천연 목재와 금속은 수천 년 동안 인간을 위한 필수적인 건축 자재였습니다. 우리가 플라스틱이라고 부르는 합성 고분자는 20세기에 폭발적으로 발전한 최근 발명품입니다.
금속과 플라스틱 모두 산업 및 상업용으로 매우 적합한 특성을 가지고 있습니다. 금속은 강하고 단단하며 일반적으로 공기, 물, 열 및 지속적인 스트레스에 탄력적입니다. 그러나 더 많은 자원이 필요합니다(즉, 더 많은 비용이 듭니다). 플라스틱은 제품을 생산하고 정제합니다. 플라스틱은 질량이 덜 필요하면서도 금속의 기능 중 일부를 제공하며 생산 비용이 매우 저렴합니다. 플라스틱의 특성은 거의 모든 용도에 맞게 맞춤화할 수 있습니다. 그러나 값싼 상업용 플라스틱은 형편없는 구조용 재료가 됩니다. 좋은 일이고 아무도 플라스틱 집에 살고 싶어하지 않습니다. 게다가 그들은 종종 화석 연료로 정제됩니다.
일부 용도에서는 천연 목재가 금속 및 플라스틱과 경쟁할 수 있습니다. 대부분의 가정집은 목재 프레임 위에 지어졌습니다. 문제는 천연 목재가 너무 부드럽고 물에 의해 쉽게 손상되어 대부분의 경우 플라스틱과 금속을 대체할 수 없다는 것입니다. 최근 논문 Matter 저널에 게재된 논문에서는 이러한 한계를 극복하는 경화된 목재 재료의 생성에 대해 탐구합니다. 이 연구는 나무 칼과 못을 만드는 데 정점을 이루었습니다. 나무 칼은 얼마나 좋은가요? 곧 사용하게 되시나요?
목재의 섬유질 구조는 이론적으로 우수한 강도 특성을 지닌 천연 고분자인 셀룰로오스로 약 50% 구성되어 있습니다. 목재 구조의 나머지 절반은 주로 리그닌과 헤미셀룰로오스입니다. 셀룰로오스는 길고 질긴 섬유를 형성하여 목재에 천연 성분을 제공합니다. 강도, 헤미셀룰로오스는 응집력 있는 구조가 거의 없으므로 나무의 강도에 아무런 기여도 하지 않습니다. 리그닌은 셀룰로오스 섬유 사이의 빈 공간을 채우고 살아있는 목재에 유용한 작업을 수행합니다. 그러나 나무를 압축하고 셀룰로오스 섬유를 더 단단히 묶으려는 인간의 목적에 따라 리그닌은 방해.
본 연구에서는 천연목재를 4단계에 걸쳐 경화목재(HW)로 만들었습니다. 먼저 나무를 수산화나트륨과 황산나트륨에 끓여서 헤미셀룰로오스와 리그닌의 일부를 제거합니다. 이러한 화학적 처리 후에는 압착을 통해 목재의 밀도가 높아집니다. 실온에서 몇 시간 동안 프레스에 넣습니다. 이렇게 하면 목재의 자연적인 틈이나 기공이 줄어들고 인접한 셀룰로오스 섬유 사이의 화학적 결합이 향상됩니다. 다음으로 목재는 105°C(221°F)에서 몇 차례 더 가압됩니다. 몇 시간 동안 치밀화를 완료한 후 건조합니다. 마지막으로 목재를 미네랄 오일에 48시간 동안 담가서 완성품을 방수 처리합니다.
구조 재료의 기계적 특성 중 하나는 압입 경도입니다. 이는 힘으로 압착할 때 변형에 저항하는 능력을 측정한 것입니다. 다이아몬드는 강철보다 단단하고, 금보다 단단하고, 목재보다 단단하고, 패킹 폼보다 단단합니다. 보석학에 사용되는 모스 경도와 같이 경도를 결정하는 데 사용되는 테스트인 브리넬 테스트는 그 중 하나입니다. 개념은 간단합니다. 단단한 금속 볼 베어링을 특정 힘으로 테스트 표면에 밀어 넣습니다. 원형의 직경을 측정합니다. 공에 의해 생성된 압입. 브리넬 경도 값은 수학 공식을 사용하여 계산됩니다. 대략적으로 볼이 맞는 구멍이 클수록 재료가 부드러워집니다. 이 테스트에서 HW는 천연 목재보다 23배 더 단단합니다.
대부분의 처리되지 않은 천연 목재는 물을 흡수합니다. 이로 인해 목재가 팽창하고 결국 구조적 특성이 파괴될 수 있습니다. 저자는 HW의 내수성을 높이기 위해 이틀 동안 미네랄 담금을 사용하여 소수성을 더욱 강화했습니다(“물을 두려워함”). 소수성 테스트에는 표면에 물 한 방울을 떨어뜨리는 과정이 포함됩니다. 표면이 소수성이 클수록 물방울은 더 구형이 됩니다. 반면에 친수성(“물을 좋아하는”) 표면은 물방울을 편평하게 퍼뜨립니다. 물을 더 쉽게 흡수합니다. 따라서 미네랄 침지는 HW의 소수성을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 목재가 수분을 흡수하는 것을 방지합니다.
일부 엔지니어링 테스트에서 HW 칼은 금속 칼보다 약간 더 나은 성능을 보였습니다. 저자는 HW 칼이 시중에서 판매되는 칼보다 약 3배 더 날카롭다고 주장합니다. 그러나 이 흥미로운 결과에는 주의할 점이 있습니다. 연구원들은 테이블 칼을 비교하고 있습니다. 또는 우리가 버터 나이프라고 부르는 것입니다. 이것은 특별히 날카롭도록 의도되지 않았습니다. 저자는 칼이 스테이크를 자르는 비디오를 보여 주지만, 합리적으로 강한 성인은 아마도 금속 포크의 무딘 면을 사용하여 동일한 스테이크를자를 수 있을 것입니다. 스테이크 칼이 훨씬 더 잘 작동할 것 같아요.
못은 어떻습니까?단 하나의 HW 못을 두들겨 세 개의 널빤지 더미로 쉽게 만들 수 있는 것 같습니다. 하지만 철 못에 비해 상대적으로 쉽기 때문에 상세하지는 않습니다. 나무못은 널빤지를 함께 고정하여 찢어지는 힘에 저항할 수 있습니다. 그러나 테스트에서 두 경우 모두 못이 파손되기 전에 보드가 파손되었으므로 더 강한 못이 노출되지 않았습니다.
HW 못은 다른 면에서 더 좋습니까? 나무못은 더 가볍지만 구조물의 무게는 주로 구조물을 고정하는 못의 질량에 의해 좌우되지 않습니다. 나무못은 녹슬지 않습니다. 그러나 물이나 물에 영향을 받지 않습니다. 생분해.
저자가 천연 목재보다 목재를 더 강하게 만드는 공정을 개발했다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 특정 작업에 대한 하드웨어의 유용성은 추가 연구가 필요합니다. 플라스틱만큼 저렴하고 자원이 적을 수 있습니까? 더 강한 목재와 경쟁할 수 있습니까? , 더 매력적이고 무한히 재사용 가능한 금속 물체? 그들의 연구는 흥미로운 질문을 제기합니다. 지속적인 엔지니어링(그리고 궁극적으로 시장)이 이에 답할 것입니다.
게시 시간: 2022년 4월 13일
