Теплицы из прозрачной древесины: на пути к энергоэффективности

22.10.2020 Просмотры: 246

Вопросы экологичности и энергоэффективности – одни из самых важных среди тех, которые встают перед разработчиками новых строительных материалов. Это касается, в частности, материалов, используемых для остекления. Ведь не секрет, что через окна зачастую теряется значительная часть тепла. Особенно остро стоит эта проблема там, где требуются большие площади остекления: в тепличных хозяйствах, оранжереях, торговых и развлекательных центрах, бассейнах и т.д. Несколько лет назад поиски ученых привели к созданию прозрачной древесины, способной заменить обычное силикатное стекло, решив задачу потерь тепла. Усовершенствование перспективного материала продолжается.


О создании прозрачной древесины первыми сообщили в 2016 году исследователи из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция). Изобретенное шведскими учеными «деревянное» стекло – не что иное, как особая разновидность композитных материалов. Характерной чертой таких материалов является то, что их делают из двух и более компонентов, которые изначально обладают различным происхождением – органическим либо неорганическим, разными физическими и химическими свойствами и т.д. Когда эти компоненты объединяют, получается материал, зачастую совершенно не похожий на исходные. Причем, в отличие, например, от растворов, изначальные составляющие остаются неизменными или почти неизменными. 


Герб Шведского Королевского технологического института на новом композите - прозрачной древесине


Хотя само название этой группы материалов появилось в ХХ веке, сочетать различные материалы для получения новых свойств люди научились давно. Например, саман, известный человечеству не меньше семи тысячелетий и состоящий из глины с наполнителями в виде соломы, мякины, навоза и т.п., – настоящий композит. В прошлом столетии бурное развитие науки и техники, в том числе – изобретение различных полимеров, привело к созданию новых многокомпонентных материалов, и сейчас их существует множество. Продолжается и работа, в результате которой появляются новые композиты.


Прозрачная древесина – материал, о котором мечтали поколения строителей. Ведь объединить теплоизоляционные свойства древесины, ее прочность с прозрачностью стекла означает избавиться от множества проблем. Небьющиеся окна, через которые не уходит тепло, – это же идеальное решение для строительства, особенно, в холодном климате. Современные изобретатели, наконец, вплотную подошли к решению этой задачи.


Шведские ученые, возглавляемые профессором Ларсом Берглундом, начали с того, что удалили из оболочек древесных клеток лигнин. Именно это вещество делает древесину непрозрачной. Впрочем, процесс делигнификации известен давно. Его применяют, например, при производстве бумаги. Но лигнин, наряду с целлюлозой, придает древесине прочность. Поэтому исследователям пришлось решить целый ряд технических задач, подобрать дополнительные материалы, прежде чем представить новый композит общественности. Причем, после первого сообщения об изобретении, еще три года понадобилось, чтобы оно превратилось в материал, пригодный для практического применения.


В состав нового композита, кроме делигнифицированной древесины, входит один из акриловых полимеров – полиметилметакрилат (ПММА). Несмотря на мудреное научное название, этот полимер широко известен даже людям, далеким от химии, – как оргстекло, плексиглас или просто акрил. Соединившись в одном материале, древесные волокна и оргстекло проявили новые свойства: у древесины изменился показатель преломления света, и композит стал практически прозрачным, но более прочным, чем ПММА. 


На следующем этапе в композит добавили полиэтиленгликоль (ПЭГ). Это вещество также довольно широко известно. Его применяют, например, в качестве криопротектора в составе стимуляторов роста растений, в медицине, косметике, при производстве растворителей и т.д. Причем, ПЭГ может существовать как в жидком, так и твердом и гелеобразном виде. Шведские ученые использовали интересное свойство этого полимера: твердый полиэтиленгликоль плавится при температуре 27оС, поглощая при этом энергию. При понижении температуры окружающей среды и застывании, он, напротив, высвобождает ее, выделяя тепло. Таким образом, содержащая его прозрачная древесина не просто обладает плохой теплопроводностью, а способна, при использовании в качестве оконного стекла, регулировать температуру внутри помещений, поглощая тепло в жаркое время суток и отдавая его с наступлением прохлады.


Прозрачная древесина, изобретенная шведскими учеными


Хотя новый материал очень перспективен, до его массового практического применения дело еще не дошло. Создатели композита считают, что он станет доступным для строителей примерно к 2024 году. А пока продолжается разработка технологии его промышленного производства, повышения экологичности и решается проблема дальнейшей утилизации. Например, делигнификация древесины проводится химическими методами, которые могут оказывать негативное влияние на окружающую среду. Поэтому идет поиск менее агрессивных способов удаления лигнина. Что касается утилизации использованного композита, то делигнифицированная древесина и ПЭГ – биоразлагаемые материалы, которые не нанесут вреда природе и человеку. Но вот о полиметилметакрилате этого сказать нельзя. Ученые признают существование проблем, поэтому работают над повышением безопасности производства и подыскивают более экологичную замену плексигласу. 


Над созданием прозрачной древесины работают не только в Европе. Не отстают от шведских ученых и китайские коллеги. Причем, они смогли разработать более эффективный и безопасный для окружающей среды метод делигнификации, который, к тому же, позволяет получить материал с повышенной прочностью. Благодаря этому отдельные листы китайского композита больше по площади и толщине, что расширяет возможности его использования. Предполагается, что, после освоения промышленного производства, новый материал станет востребованным, в первую очередь, в сельском хозяйстве для строительства теплиц. 


Образцы прозрачной древесины, созданной в Китае


Продолжается работа с прозрачной древесиной и в Америке. Статью об этом недавно опубликовал «Forest products laboratory» – ведущий исследовательский центр по изучению материалов из древесины, работающий под эгидой Министерства сельского хозяйства США. В частности, группа ученых описала свойства прозрачной древесины, делающие ее перспективной для использования в качестве оконного материала.


Исследователи отмечают, что 14% всей энергии, потребляемой в США, расходуется на поддержание комфортной температуры в зданиях. Причем, четверть этой энергии буквально выбрасывается на ветер, уходя из помещений через стеклянные окна в холодную погоду. Вызвано это низкой энергоэффективностью таких окон. Прозрачная древесина могла бы заменить силикатное стекло и сэкономить, таким образом, значительную часть энергии, расходуемой на отопление. Это, в свою очередь, принесло бы не только экономический эффект, но и способствовало уменьшению нагрузки на окружающую среду, связанной с производством тепловой энергии.


Ученые называют несколько характеристик прозрачной древесины как энергоэффективного оконного материала. Так, она имеет высокий оптический коэффициент пропускания – около 91%, что можно сравнить с обычным стеклом. При этом отмечается высокая прозрачность (матовость не превышает 15%). «Деревянное» стекло сложнее разбить: ударная вязкость нового композита в тысячу раз больше, чем у традиционного оконного стекла. Ожидаемо низкой оказалась у прозрачной древесины и теплопроводность: она в пять раз меньше, чем у обычного стекла.


Тепличные хозяйства нуждаются в энергоэффективных материалах


 Таким образом, исследования подтверждают, что новый композит вполне может заменить другие прозрачные материалы, используемые в строительстве, и даже превзойти их по ряду характеристик. Например, теплица из прозрачной древесины, содержащей ПЭГ, будет не только отличаться пониженными теплопотерями, но и сможет частично поддерживать микроклимат внутри самостоятельно, лишь за счет поглощения и выделения тепла композитом. А это даст производителю возможность сэкономить на отоплении, трудовых ресурсах и даже пересмотреть ассортимент выращиваемой продукции. Тем же, кто хочет иметь такую теплицу или хотя бы окна, остается только дождаться появления прозрачной древесины в продаже.