Исследователи из Технологического института Джорджии разработали новый метод, который может однажды не только заменить традиционную обработку давлением как способ формирования устойчивости пиломатериалов к грибкам, но и сделает доску непроницаемой для воды.
Обработка под давлением, которая включает в себя помещение пиломатериалов в герметичный водонепроницаемый резервуар для химической обработки, используется уже более века. Этот метод помогает предотвратить появление плесени, вызывающей гниение древесины во влажной среде. Новая технология предусматривает нанесение защитного покрытия из оксида металла толщиной всего в несколько атомов по всей клеточной структуре древесины. Она совместно спонсируется Министерством обороны США, Программой исследований Персидского залива и Исследовательским фондом Вестендорфа.
Процесс, известный как нанесение атомного слоя, уже часто используется в производстве микроэлектроники для компьютеров и мобильных телефонов, но в настоящее время изучается для новых применений в таких товарах, как древесина. Подобно обработке давлением, процесс выполняется в воздухонепроницаемой камере, но в этом случае камера находится под низким давлением, чтобы помочь молекулам газа проникнуть во всю структуру древесины.
«Было действительно важно, чтобы это покрытие было нанесено на всю древесину, а не только на поверхность», - сказал Марк Лосего, доцент Школы материаловедения и инженерии. «Древесина имеет поры, которые имеют ширину человеческого волоса или немного меньше, и мы использовали эти отверстия в качестве наших путей для газов, проходящих через структуру дерева».
Когда молекулы газа движутся по этим путям, они вступают в реакцию с поверхностями пор, образуя конформное атомное покрытие из оксида металла по всей внутренней поверхности дерева. В результате получается древесина, которая сбрасывает воду со своей поверхности и не впитывает воду даже при погружении.
В своих экспериментах исследователи взяли готовые отрезки сосновой доски сечением 2х4 дюйма и нарезали их на куски размером в один дюйм. Затем они проверили добавление в пиломатериалы трех видов оксидов металлов: оксида титана, оксида алюминия и оксида цинка. С каждым из них они сравнивали водопоглощение после выдерживания пиломатериала под водой в течение определенного периода времени. Из всех трех лучшие результаты показал оксид титана. Для сравнения, необработанная древесина поглощала в три раза больше воды.
«Из трех химических химикатов, которые мы попробовали, оксид титана оказался наиболее эффективным в создании гидрофобного барьера», - сказал Шон Грегори, аспирант Georgia Tech. «Мы предполагаем, что это, вероятно, связано с тем, что химические вещества-прекурсоры для диоксида титана реже реагируют с поверхностями пор и поэтому легче проникают глубоко в поры древесины».
Лосего сказал, что такие же явления существуют в процессах осаждения атомного слоя, используемых для микроэлектронных устройств.
«Известно, что эти же химические прекурсоры оксида титана лучше проникают и конформно покрывают сложные наноструктуры в микроэлектронике, как мы это наблюдаем в древесине», - сказал Лосего.
В дополнение к гидрофобности пиломатериалы, обработанные новым паровым процессом, также противостоят плесени, которая в конечном итоге приводит к гниению.
«Интересно, что, когда мы оставляли эти блоки на несколько месяцев во влажной среде, мы заметили, что блоки, обработанные оксидом титана, были гораздо более устойчивыми к росту плесени, чем необработанные пиломатериалы», - добавил Грегори. «Мы подозреваем, что это как-то связано с его гидрофобной природой, хотя могут быть и другие химические эффекты, связанные с новым процессом обработки, которые также могут быть ответственными. Это то, что мы хотели бы узнать в будущих исследованиях ».
Еще одно преимущество нового процесса: обработанная паром древесина была гораздо менее теплопроводной по сравнению с необработанной древесиной.
«В жилищном строительстве большое внимание уделяется изоляции полостей между конструктивными элементами дома, но огромные тепловые потери вызваны самими деревянными элементами», - сказал Шеннон Йи, доцент в Вудраффской школе машиностроения. «Пиломатериалы, обработанные этим новым процессом, могут быть на 30% менее теплопроводными, что может привести к экономии до 2 млн БТЕ энергии на жилье в год».
Комментарии