Анализ особенностей нанодревесины как теплоизоляционного материала в проектировании зданий | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 марта, печатный экземпляр отправим 10 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №3 (345) январь 2021 г.

Дата публикации: 16.01.2021

Статья просмотрена: 11 раз

Библиографическое описание:

Марышева, А. С. Анализ особенностей нанодревесины как теплоизоляционного материала в проектировании зданий / А. С. Марышева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 3 (345). — С. 131-134. — URL: https://moluch.ru/archive/345/77638/ (дата обращения: 25.02.2021).



Наноструктурные материалы обретают в строительстве все большую востребованность, что обусловлено их уникальными свойствами (высокая износостойкость, особые электрофизические свойства, огнеупорность, снижения гигроскопичности древесины и др.). В данной работе проведен анализ теоретических источников, касающихся особенностей создания и использования нанодревесины как строительного материала нового поколения; проведен сравнительный анализ этих особенностей в проектировании зданий по сравнению с другими материалами. Автором обозначены возможные области их применения, чем определяется практический вклад в возможности решения поставленных задач при создании наиболее выгодного, экологически чистого, безопасного как для самого человека, так и для всей окружающей среды жилья.

Ключевые слова : нанодревесина, проектирование зданий, оптимизация, строительные материалы нового поколения.

Использование древесины в качестве строительного материала имеет многовековую историю. Тем не менее одним из наиболее интересных исследований в области создания новых стройматериалов является создание таковых на основе древесины, так как по сравнению с другими материалами древесина имеет ряд преимуществ, таких как возобновляемость, эстетичность, экологичность.

Цель работы: выявить и определить особенности применения нанодревесины в проектировании зданий и сооружений. Объектом исследования стали строительные материалы из нанодревесины.

Предметом являются специфические свойства и особенности строительных материалов из нанодревесины, используемых при строительстве зданий и сооружений.

Гипотеза исследования включает положение о том, что «процесс применения строительных материалов из нанодревесины в строительной отрасли будет успешным, если он будет опираться на научно-исследовательские разработки мирового сообщества и характеристики материалов, полученные путём опытно-экспериментального исследования, а также при наличии подготовленной нормативно-правовой базы и квалифицированных специалистов по работе с нано-материалами».

По результатам исследования проведена теоретическая оценка возможности использования строительных материалов из нанодревесины при проектировании и строительстве зданий и сооружений.

Можно выделить несколько основных областей применения пиломатериала на данный момент:

  1. при производстве строительно-монтажных работ (как вспомогательный материал);
  2. малоэтажное домостроение;
  3. кровельные настилы, обрешетка;
  4. несущие деревянные конструкции.

Учитывая все преимущества древесины, нужно указать на ряд существенных недостатков. К ним относятся анизотропия свойств материала, неоднородность свойств в одной древесной породе и даже в различных участках одного и того же ствола дерева, низкая биостойкость, способность поглощать и испарять влагу, что определяет нестабильность размеров, физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и пр. Поэтому среди основных направлений развития современной технологии древесины важное место занимают исследования способов ее химической, физической и механической обработки с целью улучшения основных значимых показателей.

Для улучшения свойств древесины в настоящее время разработаны и изучены несколько методов облагораживания:

  1. Сушка древесины
  2. Пропитка древесины
  3. Облагораживание древесины механическим давлением
  4. Облучение древесины
  5. Модифицирование древесины

Анализ результатов исследований, проведенных в области модифицирования древесины, показывает, что большинство исследованных методов и применяемых материалов либо не соответствуют повышенным экологическим и гигиеническим требованиям, предъявляемым к изделиям из древесины, либо экономически затратные. Поэтому основная задача исследований в настоящее время заключается в разработке наиболее технологичного и эффективного способа модификации и в поиске недорогих, малотоксичных модификаторов, легко проникающих в древесину и обеспечивающих повышение физико-механических свойств. Одним из наиболее интересных исследований в области создания новых стройматериалов является создание теплоизоляционных материалов на основе древесины.

Нанодревесина — это теплоизоляционный материал, изготовленный из мелких обрезанных древесных волокон, из которых удалены лигнин и большая часть гемицеллюлозы. Лишившись этих веществ, древесина становится хорошим изолятором и обладает ярко белым цветом. Благодаря своей белизне нанодревесина прекрасно отражает падающий на нее солнечный свет. Кроме того, унаследовав расположение в натуральной древесине, нановолокно состоит из выровненных целлюлозных нанофибрилл, что приводит к анизотропной теплопроводности с чрезвычайно низким значением ~ 0,03 Вт / м · К в поперечном направлении. Выровненные целлюлозные нанофибриллы также приводят к высокой механической прочности ~ 13 МПа, намного более прочной, чем у других материалов с низкой теплопроводностью. [1]

Нанодревесина состоит из иерархически выровненных массивов нанофибриллярной целлюлозы, полученной из натурального дерева.

Для получения нанодревесины Древесину разрезают вертикально по направлению ее роста (рисунок 1a). Деревянные микроканалы (то есть фибриллы с их полым просветом) естественным образом выровнены, как и нанофибриллы целлюлозы внутри клеточных стенок (рисунок 1b).

Исходный кусок дерева обрабатывается смесью NaOH (гидрооксиднатрия) и Na2SO3 (сульфат натрия), нагретой до температуры кипения, с последующей обработкой H2O2 (перекись водорода) (рисунок 1g шаг 1) для удаления лигнина и большей части гемицеллюлозы из натуральной древесины (рисунок 1с) [2,3].

Микроструктура древесины и иерархическое выравнивание хорошо сохраняются во время этого процесса, и образец впоследствии сушат вымораживанием (рисунок 1g шаг 2), чтобы сохранить нанопористую структуру делигнифицированной древесины. Потеря веса и изменение содержания лигнина для образца 12 мм × 30 мм × 120 мм в ходе химического процесса также показаны рисунок 1d.

Процесс получения нанодревесины

Рис. 1 Процесс получения нанодревесины

Натуральная древесина может быть переработана в нанодревесину с хорошо сохранившейся структурой и с гораздо более низкой массовой плотностью (на 70 % ниже). Разработанный процесс может эффективно удалять лигнин и гемицеллюлозу внутри стенки фибрилл и между фибриллами, оставляя целлюлозу в качестве основного компонента в нанодревесине. Полученный в результате испытаний образец может иметь размер, сопоставимый с размером исходного образца, взятого для испытаний.

Образцы нано-древесины могут быть изготовлены в широком диапазоне размеров. Гибкое и легкое нановолокно может использоваться в качестве покрытия или насыпного слоя для теплоизоляции без значительного увеличения соответствующего углеродного следа. Как показано на рисунке 2, тонкие кусочки нанодревесины гибкие и их можно свернуть, не ломая. Нанодревесина компактна, надежна и пригодна для изготовления больших размеров.

Образцы нанодревесины различных размеров [4].

Рис. 2. Образцы нанодревесины различных размеров [4].

Чтобы продемонстрировать возможности терморегулирования разработанной нанодревесины, на Кафедре материаловедения и инженерии, Мэрилендский университет, Колледж-Парк, MD 20742, США были проведены исследования и испытаны образцы как под проводящим, так и радиационным источником тепла и сравнили его с другими теплоизоляционными материалами, включая силикагель (изотропный), пенополистирол (изотропный) и древесину (анизотропная). [5,6]

Были применены три разные температуры, и результаты показывают, что нанодревесина дает самую низкую температуру вследствие низкой теплопроводности в поперечном направлении в сочетании с предпочтительным тепловым рассеянием в осевом направлении из-за его анизотропии.

На основе проанализированного материала можно утверждать, что нанодревесина:

– очень гибкий материал;

– легкий материал (плотность составляет порядка 0,130 г/см3);

– обладает высокой механической прочностью;

– по своим теплоизоляционным свойствам превосходит пенопласт и пенополистирол. (обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью);

– подвержена биологическому разложению;

– безвредна для человека и окружающей среды;

– хорошо отражает солнечный свет,

– гипоаллергенна.

Внедрение нанотехнологий должно способствовать расширению спектра использования древесины. Если в настоящее время архитекторы и строители должны учитывать особенности материалов при проектировании или строительстве проектов, то в будущем, возможно, материалы перестанут ограничивать свободу специалистов. Уникальные характеристики, которые невозможно обеспечить традиционными методами производства, могли бы значительно упростить и ускорить время реализации различных строительных проектов, а также оптимизировать процесс их доставки на строительную площадку. Кроме того, за счет применения достижений нанонауки и нанотехнологии могут быть решены вопросы создания безопасной, комфортной среды жизни и решены накопившееся экологические проблемы.

На основе анализа свойств и перспектив использования нанодревесины можно прогнозировать развитие нанотехнологий настолько, что это приведет к появлению на строительном рынке новых видов материалов, характеристики которых сейчас даже трудно представить.

Литература:

  1. D. Renteria, S. Ramirez, H. Malekpour, B. Alonso, A. Centeno, A. Zurutuza, A. I. Cocemasov, D. L. Nika, A. A. Balandin, Strongly anisotropic thermal conductivity of free-standing reduced graphene oxide films annealed at high temperature. Adv. Funct. Mater. 25, 4664–4672 (2015) (Дата обращения: 20.10.2020).
  2. M. Zhu, J. Song, T. Li, A. Gong, Y. Wang, J. Dai, Y. Yao, W. Luo, D. Henderson, L. Hu, Highly anisotropic, highly transparent wood composites. Adv. Mater. 28, 5181–5187 (2016). (Дата обращения: 20.10.2020).
  3. T. Li, M. Zhu, Z. Yang, J. Song, J. Dai, Y. Yao, W. Luo, G. Pastel, B. Yang, L. Hu, Wood composite as an energy efficient building material: Guided sunlight transmittance and effective thermal insulation. Adv. Energy Mater. 6, 1601122 (2016). (Дата обращения: 13.11.2020).
  4. Анизотропные, легкие, прочные и супер теплоизоляционные материалы с естественно выровненной целлюлозой. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3724 (Дата обращения: 05.12.2020).
  5. L. Hu, G. Zheng, J. Yao, N. Liu, B. Weil, M. Eskilsson, E. Karabulut, Z. Ruan, S. Fan, J. T. Bloking, M. D.McGehee, L. Wågberg, Y. Cui, Transparent and conductive paper from nanocellulose fibers. Energy Environ. Sci. 6, 513–518 (2013). (Дата обращения: 24.12.2020).
  6. Z.-Y. Wu, C. Li, H.-W. Liang, J.-F. Chen, S.-H. Yu, Ultralight, flexible, and fire-resistant carbon nanofiber aerogels from bacterial cellulose. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 125, 2997–3001 (2013) (Дата обращения: 24.12.2020).
Основные термины (генерируются автоматически): нанодревесина, материал, натуральная древесина, проектирование зданий, высокая механическая прочность, область создания новых стройматериалов, основа древесины, поперечное направление, солнечный свет, строительный материал нового поколения.


Ключевые слова

оптимизация, проектирование зданий, нанодревесина, строительные материалы нового поколения
Задать вопрос