Лаборатория лесных товаров

Лаборатория лесных товаров Министерства сельского хозяйства США

Логотип Лесной службы США.
Обзор агентства
Сформированный	4 июня 1910 г.
Юрисдикция	Федеральное правительство Соединенных Штатов
Штаб-квартира	1 Гиффорд Пинчот Драйв, Мэдисон, Висконсин 53726
руководитель агентства	Доктор Синтия Уэст, директор
Материнское агентство	Министерство сельского хозяйства США Лесная служба США
Веб-сайт	www.fpl.fs.usda.gov @fsWoodLab

Лаборатория лесных товаров (FPL) — национальная исследовательская лаборатория Лесной службы США , входящая в состав Министерства сельского хозяйства США . С момента своего открытия в 1910 году FPL проводил научные исследования в области древесины, изделий из древесины и их коммерческого использования в партнерстве с научными кругами, промышленностью, племенными, государственными, местными и другими правительственными учреждениями. Штаб-квартира лаборатории находится в Мэдисоне, штат Висконсин . Целью Лаборатории лесных товаров является содействие здоровью лесов и лесной экономике посредством эффективного и устойчивого использования национальных древесных ресурсов.

История

К концу 1800-х годов росло осознание того, что ресурсы древесины исчерпаны и бережное использование может их расширить. В 1887 году Б. Е. Фернов , начальник отдела лесного хозяйства Министерства сельского хозяйства, сообщал:

Свойства, на которых основано использование древесины, ее технология, должны быть хорошо известны лесоустроителю, если он желает производить урожай заданного качества, пригодный для определенных целей. Наше незнание этого направления было наиболее плодотворным в поощрении расточительного использования наших естественных лесов, и то же невежество вводит в заблуждение даже сегодняшнего лесозавода при выборе древесины, которую он сажает, и местности, к которой он ее приспосабливает. Как черный орех был принесен в жертву ради материала для забора, как ценный каштановый дуб сгнил в лесу без использования, как болиголов презирался и игнорировался, хотя его можно было успешно использовать для продления срока поставок белой сосны , как древесина в настоящее время используются в неоправданно больших размерах и применяются для целей, для которых они не приспособлены, в то время как другие виды древесины игнорируются для целей, для которых они приспособлены - все эти досадные ошибки в применении происходят или происходили из-за отсутствия знаний о технологических свойствах из наших пиломатериалов.

Между 1890 и 1910 годами исследования в области управления лесами и лесовосстановления были разбросаны по различным университетам США. Исследования механических свойств различных пород древесины проводились в Purdue и университетах Вашингтона, Калифорнии, Орегона и Колорадо. В Йельском университете проводились исследования по консервации и сушке в печи. В Бостоне находился экспериментальный целлюлозный завод, а также проводились исследования в области химии древесины и ее консервации.

Старая лаборатория лесных товаров (1910 г.) в кампусе Университета Висконсин-Мэдисон , на Юниверсити-авеню, 1509, также внесена в Национальный реестр исторических мест .

Лаборатория лесных товаров была задумана в 1907 году МакГарви Клайном, руководителем Управления по использованию древесины Лесной службы США. Клайн видел необходимость в централизованном исследовательском центре для улучшения координации между региональными исследовательскими центрами. Вместе с руководителем лесной службы Гиффордом Пинчотом Клайн выбрал кампус Университета Висконсина в качестве места для этой новой лаборатории, потому что Мэдисон имел хороший доступ к железнодорожным путям, был близок к запасам древесины, а Университет Висконсина имел хорошую репутацию в области научных исследований.

В 1910 году было завершено строительство здания лесных товаров на Университетском проспекте, 1509 (ныне Здание материаловедения и инженерии), в котором разместились 45 исследователей в восьми отделах: физика древесины, испытания древесины, целлюлоза и бумага, консервация древесины, химия древесины, перегонка древесины, инженерия древесины, и патология. Пропаганда исследований Рафаэлем Зоном привела к организации первых Федеральных лесных экспериментальных станций и Лаборатории лесных продуктов при Отделении исследований, которая была образована в 1915 году.

Новая локация Лаборатории, проиллюстрированная между 1930-ми и 40-ми годами.

Работа лаборатории росла, и в 1919 году уже поступило предложение о строительстве нового помещения. Наконец, в 1928 году она была профинансирована. UW предоставил 10 акров (4,0 га) в западной части кампуса, а Лесная служба построила новую лабораторию в 1931 и 1932 годах. Здание было спроектировано Холабердом и Рутом из Чикаго в международном стиле , что отражается при отсутствии орнамента - ленточные окна и угловые окна. Площадь здания имеет U-образную форму, высота центрального блока составляет шесть этажей. Внутри пол вестибюля выложен терраццо , а двери и деревянная отделка отделаны морилкой и лаком из американского ореха . Второй этаж отделан белым и красным дубом , третий — каштаном , четвертый — прозрачной березой и пятый — красной камедью . К главному зданию лаборатории в 1935 и 1950-х годах были пристроены невысокие пристройки, а с течением времени были добавлены различные отдельные хозяйственные постройки, такие как здание для огневых испытаний 1934 года.

Результаты прочностных испытаний нервюр DeHaviland крыла различных конструкций во время Первой мировой войны .

Исследования в FPL улучшили качество жизни почти каждого американца, способствуя прорывам в жилищном строительстве, упаковке, переработке отходов и сохранении лесных ресурсов. В частности, исследователи из FPL разработали древесностружечные плиты, клееный брус, ламинированную арку, процессы изготовления целлюлозной бумаги, коробки из ДВП и деревянные ящики. FPL также внесла большой важный вклад в развитие страны за ее историю, включая важные исследования для вооруженных сил во время войны.

Обзор

Миссия Лаборатории лесных товаров — выявлять и проводить инновационные исследования в области использования древесины и волокна, которые способствуют сохранению и продуктивности лесных ресурсов, тем самым поддерживая леса, экономику и качество жизни. FPL состоит из семи основных исследовательских рабочих подразделений. Эти подразделения используют испытательные ресурсы нескольких лабораторий и информационных хранилищ, расположенных на территории многочисленных кампусов FPL. Пять основных направлений деятельности являются центром всех исследований FPL. Сотрудничество в этом исследовании осуществляется с различными другими федеральными агентствами; правительства штатов, местные и племенные правительства; частная промышленность и академические учреждения.

Направления исследований

• Недостаточно используемая древесная биомасса : Леса в Соединенных Штатах содержат значительное количество малой и недостаточно используемой древесной биомассы . Избыток деревьев увеличивает риск катастрофических лесных пожаров и ущерба от насекомых, болезней и засухи. Прореживание этих насаждений может помочь снизить риски, но может оказаться очень дорогостоящим и может превысить стоимость удаляемой биомассы. Коммерческое использование материалов для прореживания создает рынок для продукции с добавленной стоимостью и является одним из способов улучшения экономики операций по прореживанию, направленных на улучшение здоровья лесов. С 1993 года Лаборатория лесных товаров (FPL) сосредоточила часть своих многочисленных исследовательских усилий на характеристике и выявлении потенциальных применений материалов малого диаметра и прореживания. Исследователи FPL также предоставляют технологии, которые помогают сельским общинам создавать успешные предприятия из побочных продуктов управления экосистемами . В некоторых проектах изучался потенциал конструкционного материала малого диаметра «круглой» формы для использования в мостах, тротуарах, конструкциях троп, навесах для пикников, сараях для хранения и других зданиях деревенского типа.
• Нанотехнологии : Нанотехнологические исследования открывают большой потенциал для улучшения характеристик и удобства обслуживания изделий из древесины. Таким образом, FPL может стать выдающимся федеральным учреждением по применению нанонауки в исследованиях лесной продукции. Потенциальные применения нанотехнологий включают древесные композиционные материалы со встроенными наносенсорами для измерения и реагирования на структурные силы, нагрузки, влажность и температуру. Наноантимикробные и водостойкие покрытия на древесине для использования в районах, подверженных наводнениям и зонах ураганов, могут улучшить здоровье, безопасность и устойчивость древесины в этих районах. Разработка дорогостоящих продуктов из недооцененных древесных ресурсов с использованием нанокристаллов целлюлозы и нанофибрилированных целлюлозных компонентов также может улучшить характеристики и долговечность древесноволокнистых плит , ДСП и клееных конструкционных изделий для использования в широком спектре конструкционных применений.
• Лесная биопереработка и использование биомассы : FPL имеет хорошие возможности для использования исследовательских возможностей для улучшения экономики производства транспортного топлива, биоэнергии и химикатов из древесной биомассы . Развитие прибыльных биоперерабатывающих заводов помогает снизить затраты на управление лесами , улучшить здоровье лесов, продвигать методы устойчивого лесопользования, снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить производство парниковых газов . Десятилетия тушения пожаров нарушили естественный цикл пожаров в лесах США, в результате чего, по оценкам, 8,4 миллиарда тонн сухого материала необходимо удалить из национальных лесов, чтобы повысить их устойчивость. Этот материал доступен для производства изделий из древесины, химикатов и энергии, однако для снижения затрат на лесопользование необходимо рентабельное использование этого материала . Бизнес-концепции, направленные на преобразование древесных ресурсов в жидкое топливо и химическое сырье, становятся конкурентоспособными по затратам. Поскольку международное сообщество обеспокоено глобальное потепление и рост выбросов парниковых газов , государственная поддержка биотоплива увеличивается и, вероятно, снижает инвестиционные риски. Топливо, полученное из биомассы, обычно считается нейтральным по отношению к парниковому эффекту, поскольку количество углекислого газа, выделяемого при сгорании, равно количеству, адсорбируемому из атмосферы и изолируемому растениями посредством фотосинтеза .
• Расширенные исследования конструкций . В прошлом конструкции проектировались в первую очередь с учетом вопросов жизни и безопасности. Сегодня структурное проектирование также включает в себя функциональность, воздействие на окружающую среду и экономику. Проектирование, основанное на характеристиках, учитывает эти соображения при проектировании конструкций и набирает обороты среди архитекторов и инженеров. Проектирование, основанное на характеристиках, подразумевает проектирование, оценку и строительство инженерных объектов, отвечающих неопределенным будущим требованиям. Эти концепции требуют перехода от эмпирических и основанных на опыте соглашений к процессу проектирования и оценки, более прочно основанному на точном прогнозировании характеристик конструкции при реалистичном описании факторов нагрузки окружающей среды, которым подвергается конструкция. В этом подходе также особое внимание уделяется мониторингу состояния структурной системы, оценке эксплуатационных характеристик и выявлению необходимости ремонта или нового строительства. Оно формирует основу стратегий по оживлению нашей приходящей в упадок инфраструктуры.
• Усовершенствованные композиты : на протяжении десятилетий древесные композиционные материалы использовались для создания товаров для строительства и домашнего интерьера с добавленной стоимостью (например, фанера , ДСП , ДВП , оргалит ). Совсем недавно на рынке появились композитные продукты на биологической основе на основе натуральных волокон, а также гибридные продукты, такие как композиты древесины и пластика. Новые композитные технологии, такие как нанокомпозиты, разрабатываются как малообъемные и дорогостоящие композиты. Каждая из этих технологий повышает ценность разнообразного сырья из древесины и биоволокон, включая древесину малого диаметра, древесину, выращенную на плантациях, сельскохозяйственные и промышленные отходы, экзотические инвазивные виды, а также материалы для сноса и переработанные материалы. Композиты на биологической основе также являются средством вырубки и прореживания древесины, что помогает лесным управляющим восстанавливать поврежденные экосистемы и продвигает методы устойчивого лесопользования . Недавние достижения в исследованиях древесины и биокомпозитов привели к новому пониманию между материалами, процессами и характеристиками композитов. Достижения в области инженерных биокомпозитов влияют на широкий спектр композитных продуктов, включая экономичные товарные продукты и высокоэффективные нишевые продукты.

Подразделения исследовательской работы

• Долговечность и защита древесины : повышение долговечности и защиты древесины за счет улучшения конструкции здания, разработки малотоксичных консервантов для древесины и повышения пожарной безопасности.
• Экономика и статистика : предоставление экономической информации, анализа и прогнозов, а также повышение эффективности исследований посредством разработки, оценки и применения современных статистических исследований.
• Науки о инженерных композитах : понимание взаимосвязей между материалами, процессами и характеристиками для разработки биокомпозитов, которые приносят пользу пользователям, одновременно способствуя устойчивости как девственных, так и переработанных лесных ресурсов.
• Инженерные свойства древесины, древесных материалов и конструкций : улучшение характеристик механических и физических свойств древесины и изделий из древесины, которые важны в инженерном проектировании, и содействие их эффективному использованию в деревянных строительных системах.
• Исследования в области волокон и химических наук : разработка эффективных процессов переработки древесины в химикаты и волокна, разработка экономически выгодных способов использования недостаточно используемых древесных ресурсов и совершенствование методов восстановления и повторного использования лесных продуктов, таких как макулатура и строительный мусор.
• Институт микробных и биохимических технологий : развитие биотехнологий и нанотехнологий переработки древесины и волокон посредством исследований, которые способствуют эффективному использованию древесины и улучшению здоровья лесов.
• Лесная биополимерная наука и инженерия : понимание основных свойств древесины и других материалов, используемых в сочетании с древесиной для улучшения их свойств, увеличения срока службы и разработки новых применений.

Лабораторные подразделения

• Лаборатория аналитической химии и микроскопии (ACML): ACML предоставляет высококачественную аналитическую поддержку и технические консультации исследователям FPL, используя специализированное оборудование и возможности, такие как наноиндентор , атомно-силовой микроскоп и сканирующий электронный микроскоп .
• Лаборатория инженерной механики и дистанционного зондирования (EMRSL): EMRSL проводит физические и механические испытания широкого спектра материалов, строительных систем и конструкций для использования при разработке строительных норм и правил и проектировании конструкций . Испытания изделий и конструкций могут включать в себя образцы размером от зубочисток до цельных несущих балок и трехмерных макетов зданий.
• Лаборатория испытаний бумаги : Лаборатория испытаний бумаги занимается в основном анализом сортов бумаги для печати и письма. Исследователи могут удовлетворить большинство потребностей в тестировании бумаги в отношении прочности, оптических и поверхностных свойств. Тестирование проводится в помещении с строго контролируемой влажностью для достижения оптимальной точности.

Ресурсы и техническая помощь

• Центр исследований анатомии древесины : В Центре исследований анатомии древесины при FPL хранится крупнейшая в мире коллекция исследовательской древесины. В целях исследования и идентификации используется более 100 000 образцов. Исследователи изучают анатомические и другие характеристики древесины, которые могут повлиять на ее потенциал использования, предоставляют услуги по идентификации древесины и отвечают на вопросы, касающиеся свойств, характеристик и использования тропических и малоизвестных местных видов.
• Центр исследований лесной микологии : В Центре микологических исследований имеется гербарий, содержащий 70 000 высушенных образцов гниющих грибов, собранных с начала 1900-х годов, а также коллекция из более чем 12 000 живых культур. Образцы из этих коллекций используются исследователями по всему миру для дальнейших исследований. Центр исследований лесной микологии, расположенный на территории FPL, официально является подразделением Северной исследовательской станции Лесной службы.
• Отдел технологического маркетинга : Расположенное в FPL подразделение маркетинга технологий (TMU) Лесной службы Министерства сельского хозяйства США (USDA Forest Service) предоставляет широкий спектр знаний в области использования и маркетинга изделий из древесины, передачи технологий и технической помощи. TMU работает в сотрудничестве со многими различными партнерами, чтобы обеспечить быстрое внедрение технологий лесных материалов на многих малых сельских предприятиях по производству лесной продукции . В сферу их деятельности входит сохранение, переработка лесной продукции, повышение эффективности производства, маркетинг, переработка и биоэнергетика . Техническая помощь, которую они оказывают, включает публикации, визиты для оказания технической помощи, конференции, семинары, встречи и индивидуальные консультации по телефону или лично. TMU также управляет и присуждает ежегодные гранты, предназначенные для улучшения использования древесной биомассы, изъятой в ходе проектов по восстановлению лесов .
• Библиотека ФПЛ : В FPL находится национальная библиотека лесной службы, открытая для публики. Тематические области включают изделия из цельной древесины, целлюлозу и бумагу, микологию, анатомию древесины, деревообработку, биотехнологию, клеи, консервацию древесины , исследования пожаров, экономику, биологическое разрушение древесины, краски и покрытия, а также переработку отходов.

Исследовательские и испытательные центры

Столетний исследовательский центр

Исследовательский центр столетия лаборатории лесных товаров Министерства сельского хозяйства США в Мэдисоне, штат Висконсин .

Самым передовым крупномасштабным дополнением к FPL за более чем 70 лет является новый исследовательский центр Centennial Research Facility (CRF), площадью 87 000 квадратных футов (8 100 м²). ² ) многофункциональная лаборатория. Этот объект был построен в соответствии с квалификацией для получения серебряного сертификата рейтинговой системы «Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании » (LEED), разработанной Советом по экологическому строительству США . Таким образом, CRF был спроектирован и построен с использованием стратегий повышения производительности по наиболее важным показателям эффективности: энергосбережению, использованию воды, сокращению выбросов парниковых газов , улучшению качества окружающей среды внутри помещений и управлению ресурсами, включая чувствительность к их воздействию. Исследователи CRF в области инженерной механики могут проверять прочность полномасштабных конструкций, в то время как исследователи долговечности подвергают испытаниям изделия из дерева в довольно суровой камере моделирования погодных условий. Современное оборудование для испытаний на консервацию заменит использовавшиеся ранее старые сосуды, а эффективная и удобная для производства планировка поможет продвинуть исследования в области композитов на древесной и биологической основе.

Исследовательский демонстрационный дом и Каретный дом

FPL построила два полномасштабных сооружения: Исследовательский демонстрационный дом и Каретный двор для исследовательской и образовательной деятельности. Обе эти структуры позволяют исследователям проводить исследования, связанные с жильем, в реальных условиях, что может значительно расширить знания, полученные в лабораторных условиях. Эти структуры являются результатом сотрудничества Центра перспективных жилищных исследований. созданная FPL в 2000 году, в которую входит широкий круг партнеров как из государственного, так и из частного секторов, работающих над улучшением жилищных технологий.

Лаборатория огневых испытаний

Испытательный центр FPL на огнестойкость играет ключевую роль в разработке безопасной и долговечной строительной продукции. Нынешний объект оборудован для проведения стандартизированных испытаний на огнестойкость и огнестойкость. Планы по строительству нового испытательного стенда на огнестойкость находятся в стадии реализации, а нынешние возможности будут расширены за счет возможности моделирования реальных сценариев пожара в более широком масштабе. Новый объект позволит исследователям лучше справляться с угрозами природных пожаров для сооружений и разрабатывать строительные нормы и правила, основанные на характеристиках.

Целлюлозно-бумажный комбинат

Пилотная установка по переработке волокна компании FPL оборудована для воспроизведения процессов промышленной целлюлозы и производства бумаги в пилотном масштабе. Имея возможности в области производства щепы, целлюлозы, производства бумаги и ДВП и даже переработки, исследователи могут тестировать новые методы и оценивать их эффективность на оборудовании, аналогичном тому, которое используется коммерческими производителями.

Пилотный завод наноцеллюлозы

В августе 2012 года FPL открыла предприятие по производству возобновляемых лесных наноматериалов стоимостью 1,7 миллиона долларов. Это учреждение является первым в своем роде в Соединенных Штатах и ​​позиционирует лабораторию как ведущего производителя наноцеллюлозных материалов в стране. Наноцеллюлоза — это просто древесное волокно, расщепленное до наномасштаба. Для сравнения: нанометр составляет примерно одну миллионную толщину американского десятицентовика. Материалы такого масштаба обладают уникальными свойствами; Материалы на основе наноцеллюлозы могут быть прочнее кевларового волокна и обеспечивать высокие прочностные свойства при небольшом весе. Например, наноцеллюлозные материалы могут применяться в легкой броне и баллистическом стекле. Компании в автомобильной, аэрокосмической, электронной, потребительской и медицинской промышленности также видят большой потенциал этих инновационных материалов в самых разных областях применения.

Этот объект будет поддерживать развивающийся рынок возобновляемых наноматериалов, полученных из древесины, помогая стимулировать рост рабочих мест в лесной отрасли и внести примерно 600 миллиардов долларов в американскую экономику к 2020 году.США и другие страны увидят многочисленные выгоды от коммерциализации целлюлозных наноматериалов, полученных из древесины. Разработка и коммерциализация новых легких, высокоэффективных продуктов из древесины может помочь снизить потребление ископаемого топлива и выбросы парниковых газов, одновременно увеличивая потенциал возможностей сельского производства, включая создание множества новых высокооплачиваемых рабочих мест. Новый объект Лаборатории лесной продукции поможет в коммерциализации этих материалов, предоставив исследователям и первопроходцам этой технологии рабочие количества лесных наноматериалов.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с Лабораторией лесных товаров, на Викискладе?

• Официальный сайт
• Лаборатория старых лесных товаров в зданиях Университета Висконсина
• Исследования и разработки Лесной службы Министерства сельского хозяйства США
• История лаборатории лесных товаров ( Общество истории леса )
• «Величайшее благо: 100 лет» Видео Чар Миллера о жизни и наследии Рафаэля Зона.
• LabNotes: Официальный блог Лаборатории лесных товаров. Архивировано 17 июня 2015 г. в Wayback Machine.