При распиловке ствола дерева образуются опилки. Ежегодно в мире производятся миллионы тонн опилок, и большая их часть сжигается для получения энергии. При этом углекислый газ, содержащийся в древесине, возвращается в атмосферу, что не очень хорошо с точки зрения экологии. Группа исследователей кафедры материаловедения древесины Швейцарской высшей технической школы Цюриха и компании Empa разработала процесс превращения опилок в пригодный для вторичной переработки и экологически чистый композит с использованием минерала струвита — кристаллического бесцветного фосфата магния и аммония. Это, в свою очередь, позволяет дольше использовать опилки в производственном цикле.
Струвит давно известен своими удивительными огнезащитными свойствами. Однако раньше было сложно соединить этот минерал с частицами опилок из-за особенностей его кристаллизации. Теперь ученые используют фермент, выделенный из семян арбуза, чтобы контролировать кристаллизацию струвита из водной суспензии минерала-предшественника ньюбериита. В результате образуются крупные кристаллы, которые заполняют пустоты между частицами опилок и прочно скрепляют их. Материал, который прессуют в течение двух дней, затем извлекают из формы и сушат при комнатной температуре.
«Материал прочнее на сжатие перпендикулярно волокнам, чем исходная древесина ели», — объясняет Ронни Кюрштайнер, автор проекта. Благодаря механическим свойствам и превосходной огнестойкости новый материал особенно хорошо подходит для внутренней отделки. Дело в том, что струвит не только негорючий, но и способствует повышению огнестойкости. При нагревании минерал разрушается, выделяя водяной пар и аммиак. Этот процесс поглощает тепло из окружающей среды, создавая охлаждающий эффект. Выделяющиеся негорючие газы вытесняют воздух, препятствуя дальнейшему распространению огня и ускоряя обугливание материала.
Ученые протестировали материал в конусном калориметре — приборе, который имитирует поведение материала при воздействии внешнего источника тепла. Если необработанная ель воспламеняется примерно через 15 секунд, то струвиту из опилок требуется в 3 с лишним раза больше времени. После воспламенения быстро образуется защитный слой из неорганических веществ и углерода, который препятствует дальнейшему распространению огня. «Струвитовые панели из древесных опилок, по сути, защищают сами себя», — говорит Кюрштайнер.
По предварительным оценкам, этот материал может обеспечить такой же класс огнестойкости, как и обычные древесно-стружечные плиты на цементной связке, хотя для подтверждения этого необходимы более масштабные испытания на огнестойкость. Древесно-стружечные плиты на цементной связке в настоящее время широко используются для огнезащиты внутренней отделки. Они содержат от 60 до 70 % цемента по массе, что делает их тяжелыми и негативно влияет на углеродный след из-за высокого энергопотребления при производстве цемента. Струвитовая плита из древесных опилок, напротив, содержит всего 40 % связующего вещества, что делает ее значительно легче.
Еще одно преимущество этого инновационного композитного материала по сравнению с другими строительными материалами заключается в том, что, в отличие от древесно-стружечных плит на цементной связке, он не превращается в отходы после сноса здания. После демонтажа струвитные плиты из древесных опилок можно разобрать на отдельные компоненты, измельчив их в дробилке и нагрев до температуры чуть выше 100 °C. При этом выделяется аммиак, а опилки просеиваются. После растворения регенерированного материала предшественник ньюбериита снова осаждается в виде твердого вещества.
Затем ньюбериит можно снова смешать с опилками, чтобы получить струвитные композиты. Таким образом, новый материал может стать важным вкладом в экономику замкнутого цикла. Его также можно использовать в качестве натурального удобрения, что имеет большое значение для сельского хозяйства, поскольку он медленно и контролируемо высвобождает связанный фосфор, необходимый растениям.
Далее исследователи намерены продолжить оптимизацию и масштабирование производственного процесса. Успех этого материала в строительной отрасли зависит в первую очередь от стоимости связующего вещества. Струвит относительно дорог по сравнению с полимерными связующими или цементом. Однако ситуация может измениться, если удастся задействовать еще один цикл: струвит в больших количествах накапливается на очистных сооружениях, где он засоряет канализационные трубы. «Мы могли бы использовать эти отложения в качестве сырья для нашего строительного материала», — заключил Кюрштайнер. Работа опубликована в журнале Chem Circularity.
[Фото: Dan Vivas Glaser / from Kürsteiner R et al. Chem Circularity 2026, CC BY 4.0]
