Древесина искусственная: Огнестойкая искусственная древесина — Мир технологий

Огнестойкая искусственная древесина — Мир технологий

Ранее мы уже писали о способе обработки древесины для ее прочности.

В августе 2018 года в журнале Science Advances опубликовали исследование китайских ученых, которые создали из полимера искусственную древесину. Она по своему составу очень похожа на настоящую, но имеет большую огнестойкость и более вынослива к воде и кислотам.

Дерево, благодаря своим свойствам, лидирует в плане доступных материалов из-за высокой прочности, возобновляемости, способности к биологическому разложению, отличной ударной вязкости, низкой плотности и хорошей теплопроводности, но имеет значительный минус в плане огнеупорности. Поэтому создание материала с аналогичными свойствами актуально и сейчас.

Ученые под руководством Шу-Хун Юй (Shu-Hong Yu) из Хэфэйской национальной лаборатории физических наук создали материал, что похож свойствами на натуральную древесину, но отличается составом. Вместо лингина (придает древесине хорошие механические свойства) использовали резольную смолу, с ее полифенольной структурой или меламинформальдегидную смолу.

Сам метод получение микрообразца описан в статье, если кратко, то берется смола (одна из двух), которая додается в водный раствор полимера (золи), некоторое количество хитозана и уксусной кислоты. Раствор помещается в форму с медным дном и охлаждается жидким азотом. Он застывает и в процессе происходит процесс самоорганизации полимеров в матрицу такой формы, которая аналогична лингиновой матрице древесины. Этот брусок потом помещают в вакуумную сушку, из него выходит вода, прокаливается при температуре не более 200 градусов Цельсия. В результате матрица полностью затвердевает.

С помощью сканирующего электронного микроскопа исследовали образец и его свойства оказались сходны древесине (толщина стенок матрицы – 3-5 микрометров, ширина – несколько десятков микрометров. Но эти параметры зависят от концентрации полимера в исходном растворе, скорости охлаждения и температуре затвердевания образца. Если варьировать эти данные можно получать разные характеристики.

Были созданы образцы искусственной древесины с добавлением графена, оксида и карбида кремния.

Дальнейшие исследования показали, что полученный материал имеет предел прочности на сжатие 45 мегапаскаль (некоторые виды древесины обладают такими показателями), модуль упругости – до 700 мегапаскалей (на порядок меньше настоящей древесины). После месяца выдержки полученного образца в воде или серной кислоте незначительно снизили свойства, в сравнении с древесиной бальсы (бальзовое дерево). Несколько уступает образец в теплопроводности, но более огнестоек.

Получение такого материала дает большие возможности в многих отраслях, поэтому будем надеяться, что исследования продолжаться и мир получит хороший материал.

(PDF) Изготовление опалубочных систем из пористой искусственной древесины

Инженерный вестник Дона, №4 (2017)

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4403

© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2017

Изготовление опалубочных систем из пористой искусственной

древесины

С. Г. Абрамян, О.В. Оганесян, А.С. Абраамян

Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: В статье отмечается необходимость применения композитных и

наноматериалов взамен натуральных, что связано с истощением мировых ресурсов,

увеличением загрязнения окружающей среды. В связи с этим рассматривается

возможность применения композитного материала – пористой искусственной древесины

(ПИД-IV), разработанного в Иркутском государственном техническом университете, для

разработки опалубочных систем, необходимых для усиления конструктивных элементов

прямоугольного сечения при реконструкции зданий и сооружений. Предлагается

опалубочная система, палуба которой выполнена из ПИД-IV. Далее с помощью

действующих нормативных документов выполнена проверка по прочности и обосновано

применение предлагаемой опалубки.

Ключевые слова: композитный материал, пористая искусственная древесина, палуба

опалубки, расчет, проверка на прочность.

Применение композитных материалов, заменяющих натуральную

древесину, периодически рассматривается в научных исследованиях, в том

числе и зарубежных [1–5]. В перечисленных работах отмечается, что

строительное производство является самым энергоемким производством, и

истощение мировых ресурсов, в том числе и лесных, увеличение загрязнения

окружающей среды, изменение климата диктуют совершенно другие условия

строительства объектов недвижимости за счет интегрированного подхода, в

частности применения композитных материалов и наноматериалов,

заменяющих натуральные, для достижения экологически чистой продукции с

нулевым уровнем выбросов.

Разработанная в Иркутском государственном техническом университете

пористая искусственная древесина ПИД-IV («ВИНИЗОЛ») [6] по некоторым

характеристикам [6, 7] мало отличается от натуральной древесины, но имеет

ряд преимуществ по сравнению с натуральной древесины и композитными

непористыми деревопластами — ДПК (WPC-Wood Plastics Composites). В

состав ДПК (древесно-полимерные композиты) в качестве наполнителей

Инженеры создали искусственную древесину, которой не страшен огонь // Смотрим

Древесина была и остаётся одним из самых распространённых строительных материалов в мире. При помощи новых технологий учёные улучшают её свойства, однако не могут решить главную проблему: древесина всё ещё боится огня. А вот её искусственный аналог, созданный китайскими химиками, получил суперспособность: ему не страшно даже открытое пламя.

Древесина была и остаётся одним из самых распространённых строительных материалов в мире. А новые технологии позволяют изменять её свойства и находить ей новые применения. Так, в Швеции создали прозрачную древесину, которая может заменить стекло, а также «древесные чернила» для 3D-печати целлюлозой.

Всё большую популярность приобретают древесно-полимерные композиты – материалы, в которых древесина смешивается с различными полимерами и химическими добавками, улучшающими свойства исходного природного продукта.

Однако все эти инновации не могли решить главную проблему: материал всё ещё боялся огня.

Наделить древесину новой суперспособностью смогли учёные Поднебесной. Команда из Хэфэйского национального исследовательского центра физических наук и Китайской академии наук создала искусственную древесину, которая имеет свойства обычной, но при этом является огнестойкой, сообщает журнал Science.

Исследователи поясняют, что одним из ключевых компонентов древесины является лигнин. Это сложное полимерное соединение, которое связывает крошечные кристаллы другого органического соединения – целлюлозы. В результате древесина приобретает характерную прочность.

Работая над созданием нового материала, специалисты решили заменить лигнин на его синтетический аналог — резольную смолу. Этот полимер имеет схожую с лигнином паутинообразную структуру.

Наблюдения показали, что это соединение так же, как и лигнин, связывает различные синтетические кристаллические зёрна. Другие свойства, например, цвет материала, можно «регулировать», добавляя те или иные зёрна.

В ходе изготовления нового материала в водный раствор добавляют резольную смолу, хитозан и уксусную кислоту. Раствор охлаждают при помощи жидкого азота, и, когда он застывает, запускается процесс самоорганизации полимеров: они выстраиваются в матрицу в виде связанных каналов. Примерно такую же формирует природный лигнин.

Затем полимерный криогель проходит вакуумную сушку, в ходе которой удаляется вода. Далее его нагревают до температур от 160 до 200 градусов Цельсия. В результате матрица затвердевает.

Экспериментальная проверка показала, что получившийся материал по прочности не уступает древесине, зато является более упругим и лучше сопротивляется сжатию.

Но, главное, ему не страшен огонь. Даже под воздействием открытого пламени искусственная древесина может лишь обуглиться (показано на главном фото).

Ещё одно важное преимущество: на создание синтетического аналога древесины уходит всего несколько часов.

Кстати, в своей работе, опубликованной в журнале Science Advances, авторы отмечают, что функциональность материала можно будет регулировать, добавляя в исходный полимерный раствор оксид графена.

Напомним, ранее авторы проекта «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) рассказывали о покрытии для ткани, которое пригодится пожарным: новое вещество делает ткань огнеупорной, а также отталкивающей воду.

Искусственная сушка древесины — вида, описание технологий

Известно множество различных способов сушки пиломатериалов, и каждый из них имеет преимущества. Например, при атмосферной материальные затраты минимальны. Требуется только время и место для хранения древесины. Но этот способ можно назвать естественным процессом.

Виды искусственной сушки

Для увеличения качества обработки и снижения временных затрат была придумана искусственная сушка древесины. При этом способов реализации достаточно большое количество. Практически все они позволяют достигать различных уровней влажности и практических качеств материала:

• Вакуумная сушка — один из самых эффективных методов. Позволяет получить пиломатериал высочайшего качества за 24 часа.
• Конвекционная сушка – самый доступный метод, позволяющий эффективно выводить влагу, но из-за неравномерности обдува горячим воздушным потоком или паром пиломатериал подвержен линейным изменениям, короблению и растрескиванию.
• Аэродинамическая сушка – эффективный метод посредством интенсивного обдува воздушным потоком, который дополнительно нагревает его специальным аэродинамическим вентилятором.
• ИК сушка – технология, при которой для прогрева пиломатериалов используются специальные ИК нагревательные пластины, равномерно прогревающие древесину по всей поверхности. Метод обеспечивает быстрое выведение воды, но со значительными энергозатратами.

Вакуумная сушка – эффективный метод удаления влаги до 6%, который заключается в равномерном прогреве пиломатериалов, посредством контактной технологии в вакуумной среде.

В вакууме влага высасывается из пор древесины, а при достижении 45 градусов закипает. Для нагрева требуется минимальное количество энергии. Например, при подключении твердотопливного котла для нагрева теплового агента, энергопотребление составит всего 1,5 кВт в час.

При этом достигнуть 12% окончательной влажности можно всего за 40 часов сушки. Брус сохнет около 3 дней с минимальным трещинообразованием, отличного качества. Если необходимо сэкономить, то данные вакуумные камеры – это идеальный вариант. Тем более их можно перевозить, практически без демонтажа, в любое необходимое место, снизив транспортные расходы.

Искусственная древесина. Какие бывают пороки древесины и их характеристики

Многие дизайнерские стили (французский, тосканский, винтаж, шебби-шик и другие) характеризуются наличием среди своих элементов антикварных изделий из дерева. Потертость краски, текстура старого дерева придают особый шарм интерьерам. В своем творчестве дизайнеры активно используют старинную мебель, стеновые панели, полы, лестницы, балки, колоны и прочий мелкий декор. Однако антиквариат стоит недешево, что сильно завышает стоимость проектов, а деревянные элементы из прошлого не отличаются прочностью и долговечностью. Для решения этих проблем появилось искусственное старение дерева, и осуществлять его можно даже своими руками.

Методы старения

Состарить деревянную поверхность можно несколькими способами. На выбор нужного метода старения влияет порода древесины, особенности дизайнерского стиля, наличие необходимых инструментов и материалов, профессиональные навыки и опыт. Наиболее распространены следующие виды искусственного старения натуральной древесины:

• химический способ;
• термическая обработка;
• старение древесины методом сухой кисти.

Химический метод

Для того, чтобы обрабатывать деревянные изделия таким методом необходимо иметь специальные химические реактивы, профессиональный инструмент, определенную квалификацию и знания. На поверхность деталей наносятся едкие вещества (кислоты, щелочи или медный купорос), после чего древесина меняет цвет, а мягкие волокна разрушаются. Сам процесс сопряжен с опасностью для здоровья и требует повышенных мер безопасности. Реализовать такое искусственное старение своими руками и в домашних условиях практически невозможно.

Метод термической обработки

Суть этого технологического процесса заключается в выжигании посредством открытого огня менее плотных слоев древесины. Состоит он из нескольких стадий:

• отжиг мягких волокон до получения нужной фактуры древесины;
• зачистка поверхности абразивными материалами;
• нанесение лака.

Для осуществления этого метода своими руками можно использовать вполне доступный инструмент – обычную паяльную лампу.

Браширование

Название этой техники произошло от английского слова «браш», что означает щетка. Основывается браширование на особенностях строения древесины, состоящей из твердых и мягких волокон, а сам процесс заключается в вычесывании из древесины мягких волокон при помощи металлической щетки и придании поверхности текстуры старого дерева. Браширование своими руками можно разбить на ряд последовательных этапов:

• механическая обработка древесины вдоль волокон;
• зачистка от стружек и ворса;
• глянцевание;
• нанесение морилки или патинирование;
• покрытие лаком.

Несмотря на то что инструмент для браширования кажется предельно простым, сам процесс является достаточно трудоемким. При использовании данного способа нанесения на деревянные изделия налета древности следует помнить, что брашированию не поддаются твердолиственные породы, а также сосна, тис и лиственница.

Искусственное старение древесины методом сухой кисти

Этот процесс тоже несложно выполнять своими руками, он применим к шкафам, столам, этажеркам, креслам и другим видам домашней мебели. Состоит он из нескольких стадий, причем не все из них обязательны.

1. Создание эффекта многолетней эксплуатации.

На этом этапе на поверхность мебели наносятся царапины, выбоины, сколы и вмятины. Для этого понадобится столярный инструмент и немного фантазии. Поскольку наносимые повреждения имеют невозвратимый характер, эту стадию старения дерева можно пропустить.

1. Окрашивание.

Для этого используется два варианта краски схожих оттенков. Вначале наносится один, а после высыхания – второй.

1. Обработка поверхности абразивными материалами или ошкуривание.

При помощи мелкой наждачной бумаги или песка стирается верхний слой краски. Делается это неравномерно, местами всего лишь до первого слоя, а местами до древесины. Важно достичь эффекта естественной потертости, поэтому особое внимание следует уделить кромкам и выступающим частям. После ошкуривания при помощи пылесоса убираются стружки и древесная пыль.

1. Нанесение краски сухой кистью.

На данной стадии важно подобрать правильный инструмент для нанесения краски. Лучше всего подойдет жесткая плоская кисть. К выбору краски также следует подойти ответственно. Она должна быть контрастной по отношению к ранее использованным оттенкам. Для светлой базы оптимальным вариантом будут темные оттенки коричневой или бардовой краски. Технология нанесения краски на поверхность в этом способе старения древесины самая сложная. Краска наносится своими руками практически сухой кистью, мазки должны выглядеть так, словно след от многочисленных щетинок. Пересечение мазков не допускается.

1. Затирание верхнего слоя.

Для этого используется салфетка из ткани, которой смазываются только что нанесенные мазки.

1. Покрытие поверхности лаком.

Лучше всего использовать прозрачный лак, который следует наносить в один или два слоя.

Существует еще несколько способов принудительного старения древесины своими руками, однако они не так эффективны и не всегда достигают желаемой цели.

Надо сказать, что старый – это не всегда плохой. Это не всегда означает, что предмет уже не годен, и его остаётся только выбросить. Например, в дизайне очень часто используют предметы, сделанные из древесины, которую искусственно старят. Таким образом создают интерьер, приближенный к старинной обстановке жилья. Возвращают нас, так сказать, к истокам. Изделия из древесины, которую искусственно состарили, могут создать в вашем доме неповторимый и прекрасный колорит прежних давно ушедших эпох.

Мебель из такой древесины прекрасно войдёт составной частью в любой интерьер, будь то дом или квартира, или, к примеру, офис. Хорошо она будет смотреться и в баре или кафе, даже на даче такая мебель будет на своём месте. Старину особенно подчеркнут кованые изделия или натуральная кожа, а также декоративный камень. Для того, чтобы , удаляют из неё мягкие ткани. В итоге древесина становится более рельефной, и фактура получается более выделенной. Процесс этот называется .
Древесина, обработанная с помощью браширования, приобретает благородный вид. Теперь на то, на что в естественных условиях уходили многие и многие годы, а то и столетия, уходит всего несколько часов. Всего несколько часов – и любой человек может стать обладателем изделия, ничем не отличимого от антикварной вещи.

Надо сказать, что вещи, изготовленные с помощью браширования, обладают одним несомненным преимуществом. На них не будут видны никакие царапины или потёртости, потому что в процессе изготовления состарившейся древесины на неё уже нанесены и потёртости, и царапины, и шероховатости.

Кроме того, что древесину искусственно старят, ей придают различные цвета и оттенки. Метод окрашивания искусственно состаренной древесины называется . Метод этот широко применяется при изготовлении мебели, сделанной под старину, т.е. из искусственно состаренного дерева. Чаще всего при окраске такой мебели используют краски или лаки, которые не только не скрывают, а, наоборот, подчёркивают древесную фактуру и придают ей естественный вид. Для этого используют прозрачные или светлые краски, лаки. Иногда применяют и цветные масла или краски. При применении прозрачных красящих материалов тон древесины практически не изменяется. В этом случае краску впитывают только поры. Этот метод придаёт дереву естественный вид и подчёркивает его рельеф и структуру. Такой метод называется . Этот метод к тому же служит и защитой древесины. Он делает её более прочной и надёжной.

Надо сказать, что состаренное дерево используется не только при производстве мебели. С помощью браширования изготовляют и напольные покрытия, например, отдельные виды паркета. Из этого материала делают и стеновые панели или обшивку для стен, а также потолков. Из него получают очень красивые подоконники. Идёт такая древесина и на изготовление полок для каминов, а также для изготовления багета картин или зеркал. Можно отметить также, что состаренное дерево применяют для изготовления всякого рода ограждений, а также беседок или садовых мостиков, ворот, калиток, наличников или обналички для дверей и окон. Делают из него балкончики, балконы и крылечки. Может применяться такое дерево и при устройстве детских площадок. То есть, как вы видите, состаренное дерево применяют в самых разных областях. Используют его при создании, как внутренних интерьеров, так и внешних.

Рассмотрим один маленький пример, как такое дерево может применяться в быту. В доме оно будет отлично смотреться рядом с деревянной или медной кухонной посудой. А если ещё и кухня будет облицована кафельной плиткой с орнаментом, стилизованным под старину, то такой дизайн будет действовать на вас успокаивающе и расслабляюще. Очень хорошим дополнением к такому интерьеру кухни будут кованые изделия и элементы. Они придадут вашему интерьеру законченный и оригинальный вид.

Мы не перечислили даже и десятой доли того, как можно использовать состаренную древесину. Возможно, что вы найдёте ей новое и неожиданное применение. Почему бы нет? Материал очень интересный. К тому же материал этот имеет естественное происхождение, а значит, экологически чистый. Можно смело его использовать при создании своего домашнего интерьера. Надо сказать, что дерево служит человеку уже много тысячелетий. Меняются эпохи, меняется мода, а дерево остаётся. Каким бы красивым и удобным не был созданный человеком искусственный материал, например, пластик или иной полимер, он всегда уступает дереву. Только дерево создаёт в жилище человека настоящее тепло, комфорт и уют. Впрочем, попробуйте сами. Приобретите мебель из состаренной древесины, сделайте декор из этого материала, и вы увидите, насколько спокойней и душевней станет в вашем доме.

Связанные статьи.

Натуральные материалы, такие как древесина, растительные волокна, шелк, кожа, кость и рог столетиями используются людьми. Все они, по сути дела, являются композитами, состоящими из тонкого волокна (наполнителя) и смолообразного связующего.

В отличие от искусственных природные композиты имеют значительно более тонкую и сложную структуру. Например, волос толщиной 0,1 миллиметр состоит из молекул белка, сгруппированных в cубмикрофибриллы, которые в свою очередь образуют микрофибриллы более крупного размера и так далее — всего шесть уровней организации.

По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений,. Древесина — это натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза. Связующим для этих волокон является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева — трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева, изображенная на схеме, придает древесине высокую прочность.

В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание волокон целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль волокон трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку. Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. Так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, то оно может быть воспроизведено для других материалов.

Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловолокна, пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки волокна составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.

Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловолокна с параллельно расположенными волокнами формовали рифленые поверхности так, чтобы волокна располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.

Механические испытания показали, что «искусственная древесина» при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.

Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками: устойчивостью к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью (например, дубинки), удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе волокон углерода, кевлара, стекловолокна или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой. В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация волокон в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов (снижение прочности в направлении, перпендикулярном направлению волокон), нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.

Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине «отверстий». При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.

Перспективы применения нового материала чрезвычайно широки. Это не только пуле- и ноженепробиваемая одежда, но и многие другие предметы, требующие особых свойств. Например, это могут быть мусорные урны и грузовые контейнеры для воздушных перевозок, куда террористы могут заложить бомбу, пуленепробиваемые стойки банковских и почтовых отделений, детали для бронированных автомобилей и бронетехники. Разработчики надеются также, что новый материал найдет применение для изготовления сверхпрочных самолетных крыльев, гоночных автомобилей и военных мостов.

Галина ЛЕВИТАН

Шелк, кожа, кость и рог столетиями используются людьми. По сути, все они являются композитами, состоящими из тонкого вол и смолообразного связующего. В отличие от искусственных природные композиты имеют значительно более тонкую и сложную структуру.

По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений.

Древесина есть натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза.

Связующим для этих вол является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева, трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева придает древесине высокую прочность.

В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание вол целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль вол трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку.

Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. А так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, оно может быть воспроизведено для других материалов.

Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловол , пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки вол составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.

Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловол с параллельно расположенными вол ми формовали рифленые поверхности так, чтобы вол располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.

Механические испытания показали, что искусственная древесина при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.

Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками, такими, как устойчивость к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью, удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе вол углерода, кевлара, стекловол или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой.

В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация вол в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов, нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.

Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине отверстий. При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.

Игорь ПРИВАЛОВ

Строительство и недвижимость

Устанавливая раму новой пристройки, настилая покрытие пола или создавая новую мебель, люди склонны использовать дерево как самый ходовой материал. Пиломатериалы, фанера и другие изделия, изготовленные из рационально заготовленной древесины, широко доступны и относительно дешевы. Тем не менее, во всех обычных изделиях из дерева существуют экологические издержки и конструкционные изъяны. И потому представляем ряд доступных и изобретательных альтернатив дереву, несущих в себе преимущества для окружающей среды, для проектов домашнего строительства и модернизации. (На фото слева двери и покрытие пола из бамбука.)

Пенька

Пенька – это быстрорастущая и экологически чистая сельскохозяйственная культура, которая создает больше пригодных для строительства древесных волокон на гектар, чем большинство деревьев и других культур. Она может использоваться вместо пиломатериалов и большого количества других изделий. К примеру, исследователи Вашингтонского государственного университета изобрели древесноволокнистую плиту средней плотности на основе пеньки, которая в два раза прочнее дерева.

Бамбук

Бамбук часто считается деревом, но эта трава является в действительности альтернативой дереву. Бамбук был назван самым полезным растением в мире (хотя сторонники пеньки могут поспорить с этим утверждением). Это быстрорастущее растение не менее прочно, чем некоторые медленнорастущие виды деревьев. Бамбук является ультрамодным (и в какой-то степени спорным) вариантом для покрытия пола. Он также используется для производства мебели и большого количества других строительных материалов.

Древесные композиты

По названию становится понятно, что композитные материалы включают в себя переработанный пластик и другие компоненты. По сравнению с пиломатериалами композиты являются более экологически чистым способом использования деревьев. Например, древесные плиты из композитных материалов могут изготавливаться из отходов древесины, оставшихся после обрабатывания твердой древесины. Композитные плиты и другие изделия имеют ряд других преимуществ перед твердой древесиной. Они фактически не нуждаются в отделке, покраске или обслуживании, и, кроме того, они очень долговечные.

Деревопласт

Еще одним увеличивающимся сегментом на рынке плит является по сути пластик – переработанный или нет – из композитов без использования древесных волокон. Как и покрытие из композитных плит, деревопласт не нуждается в обслуживании. Конечно, сложно придать пластику точно такой же вид, как у дерева, потому с эстетической точки зрения это не идеальная замена. Однако во многих случаях композиты и деревопласт становятся неплохой альтернативой твердому дереву.

Соя

Нет, вам не удастся построить стены из тофу, но соя культурная – это необычайно полезное растение, используемое для производства изоляционных материалов, основы ковров, растворителей и т.д. В то время как соевые волокна не станут заменителем древесины, они могут сделать обычные изделия из дерева безопаснее. Химические вещества на основе сои могут заменять потенциально опасный формальдегид, клеи и растворители.

Корковая пробка

Корковая пробка делается из коры, а не из сердцевины дерева. Кора восстанавливается достаточно быстро, и это означает, что корковая пробка более экологически рациональный продукт, чем многие обычные изделия из дерева. Это популярный материал для пола, активно распространяющийся и в других сферах строительства и модернизации.

Картон

Изделия из картона – это развлечение не только для детей. Некоторые альтернативы пиломатериалам делаются, в основном, из переработанного картона.

Газеты

Аналогично переработанные газеты используются для изготовления древесноволокнистых изделий для покрытия крыши и т.д. Например, компания Homasote из Нью-Джерси, США, заявляет о готовности перерабатывать до 250 тонн газет в день для производства строительных материалов.

Ореховая скорлупа

Maderon – это перерабатываемый испанский материал для изготовления мебели, сделанный, в основном, из перемолотой скорлупы миндаля, фундука и грецкого ореха. Скорлупа перемалывается до однородной массы и смешивается со смолой, из полученного материала отливаются стулья и другие предметы мебели.

Солома

Посмотрите внимательно на пиломатериалы. Волокна очень похожи на солому, а потому не очень сложно представить древесностружечные плиты из разных видов соломы, включая стебли пшеницы, овса и льна. Это вполне доступные и полезные альтернативы традиционным изделиям из прессованных древесных волокон.

Получение искусственной древесины. Искусственное состаривание дерева Искусственная древесина

Шелк, кожа, кость и рог столетиями используются людьми. По сути, все они являются композитами, состоящими из тонкого вол и смолообразного связующего. В отличие от искусственных природные композиты имеют значительно более тонкую и сложную структуру.

По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений.

Древесина есть натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза.

Связующим для этих вол является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева, трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева придает древесине высокую прочность.

В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание вол целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль вол трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку.

Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. А так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, оно может быть воспроизведено для других материалов.

Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловол , пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки вол составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.

Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловол с параллельно расположенными вол ми формовали рифленые поверхности так, чтобы вол располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.

Механические испытания показали, что искусственная древесина при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.

Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками, такими, как устойчивость к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью, удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе вол углерода, кевлара, стекловол или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой.

В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация вол в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов, нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.

Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине отверстий. При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.

Игорь ПРИВАЛОВ

Строительство и недвижимость

Многие дизайнерские стили (французский, тосканский, винтаж, шебби-шик и другие) характеризуются наличием среди своих элементов антикварных изделий из дерева. Потертость краски, текстура старого дерева придают особый шарм интерьерам. В своем творчестве дизайнеры активно используют старинную мебель, стеновые панели, полы, лестницы, балки, колоны и прочий мелкий декор. Однако антиквариат стоит недешево, что сильно завышает стоимость проектов, а деревянные элементы из прошлого не отличаются прочностью и долговечностью. Для решения этих проблем появилось искусственное старение дерева, и осуществлять его можно даже своими руками.

Методы старения

Состарить деревянную поверхность можно несколькими способами. На выбор нужного метода старения влияет порода древесины, особенности дизайнерского стиля, наличие необходимых инструментов и материалов, профессиональные навыки и опыт. Наиболее распространены следующие виды искусственного старения натуральной древесины:

• химический способ;
• термическая обработка;
• старение древесины методом сухой кисти.

Химический метод

Для того, чтобы обрабатывать деревянные изделия таким методом необходимо иметь специальные химические реактивы, профессиональный инструмент, определенную квалификацию и знания. На поверхность деталей наносятся едкие вещества (кислоты, щелочи или медный купорос), после чего древесина меняет цвет, а мягкие волокна разрушаются. Сам процесс сопряжен с опасностью для здоровья и требует повышенных мер безопасности. Реализовать такое искусственное старение своими руками и в домашних условиях практически невозможно.

Метод термической обработки

Суть этого технологического процесса заключается в выжигании посредством открытого огня менее плотных слоев древесины. Состоит он из нескольких стадий:

• отжиг мягких волокон до получения нужной фактуры древесины;
• зачистка поверхности абразивными материалами;
• нанесение лака.

Для осуществления этого метода своими руками можно использовать вполне доступный инструмент – обычную паяльную лампу.

Браширование

Название этой техники произошло от английского слова «браш», что означает щетка. Основывается браширование на особенностях строения древесины, состоящей из твердых и мягких волокон, а сам процесс заключается в вычесывании из древесины мягких волокон при помощи металлической щетки и придании поверхности текстуры старого дерева. Браширование своими руками можно разбить на ряд последовательных этапов:

• механическая обработка древесины вдоль волокон;
• зачистка от стружек и ворса;
• глянцевание;
• нанесение морилки или патинирование;
• покрытие лаком.

Несмотря на то что инструмент для браширования кажется предельно простым, сам процесс является достаточно трудоемким. При использовании данного способа нанесения на деревянные изделия налета древности следует помнить, что брашированию не поддаются твердолиственные породы, а также сосна, тис и лиственница.

Искусственное старение древесины методом сухой кисти

Этот процесс тоже несложно выполнять своими руками, он применим к шкафам, столам, этажеркам, креслам и другим видам домашней мебели. Состоит он из нескольких стадий, причем не все из них обязательны.

1. Создание эффекта многолетней эксплуатации.

На этом этапе на поверхность мебели наносятся царапины, выбоины, сколы и вмятины. Для этого понадобится столярный инструмент и немного фантазии. Поскольку наносимые повреждения имеют невозвратимый характер, эту стадию старения дерева можно пропустить.

1. Окрашивание.

Для этого используется два варианта краски схожих оттенков. Вначале наносится один, а после высыхания – второй.

1. Обработка поверхности абразивными материалами или ошкуривание.

При помощи мелкой наждачной бумаги или песка стирается верхний слой краски. Делается это неравномерно, местами всего лишь до первого слоя, а местами до древесины. Важно достичь эффекта естественной потертости, поэтому особое внимание следует уделить кромкам и выступающим частям. После ошкуривания при помощи пылесоса убираются стружки и древесная пыль.

1. Нанесение краски сухой кистью.

На данной стадии важно подобрать правильный инструмент для нанесения краски. Лучше всего подойдет жесткая плоская кисть. К выбору краски также следует подойти ответственно. Она должна быть контрастной по отношению к ранее использованным оттенкам. Для светлой базы оптимальным вариантом будут темные оттенки коричневой или бардовой краски. Технология нанесения краски на поверхность в этом способе старения древесины самая сложная. Краска наносится своими руками практически сухой кистью, мазки должны выглядеть так, словно след от многочисленных щетинок. Пересечение мазков не допускается.

1. Затирание верхнего слоя.

Для этого используется салфетка из ткани, которой смазываются только что нанесенные мазки.

1. Покрытие поверхности лаком.

Лучше всего использовать прозрачный лак, который следует наносить в один или два слоя.

Существует еще несколько способов принудительного старения древесины своими руками, однако они не так эффективны и не всегда достигают желаемой цели.

Устанавливая раму новой пристройки, настилая покрытие пола или создавая новую мебель, люди склонны использовать дерево как самый ходовой материал. Пиломатериалы, фанера и другие изделия, изготовленные из рационально заготовленной древесины, широко доступны и относительно дешевы. Тем не менее, во всех обычных изделиях из дерева существуют экологические издержки и конструкционные изъяны. И потому представляем ряд доступных и изобретательных альтернатив дереву, несущих в себе преимущества для окружающей среды, для проектов домашнего строительства и модернизации. (На фото слева двери и покрытие пола из бамбука.)

Пенька

Пенька – это быстрорастущая и экологически чистая сельскохозяйственная культура, которая создает больше пригодных для строительства древесных волокон на гектар, чем большинство деревьев и других культур. Она может использоваться вместо пиломатериалов и большого количества других изделий. К примеру, исследователи Вашингтонского государственного университета изобрели древесноволокнистую плиту средней плотности на основе пеньки, которая в два раза прочнее дерева.

Бамбук

Бамбук часто считается деревом, но эта трава является в действительности альтернативой дереву. Бамбук был назван самым полезным растением в мире (хотя сторонники пеньки могут поспорить с этим утверждением). Это быстрорастущее растение не менее прочно, чем некоторые медленнорастущие виды деревьев. Бамбук является ультрамодным (и в какой-то степени спорным) вариантом для покрытия пола. Он также используется для производства мебели и большого количества других строительных материалов.

Древесные композиты

По названию становится понятно, что композитные материалы включают в себя переработанный пластик и другие компоненты. По сравнению с пиломатериалами композиты являются более экологически чистым способом использования деревьев. Например, древесные плиты из композитных материалов могут изготавливаться из отходов древесины, оставшихся после обрабатывания твердой древесины. Композитные плиты и другие изделия имеют ряд других преимуществ перед твердой древесиной. Они фактически не нуждаются в отделке, покраске или обслуживании, и, кроме того, они очень долговечные.

Деревопласт

Еще одним увеличивающимся сегментом на рынке плит является по сути пластик – переработанный или нет – из композитов без использования древесных волокон. Как и покрытие из композитных плит, деревопласт не нуждается в обслуживании. Конечно, сложно придать пластику точно такой же вид, как у дерева, потому с эстетической точки зрения это не идеальная замена. Однако во многих случаях композиты и деревопласт становятся неплохой альтернативой твердому дереву.

Соя

Нет, вам не удастся построить стены из тофу, но соя культурная – это необычайно полезное растение, используемое для производства изоляционных материалов, основы ковров, растворителей и т.д. В то время как соевые волокна не станут заменителем древесины, они могут сделать обычные изделия из дерева безопаснее. Химические вещества на основе сои могут заменять потенциально опасный формальдегид, клеи и растворители.

Корковая пробка

Корковая пробка делается из коры, а не из сердцевины дерева. Кора восстанавливается достаточно быстро, и это означает, что корковая пробка более экологически рациональный продукт, чем многие обычные изделия из дерева. Это популярный материал для пола, активно распространяющийся и в других сферах строительства и модернизации.

Картон

Изделия из картона – это развлечение не только для детей. Некоторые альтернативы пиломатериалам делаются, в основном, из переработанного картона.

Газеты

Аналогично переработанные газеты используются для изготовления древесноволокнистых изделий для покрытия крыши и т.д. Например, компания Homasote из Нью-Джерси, США, заявляет о готовности перерабатывать до 250 тонн газет в день для производства строительных материалов.

Ореховая скорлупа

Maderon – это перерабатываемый испанский материал для изготовления мебели, сделанный, в основном, из перемолотой скорлупы миндаля, фундука и грецкого ореха. Скорлупа перемалывается до однородной массы и смешивается со смолой, из полученного материала отливаются стулья и другие предметы мебели.

Солома

Посмотрите внимательно на пиломатериалы. Волокна очень похожи на солому, а потому не очень сложно представить древесностружечные плиты из разных видов соломы, включая стебли пшеницы, овса и льна. Это вполне доступные и полезные альтернативы традиционным изделиям из прессованных древесных волокон.

Сен — 28
2015

Древесина-популярный строительный материал

Красивый вид древесины
-это за всегда популярный строительный материал или декор акцент.

Функции, такие как рустик потолочные балки, теперь возвращается в стиль после долгого перерыва. Однако, естественная твердая древесина
, очаровательна, но не всегда самый практичный или доступный вариант.

Взять хороший долгий взгляд на новый искусственный лес – он является лучшим выбором для вашего пола, полы, декоративные балки или панели проекта.

Вот интересный научный факт искусственной древесины: что большинство людей думают,что качества «фальшивки» содержит высокий процент натурального дерева, обычно в виде вторичного пре-потребительских отходов. Это может быть удивительно но она является экологичным типом альтернативы.

Настил

Наиболее распространенный вид искусственного дерева используется в качестве напольного покрытия одним из них является ламинат. Он состоит из нескольких слоев, в том числе защиту от влаги на нижней поверхности, слоем из переработанного деревянного волокна, шпон твердой древесины и меламиновой отделкой сверху.

Ламинат имеет довольно много преимуществ. Стоит он существенно меньше, чем древесина
лиственных пород, что делает его экономичным для Вашего бюджета.

Палубы и перила

Искусственная древесина
на открытом воздухе жилых помещений, таких как палубы, балконы и перила, дешевле и проще в установке, чем обычные дерево. Тяжелее-носить и дольше, стоит выдерживает тепла и холода, а также дождя и других форм осадков. И, конечно, это не аппетитно для термитов как натуральное дерево. 🙂

Декоративные потолочные балки

Потолочные балки возвращаются в моду из далекого прошлого. Эти декоративные штрихи, вместе с камином. каминные доски, сайдинг и наружные стены или потолка, опалубка, позволяют придать вашему дому вид бревенчатой хижины или Шекспира фахверковые дома эпохи Тюдоров.

Искусственным деревом, можно имитировать различные высококлассные виды пиломатериалов.

Искусственные деревянные балки
и панели недорогие, легко поднимать и устанавливать. Они могут быть разрезаны с помощью простой ножовки; также могут быть окрашены на любой вкус.

Недостатком этого типа имитации дерева является то, что они, как правило, сделаны из винила или полиуретана. Они были плохо зарекамендованы в прошлом, за их склонность к отходящему газу, ставя под угрозу качество воздуха в помещении и вызывая проблемы со здоровьем, такие как затруднение дыхания и т.д.

Натуральные материалы, такие как древесина, растительные волокна, шелк, кожа, кость и рог столетиями используются людьми. Все они, по сути дела, являются композитами, состоящими из тонкого волокна (наполнителя) и смолообразного связующего.

В отличие от искусственных природные композиты имеют значительно более тонкую и сложную структуру. Например, волос толщиной 0,1 миллиметр состоит из молекул белка, сгруппированных в cубмикрофибриллы, которые в свою очередь образуют микрофибриллы более крупного размера и так далее — всего шесть уровней организации.

По многим характеристикам натуральные материалы превосходят свои искусственные аналоги. Интересное исследование было проведено в Центре биомиметики при университете британского города Рединг. Долговременное исследование природных материалов имело целью детальное изучение их микроструктуры, что позволило бы значительно улучшить качество искусственных композитов в случае, если будет найдена возможность воспроизвести строение натуральных материалов. В течение 20 лет в лабораториях Редингского университета проводились исследования механических характеристик древесины и других лигнинсодержащих растений,. Древесина — это натуральный композит, в структуре которого можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, фибриллярный, клеточный и макроскопический. Основным химическим компонентом древесины является целлюлоза, молекула которой в свою очередь состоит из множества соединенных цепочкой молекул сахара. Эти молекулы сгруппированы в микрофибриллы, содержащие различное количество молекул на основе сахара, таких как гемицеллюлоза. Связующим для этих волокон является фенольный полимер лигнин. Целлюлозные фибриллы образуют стенки клеток дерева — трубчатые структуры диаметром 0,1 миллиметра и длиной в несколько миллиметров. Сложная трубчатая структура клеток дерева, изображенная на схеме, придает древесине высокую прочность.

В строении клеток дерева наблюдается четко различимая спиральная структура. Прочность на разрыв как мягких, так и твердых сортов древесины примерно в 10 раз выше, чем рассчитанная исходя из предположения, что при растяжении происходит вытягивание волокон целлюлозы из смолистого связующего. В действительности при растяжении образца древесины вдоль волокон трубчатые структуры эластично растягиваются, в стенках клеток образуются зазоры между витками спирали, но сами молекулы целлюлозы остаются целыми и выдерживают нагрузку. Изобразить этот процесс можно, растягивая свитую спиралью полоску бумаги или соломинку. Клетки дерева способны растягиваться на величину до 20 процентов. Это и придает дереву прочность. Так как это повышение прочности определяется не химическим составом, а структурными параметрами, то оно может быть воспроизведено для других материалов.

Первоначально при попытках воспроизведения строения древесины использовались цилиндрические трубки, изготовленные из спирально навитого стекловолокна, пропитанного термоотверждающейся смолой. Максимальная прочность на разрыв достигалась тогда, когда угол навивки волокна составлял 15 градусов к продольной оси древесной клетки.

Более легкой и дешевой оказалась другая технология, позаимствованная из производства рифленого картона. Из пропитанных смолой листов стекловолокна с параллельно расположенными волокнами формовали рифленые поверхности так, чтобы волокна располагались под углом 15 градусов к ребрам рифления. Затем отформованные листы складывались стопкой один на один, таким образом имитировались длинные пустотелые клетки древесины со спирально расположенными молекулами целлюлозы.

Механические испытания показали, что «искусственная древесина» при нагрузках ведет себя подобно настоящей и сочетает высокую ударопрочность, прочность на разрыв и малый вес. Искусственное дерево, как показали измерения, является самым прочным из известных искусственных материалов.

Результаты данного исследования дают возможность создать материалы, обладающие заданными прочностными характеристиками: устойчивостью к удару массивного тела, движущегося с малой скоростью (например, дубинки), удару ножа, а также пуленепробиваемостью. Рифленые композитные панели могут быть изготовлены на основе волокон углерода, кевлара, стекловолокна или их смеси, пропитанных эпоксидной смолой. В эксперименте исследовались панели с витой и параллельной структурой волокон. Ориентация волокон в определенном направлении, приводящая к различным прочностным показателям по разным осям образцов (снижение прочности в направлении, перпендикулярном направлению волокон), нейтрализовалась склеиванием панелей между собой подобно фанере.

Прочностные характеристики получаемого композита зависят от угла расположения волокон, размера рифления и толщины листа по отношению к величине «отверстий». При ударе происходят распределение энергии на большой площади и ее поглощение. Прочность материала после удара существенно не снижается, возможно его многократное использование.

Перспективы применения нового материала чрезвычайно широки. Это не только пуле- и ноженепробиваемая одежда, но и многие другие предметы, требующие особых свойств. Например, это могут быть мусорные урны и грузовые контейнеры для воздушных перевозок, куда террористы могут заложить бомбу, пуленепробиваемые стойки банковских и почтовых отделений, детали для бронированных автомобилей и бронетехники. Разработчики надеются также, что новый материал найдет применение для изготовления сверхпрочных самолетных крыльев, гоночных автомобилей и военных мостов.

Галина ЛЕВИТАН

Естественная и искусственная сушка древесины пиломатериалов

Естественная и искусственная сушка пиломатериалов — одно из основных мероприятий, проведение которого обеспечивает значительное удлинение срока службы и повышение качества деревянных изделий и конструкций. Однако лесопильные и деревообрабатывающие предприятия не имеют необходимого лесосушильного хозяйства и на лесозаводах высушивается не более 15—20% из общего объема вырабатываемых пиломатериалов, в то время как в зарубежных странах сушке подвергается 75—85% пиломатериалов.

Наряду с увеличением сроков службы сушка пиломатериалов значительно снижает расходы на транспортирование их к месту потребления. 1 м³ высушенных пиломатериалов на 300— 400 кг легче влажных за счет удаления влаги. При средней дальности перевозки древесины по железной дороге, равной 1200 км, и стоимости 1 ткм перевозки 0,4 коп. экономия от сушки при транспортировании составит около 1 р. 50 к. на 1 м³ пиломатериалов.

При производстве строительных изделий и конструкций (в зависимости от назначения последних) влажность древесины не должна превышать 12—18%. Достигается это путем естественной и искусственной сушки древесины. Если сушка пиломатериалов производится на открытом воздухе (в штабелях на открытых лесных складах), то ее называют естественной, или воздушной; сушка в специальных камерах при высоких температурах и многократном обмене воздуха называется искусственной, или камерной сушкой.

Целесообразно применять комбинированную сушку пиломатериалов, при которой путем естественной сушки производится предварительная подсушка до 20—22%, после чего пиломатериалы в зависимости от назначения досушиваются в сушильных камерах до требуемой влажности (8—12%).

При воздушной сушке температура, влажность, скорость и направление воздуха зависят от времени года, географических и климатических условий, которые совершенно не поддаются регулированию или внешнему воздействию. В результате для воздушной сушки требуются большие сроки и запасы пиломатериалов. Стоимость воздушной сушки определяется складскими расходами и, как правило, ниже стоимости камерной сушки, при которой значительная часть расходов складывается из. стоимости пара и электроэнергии, требующихся в значительных количествах.

Организация процесса воздушной сушки зависит от породы и размеров высушиваемого пиломатериала, климатических условий данного района, погоды и времени года. Так как все эти факторы беспрерывно подвергаются изменениям, то нельзя создать общих правил сушки пиломатериалов.

Поэтому для установления сроков воздушной сушки вся территория СССР условно разбита на четыре зоны:

1-я зона —Архангельская, Мурманская, Вологодская, Кировская, Пермская, Свердловская, Сахалинская области, северная часть Западной и Восточной Сибири и Коми АССР;

2-я зона — Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская и Псковская области;

3-я зона — Латвийская, Литовская, Белорусская и Эстонская ССР, Смоленская, Калининградская, Московская, Калининская, Орловская, Тульская, Рязанская, Ивановская, Ярославская, Горьковская, Челябинская, Брянская, Владимирская, Калужская и Костромская области, южная часть Западной и Восточной Сибири, Чувашская, Марийская, Мордовская, Татарская, Башкирская и Удмуртская АССР.

4-я зона — Украинская ССР, Молдавская ССР, Курская, Астраханская, Куйбышевская,    Саратовская,    Волгоградская, Оренбургская, Воронежская, Тамбовская, Пензенская, Ростовская и Ульяновская области, Северный Кавказ и Закавказье. На основании исследований Архангельского лесотехнического института (Н. П. Федышин) и УкрнииМОДа сроки просыхания сосновых свежевыпиленных пиломатериалов до транспортной влажности (22%) применительно к приведенным выше климатическим зонам определяются данными, приведенными в  таблице.

Сроки воздушной сушки древесины

В таблице указаны сроки просыхания штабелей высотой до 6 м из пакетов шириной 1—1,1 м, выложенных в соответствии с требованиями ГОСТ 3808—62. Для пакетных штабелей высотой 7—9 м и для рядовых штабелей они соответственно увеличиваются на 10%; для елового и пихтового пиломатериала — сокращаются примерно на 10%.

Приведенные сроки просыхания древесины ориентировочные, но ввиду отсутствия более точных данных по отдельным климатическим зонам они могут быть использованы в практике хранения пиломатериалов.

Пиломатериалы для воздушной сушки укладываются в штабеля со шпациями (промежутки между досками), которые образуют вертикальные воздушные каналы для движения воздуха внутри штабелей.

Ширина крайних шпаций в зависимости от климатических условий неодинакова (табл. 34).

Ширина шпаций должна постепенно увеличиваться от краев к середине штабеля и в середине штабеля быть в 3 раза больше крайней шпации.

Ширина крайних шпаций при укладке пиломатериалов

Между рядами досок укладывают прокладки, которые имеют два назначения: первое и основное — обеспечивать доступ воздуха внутрь штабеля в объеме, необходимом и достаточном для высушивания находящегося в штабеле пиломатериала, и второе — обеспечить взаимную связь между досками и устойчивость штабеля в целом.

Прокладки укладывают таким образом, чтобы все кромки их лежали в одной вертикальной плоскости, проходящей через соответствующий фундаментный брус. Смещение прокладок может вызвать деформацию хранящихся в штабеле досок.

Оптимальная толщина и ширина прокладок 25×100 мм, но для этих целей могут быть использованы и доски, укладываемые в штабель.

Чтобы обеспечить максимальный обмен воздуха, предохранить пиломатериалы от загнивания и придать штабелю устойчивость, склады воздушной сушки пиломатериалов оборудуют специальными основаниями, которые состоят из брусьев, уложенных параллельно друг другу на бетонных или кирпичных столбах высотой 70 см. Размер и количество фундаментных столбов и брусьев зависят от размера и высоты штабеля, который при современных средствах механизации лесных складов может достигать 10—12 м.

Для защиты находящихся в штабелях пиломатериалов от дождя, снега и солнца их закрывают крышами из специальных инвентарных щитов или же нескрепляемых между собой досок. Расположение штабелей пиломатериалов и круглого леса в плане при разной емкости складов регламентируется противопожарными нормами.

Искусственная или камерная сушка в отличие от естественной (воздушной) дает возможность регулировать температуру, скорость и объем горячего воздуха, являющегося агентом сушки. Отсюда возможность значительного сокращения сроков сушки и получения пиломатериалов с заданной влажностью.

Мощность сушильных камер определяется в кубических метрах условных пиломатериалов: сосновые обрезные доски толщиной 50, шириной 150 мм и длиной более I м с начальной влажностью 60 и конечной 12%. Средняя продолжительность искусственной сушки сосны составляет 1 сутки на каждый 1 см толщины доски. Коэффициент продолжительности сушки пиломатериалов других пород составляет: сосна и кедр 1, ель и пихта 0,9; береза 1,6, бук и лиственница 2,4, дуб 4,6.

При применении высокотемпературной сушки и сушки с форсированными режимами сроки сушки соответственно снижаются на 25—30%.

Эта синтетическая древесина такая же прочная, как настоящая, и не воспламеняется | Наука

Страна:
Страна * AfghanistanAland IslandsAlbaniaAlgeriaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBolivia, многонациональное государство ofBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика theCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland острова (Мальвинские )Фарерские островаФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные ТерриторииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГваделупаГватемалаГернсиГвинеяГвинея-БисауГайанаГаитиОстров Херд и МакДональда IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran, Исламская Республика ofIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea, Корейская Народно-Демократическая Республика ofKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народная Демократическая RepublicLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Арабская JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedonia, бывшая югославская Республика ofMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalestinianPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalQatarReunionRomaniaRussian FederationRWANDASaint BarthélemySaint Елены, Вознесения и Тристан-да-КуньяСент-Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Мартен (французская часть)Сен-Пьер и МикелонСент-Винсент и ГренадиныСэм oaSan MarinoSao Том и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Маартен (Голландская часть) SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Джорджия и Южные Сандвичевы IslandsSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwanTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабского EmiratesUnited KingdomUnited StatesUruguayUzbekistanVanuatuVenezuela, Боливарианская Республика ofVietnamVirgin остров, BritishWallis и ФутунаЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабве

Пожертвовать сейчас

Поддержите некоммерческую научную журналистику

Если мы чему-то и научились во время пандемии COVID-19, так это тому, что мы не можем ждать реакции кризиса. Science и AAAS неустанно работают над предоставлением достоверной, основанной на фактических данных информации о последних научных исследованиях и политике, с обширным бесплатным освещением пандемии. Ваш не облагаемый налогом вклад играет решающую роль в поддержании этих усилий.

Раскрытие информации о благотворительности

Масштабируемый новый метод изготовления искусственной древесины из синтетических смол- Новости технологий, Firstpost

Индо-азиатская служба новостей 13 августа 2018 г. 13:32:08 IST

Китайские ученые разработали новую стратегию для больших масштабное изготовление искусственной древесины на основе биотехнологий, обладающей легкими и высокопрочными свойствами при механической прочности, сравнимой с натуральной древесиной.

В исследовании , опубликованном в пятницу в журнале Science Advances , описаны высокоэффективные полимерные материалы с древесноподобной ячеистой микроструктурой.

Исследовательская группа под руководством Ю Шухонга из Университета науки и технологии Китая (USTC) преобразовала традиционные фенольные и меламиновые смолы в искусственные древесноподобные материалы путем самосборки и процесса термоотверждения, сообщает Синьхуа .

Их стратегия предоставила новый путь для производства и разработки широкого спектра высокоэффективных биомиметических инженерных композитных материалов с желаемыми многочисленными функциями и преимуществами по сравнению с традиционными аналогами, имеющими широкий потенциал применения во многих технических областях.

Моделирование модельных биологических структур, воспроизведенных в исследовании. Изображение: Публикация в Science Advances

Жидкие термореактивные смолы были сначала «однонаправленно» заморожены для получения «зеленого тела» с ячеистой структурой, с последующим термоотверждением для получения искусственной полимерной древесины. Они хорошо контролируются по размеру пор и толщине стенки.

Начиная с водного раствора, эта стратегия также представляла собой экологичный подход к изготовлению многофункциональной искусственной древесины путем компоновки различных наноматериалов, таких как целлюлоза , нановолокна и оксид графена, согласно исследованию.

По сравнению с натуральной древесиной искусственная древесина обладает лучшей коррозионной стойкостью к воде и кислоте без снижения механических свойств. Также они обладают лучшей теплоизоляцией и огнестойкостью.

Искусственная полимерная древесина отличается от других конструкционных материалов, таких как ячеистые керамические материалы и аэрогели, удельной прочностью и теплоизоляционными свойствами.

Являясь разновидностью материалов биомиметической инженерии , это новое семейство биополимерных пород дерева должно заменить натуральное дерево при использовании в суровых условиях, сказал Ю.

Композитная древесина VS.

Натуральное дерево, что лучше для дома?

Вы ищете новую колоду? Вам кажется, что в вашем доме чего-то не хватает? Колода — отличный способ! Независимо от того, заменяете ли вы новую или добавляете террасу в свой дом, она становится частью вашего дома, и важно выбрать правильные материалы для использования. Выбор того, из каких материалов будет построена ваша колода, является одним из первых вещей, которые нужно решить.У вас есть два основных варианта; композитная древесина или натуральная древесина.

Композитная древесина Отличие

Чтобы решить, какой из них лучше подходит для вас и вашего дома, вам необходимо рассмотреть четыре вещи;

• Сколько технического обслуживания и ремонта вы готовы делать в будущем
• Срок службы различных материалов
• Внешний вид вашей колоды
• Стоимость различных материалов палубы.

При выборе натуральной древесины вам необходимо каждый год окрашивать и герметизировать террасу. Композитный настил требует меньше ухода, чем натуральный древесный материал. Композитную древесину необходимо чистить, но не нужно окрашивать, как натуральную древесину.

Чтобы оценить срок службы различных материалов, вы должны оценить, что деревянные настилы могут треснуть и расколоться от погодных условий, а также могут получить больше повреждений от воды и гниения, если за ними не ухаживать должным образом. Для ремонта деревянные настилы можно окрашивать и при необходимости заменять. Композитные настилы не трескаются и не раскалываются, но могут выцветать и деформироваться.Они также имеют склонность к царапинам и пятнам. Для ремонта композитных колод можно заменить поцарапанные, деформированные или выцветшие детали.

Композитная древесина или деревянный настил, что выбрать

Очень важно выбрать, какой внешний вид вы хотите, чтобы ваша колода и дом имели. Композитные материалы для настила выглядят как дерево и меньше отличаются по внешнему виду, чем натуральное дерево. Он не поддается окрашиванию, и если он выцветает, его нужно будет заменить, а не окрашивать. Терраса из натурального дерева более привлекательна и может повысить ценность вашей собственности.Есть много пятен и типов на выбор, чем композитные материалы для настила, и их можно повторно окрашивать, когда цвет начинает исчезать, не нужно заменять.

Окончательное решение — стоимость; Натуральная древесина, как правило, дешевле, чем композитные материалы для настила.

Это решение будет зависеть от предпочтений и того, что лучше подходит для вас и вашего дома, у обоих типов есть свои плюсы и минусы. Что бы вы ни решили, у вас, вашей семьи и гостей будет прекрасная терраса на долгие годы, и мы можем построить ее для вас!

Размещено в: Майлз Брэдли

Теги: строительная палуба, композитный палубный материал, композитный настил, настилочный материал, колоды, Майлз Брэдли, натуральное дерево

Настил из искусственной древесины — Композитный настил Sedona TruOrganics

В. Из чего состоит композит TruOrganics®?
A. TruOrganics® производится из запатентованного состава, состоящего на 60 % из вторичного древесного волокна и на 40 % из переработанного полиэтилена высокой плотности, такого как бутылки для моющих средств и пакеты из-под молока. Каждая планка дополнительно защищена четырехсторонним защитным экраном ProFormance™. Этот сверхпрочный состав в сочетании с натуральными цветами и текстурой дерева дает композитную палубу, которая может похвастаться как красотой, так и прочностью.

В. Что такое HDPE?
A. Полиэтилен высокой плотности (HDPE) имеет сверхвысокое отношение прочности к плотности и является одним из наиболее часто используемых пластиков, который обычно используется в более жестких продуктах, таких как молочные галлоны, чашки и бутылки с водой.Его прочность действует как барьер против влаги и противостоит насекомым, гниению и другим химическим веществам. Легко поддающийся вторичной переработке и не содержащий вредных выбросов, использование ПЭВП приводит к получению террасных досок, которые являются более прочными, сверхпрочными и более устойчивыми, чем композиты с пластиками, отличными от ПЭВП.

В. Как чистить и обслуживать свою колоду?
О. Настил Cali Bamboo разработан так, чтобы выдерживать ежедневный износ при проживании на открытом воздухе, но мы рекомендуем чистить террасу не реже двух раз в год, чтобы удалить пыльцу, органический мусор, грязь или пятна.Метла или подметальная машина работают лучше, чем шланг, и являются гораздо более экологичным методом уборки. Если вы обнаружите скопившуюся грязь или копоть, используйте воду с мылом и чистящую щетку и просто смойте водой. Дополнительную информацию можно найти на странице «Уход и техническое обслуживание».

В. Можно ли мыть террасную доску Cali Bamboo под давлением?
A. Только профессионалам рекомендуется использовать мойку высокого давления с широкими насадками вентилятора при низком давлении. Если все сделано неправильно, экстремально концентрированное высокое давление повредит любой композитный материал настила.Будьте осторожны и проконсультируйтесь с профессионалом, так как неправильное использование может привести к повреждению или потере гарантии.

В. Не повредит ли настилу Cali Bamboo тепло от гриля или костра?
A. Обычно нет, но капающий жир может оставить пятна, поэтому рекомендуется подложить под гриль коврик. Неправильно установленные противопожарные устройства и ямы для костра могут привести к повреждению из-за прямого воздействия пламени или чрезмерного излучаемого тепла. Соблюдайте надлежащую осторожность при проектировании, установке и использовании функций пожарной безопасности.

В. Какая вентиляция требуется под палубой?
A. Убедитесь, что под декой имеется достаточный и беспрепятственный поток воздуха, чтобы предотвратить чрезмерное поглощение воды. Улучшите дренаж или выровняйте плоские участки, где может скапливаться стоячая вода. Для палуб с ограниченной вентиляцией требуется шесть дюймов чистой вентиляции.

В. Можно ли укладывать террасную доску Cali Bamboo непосредственно на бетонное патио?
A. В идеале все изделия для настила должны иметь минимальное расстояние 6 дюймов (15 см) между нижней частью основания/балки настила и землей. Конструкция настила должна обеспечивать беспрепятственный поток воздуха по крайней мере под половиной его периметра, чтобы обеспечить достаточную вентиляцию.

Синтетический настил – преимущества и недостатки искусственного дерева

Сахар или кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы? Хлопок или полиэстер? Дерево или синтетическая альтернатива? Ясно, что у оригинальных материалов и их искусственных имитаций есть свои плюсы и минусы, но когда дело доходит до выбора материала палубы, лучше ли использовать все натуральное или лучше встать на сторону технического прогресса? Мы в Garuda Decks специализируемся на строительстве открытых дворов, и мы собрали некоторые из наиболее заметных преимуществ и недостатков строительства из синтетической древесины.Вот некоторые из наших выводов.

Фон

Синтетическая древесина была растущим рынком за последнее десятилетие и предлагает некоторые значительные преимущества по сравнению с натуральной древесиной, однако до недавнего времени было очень ограниченное разнообразие цветов и стилей синтетических настилов, что отпугивало многих строителей, которые искали заменитель дерева. В настоящее время существует более 60 различных марок синтетических настилов, каждая из которых имеет собственную коллекцию схем, цветов и узоров, имитирующих древесину.

Плюсы

Вот некоторые из потенциальных преимуществ отказа от натуральных материалов в пользу синтетики

Устойчивость к атмосферным воздействиям – синтетические настилы устойчивы к атмосферным воздействиям, не подвержены воздействию плесени, грибка или дождя. Из-за водонепроницаемости синтетики погода не влияет на стабильность и не ухудшает общее качество колоды.

Техническое обслуживание – Синтетические настилы не только устойчивы к атмосферным воздействиям, но и просты в уходе. Уборка очень проста, так как палубу можно просто промыть из шланга, а поскольку она не сделана из дерева, термиты и другие насекомые, живущие в деревянных жилищах, никогда не будут проблемой.

Установка – Синтетические настилы легко монтируются с помощью обычных электроинструментов, что упрощает процесс сборки настила.

«Зеленый» . Многие синтетические настилы изготавливаются из переработанного пластика и являются экологически чистой альтернативой древесине.

Разновидность – Как упоминалось ранее, существует более 60 марок синтетического настила, каждая из которых имеет множество индивидуальных коллекций. Кроме того, существует множество доступных материалов, таких как композиты на основе полиэтилена, композиты на основе полипропилена, бездревесные пластмассы, продукты на основе летучей золы и многое другое.

Минусы

Стоимость – Синтетический настил все еще примерно в 3-5 раз дороже, чем обработанная под давлением древесина.

Look – Никто не может отрицать, что, хотя существует множество пластиковых колод с рисунком под дерево, ни одна из них на самом деле не похожа на деревянную. Возможно, на расстоянии и не скажешь, но вблизи нельзя отрицать, что искусственная древесина – это именно… подделка.

Метизы – Поскольку синтетический настил намного плотнее и примерно в два раза тяжелее дерева, метизы, связанные с синтетическим материалом, более прочные и приспособленные к синтетическим настилам.Это не обязательно проблема, но это конкретное отличие от традиционных материалов палубы.

Доступность — Хотя синтетические колоды становятся все более доступными, синтетические колоды представлены в различных вариантах, с небольшим постоянством по всей стране. Хотя вы можете найти материал палубы, который вам больше всего нравится, нет гарантии, что он будет постоянно находиться на складе в количестве, необходимом для вашего продукта.

Долговечность . Поскольку синтетический настил является относительно новым, до сих пор не принято решение о его долговечности.Мы видели, как деревянные колоды легко служат более 40 лет, но мы пока не можем сказать то же самое о синтетических материалах. Синтетика, как правило, почти в 2 раза тяжелее дерева, но мы также видели, что древесно-пластиковые композиты становятся более гибкими в условиях высоких температур.

В Garuda Custom Decks, Inc. мы проектируем и строим нестандартные дворовые конструкции, включая террасы, веранды, беседки, беседки и многое другое. Если вы рассматриваете новую структуру для вашего отдыха, проконсультируйтесь с нашими специалистами по настилу, чтобы узнать, какие материалы могут подойти для ваших конкретных потребностей.Свяжитесь с нами сегодня, заполнив форму на нашей веб-странице, или позвоните нам по телефону (919) 460-8802.

Хороши ли искусственные пожарные бревна?

В: Я купил свой первый дом с камином и не знаю, какие дрова использовать. Хороши ли искусственные дрова? Любые советы будут оценены.

Java-Log от Pine Mountain

Java-Log горит дольше всех, самым лучшим пламенем и выделяет больше тепла, чем другие бревна, которые мы пробовали.

Варианты покупки

*На момент публикации цена составляла 32 доллара США.

A:  Хотя нет ничего лучше теплого, потрескивающего дров, чтобы сделать холодную зимнюю ночь уютной или добавить романтическую нотку к ужину, дрова могут быть неприятными в обслуживании и уборке после них. В зависимости от того, где вы живете, может быть трудно найти расколотые дрова по приемлемой цене. Искусственные дрова могут стать хорошей заменой дровам в каминах, если вы знаете о некоторых компромиссах.

Искусственные поленья для костра, сделанные в основном из опилок и воска, создают большую часть атмосферы настоящего дровяного огня с меньшими затратами труда.Только не жарьте на них каштаны. Фото: Грант Клаузер

Искусственные дрова — это, по сути, большие свечи. Большинство из них сделаны из постиндустриальных опилок, целлюлозы и восков. Поскольку дрова изготавливаются из переработанных материалов, они рекламируются как более экологичные, чем обычные бревна, и производят меньше выбросов, в том числе угарного газа. Производители утверждают, что при сжигании дров образуется на 80 процентов меньше мелких частиц и на 75 процентов меньше угарного газа, и независимые исследования (PDF) подтверждают эти утверждения.Тем не менее, дрова не производят столько одного из самых полезных побочных продуктов сжигания древесины: тепла.

На сайте Science 2.0 поясняется, что теплосодержание стандартной древесины из белого дуба составляет около 6 983 БТЕ на фунт, а теплосодержание 5-фунтового полена составляет от 12 000 до примерно 14 000 БТЕ на фунт. Загвоздка, однако, в том, что в соответствии с инструкциями производителя вы должны сжигать только один пожарный журнал за раз. Во время того же трехчасового сжигания дров вы можете использовать до 25 фунтов расколотых бревен, выделяя намного больше тепла на один огонь.Не рассчитывайте высушить мокрые варежки у искусственного дровяного огня.

Искусственные дрова выглядят уютно и тепло, но производят очень мало полезного тепла по сравнению с дровами. Фото: Grant Clauser

Основная привлекательность дров заключается в том, что они просты. Они зажигаются без суеты, стабильно горят в течение двух-трех часов, а когда они закончатся, вам останется лишь вымести небольшую кучку пепла. Дрова требуют постоянного внимания, и даже когда пламя погаснет, горячие угли могут тлеть часами. Когда дерево горит, оно может трещать и испускать искры, которые могут даже пройти сквозь ваш экран.Поленья не воспламеняются, и хотя они могут раскалываться при горении, в основном они просто лежат на одном месте, медленно разрушаясь. Дрова не производят запаха древесного огня, который нравится многим, а некоторые даже пахнут небольшим «химическим» запахом при горении, но большинство из них вообще не будут издавать никакого запаха, если ваш камин правильно вентилируется. (Совет: трубочист сказал мне, что для обеспечения хорошей тяги в дымоходе после того, как вы откроете заслонку, приоткройте на минуту дверь или окно в той же комнате, где находится камин, а затем зажгите огонь.)

Я опробовал различные популярные дрова, отметил их характеристики горения, измерил время их горения и отслеживал их температуру (поместив термометр в камин). Из шести опробованных нами моделей Java-Log от Pine Mountain давала лучшее пламя в течение большей части времени, а также горела примерно на 20 градусов теплее, чем большинство других опробованных нами поленьев. Как следует из названия, Java-Logs частично сделаны из переработанной кофейной гущи, и они действительно пахнут кофе до того, как сожжены.Однако пока они горели, я не заметил в доме никакого кофейного запаха, а снаружи стоял такой же бумажно-восковой запах, как и у всех остальных бревен. Пакет называет это трехчасовым журналом, но у меня почти четыре часа. Что мне особенно понравилось в Java, так это то, что пламя оставалось неизменно большим, от 6 до 8 дюймов, на протяжении всего горения, и пламя не просто поднималось вверх. Весь бревно было поглощено, что делало его более приятным для просмотра.

Приблизительно за ту же цену стандартное 5-фунтовое полено Duraflame горело в течение трех часов и в течение первого часа производило в основном пламя размером от 4 до 6 дюймов, но после этого пламя утихало до 3 дюймов.

Бревно Crackleflame от Duraflame предназначено для воспроизведения треска и треска натурального дерева, и в моем тесте это сработало, но только в течение первых 30–40 минут. Бревно сгорело чуть менее чем за два с половиной часа.

Неожиданный успех имел бюджетный журнал Everyday Essentials (собственный бренд Redner Supermarket, недоступен в Интернете). Это маленькое бревно, которое стоило всего 2,60 доллара, поначалу загоралось так неравномерно, что выглядело как Tootsie Roll с пламенем на каждом конце, но в конце концов все бревно загорелось, создавая пламя размером от 3 до 6 дюймов и продолжавшееся почти четыре часа.

Я надеялся, что полено Duraflame Gold, которое стоит в два раза дороже любого другого, даст более впечатляющий огонь. В первые 30 минут он горел с пламенем до 10 дюймов, но после этого он горел точно так же, как стандартный Duraflame, и сгорел всего за два часа. Он также пах больше химическими веществами, чем любой другой. После того, как пламя погасло, зола слиплась и тлела больше, чем другие бревна, а это значит, что вам нужно держать заслонку открытой дольше, чтобы предотвратить вонь в доме.

Для растопки не нужны ни растопка, ни стартер. Просто подожгите бумажную обертку там, где вас направят инструкции. Фото: Grant Clauser

Следует отметить, что время горения может варьироваться в зависимости от сквозняка в вашем камине. Больше воздушного потока означает более быстрое горение. Кроме того, если бревно раскалывается во время горения, большая часть бревна будет подвергаться воздействию пламени, что также означает, что оно сгорит быстрее.

Ни одно из этих поленьев не предназначено для приготовления пищи.Воск, который скрепляет их, сделает ваши зефиры или хот-доги как минимум странными на вкус и может вызвать у вас тошноту. Duraflame производит продукт под названием Roasting Log для использования в уличных каминах или кострах, и, хотя они одобрены для приготовления пищи, они не создают красивого пламени внутренних поленьев, и они не такие легкие и легкие. забудьте об этом, как внутренние пожарные бревна. Если я хочу приготовить смор или поджарить хот-дог на палочке, я использую дрова.

Если вы сжигаете настоящую древесину, вы можете отказаться от дорогих поджигателей и сделать их самостоятельно. Наполните стаканчики из старых бумажных коробок для яиц (не из пенопласта) сухим ворсом, затем налейте на него расплавленный воск (я использую воск прямо из ароматизированных свечей). Поместите две из них под растопку и зажгите их. Они будут гореть в течение 30 минут с пламенем, достаточно большим, чтобы зажечь остальные дрова.

Приводимые в движение жидкостью искусственные мышцы в стиле оригами | PNAS

Значение

Искусственные мышцы представляют собой гибкие исполнительные механизмы с возможностями, аналогичными или даже превосходящими возможности естественных мышц.Они широко используются во многих приложениях в качестве альтернативы более традиционным жестким электромагнитным двигателям. Многочисленные исследования сосредоточены на быстром проектировании и недорогом изготовлении искусственных мышц с индивидуальными характеристиками. Здесь мы представляем архитектуру жидкостных искусственных мышц с беспрецедентным соотношением производительности и стоимости. Эти искусственные мышцы можно запрограммировать не только на однократное сокращение, но и на сложную многоосевую активацию и даже на контролируемое движение с несколькими степенями свободы. Кроме того, для создания искусственных мышц с другими функциями, помимо основных функций, можно использовать широкий спектр материалов и процессов изготовления.

Abstract

Искусственные мышцы обещают безопасное и мощное приведение в действие множества распространенных машин и роботов. Однако проектирование, изготовление и внедрение искусственных мышц часто ограничены их материальными затратами, принципом работы, масштабируемостью и приводящими движениями с одной степенью свободы.Здесь мы предлагаем архитектуру для искусственных мышц, вдохновленных оригами, приводимых в движение жидкостью. Эта концепция требует только сжимаемого скелета, гибкой кожи и жидкой среды. Разработана механическая модель для объяснения взаимодействия трех компонентов. Вводится метод изготовления для быстрого изготовления недорогих искусственных мышц с использованием различных материалов и в различных масштабах. Искусственные мышцы можно запрограммировать на выполнение многоосевых движений, включая сокращение, сгибание и скручивание. Эти движения могут быть объединены в системы с несколькими степенями свободы, которые способны производить управляемые движения с разной скоростью. Наши искусственные мышцы могут приводиться в движение жидкостями при отрицательном давлении (относительно окружающего). Эта функция делает приведение в действие более безопасным, чем у большинства других искусственных мышц, работающих с избыточным давлением. Эксперименты показывают, что эти мышцы могут сокращаться более чем на 90% от их первоначальной длины, генерировать напряжения около 600 кПа и производить пиковую плотность мощности более 2 кВт/кг — все это равно или превышает естественные мышцы.Эта архитектура для искусственных мышц открывает двери для быстрого проектирования и недорогого изготовления приводных систем для многочисленных приложений в различных масштабах, от миниатюрных медицинских устройств до носимых роботизированных экзоскелетов и больших развертываемых структур для исследования космоса.

Искусственные мышцы (1, 2) — долгожданный класс приводов для применения в промышленных роботах, носимых устройствах и медицинских инструментах (3⇓⇓⇓⇓⇓⇓–10). Были предложены многочисленные методы преобразования, включая использование тепловой энергии, электрических полей и жидкостей под давлением.Сплавы с памятью формы (СПФ) могут генерировать большое сжимающее напряжение (> 200 МПа), когда они нагреваются выше их (твердофазной) температуры фазового перехода, но за счет гистерезиса и медленного времени цикла (11). Было продемонстрировано, что недорогие полимерные волокна, такие как скрученная леска и швейная нить, создают впечатляюще большие напряжения до 140 МПа (4,5% хода) и значительные растягивающие усилия до 49% (нагрузка 1 МПа). Подобно СМА, эта мышца на основе скрученных волокон приводится в действие термически; таким образом, его эффективность преобразования энергии низка (<2%) по сравнению с естественными мышцами (40%) (12).Электроактивные полимеры (ЭАП), как ионные (13), так и диэлектрические (14⇓–16), являются широко исследуемыми материалами для создания искусственных мышц благодаря их относительно высокой эффективности (≈30%), легкому весу и структурной податливости (модуль упругости < 1 МПа) (1, 17). Приводы на полимерной основе обладают свойствами материала, которые очень похожи на мышцы, и могут вызывать значительные деформации в присутствии внешнего электрического поля (18, 19). Однако часто требуется чрезвычайно высокое напряжение (обычно >1 кВ для приводов из диэлектрического эластомера) или герметичная герметизация (в случае ионного полимер-металлического композита) (13), что создает препятствия для практического применения.Гидрогели с электрическим приводом способны производить обратимую активацию в небольших масштабах (20), однако их реакция относительно медленная (от секунд до часов) по сравнению с другими искусственными мышцами (1, 21). Материалы с фазовым переходом (переходы как жидкость-газ, так и твердое тело-жидкость) использовались для создания эластомерных искусственных мышц с электрическим приводом (22, 23). Эти мышцы демонстрируют очень многообещающие характеристики с точки зрения высокого напряжения (до 900%) и высокого напряжения (до 29 МПа), в то время как их энергоэффективность аналогична SMA, а скорость их срабатывания относительно низкая.

Приводы с гидравлическим приводом являются наиболее широко используемыми искусственными мышцами из-за их простоты, большого напряжения и деформации при срабатывании, высокой энергоэффективности и низкой стоимости (24⇓⇓⇓–28). Актуатор Мак-Киббена является одним из самых популярных жидких искусственных мышц (29, 30). Линейное сокращение и большая сила могут быть получены, когда положительное давление жидкости прикладывается к мочевому пузырю внутри анизотропной внешней сетки. Этот вид искусственной мышцы может приводиться в движение либо пневматически, либо гидравлически.Однако требуется жидкость под высоким давлением (> 100 кПа), когда давление определяется свойствами составляющих материалов и требуемой силой и смещением. Связанные приводы, такие как моторы мешков (31) и мышцы Пеано (32, 33), имеют простую планарную архитектуру по сравнению со стандартным приводом McKibben. Эти искусственные мышцы могут генерировать как линейное сокращение, так и крутильное движение при относительно низком давлении воздуха (10 кПа). Коэффициенты сокращения этих мышц ограничены примерно 36% из-за цилиндрической геометрии их надутых мембран.Вакуумные пневматические структуры, вдохновленные мышцами (VAMP), представляют собой эластомерные приводы, которые демонстрируют такое же обратимое поведение и механические характеристики, что и естественные скелетные мышцы (34). Плоское линейное сжатие и крутильное движение могут быть созданы VAMP за счет коробления их эластомерных балок, вызванного отрицательным давлением (относительно окружающего). Работа с отрицательным давлением обеспечивает большую безопасность, компактность и надежность по сравнению с другими жидкостными искусственными мышцами, приводимыми в действие положительным давлением, однако максимальное напряжение срабатывания (65 кПа) и сокращение (45%), которые могут создавать VAMP, ограничены отрицательным давлением (вакуумом). ) и прочность на изгиб их эластомерных структур (35).

Несмотря на достигнутый значительный прогресс, остается давняя научная проблема разработки высокоэффективных искусственных мышц с недорогим изготовлением, сложным управлением, простотой эксплуатации и масштабируемой реализацией. Вдохновленные идеей складывания под давлением холодного газа (36), здесь мы предлагаем дизайн и методы изготовления архитектуры искусственных мышц, вдохновленных оригами (FOAM), приводимых в движение жидкостью. Эта архитектура позволяет нам программировать искусственные мышцы с многоосными сложными движениями, а также с контролируемыми движениями с разной скоростью.Эти искусственные мышцы быстрые, мощные и энергоэффективные, и их можно производить в различных масштабах с использованием различных материалов при очень низких затратах (рис. 1 A и B ).

Рис. 1.

Проектирование, изготовление и получение многомасштабных приводов. ( A ) Миниатюрные линейные приводы используют зигзагообразные структуры оригами из полиэфирэфиркетона (PEEK) в качестве каркаса и пленки ПВХ в качестве обшивки. Эти биосовместимые материалы делают приводы подходящими для медицинских и носимых устройств.( B ) Крупногабаритный высокомощный привод собран с использованием зигзагообразного каркаса, состоящего из нейлоновых пластин (ширина сгиба = 10 см). Кожа изготовлена ​​из нейлоновой ткани с покрытием из термопластичного полиуретана (ТПУ). Колесо автомобиля (диаметр ≈75 см, вес ≈22 кг) поднимается на 20 см за 30 с (Фильм S3). ( C ) Принцип действия приводов. Сокращение в основном обусловлено силой натяжения кожи. Эта сила создается разницей давлений между внутренней и внешней жидкостями.Удаление жидкости из привода временно снизит внутреннее давление. ( D ) Процесс изготовления. Стандартный привод можно быстро изготовить за три простых шага: (шаг 1) построение каркаса с использованием любого из нескольких методов, (этап 2) подготовка кожи и (этап 3) герметичное уплотнение.

Принцип работы и моделирование

Наша искусственная мышечная система состоит из трех основных компонентов: сжимаемой твердой скелетной структуры, гибкой непроницаемой для жидкости кожи и жидкой среды.В этой системе кожа запечатана как мешок, закрывающий внутренние компоненты. Жидкая среда заполняет внутреннее пространство между скелетом и кожей. В начальном состоянии равновесия давления внутренней жидкости и внешней жидкости равны. Однако по мере изменения объема внутренней жидкости достигается новое равновесие. Разница давлений между внутренней и внешней жидкостями вызывает натяжение гибкой кожи. Это напряжение будет действовать на скелет, вызывая трансформацию, регулируемую его структурной геометрией (рис.1 C и фильм S1).

Разработана упрощенная механическая модель для описания взаимодействия трех компонентов искусственной мышцы ( Приложение SI , рис. S1). В этой модели каждая структурная пустота в каркасе абстрагируется как две соединенные жесткие пластины/балки. Это соединение моделируется как пружина сжатия (жесткость: ks) для пустоты с двумя параллельными пластинами/балками. Если пустота имеет две шарнирные пластины/балки, то шарнир можно смоделировать как торсионную пружину или как две консольные пружины с начальным углом раскрытия и изгибной жесткостью ks.Кожа моделируется как невесомая, гибкая и нерастяжимая мембрана между двумя пластинами/балками, образующая цилиндрическую полость. Геометрия этой мембраны аппроксимируется параболической поверхностью, а удлинение кожи и деформация изгиба в этой модели не учитываются. Если внутреннее давление Pin ниже внешнего давления Pout (отрицательная разность давлений, ΔP<0), мембрана деформируется внутрь в сторону пустоты. Под напряжением пустота будет сжиматься. В этом исследовании мы сосредоточимся в первую очередь на искусственных мышцах, управляемых отрицательным давлением, из-за их большого коэффициента сокращения и простоты изготовления.Сила натяжения мембраны Т создается разностью давлений ΔP. Эта сила оценивается на основе закона Лапласа как T=ΔP×R×W, где R — радиус кривизны мембраны, а W — ширина полости. На основе нашей модели взаимодействие силы и сжатия пустоты можно предсказать, используя принцип виртуальной работы. Мы проверили эту модель, экспериментируя с группой линейных приводов зигзагообразного типа. Результаты показывают, что наша модель может предсказать выходную силу и свободное сокращение с максимальными ошибками ~ 7% и 11% (при ΔP = -70 кПа) соответственно. Детали теоретического моделирования и экспериментальной проверки описаны в SI Приложение . Учитывая эту точность предсказания, наша модель может быть использована для создания искусственных мышц с желаемой производительностью.

Метод изготовления и выбор материалов

Как показано на рис. 1 D и видеоролике S2, изготовление предлагаемых искусственных мышц состоит из трех основных этапов: создание деформируемой скелетной конструкции, подготовка внешней оболочки, а затем сборка и уплотнение.Каркас может представлять собой пружину, складчатую конструкцию наподобие оригами или любую прочную конструкцию с шарнирными или эластичными пустотами. Чтобы построить скелет с заданной конструкцией, можно использовать ряд различных методов изготовления, таких как 3D-печать, механическая обработка, литье, формование и даже ручное складывание. После того, как скелет и кожа подготовлены, скелет закрывается путем запечатывания кожи. Процесс герметизации зависит от материала кожи и может включать термопрессование, склеивание, сварку, застегивание молнии и шитье. Следует отметить, что если для приведения в действие искусственной мышцы используется положительное давление, то кожу необходимо фиксировать в определенных местах на скелете для создания натяжения, вызывающего деформацию скелета ( SI Приложение , рис. S3 A–C и фильм S4). В случае отрицательного давления этап фиксации кожи и скелета не требуется, так как кожа будет плотно прижата к поверхности скелета.

Используя этот метод изготовления, можно использовать широкий спектр материалов для создания искусственных мышц для конкретных применений, моделей деформации и требований к силе-смещению (рис.2, фильм S5 и Приложение SI , рис. S7). Материал, используемый для изготовления скелета, должен обладать определенной жесткостью, чтобы выдерживать осевую сжимающую силу от натяжения кожи. Хотя искусственная мышца все еще может работать даже после того, как ее скелет согнут, коэффициент сокращения и производство силы будут существенно снижены. Мы экспериментировали с двумя вакуумными мышцами с разной толщиной стенок их каркасов (1 мм и 3 мм соответственно). 20-процентное снижение заблокированной силы и 50-процентное уменьшение свободного сокращения наблюдались после того, как более тонкий скелет был прогнут при -70 кПа ( SI Приложение , рис.S4 A , D и G ). В случае дискретных складок шарниры каркаса должны быть податливыми, чтобы обеспечить желаемую структурную трансформацию. Для повторяемого срабатывания также требуется эластичность скелета, чтобы возвращать скелет к его исходной конфигурации после каждого срабатывания. Чтобы улучшить циркуляцию жидкости и избежать заклинивания, скелет должен иметь несколько каналов в своей структуре.

Рис. 2.

Линейные зигзагообразные приводы, изготовленные из различных материалов с использованием различных методов изготовления.( A ) Прозрачный привод поднимает прозрачную акриловую пластину. Материал каркаса (SkeM): прозрачный лист полиэстера толщиной 0,254 мм. Метод изготовления (FM): лазерная резка и ручная фальцовка. Материал обшивки (SkiM): 0,102 мм прозрачная пленка ПВХ (Винил). Рабочая жидкость (ТЖ): воздух. ( B ) Мягкий линейный привод хорошо сжимается, даже когда он заключен в металлическую гайку. SkeM: силиконовый каучук (M4601). ФМ: кастинг. SkiM: пленка ТПУ толщиной 0,24 мм. ДФ: воздух. ( C ) Водорастворимый привод с вакуумным приводом растворяется в горячей воде (≈ 70 °C) в течение 5 мин.SkeM: поливиниловый спирт (ПВС). ФМ: 3D-печать. SkiM: пленка ПВА 0,025 мм. ДФ: воздух. ( D ) Гидравлический привод с водяным насосом протягивает подводный объект на 3,5 см за 20 с. SkeM: нержавеющая сталь 0,254 мм (316). ФМ: ручное формование. SkiM: пленка ТПУ толщиной 0,24 мм. ДФ: вода.

В общем, кожа должна быть устойчива как к жидкостям внутри, так и снаружи кожи. Однако, чтобы продемонстрировать гибкость в выборе материалов для этих искусственных мышц, привод на основе ПВА можно полностью растворить в горячей воде (≈ 70 °C) в течение 5 минут (рис.2 C и фильм S5). Также требуется гибкость, чтобы можно было легко сгибаться во время приведения в действие. Идеальный нерастяжимый тонкопленочный материал позволяет избежать нежелательных деформаций растяжения и изгиба кожи при приложении давления. Такие деформации обшивки снижают производительность системы и затрудняют управление срабатыванием. В сравнении, показанном в SI, Приложение , рис. S4 F и I , линейный привод с оболочкой на основе ТПУ толщиной 0,24 мм (модуль растяжения: 25 МПа) создавал на ∼60 % меньшую сократительную силу по сравнению с использованием привода. с 0.Кожа из нейлоновой ткани толщиной 34 мм (модуль растяжения: 460 МПа). Необходимо поддерживать достаточную прочность на растяжение кожи, чтобы эффективно передавать силу натяжения, вызванную давлением жидкости. Кроме того, материал кожи должен поддаваться удобному способу герметизации.

Выбор жидкости зависит от рабочей среды и требований к производительности. Кроме того, жидкая среда должна быть совместима с материалами, используемыми в процессе изготовления скелета, кожи и герметизации. В нашем текущем исследовании мы фокусируемся на использовании доступной жидкости, окружающей искусственную мышцу.В этом случае внутренняя жидкость и внешняя жидкость однородны, хотя для искусственной мышцы также возможно использование другой внутренней жидкости. Как показано в приложении SI , рис. S3 D и фильме S5, груз массой 1 кг может быть легко поднят в воздухе цилиндрической мышцей с использованием воды в качестве внутренней жидкости (скорость потока: 80 мл/мин). Жидкость с низкой вязкостью идеальна для достижения быстрого и энергоэффективного срабатывания. Воздух является наиболее доступной жидкостью для изготовления легких искусственных мышц, а окружающая вода может непосредственно использоваться для приведения в действие в подводной среде (рис.2 D и фильм S5).

Для универсальных захватов (37, 38) и роботов с настройкой жесткости (39⇓–41) были успешно разработаны разнообразные заклинивающие механизмы. Подобные гранулированные материалы или слоистые структуры могут использоваться в FOAM для расширения функциональных возможностей настройки жесткости и манипулирования объектами (например, придание жесткости при захвате объекта). Это привлекательные характеристики, учитывая совместимость с концепцией FOAM как с точки зрения конструкций и материалов, так и с использованием отрицательного давления.

Programmable Motions

За счет программирования геометрии скелета можно реализовать различные движения ( Приложение SI , рис. S8 и фильм S6). Если предположить, что давление жидкости везде внутри кожи постоянно, трансформация формы скелета определяется комбинацией сокращений каждой отдельной структурной пустоты. Идентичные пустоты могут быть распределены по скелету с использованием различных механизмов для создания различных синхронных сокращений.Линейное сокращение на 90% может быть получено с помощью скелета оригами с использованием симметричной зигзагообразной геометрии (рис. 3 A ). Скелет, использующий стандартную схему оригами Миура-ори, способен генерировать двухмерное сокращение поверхности (коэффициент сжатия 92%) при применении вакуума (рис. 3 B ). Трехмерный скелет с использованием оригами в виде водяной бомбы может трансформировать сферическую структуру в цилиндрическую (коэффициент сжатия 91%) (рис. 3 C ). При асимметричном расположении полостей можно создать изгибающее движение на балочном каркасе (рис.3 Д ). Скелет-оригами-флэшер может генерировать вращение (> 90°) и сокращение на 54% одновременно с помощью одного источника вакуума (рис. 3 E ).

Рис. 3.

Различные основные движения срабатывания и программируемое псевдопоследовательное срабатывание с несколькими степенями свободы. ( A ) Линейный зигзагообразный привод длиной 19 см сжимается в сжатую структуру короче 2 см. Коэффициент сжатия 1D составляет ~90%. ( B ) Двухмерный скелет оригами с использованием шаблонов Миура-ори (площадь: 11×10 см ² ) может сжаться в плотную структуру в форме стержня (площадь: 9×1 см ² ).Коэффициент сжатия площади 2D приближается к 92%. ( C ) Трехмерное оригами в виде «волшебного шара», выполненное по образцу водяной бомбы (радиус: 3,5 см), сжимается в уплотненную цилиндрическую структуру (радиус: 0,9 см, высота: 6,5 см). Объем 3D уменьшается на 91% после этого сжатия. ( D ) Изгибающее движение может быть достигнуто за счет использования асимметричной балочной конструкции в качестве каркаса. ( E ) Используя шаблон оригами-мигалки в качестве скелета, привод поворачивается более чем на 90 градусов вокруг своего центра, а его двумерная поверхность сжимается на 54% одновременно.( F ) Сложные внеплоскостные движения, сочетающие скручивание и сжатие, можно запрограммировать с помощью 2D-шаблона оригами Миура-ори с некоторыми ослабленными складками. ( G ) Три пальца на роботизированной руке приводятся в действие с разной скоростью, используя единый регулятор внутреннего давления воздуха. Скелетная структура этой роботизированной руки напечатана на 3D-принтере из нейлона. Для этих трех пальцев предусмотрена различная прочность шарнира внутри структурных пустот, что приводит к значительно разной жесткости на изгиб: ks1(красный) ( H ) Бутылка с водой захватывается, поднимается и скручивается одноканальной роботизированной рукой с вакуумным приводом. Манипулятор имеет модульную структуру, включающую чашеобразный захват и цилиндрический подъемник. В качестве каркаса захвата используется оригами из полиэстера в виде магического шара, а в качестве каркаса подъемника используется гораздо более жесткая пружина сжатия (из нержавеющей стали 302). Когда внутреннее давление уменьшается плавно, движение захвата всегда начинается первым, а подъемные и скручивающие движения начинаются позже, когда внутреннее давление еще больше снижается.

В дополнение к программируемому расположению одинаковых полостей можно также использовать полости с разной жесткостью шарнира для достижения дифференциального сжатия. Этот принцип может генерировать асимметричные внеплоскостные движения. Например, двухмерный скелет оригами Миура-ори с некоторыми ослабленными шарнирами может реализовать сложное движение, сочетающее в себе как скручивание, так и сжатие (рис. 3 F ). Кроме того, если жесткость шарнира или соединения ks значительно различается, то искусственная мышца может генерировать контролируемое псевдопоследовательное движение (Фильм S6).Например, три пальца на роботизированной руке (рис. 3 G и СИ Приложение , рис. S8 G ), с отношением жесткости на изгиб ks1:ks2:ks3≈1:2:3, могут быть приводятся в действие с разной скоростью с помощью одного регулятора давления. Во втором примере манипулятор с пневматическим приводом может сначала захватить объект, а затем поднять и повернуть захваченный объект. Эта псевдопоследовательная многоосевая манипуляция достигается за счет одного управляющего давления. При этом пластиковый каркас захвата (полиэстер, модуль упругости ≈ 5 ГПа) гораздо более податлив, чем металлический каркас (нержавеющая сталь 302, модуль упругости ≈ 190 ГПа) в «руке» (рис.3 H и Приложение SI , рис. S8 H . Хотя это движение не является строго последовательным, мы считаем, что последовательное движение возможно, если реакция настроена на нелинейность, например, с использованием группы отдельных сквозных шарниров, интегрированных в скелет (42, 43).

Характеристика производительности

Мы охарактеризовали силу и характеристики сокращения предлагаемых искусственных мышц с помощью серии квазистатических экспериментов. Группа линейных зигзагообразных приводов с нейлоновой обшивкой была изготовлена ​​с различными углами сгиба их каркасов ( SI Приложение , рис.S1 E и S2 I ). Блокированная сила ~428 Н создавалась с использованием регулируемой подачи вакуума -90 кПа. Это указывает на то, что эта линейная искусственная мышца на основе нейлона может обеспечить напряжение срабатывания около 600 кПа (примерно в шесть раз больше, чем устойчивое напряжение скелетных мышц млекопитающих) (1). Пиковый коэффициент свободного сокращения составил ~50% без предварительного растяжения ( SI Приложение , рис. S2 I ). Максимальный коэффициент сжатия также зависит от толщины материалов каркаса, коэффициент сжатия более 90% возможен при использовании более тонкого зигзагообразного каркаса, как показано на рис. 3 А . Эффекты гистерезиса, наблюдаемые в наших экспериментах, были незначительными по сравнению с воздушным цилиндром ( SI Приложение , рис. S2 D и F ), улучшая управляемость при использовании мышц как источника силы или для управления смещения ( СИ Приложение , рис. S5 C и D ). Чтобы охарактеризовать динамические характеристики, включая удельную мощность, эффективность преобразования энергии и пропускную способность, мы провели группу экспериментов по поднятию тяжестей с использованием легкой искусственной мышцы на основе полиэстера (рис.4 A и фильм S7). Этот линейный привод длиной 10 см был изготовлен в течение 10 минут из материалов стоимостью менее 1 доллара США. Этот привод весит 2,6 г и может поднять объект весом 3 кг за 0,2 с, используя вакуум -80 кПа. Полоса пропускания управления этого привода без обратной связи составляла ∼1,1 Гц (при нагрузке 0,5 кг; см. Приложение SI , рис. S5 E ). Пиковая удельная выходная мощность, полученная в ходе наших экспериментов, составила более 2 кВт/кг (рис. 4 C и SI Приложение , рис. S6 E ; вес источника давления и связанной с ним сантехники не включены), более более чем в шесть раз превышает пиковую удельную мощность скелетных мышц млекопитающих (0.3 кВт/кг) (1). Эффективность преобразования механической энергии приводов в механическую составляла ~23% (нагрузка 1 кг, с пневматическим приводом) и 59% (нагрузка 0,5 кг, с гидравлическим приводом) в наших экспериментах по подъему груза ( SI Приложение , рис. S6). Д ). Однако эффективность преобразования электрической энергии в механическую составляла примерно от 2% до 5%, когда в системы были включены миниатюрные электрические вакуумные насосы ( SI Приложение , рис. S6 C ). Мы должны отметить, что приводы, используемые для характеристики, не были оптимизированы по силе, смещению, пропускной способности или энергии/мощности. Наш экспериментальный результат показывает, что предлагаемые искусственные мышцы мощные, быстрые и энергоэффективные.

Рис. 4.

Динамическая характеристика легкого привода. ( A ) Миниатюрный линейный зигзагообразный привод (вес ≈ 2,6 г, объем ≈ 32 см ³ ) и обычный шарик для пинг-понга (вес ≈ 2,5 г, объем ≈ 33,5 см ³ ). Привод в основном изготовлен из листов полиэстера (толщина каркаса: 0,254 мм; толщина обшивки: 0,038 мм). ( B ) Он может поднимать объекты на несколько порядков массивнее, используя отрицательное внутреннее давление воздуха (-80 кПа).( C и D ) Динамические характеристики в испытаниях на подъем груза. Привод может поднять груз массой 1 кг на высоту 5,5 см за 0,2 с ( C ). Это указывает на среднюю удельную мощность ~1,04 кВт/кг. Пиковая удельная мощность более 2 кВт/кг была получена во время испытаний на подъем груза весом 2 кг ( D ).

Выводы

В этом исследовании мы продемонстрировали концепцию FOAM. Эти мышцы можно легко изготовить из самых разных материалов, и они способны генерировать мощные, эффективные и программируемые многомерные срабатывания.Этот метод позволяет нам быстро программировать, изготавливать и внедрять исполнительные системы для очень специфических рабочих сред в различных масштабах, таких как активные метаматериалы (44), миниатюрные хирургические устройства (45, 46), носимые роботизированные экзоскелеты (47), трансформируемая архитектура, а также глубоководные манипуляции (48) и большие развертываемые конструкции для исследования космоса (49, 50). Использование отрицательного давления предлагает более безопасный способ приведения в действие FOAM по сравнению с искусственными мышцами, приводимыми в движение жидкостями под высоким давлением.Это многообещающая функция для будущих приложений в носимых устройствах и взаимодействии человека с роботом.

Материалы и методы

Силу блокировки и свободное сокращение определяли с помощью универсальной испытательной машины (Instron 5544A, Instron Corporation). Лазерный датчик смещения (LK-031 и LK-2001, Keyence Corporation) использовали для измерения деформации кожи ( SI Приложение , рис. S1 F и G ). Движение мышцы при подъеме груза записывалось камерой, а затем анализировалось (скорость и высота) с использованием программного обеспечения для анализа изображений в каждом тесте.Для резки тонколистовых скелетов использовался лазерный резак, а большинство других скелетов было построено на 3D-принтерах с использованием различных материалов (например, нейлона, ТПУ и т. д.). Для изготовления обшивки использовались различные тонколистовые материалы, такие как ТПУ, ПВХ, полиэстер и нейлоновая ткань с покрытием из ТПУ. Большинство обшивок были непосредственно запечатаны с помощью импульсного термосварочного аппарата (AIE-410FL, American International Electric, Inc.) с использованием надлежащего времени запайки для различных материалов обшивки ( SI, Приложение , Таблица S1).Более подробную информацию можно найти в SI Приложение .

Благодарности

Этот материал основан на работе, поддержанной премией Агентства передовых оборонных исследовательских проектов (FA8650-15-C-7548), наградами Национального научного фонда (IIS-1226075, IIS-1226883, CCF-1138967 и EFRI-1240383). ) и Институт биологической инженерии Висса. Любые мнения, выводы и заключения или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

Сноски

• Вклад авторов: С.Л., Д.Р. и Р.Дж.В. проектное исследование; С.Л., Д.М.В. и Р.Дж.В. проведенное исследование; С.Л., Д.М.В., Д.Р. и Р.Дж.В. проанализированные данные; и С.Л., Д.Р. и Р.Дж.В. написал бумагу.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья является прямой отправкой PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1713450114/-/DCSдоп.

  No related posts.