เทคโนโลยีใหม่ในการผลิตไม้เนื้อแน่นพิเศษที่มีน้ำหนักเบาแต่แข็งแรงเทียบเท่าเหล็กกล้า

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ คอลเลจพาร์ก (University of Maryland, College Park, UMD) ค้นพบวิธีที่ทำให้ไม้มีความเหนียวและแข็งแรงมากกว่าเดิมถึงสิบเท่า ส่งผลให้มีความแข็งแรงกว่าไทเทเนียมอัลลอยหลายชนิด โดยทั่วไปแล้ว วัสดุโครงสร้าง (Structural materials) ที่สังเคราะห์ขึ้นเพื่อให้มีสมบัติทางกลพิเศษนั้นมักมีน้ำหนักมาก และมีผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมที่ไม่พึงประสงค์ (ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าและอัลลอย) หรือมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูง (ตัวอย่าง เช่น คอมโพสิตที่มีพอลิเมอร์เป็นส่วนประกอบหลัก และคอมโพสิตที่เลียนแบบชีวภาพ) ส่วนไม้ธรรมชาติ แม้จะเป็นวัสดุที่มีต้นทุนต่ำ หาได้ง่าย มีการนำมาใช้เป็นวัสดุโครงสร้างเพื่อก่อสร้างและทำเฟอร์นิเจอร์มาแล้วนับพันปี แต่สมบัติทางกลของไม้ธรรมชาติซึ่งหมายถึงความแข็งแรงและความเหนียวของมันนั้นยังไม่เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานและโครงสร้างต่างๆทางวิศวกรรมขั้นสูง

ปัจจุบันมีการปรับปรุงสมบัติทางกลของไม้ธรรมชาติให้ดีขึ้นด้วยวิธีการต่างๆ เช่น การอบด้วยไอน้ำ ความร้อน แอมโมเนีย หรือการรีดเย็นก่อนแล้วตามด้วยการทำให้หนาแน่น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม วิธีการที่มีอยู่นี้เป็นกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นที่ยังไม่สมบูรณ์และขาดเสถียรภาพเชิงมิติ โดยเฉพาะการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมที่ชื้น ไม้ที่ผ่านกระบวนการเหล่านี้จะเกิดการขยายตัวและทำให้โครงสร้างอ่อนแอ หรือความแข็งแรงทางโครงสร้างของไม้ลดลง ดังนั้น ทีมวิศวกรจึงได้คิดค้นกลยุทธ์ที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการแปลงไม้ธรรมชาติจำนวนมากให้กลายเป็นวัสดุโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูง วัสดุที่ได้จะมีความแข็งแรงทนทานมากขึ้นกว่าสิบเท่า ทนต่อกระสุนปืน (Ballistic resistance) และมีเสถียรภาพทางมิติ (Dimensional stability) มากขึ้นด้วย โดยกลยุทธ์ดังกล่าวมีสองขั้นตอน เริ่มจากขั้นตอนการกำจัดลิกนินและเฮมิเซลลูโลสบางส่วนออกจากไม้ธรรมชาติ โดยต้มไม้ในน้ำเดือดที่มีส่วนผสมของ NaOH และ Na2SO3 จากนั้นตามด้วยขั้นตอนการอัดแบบร้อน (Hot-pressing) ด้วยแผ่นโลหะที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ความดัน 5 เมกะปาสคาล ขั้นตอนนี้ช่วยให้ผนังเซลล์ทั้งหมดยุบตัวลงและมีเส้นใยนาโนเซลลูโลสจำนวนมากเรียงตัวกันทำให้ความหนาแน่นของไม้ธรรมชาติมีความสมบูรณ์มากขึ้น ไม้ที่ได้จากกระบวนการนี้มีความหนาลดลงเหลือเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ และมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นถึงสามเท่าตัว มันจึงมีความแข็งแรงจำเพาะที่สูงกว่าโลหะและอัลลอยซึ่งเป็นวัสดุโครงสร้างที่มักนิยมใช้กันมากที่สุด ทั้งยังมีน้ำหนักที่เบามาก ทนต่อการยืดหรือการดึงได้ถึง 11.5 เท่าเมื่อเทียบกับวัสดุธรรมชาติโดยที่ไม่เกิดการแตกหัก

ทีมคิดค้นได้ลองทดสอบการยิงกระสุนจากปืนลมที่มีความเร็วกระสุนอยู่ที่ 30 เมตรต่อวินาทีไปยังแผ่นไม้กระดานทั่วไปเทียบกับแผ่นไม้แบบใหม่ที่มีความหนาแน่นสูง โดยกำหนดให้แผ่นไม้ทั้งสองชนิดมีความหนาเท่ากัน ผลทดสอบพบว่า ลูกกระสุนสามารถพุ่งทะลุผ่านแผ่นไม้กระดานทั่วไปได้อย่างง่ายดาย แต่การทดสอบบนแผ่นไม้หนาแน่นพิเศษนั้นกลับพบว่าลูกกระสุนฝังตัวอยู่ในชั้นของแผ่นไม้ไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นไม้ชนิดนี้ไปได้ กระบวนการดังกล่าวที่ทีมคิดค้นขึ้นนี้สามารถนำไปใช้กับไม้ธรรมชาติได้หลายชนิด และไม่ก่อให้เกิดมลพิษที่น่ากังวล รวมถึงสมบัติทางกลที่ดีขึ้นของไม้ชนิดใหม่นี้ทำให้มันเป็นวัสดุทางเลือกที่เป็นมิตรสำหรับงานก่อสร้างอาคารหรือสะพาน โดยใช้มันแทนเหล็กกล้าหรืออัลลอย นอกจากนี้ยังนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ หรือรถไฟเพื่อให้มีน้ำหนักเบาและลดการใช้เชื้อเพลิงได้อีกด้วย

ที่มา:

  • https://www.sciencenews.org/article/superdense-wood-lightweight-strong-steel
  • https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180207151829.htm
  • https://www.mtec.or.th/academic-services/mtec-science-technology-news/7308-ไม้เนื้อแน่นพิเศษ-มีน้ำหนักเบา-แต่แข็งแรงเทียบเท่าเหล็กกล้า และ
    Song, J., Chen, C., Zhu, S., Zhu, M., Dai, J., Ray, U., Li, Y., Kuang, Y., Li, Y., Quispe, N., Yao, Y., Gong, A., Leiste, U.H., Bruck, H.A., Zhu, J.Y., Vellore, A., Li, H., Minus, M.L., Jia, Z., Martini, A., Li, T. and Hu., L., 2018, Processing bulk natural wood into a high-performance structural material, Nature, Vol. 554, No. 7691, pp. 224-228, DOI: 10.1038/nature25476.

Leave a Reply

Your email address will not be published.