Natuurlijk hout en metaal zijn al duizenden jaren essentiële bouwmaterialen voor de mens. De synthetische polymeren die we kunststoffen noemen, zijn een recente uitvinding die in de 20e eeuw explodeerde.
Zowel metalen als kunststoffen hebben eigenschappen die zeer geschikt zijn voor industrieel en commercieel gebruik. Metalen zijn sterk, stijf en over het algemeen bestand tegen lucht, water, hitte en constante stress. Ze hebben echter ook meer middelen nodig (wat duurder is) om produceren en hun producten verfijnen.Plastic biedt enkele van de functies van metaal terwijl het minder massa vereist en is erg goedkoop om te produceren.Hun eigenschappen kunnen worden aangepast voor bijna elk gebruik.Goedkope commerciële kunststoffen zijn echter vreselijke structurele materialen: plastic apparaten zijn geen goede zaak, en niemand wil in een plastic huis wonen. Bovendien worden ze vaak geraffineerd uit fossiele brandstoffen.
In sommige toepassingen kan natuurlijk hout concurreren met metalen en kunststoffen. De meeste eengezinswoningen zijn gebouwd op houtskeletbouw. Het probleem is dat natuurlijk hout te zacht is en te gemakkelijk door water wordt beschadigd om meestal plastic en metaal te vervangen. Een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Matter onderzoekt de creatie van een gehard houtmateriaal dat deze beperkingen overwint. Dit onderzoek mondde uit in de creatie van houten messen en spijkers. Hoe goed is het houten mes en ga je het binnenkort gebruiken?
De vezelstructuur van hout bestaat voor ongeveer 50% uit cellulose, een natuurlijk polymeer met theoretisch goede sterkte-eigenschappen. De overige helft van de houten structuur bestaat voornamelijk uit lignine en hemicellulose. Terwijl cellulose lange, taaie vezels vormt die hout de ruggengraat van zijn natuurlijke sterkte, heeft hemicellulose weinig coherente structuur en draagt dus niets bij aan de sterkte van het hout. Lignine vult de holtes tussen cellulosevezels en voert nuttige taken uit voor levend hout. een belemmering.
In deze studie werd natuurlijk hout in vier stappen tot gehard hout (HW) gemaakt. Eerst wordt het hout gekookt in natriumhydroxide en natriumsulfaat om een deel van de hemicellulose en lignine te verwijderen. Na deze chemische behandeling wordt het hout dichter door persen het in een pers gedurende enkele uren bij kamertemperatuur. Dit verkleint de natuurlijke spleten of poriën in het hout en verbetert de chemische binding tussen aangrenzende cellulosevezels. Vervolgens wordt het hout nog een paar keer onder druk gezet bij 105° C (221° F). uur om de verdichting te voltooien en vervolgens te drogen. Ten slotte wordt het hout 48 uur ondergedompeld in minerale olie om het eindproduct waterdicht te maken.
Een mechanische eigenschap van een structureel materiaal is de indrukkingshardheid, wat een maat is voor het vermogen om vervorming te weerstaan wanneer er met kracht op wordt gedrukt. Diamant is harder dan staal, harder dan goud, harder dan hout en harder dan verpakkingsschuim. tests die worden gebruikt om de hardheid te bepalen, zoals de Mohs-hardheid die wordt gebruikt in de gemologie, de Brinell-test is er een van. Het concept is eenvoudig: een hardmetalen kogellager wordt met een bepaalde kracht in het testoppervlak gedrukt. Meet de diameter van de cirkel inkeping gecreëerd door de bal. De Brinell-hardheidswaarde wordt berekend met behulp van een wiskundige formule;grofweg geldt: hoe groter het gat dat de bal raakt, hoe zachter het materiaal. In deze test is HW 23 keer harder dan natuurlijk hout.
Het meeste onbehandelde natuurlijke hout zal water absorberen. Dit kan het hout doen uitzetten en uiteindelijk zijn structurele eigenschappen vernietigen. De auteurs gebruikten een tweedaagse minerale onderdompeling om de waterbestendigheid van de HW te vergroten, waardoor het meer hydrofoob ("bang voor water") wordt. Bij de hydrofobiciteitstest wordt een waterdruppel op een oppervlak geplaatst. Hoe hydrofoober het oppervlak, hoe boller de waterdruppels worden. Een hydrofiel ("waterminnend") oppervlak daarentegen verspreidt de druppels plat (en vervolgens absorbeert gemakkelijker water). Mineralen weken verhoogt dus niet alleen aanzienlijk de hydrofobiciteit van het HW, maar voorkomt ook dat het hout vocht opneemt.
In sommige technische tests presteerden HW-messen iets beter dan metalen messen. De auteurs beweren dat het HW-mes ongeveer drie keer zo scherp is als een in de handel verkrijgbaar mes. Er is echter een voorbehoud bij dit interessante resultaat. Onderzoekers vergelijken tafelmessen, of wat we botermessen zouden kunnen noemen. Deze zijn niet bedoeld om bijzonder scherp te zijn. De auteurs laten een video zien van hun mes dat een biefstuk snijdt, maar een redelijk sterke volwassene zou waarschijnlijk dezelfde biefstuk kunnen snijden met de botte kant van een metalen vork, en een steakmes zou veel beter werken.
Hoe zit het met de spijkers? Een enkele HW-spijker kan blijkbaar gemakkelijk in een stapel van drie planken worden gehamerd, hoewel niet zo gedetailleerd als relatief eenvoudig is in vergelijking met ijzeren spijkers. Houten pennen kunnen de planken dan bij elkaar houden en weerstand bieden aan de kracht die zou scheuren ze uit elkaar, met ongeveer dezelfde taaiheid als ijzeren pennen. Bij hun tests faalden de planken echter in beide gevallen voordat een van de spijkers het begaf, dus de sterkere spijkers werden niet blootgelegd.
Zijn HW-spijkers op andere manieren beter? Houten pinnen zijn lichter, maar het gewicht van de structuur wordt niet primair bepaald door de massa van de pinnen die het bij elkaar houden. Houten pinnen roesten niet. Het zal echter niet ondoordringbaar zijn voor water of biologisch afbreken.
Het lijdt geen twijfel dat de auteur een proces heeft ontwikkeld om hout sterker te maken dan natuurlijk hout. Het nut van hardware voor een bepaalde klus vereist echter verdere studie. Kan het net zo goedkoop en hulpbronloos zijn als plastic? Kan het concurreren met sterker , aantrekkelijkere, oneindig herbruikbare metalen voorwerpen? Hun onderzoek roept interessante vragen op. Voortdurende engineering (en uiteindelijk de markt) zal deze beantwoorden.
Posttijd: 13 april 2022
