Ученые создали из полимера огнестойкую искусственную древесину

Китайские ученые создали из полимера искусственную древесину, которая по своему химическому составу и микроструктуре напоминает настоящую, но обладает большей огнестойкостью и лучше выдерживает воздействие воды и кислоты, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Дерево остается одним из самых распространенных конструкционных материалов из-за доступности и выгодного сочетания относительно высокой прочности, низкой плотности и теплопроводности. Ученые давно пытаются создать материалы с аналогичными свойствами на основе самой древесины или других материалов.

Группа ученых под руководством Шу-Хун Юй (Shu-Hong Yu) из Хэфэйской национальной лаборатории физических наук в микро-масштабе создала материал другого состава, но с аналогичной структурой. В качестве аналога лигнина в настоящем дереве ученые использовали резольную смолу, которая имеет похожую полифенольную структуру. Кроме того, исследователи использовали в качестве альтернативы резольной смоле меламинформальдегидную смолу.

Для изготовления искусственной древесины создается водный раствор, в который добавляют одну из двух смол, небольшой объем хитозана и уксусную кислоту. Раствор помещают в форму с дном из медной пластины, которую охлаждают жидким азотом. Из-за этого раствор застывает и во время застывания происходит процесс самоорганизации полимеров в матрицу из продолговатых каналов, аналогичную лигниновой матрице в древесине. После образования бруска из льда и полимерной матрицы его помещают в аппарат для вакуумной сушки, где удаляется вода, а затем нагревают до температуры не более 200 градусов Цельсия, за счет чего матрица полностью затвердевает.

Исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа показали, что полученный материал напоминает по своей структуре древесину. Толщина стенок матрицы составляет 3-5 микрометров, а ширина трубок несколько десятков микрометров. Эксперименты показали, что эти параметры зависят от концентрации полимера в исходном растворе, скорости охлаждения и температуры затвердевания полимера. Кроме «чистой» искусственной древесины ученые также создали композиты с добавлением других материалов, таких как оксид графена, а также оксид и карбид кремния.

Ученые протестировали свойства искусственной древесины и сравнили их с настоящей. Для некоторых составов предел прочности на сжатие оказался равным 45 мегапаскалям, что сравнимо с некоторыми видами настоящей древесины. Вместе с тем, модуль упругости такого материала составляет до 700 мегапаскалей, что примерно на порядок меньше типичных значений для древесины. Также эксперименты показали, что месячная выдержка материала в воде или серной кислоте снижает его механические свойства, но не так сильно, как свойства древесины бальсы, с которой проводили аналогичный эксперимент. Кроме того, испытания показали, что искусственный материал обладает сравнимой теплопроводностью, но более огнестоек.

Некоторые ученые работают в другом направлении и разрабатывают методы создания более совершенных материалов на основе настоящей древесины. Например, в начале года американские исследователи описали метод повышения прочности древесины в 11,5 раз с помощью прессования и варки в щелочи. А другая группа ученых пересобрала волокна древесной целлюлозы в материал, который по своей прочности превосходит все известные биополимерные материалы, в том числе паучий шелк, а также многие сплавы, в том числе некоторые марки стали.

Григорий Копиев