При обработке древесины на доски получается стружка. Ежегодно в мире производится несколько миллионов тонн стружки, значительная доля которой используется для выработки энергии. В результате этого в атмосферу попадает углекислый газ, выделяющийся при сжигании древесины, что нежелательно с экологической точки зрения. Исследователи из 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 уже давно известен своими уникальными свойствами, препятствующими возгоранию. Ранее возникали трудности с объединением этого минерала и частиц древесных опилок, что было связано с особенностями его кристаллизации. Сейчас ученые применяют фермент, полученный из семян арбуза, для регулирования процесса кристаллизации струвита из водной суспензии минерала-предшественника, ньюбериита. В конечном итоге формируются крупные кристаллы, которые заполняют промежутки между частицами опилок и обеспечивают их надежное соединение. Полученный материал подвергается прессованию в течение двух суток, после чего извлекается из формы и высушивается при обычной температуре.
«Новый материал демонстрирует большую прочность на сжатие в направлении, перпендикулярном волокнам, чем исходная древесина ели», — рассказывает Ронни Кюрштайнер, руководитель проекта. Благодаря своим механическим характеристикам и отличной устойчивости к огню, он идеально подходит для внутренней отделки помещений. Причина в том, что струвит не только не горит, но и увеличивает сопротивление огню. При воздействии высокой температуры минерал разлагается, высвобождая водяной пар и аммиак. Этот процесс поглощает тепло из окружающей среды, оказывая охлаждающее воздействие. Выделяющиеся негорючие газы замещают воздух, ограничивая распространение пламени и ускоряя процесс обугливания материала.
Материал был проверен с использованием конусного калориметра – устройства, которое моделирует реакцию материала на воздействие внешнего источника тепла. Необработанная ель начинает гореть примерно через 15 секунд, в то время как струвит, полученный из опилок, требует для этого более чем в три раза больше времени. После начала горения формируется быстрое защитное покрытие из неорганических соединений и углерода, которое сдерживает дальнейшее распространение пламени. «Струвитовые панели, изготовленные из древесных опилок, обладают самозащитной функцией», – отмечает Кюрштайнер.
Предварительные расчеты указывают на то, что данный материал способен достичь класса огнестойкости, сопоставимого с традиционными древесно-стружечными плитами на цементном связующем, однако для окончательного подтверждения этого требуются дополнительные, более объемные испытания на огнестойкость. В настоящее время древесно-стружечные плиты на цементной основе активно применяются для обеспечения огнезащиты внутренних поверхностей. В их состав входит от 60 до 70 % цемента по массе, что обуславливает их значительный вес и оказывает негативное воздействие на углеродный след, связанное с высоким энергопотреблением при производстве цемента. Струвитовая плита, изготовленная из древесных опилок, в свою очередь, содержит лишь 40 % связующего, благодаря чему она существенно легче.
Одним из ключевых преимуществ этого нового композитного материала перед другими строительными решениями является его экологичность: в отличие от древесно-стружечных плит на цементной основе, он не становится строительным мусором после сноса здания. Струвитные плиты, изготовленные из древесных опилок, могут быть разобраны на составляющие части после демонтажа: их измельчают в дробилке и подвергают нагреву до температуры, немного превышающей 100 °C. В процессе нагрева высвобождается аммиак, а опилки подвергаются просеиванию. Затем регенерированный материал, являющийся предшественником ньюберита, снова выпадает в осадок в виде твердого вещества.
После этого ньюбериит можно повторно соединить с опилками, формируя струвитные композиты. Благодаря этому, новый материал может внести значительный вклад в развитие экономики замкнутого цикла. Кроме того, его можно применять в качестве органического удобрения, что крайне важно для сельского хозяйства, поскольку он обеспечивает постепенное и регулируемое высвобождение фосфора, необходимого для роста растений.
В дальнейшем ученые планируют совершенствовать и расширять производственный процесс. Ключевым фактором, определяющим применение этого материала в строительстве, является цена связующего компонента. По сравнению с полимерными связующими или цементом струвит является достаточно дорогим. Тем не менее, перспективы могут измениться, если удастся использовать дополнительный ресурс: значительные объемы струвита образуются на очистных сооружениях, где он приводит к засорению канализационных труб. «Мы рассматриваем возможность использования этих отложений в качестве исходного сырья для нашего строительного материала», — отметил Кюрштайнер. Работа опубликована в журнале Chem Circularity.
[Фото: Дан Вивас Глазер / из статьи Kürsteiner R и др., опубликованной в Chem Circularity 2026, лицензия CC BY 4.0 ]