том числе изделия из цельной конструкционной древесины, ламинарные и конструкционные композиты.

Цельный пиломатериал используется для клееного бруса (клееного бруса), изготовленного путем параллельной сборки пиломатериалов, и поперечно-клееного бруса (КЛТ), изготовленного из слоев, собранных крест-накрест. С момента разработки CLT в 1990-х годах деревянные здания строятся на все большей высоте (Foster and Ramage, 2020).

Особенности производства древесных композитов

Другие древесные композиты изготавливаются из шпона для производства фанеры (изготавливаемой путем склеивания ламелей шпона, уложенных под разными углами) и клееного бруса из шпона (из параллельных слоев шпона). Эти материалы обычно используются в виде панелей или балок с небольшой геометрической сложностью.

Формованные «древесно-пластиковые композиты» (ДПК) изготавливаются путем смешивания древесины с термопластами на основе ископаемого топлива, которые служат непрерывным материалом (полипропилен, полиэтилен и т. д.), но недостаточны для большинства основных приложений несущей инфраструктуры. Существуют также технологии формованных термореактивных древесноволокнистых композитов на основе формальдегида.

Характеристики и добавки для усиления прочности

В целом модуль формованных биокомпозитов из ДПК и термореактивных биокомпозитов редко превышает 7–8 ГПа, а предел прочности при растяжении обычно составляет 20–60 МПа. Содержание волокна в формованных древесных композитах может достигать 50–80% по массе, но мотивом их использования часто является низкая стоимость. Характеристики формованных древесных композитов часто ухудшаются из-за плохо контролируемой ориентации волокон и низкого соотношения размеров волокон.

Древесные волокна имеют тенденцию быть слабыми, так как они механически повреждаются во время обработки. Сочетание этих факторов приводит к низкой эффективности армирования древесным волокном. Общепринято добавлять полипропиленовые или полиэтиленовые связующие вещества с привитым малеиновым ангидридом в композиты, обработанные расплавом, для улучшения дисперсии волокон и межфазной прочности на сдвиг между матрицей и деревянным армированием.

Цели для создания экологичных древесных нанотехнологий

Более широкое использование существующих несущих лесоматериалов, включая пиломатериалы, клееный брус, LVL-балки, фанеру и ориентированно-стружечные плиты (OSB), будет способствовать устойчивому развитию при замене материалов из бетона, гипса и пластмасс на основе ископаемого топлива. Здесь мы обсуждаем новые концепции модификации древесины на наноуровне и возможности разработки материалов.

В попытке определить устойчивую древесную нанотехнологию для настоящей цели термин здесь ограничен материалами или компонентами на основе клеточных структур древесины, так что, например, древесноволокнистые материалы и наноцеллюлозы исключены несколько произвольно. Устойчивые древесные нанотехнологии — это технологии, связанные с модификацией древесного субстрата (например, шпона) с помощью наночастиц и «зеленой» модификацией наноструктуры клеточных стенок древесины химическими или физическими средствами для расширения диапазона свойств древесины.

Важным примером является пропитка клеточной стенки древесины мономерами или прекурсорами полимеров с последующей полимеризацией. Хотя используемые сегодня смолы и клеи на основе формальдегида могут пропитывать клеточную стенку (Stoeckel et al., 2013; Jones and Sandberg, 2020), что в принципе является нанотехнологией, они проблематичны в контексте устойчивого развития. Эмиссия формальдегида опасна для здоровья, представляет собой техническую сложность и проблематична для восприятия экологически чистых материалов.