Теплиці з прозорої деревини: на шляху до енергоефективності

22.10.2020 Перегляди: 16

Питання екологічності та енергоефективності – одні з найважливіших серед тих, які постають перед розробниками нових будівельних матеріалів. Це стосується, зокрема, матеріалів, які використовують для скління. Адже не секрет, що через вікна найчастіше втрачається значна частина тепла. Особливо гостро стоїть ця проблема там, де потрібні великі площі засклених поверхонь: в тепличних господарствах, оранжереях, торгових і розважальних центрах, басейнах і т. ін. Кілька років тому пошуки вчених привели до створення прозорої деревини, здатної замінити звичайне силікатне скло, вирішивши питання втрат тепла. Удосконалення перспективного матеріалу триває.


Про створення прозорої деревини першими повідомили в 2016 році дослідники з Королівського технологічного інституту (Стокгольм, Швеція). Винайдене шведськими вченими «дерев’яне» скло – не що інше, як особливий різновид композитних матеріалів. Характерною рисою таких матеріалів є те, що їх роблять з двох і більше компонентів, які мають різне походження – органічне або неорганічне, різні фізичні й хімічні властивості тощо. Коли ці компоненти об’єднують, отримують матеріал, найчастіше зовсім не схожий на вихідні. Причому, на відміну, наприклад, від розчинів, первинні складові залишаються незмінними або майже незмінними.


Герб Шведского Королевского технологического института на новом композите - прозрачной древесине


Хоча сама назва цієї групи матеріалів з’явилося в ХХ столітті, поєднувати різні складові для отримання нових властивостей люди навчилися давно. Наприклад, саман, відомий людству не менше семи тисячоліть, який складається з глини з наповнювачами у вигляді соломи, полови, гною, тощо, – справжній композит. У минулому столітті бурхливий розвиток науки і техніки, в тому числі – винайдення різних полімерів, призвів до створення нових багатокомпонентних матеріалів, і зараз їх існує безліч. Триває і робота, в результаті якої з’являються нові композити.


Прозора деревина – матеріал, про який мріяли покоління будівельників. Адже об’єднати теплоізоляційні властивості деревини, її міцність з прозорістю скла означає позбутися безлічі проблем. Вікна, які важко розбити, і через які не втрачається тепло, – це ідеальне рішення для будівництва, особливо, в холодному кліматі. Сучасні винахідники, нарешті, впритул підійшли до вирішення цього завдання.


Шведські вчені, очолювані професором Ларсом Берглундом, почали з того, що видалили з оболонок деревних клітин лігнін. Саме ця речовина робить деревину непрозорою. Втім, процес делігніфікування відомий давно. Його застосовують, наприклад, при виробництві паперу. Але лігнін, поряд з целюлозою, надає деревині міцність. Тому дослідникам довелося вирішити цілий ряд технічних завдань, підібрати додаткові матеріали, перш ніж представити новий композит широкому загалу. Причому, після першого повідомлення про винахід ще три роки знадобилося, щоб він перетворився на матеріал, придатний для практичного застосування.


До складу нового композиту, крім делігніфікованої деревини, входить один з акрилових полімерів – поліметилметакрилат (ПММА). Незважаючи на складну наукову назву, цей полімер широко відомий навіть людям, далеким від хімії, – як оргскло, плексиглас або просто акрил. З’єднані в одному матеріалі, деревні волокна і оргскло проявили нові властивості: у деревини змінився показник заломлення світла, і композит став практично прозорим, але більш міцним, ніж ПММА.


На наступному етапі до композиту додали поліетиленгліколь (ПЕГ). Ця речовина також досить широко відома. Її застосовують, наприклад, в якості кріопротектора в складі стимуляторів росту рослин, в медицині, косметиці, у виробництві розчинників тощо. Причому, ПЕГ може існувати як в рідкому, так і твердому стані, а також у вигляді гелю. Шведські вчені використали цікаву властивість цього полімеру: твердий поліетиленгліколь плавиться за температури 27°С, поглинаючи при цьому енергію. При зниженні температури навколишнього середовища і застиганні, він, навпаки, вивільняє її, виділяючи тепло. Таким чином, прозора деревина, яка має його в своєму складі, не лише погано проводить тепло, а здатна, при використанні в якості віконного скла, регулювати температуру всередині приміщень, поглинаючи тепло в спекотні години доби і віддаючи його з настанням прохолоди.


Прозрачная древесина, изобретенная шведскими учеными


Хоча новий матеріал дуже перспективний, до його масового практичного застосування справа ще не дійшла. Творці композиту вважають, що він стане доступним для будівельників приблизно до 2024 року. А поки триває розробка технології його промислового виробництва, підвищення екологічності та вирішується проблема подальшої утилізації. Наприклад, делігнифікування деревини проводиться хімічними методами, які можуть негативно впливати на навколишнє середовище. Тому йде пошук менш агресивних способів видалення лігніну. Що стосується утилізації використаного композиту, то делігніфікована деревина і ПЕГ – матеріали, що підлягають біорозкладанню і не завдадуть шкоди природі й людині. Але про поліметилметакрилати цього сказати не можна. Вчені визнають існування проблем, тому працюють над підвищенням безпеки виробництва та підшукують більш екологічну заміну плексигласу.


Над створенням прозорої деревини працюють не тільки в Європі. Не поступаються шведським вченим і китайські колеги. Причому, вони змогли розробити більш ефективний і безпечний для навколишнього середовища метод делігніфікування, який, до того ж, дозволяє отримати матеріал з підвищеною міцністю. Тому окремі пластини китайського композиту більші за площею і товщиною, що розширює можливості його використання. Передбачається, що, після освоєння промислового виробництва, новий матеріал стане затребуваним, в першу чергу, в сільському господарстві для будівництва теплиць.


Образцы прозрачной древесины, созданной в Китае


Триває робота з прозорою деревиною і в Америці. Статтю про це нещодавно опублікував «Forest products laboratory» – провідний дослідницький центр з вивчення деревних матеріалів, який працює під егідою Міністерства сільського господарства США. Зокрема, група вчених описала властивості прозорої деревини, що роблять її перспективною для використання в якості віконного матеріалу.


Дослідники відзначають, що 14% всієї енергії, яку споживають США, витрачається на підтримання комфортної температури в будівлях. Причому, чверть цієї енергії буквально викидається на вітер, витікаючи з приміщень через скляні вікна в холодну погоду. Викликано це низькою енергоефективністю таких вікон. Прозора деревина могла б замінити силікатне скло і заощадити, таким чином, значну частину енергії, що витрачається на опалення. Це, в свою чергу, принесло б не тільки економічний ефект, а й сприяло зменшенню навантаження на навколишнє середовище, пов’язаного з виробництвом теплової енергії.


Вчені називають кілька характеристик прозорої деревини як енергоефективного віконного матеріалу. Так, вона має високий оптичний коефіцієнт пропускання – близько 91%, що можна порівняти зі звичайним склом. При цьому в неї висока прозорість (матовість не перевищує 15%). «Дерев’яне» скло набагато складніше розбити: ударна в’язкість нового композиту в тисячу разів більша, ніж у традиційного віконного скла. Очікувано низькою виявилася у прозорої деревини і теплопровідність: вона в п’ять разів менша, ніж у звичайного скла.


Тепличные хозяйства нуждаются в энергоэффективных материалах


Таким чином, дослідження підтверджують, що новий композит цілком може замінити інші прозорі матеріали, які використовують у будівництві, і навіть перевершити їх за рядом характеристик. Наприклад, теплиця з прозорої деревини, що містить ПЕГ, зможе частково підтримувати мікроклімат усередині самостійно, тільки за рахунок поглинання і виділення тепла композитом. А це дасть виробнику можливість заощадити на опаленні, трудових ресурсах і навіть переглянути асортимент вирощуваної продукції. Тож тим, хто хоче мати таку теплицю або хоча б вікна, залишається тільки дочекатися появи прозорої деревини в продажу.