„Super-dřevo“ je stejně pevné jako ocel, ale šestkrát lehčí

Inženýři z Katedry materiálového výzkumu a inženýrství Marylandské univerzity (USA) vyvinuli nový finančně efektivní a průmyslově využitelný postup výroby super-pevného dřeva, které by mohlo ve výrobě nahradit použití oceli.

„Námi upravené dřevo je ve srovnání s jeho původní podobou dvanáctkrát pevnější a desetkrát tvrdší,“ uvedl vedoucí výzkumu Liangbing Hu, podle kterého jeho tým vytvořil budoucího konkurenta oceli či dokonce titanových slitin, když dosáhl až dvojnásobné pevnosti, než třeba u klasického duralu 2000. Je prý rovněž srovnatelné s uhlíkovými vlákny, ale výrobně mnohem méně nákladné.

„Je pevné jako ocel, ale šestkrát lehčí. A na začátku výrobního procesu ho v případě potřeby lze i ohýbat a tvarovat,“ dodal další člen týmu Teng Li.

Výsledky svého výzkumu publikovali v časopise Nature včetně podrobného popisu výrobního procesu. Podstatou celého procesu je odstranění části hemi­celulózy a ligninu ze dřeva. Při hledání optimálního poměru základních stavebních složek dřeva k dosažení nejlepších výsledků museli provést spoustu pokusů a měření. Použili vzorky dřeva lípy, dubu, topolu, zeravu obrovského a borovice vejmutovky (bloky o rozměru 120x44x44 mm), které nejdřív vařili ve vodním roztoku hydroxidu sodného (NaOH) a siřičitanu sodného (Na₂SO₃), poté z nich chemické látky vymývali v horké deionizované vodě. Nastavením doby vaření dosáhli různého stupně odstranění ligninu. Dřevo se stalo více porézní a snížilo svoji tuhost. Takto upravené dřevěné bloky po dobu 1 dne lisovali tlakem 5 MPa kolmo na směr vláken při teplotě 100 °C, aby docílili zhuštění dřeva (115,6×46,5×9,5 mm). Tím došlo k úplnému zhroucení buněčných stěn a k celkovému zhutnění přírodního dřeva s vysoce vyrovnanými celulózovými nanovlákny spojenými k sobě zbylým ligninem a nově vzniklými vodíkovými vazbami. Původní tloušťka dřeva se ve směru tlaku lisu zmenšila zhruba o 80 %, čímž vzrostla jeho hustota.

Mechanické vlastnosti zhutněného dřeva jsou nejen pozoruhodně lepší než vlastnosti přírodního dřeva, ale také převyšují vlastnosti mnoha běžně používaných konstrukčních materiálů (například plastů, oceli a slitin).

Nejlepší mechanické vlastnosti vědci naměřili u zhuštěného dřeva s obsahem 38,7 % celulózy, 5,2 % hemicelulózy a 11,3 % ligninu. Přestože hustota těchto vzorků oproti přírodnímu dřevu narostla téměř 3krát (1,3 g/cm³), jejich pevnost v tahu dosáhla 587 MPa, což je 11,5krát více než u neupraveného přírodního dřeva a také mnohem více, než pevnost typických plastů, jako je nylon, polykarbonát, polystyren a epoxid. Lomová houževnatost dosáhla 4 MJ/m³ (nárůst téměř 10krát) a modul tvrdosti vzrostl 13krát. (Pro zajímavost: přírodní neupravované dřevo mělo při složení 44 % celulózy, 19,5 % hemicelulózy a 20,8 % ligninu hustotu 0,46 g/cm³, pevnost v tahu 51,6 MPa a lomovou houževnatost 0,43 MJ/m³.) Dalším snižováním obsahu ligninu pod 11,3 % vysoké hodnoty mechanických parametrů prudce klesaly. Při úplné delignizaci byly výrazně horší než u původního neupraveného dřeva.

Dlouhodobým problémem při navrhování konstrukčních materiálů je konflikt mezi pevností a tuhostí, protože tyto vlastnosti se obecně navzájem vylučují. Je zajímavé, že velké zvýšení pevnosti v tahu u zahuštěného dřeva není doprovázeno snížením jeho tuhosti. Lomová houževnatost i pružnost zhuštěného dřeva je více než desetkrát vyšší než u přírodního.

Zajímavým mechanickým testem zhuštěného dřeva byla zkouška průstřelnosti, motivovaná současnými teroristickými útoky a debatami kolem dostupnosti zbraní. Destičku z přírodního dřeva projektil ze speciálního testovacího zařízení bez problémů prorazil a proletěl jí jen s malou ztrátou energie (0,6 kJ.m^-1). Stejně tlustá vrstva zhuštěného dřeva ho sice také nezastavila, nicméně mu ode­brala 7krát více energie (4,3 kJ.m^-1). Třetím testovaným vzorkem se stejnými rozměry byla překližka z pěti tenkých na sebe kolmých vrstev ze zhuštěného dřeva. Projektil ji sice prorazil, ale neproletěl – v materiálu uvíznul (se ztrátou energie 6 kJ.m^-1).

Zhuštěné dřevo má rovněž vysokou odolnost vůči působení vlhkosti. Např. vzorky komprimovaného dřeva vystavené působení 95% relativní vlhkosti vzduchu po dobu 128 hodin nabobtnaly v tloušťce pouze o 8,4 % při jen mírném poklesu pevnosti v tahu (493,1 ± 20,3 MPa, což je stále 10,6krát vyšší než u přírodního dřeva). Při použití standardní povrchové úpravy (PU) byly vzorky zhuštěného dřeva vůči působení vlhkosti v akcelerovaných testech zcela imunní.

Zdroj: Processing bulk natural wood into a high-performance structural material, Nature 554

Autor: Radomír Čapka
Kontakt: radomir.capka@gmail.com
Foto: archiv autora