Mae pren a metel naturiol wedi bod yn ddeunyddiau adeiladu hanfodol i fodau dynol ers miloedd o flynyddoedd. Dyfais ddiweddar a ffrwydrodd yn yr 20fed ganrif yw'r polymerau synthetig rydyn ni'n eu galw'n blastigion.
Mae gan fetelau a phlastigau briodweddau sy'n addas iawn ar gyfer defnydd diwydiannol a masnachol. Mae metelau'n gryf, yn anhyblyg, ac yn gyffredinol yn wydn i aer, dŵr, gwres a straen cyson. Fodd bynnag, maent hefyd angen mwy o adnoddau (sy'n golygu mwy o ddryth) i gynhyrchu a mireinio eu cynhyrchion. Mae plastig yn darparu rhai o swyddogaethau metel tra bod angen llai o fàs arno ac mae'n rhad iawn i'w gynhyrchu. Gellir addasu eu priodweddau ar gyfer bron unrhyw ddefnydd. Fodd bynnag, mae plastigau masnachol rhad yn gwneud deunyddiau strwythurol ofnadwy: nid yw offer plastig yn beth da, ac nid oes neb eisiau byw mewn tŷ plastig. Yn ogystal, maent yn aml yn cael eu mireinio o danwydd ffosil.
Mewn rhai cymwysiadau, gall pren naturiol gystadlu â metelau a phlastigau. Mae'r rhan fwyaf o gartrefi teuluol wedi'u hadeiladu ar fframiau pren. Y broblem yw bod pren naturiol yn rhy feddal ac yn rhy hawdd ei ddifrodi gan ddŵr i ddisodli plastig a metel y rhan fwyaf o'r amser. Mae papur diweddar a gyhoeddwyd yn y cyfnodolyn Matter yn archwilio creu deunydd pren caled sy'n goresgyn y cyfyngiadau hyn. Arweiniodd yr ymchwil hon at greu cyllyll a hoelion pren. Pa mor dda yw'r gyllell bren ac a fyddwch chi'n ei defnyddio yn fuan?
Mae strwythur ffibrog pren yn cynnwys tua 50% o seliwlos, polymer naturiol sydd â phriodweddau cryfder da yn ddamcaniaethol. Lignin a hemicellulos yw hanner sy'n weddill o'r strwythur pren yn bennaf. Er bod seliwlos yn ffurfio ffibrau hir, caled sy'n rhoi asgwrn cefn ei gryfder naturiol i bren, nid oes gan hemicellulos lawer o strwythur cydlynol ac felly nid yw'n cyfrannu dim at gryfder y pren. Mae lignin yn llenwi'r bylchau rhwng ffibrau seliwlos ac yn cyflawni tasgau defnyddiol ar gyfer pren byw. Ond at ddiben bodau dynol o gywasgu pren a rhwymo ei ffibrau seliwlos yn dynnach at ei gilydd, daeth lignin yn rhwystr.
Yn yr astudiaeth hon, cafodd pren naturiol ei wneud yn bren caled (HW) mewn pedwar cam. Yn gyntaf, caiff y pren ei ferwi mewn sodiwm hydrocsid a sodiwm sylffad i gael gwared ar rywfaint o'r hemicellulose a'r lignin. Ar ôl y driniaeth gemegol hon, mae'r pren yn dod yn fwy dwys trwy ei wasgu mewn gwasg am sawl awr ar dymheredd ystafell. Mae hyn yn lleihau'r bylchau neu'r mandyllau naturiol yn y pren ac yn gwella'r bondio cemegol rhwng ffibrau cellwlos cyfagos. Nesaf, caiff y pren ei wasgu ar 105° C (221° F) am ychydig oriau yn rhagor i gwblhau'r dwysáu, ac yna ei sychu. Yn olaf, caiff y pren ei drochi mewn olew mwynau am 48 awr i wneud y cynnyrch gorffenedig yn dal dŵr.
Un priodwedd fecanyddol deunydd strwythurol yw caledwch mewnoliad, sy'n fesur o'i allu i wrthsefyll anffurfiad pan gaiff ei wasgu gan rym. Mae diemwnt yn galetach na dur, yn galetach nag aur, yn galetach na phren, ac yn galetach nag ewyn pacio. Ymhlith y nifer o brofion peirianneg a ddefnyddir i bennu caledwch, fel caledwch Mohs a ddefnyddir mewn gemoleg, mae prawf Brinell yn un ohonynt. Mae ei gysyniad yn syml: mae dwyn pêl metel caled yn cael ei wasgu i'r wyneb prawf gyda grym penodol. Mesurwch ddiamedr y mewnoliad crwn a grëwyd gan y bêl. Cyfrifir gwerth caledwch Brinell gan ddefnyddio fformiwla fathemategol; yn fras, po fwyaf yw'r twll y mae'r bêl yn ei daro, y meddalach yw'r deunydd. Yn y prawf hwn, mae HW 23 gwaith yn galetach na phren naturiol.
Bydd y rhan fwyaf o bren naturiol heb ei drin yn amsugno dŵr. Gall hyn ehangu'r pren ac yn y pen draw ddinistrio ei briodweddau strwythurol. Defnyddiodd yr awduron socian mwynau deuddydd i gynyddu ymwrthedd dŵr y pren dŵr, gan ei wneud yn fwy hydroffobig (“ofn dŵr”). Mae'r prawf hydroffobigrwydd yn cynnwys gosod diferyn o ddŵr ar arwyneb. Po fwyaf hydroffobig yw'r wyneb, y mwyaf sfferig yw'r diferion dŵr. Mae arwyneb hydroffilig (“cariad dŵr”), ar y llaw arall, yn lledaenu'r diferion yn wastad (ac wedi hynny'n amsugno dŵr yn haws). Felly, nid yn unig y mae socian mwynau yn cynyddu hydroffobigrwydd y pren dŵr yn sylweddol, ond mae hefyd yn atal y pren rhag amsugno lleithder.
Mewn rhai profion peirianneg, perfformiodd cyllyll HW ychydig yn well na chyllyll metel. Mae'r awduron yn honni bod y gyllell HW tua thair gwaith mor finiog â chyllell sydd ar gael yn fasnachol. Fodd bynnag, mae yna rybudd i'r canlyniad diddorol hwn. Mae ymchwilwyr yn cymharu cyllyll bwrdd, neu'r hyn y gallem ei alw'n gyllyll menyn. Nid yw'r rhain i fod i fod yn arbennig o finiog. Mae'r awduron yn dangos fideo o'u cyllell yn torri stêc, ond mae'n debyg y gallai oedolyn cymharol gryf dorri'r un stêc ag ochr ddiflas fforc fetel, a byddai cyllell stêc yn gweithio'n llawer gwell.
Beth am yr ewinedd? Mae'n ymddangos y gellir morthwylio un ewinedd HW yn hawdd i mewn i bentwr o dri phlanc, er nad yw mor fanwl ag ydyw o'i gymharu â ewinedd haearn. Yna gall pegiau pren ddal y planciau gyda'i gilydd, gan wrthsefyll y grym a fyddai'n eu rhwygo ar wahân, gyda'r un caledwch â phegiau haearn. Yn eu profion, fodd bynnag, methodd y byrddau yn y ddau achos cyn i'r naill ewin neu'r llall fethu, felly ni chafodd yr ewinedd cryfach eu datgelu.
A yw hoelion HW yn well mewn ffyrdd eraill? Mae pegiau pren yn ysgafnach, ond nid màs y pegiau sy'n ei ddal at ei gilydd sy'n gyrru pwysau'r strwythur yn bennaf. Ni fydd pegiau pren yn rhydu. Fodd bynnag, ni fydd yn anhydraidd i ddŵr nac yn bioddadelfennu.
Does dim dwywaith bod yr awdur wedi datblygu proses i wneud pren yn gryfach na phren naturiol. Fodd bynnag, mae angen astudiaeth bellach ar ddefnyddioldeb caledwedd ar gyfer unrhyw swydd benodol. A all fod mor rhad ac mor ddi-adnodd â phlastig? A all gystadlu â gwrthrychau metel cryfach, mwy deniadol, y gellir eu hailddefnyddio'n ddiddiwedd? Mae eu hymchwil yn codi cwestiynau diddorol. Bydd peirianneg barhaus (a'r farchnad yn y pen draw) yn eu hateb.
Amser postio: 13 Ebrill 2022
