Химический состав древесины
Древесина – это вещество клеточных стенок (оболочек клеток дерева), состоит в основном из органических веществ (около 99 %), и лишь небольшую часть (около 1 %) составляют минеральные вещества, которые при сжигании древесины образуют золу. Основные органические компоненты древесины являются высокомолекулярными соединениями (полимерами), которые в древесине между собой прочно связаны. Органические вещества древесины подразделяют на три основные части: углеводную, ароматическую и экстрактивные вещества. Главными компонентами древесины являются: целлюлоза (45–55 %), близкие к ней гемицеллюлоза (24–30 %) и лигнин (20–29 %).
Целлюлоза , или клетчатка имеет волокнистое строение, в чистом виде бесцветна, не имеет запаха и вкуса, очень стойка, не изменяется на воздухе и не растворяется в воде, спирте, ацетоне, эфире и других обычных органических растворителях. Целлюлоза идет на изготовление бумаги, искусственного шелка, взрывчатых веществ, ниток, целлулоида, нитроцеллюлозных лаков и других веществ. Гемицеллюлозы по своему химическому составу являются веществами, близкими к целлюлозе. Под действием кислот они легко гидролизуются и переходят в раствор. Лигнин представляет собой сложное органическое растительное вещество. От целлюлозы лигнин отличается большим содержанием углерода и меньшей стойкостью: она легко подвергается действию горячих щелочей и окислителей. В древесине хвойных пород в смоляных ходах или в смоляных клетках коры содержатся смолы . Из древесины сосны получают жидкую смолу – живицу, представляющую густую, липкую прозрачную жидкость с ароматическим запахом. В древесине многих пород (дуб, каштан) содержатся дубильные вещества – танниды, используемые в кожевенной промышленности для дубления сырых шкур и превращения их в кожу. Млечные соки некоторых растений дают особые вещества – гуттаперчу. Породы, дающие гуттаперчу, называют каучуконосами (бересклет бородавчатый), т.к. она является сырьем для получения каучука.
2. Свойства древесины
Свойства древесины подразделяются на физические, механические, химические и биологические.
Физическими называются такие свойства древесины, которые можно определить без нарушения целостности испытуемого образца, без изменения его химического состава. К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, объемная масса, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, теплопроводность, звукопроводность, пористость, усушка, разбухание и коробление, газопроницаемость и др.
Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском и текстурой. Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества. Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет и различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Блеск древесины зависит от количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Плотная древесина обладает обычно большим блеском (бук, клен, ильм, платан, акация). Текстурой называется рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годовых слоев и сердцевинных лучей. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины в направлении разреза. Запах древесины определяют находящиеся в ней смолы, эфирные масла, дубильные и другие вещества. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони.
Объемная масса характеризует древесину при стандартной 15 % влажности. От ее величины зависят строительно-технические свойства. Отношение веса вещества к весу воды, взятому в одинаковом объеме, называется удельным весом данного вещества. Удельный весь древесинного вещества составляет в среднем 1,49–1,57 г/см 3 . Так как древесина имеет поры, то в практике важен вес единицы объема древесины в ее естественном состоянии, т.е. объемный вес древесины. Объемная масса древесины в воздушно-сухом состоянии колеблется в значительных пределах – от 380 кг/м 3 для очень легких пород деревьев (пихта сибирская) до 1050 кг/м 3 для наиболее тяжелых (саксаул, фисташка). В зависимости от величины объемной массы в воздушно сухом состоянии древесину можно разделить на следующие группы: породы легкие, объемный вес до 0,55 (сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, осина, каштан, ива, черемуха); породы среднетяжелые, объемный вес 0,56–0,75 (лиственница, тис, берест, вяз, береза, ильм, бук, дуб, клен, рябина, черешня, яблоня, ясень, можжевельник); породы очень тяжелые, объемный вес выше 0,76 (акация белая, береза железная, граб, груша, самшит, саксаул, фисташник, хмелеграб, кизил).
В практике приняты следующие понятия, характеризующие степень влажности срубленной древесины: мокрая (находящаяся долгое время в воде) – доходит до 150–200 %; свежесрубленная древесина: для хвойных пород 80–100 %, для мягких лиственных пород 60–93 %, для твердых лиственных пород – 36–78 %; транспортная – влажность не выше 22 %; воздушно-сухая – 15–20 %, комнатно-сухая – 8–13 %,. Влажность древесины длительное время находящейся на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой, называется равновесной, а влажность, соответствующая предельному содержанию гигроскопической влаги – точкой насыщения волокон. Древесина обладает высокой гигроскопичностью, ее влажность изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха.
Гигроскопичность (влагопоглощение ) – способность древесины поглощать пары воды из окружающего воздуха и отдавать содержащуюся в ней влагу. Гигроскопичность является отрицательным свойством древесины, так как обусловливает изменение плотности, объемной массы, теплопроводности и прочности древесины, изменяемость размеров деревянных конструкций в процессе их эксплуатации в зданиях и сооружениях, восприимчивость к бактериальному поражению. Водопроницаемость древесины определяется количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца за определенное время (г/см3) и зависит от породы древесины, ее исходной влажности, характера среза и других факторов. В процессе испарения гигроскопической влаги происходит уменьшение линейных и объемных размеров древесины.
Теплопроводность древесины невелика и зависит от объемной массы, характера пор и влажности, при увеличении плотности и влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность древесины неодинакова: в направлении вдоль волокон коэффициент теплопроводности примерно в 1,5–3 раза больше, чем поперек.
Звукопроводностью называется свойство материала пропускать сквозь свою толщу звук. Древесина является хорошим проводником звука, который распространяется в ней в 2–17 раз быстрее, чем в воздухе. Большая звукопроводность древесины является ее отрицательным свойством, вызывая необходимость применения звукоизолирующих материалов. Звук распространяется быстрее вдоль волокон и медленнее поперек волокон (особенно в тангенциальном направлении). Сырая и загнившая древесина проводит звук значительно хуже сухой и здоровой. Резонансные свойства древесины зависят от однородности ее строения и объемного веса. Наилучшими резонирующими свойствами обладает древесина ели, кавказской пихты и кедра сибирского.
Электропроводность древесины подвержена значительным изменениям и зависит от ее породы, температуры, направления годовых слоев и влажности. С повышением температуры и влажности электропроводность древесины увеличивается.
Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 80%, лиственных – от 32 до 80%.
Усушка, разбухание и коробление . При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. При разбухании и усушке происходит коробление и растрескивание лесных материалов. Коробление вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен.
Механическими называются свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам). Механические свойства древесины в значительной степени зависят от объемной массы, с повышением которой увеличивается прочность. С повышением влажности прочность уменьшается. К механическим свойствам древесины относятся прочность, упругость, твердость, вязкость, хрупкость . Во многих деревянных конструкциях древесина работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10–12 раз больше, чем поперек, а у лиственных – в 5–8 раз. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон очень высокая, она превышает ее прочность при сжатии вдоль волокон и составляет 1200-1300 кг/см 2 . Прочность древесины при статическом изгибе в среднем в 2 раза выше прочности ее на сжатие вдоль волокон. Прочность древесины на скалывание вдоль волокон в 8-10 раз меньше, чем при растяжении, и в 5 - 6 раз меньше, чем при сжатии.
Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Количественно твердость измеряется усилием в кг, которое нужно приложить для того, чтобы вдавить в материал другое, более твердое тело. Твердость измеряется в кг на 1 см 2 поверхности (кг/см 2 ). Различают твердость древесины - торцовую, тангенциальную и радиальную. Торцовая твердость древесины превосходит боковую. С изменением влажности на 1 % торцовая твердость древесины изменяется на 3 %, боковая - на 2 %. Основные породы располагаются в следующей последовательности по степени их твердости в порядке уменьшения: кизил, фисташка, хмелеграб, граб, ясень, груша, берест, дуб, эвкалипт, бук, рябина, можжевельник, клен остролистный, вяз, береза, лиственница, кипарис, ольха, каштан, сосна, ива белая, осина, ель, кедр, пихта сибирская.
Раскалываемостью называется способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием расклинивающих ее сил. Легко раскалывается мёрзлая древесина. Раскалываемость древесины должна учитываться при скреплении деталей гвоздями и болтами, особенно у торца и кромок.
При изготовлении изделий из древесины большое значение имеют технологические свойства. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать металлические крепления.
Химические свойства древесины характеризуют ее стойкость к действию кислот, щелочей и других реагентов. Древесина обладает высокой стойкостью к действию раствора щелочей, солей и большинства органических кислот. Однако растворы минеральных кислот, особенно азотной, а также морская вода разрушают древесину. Древесина хвойных пород обладает большей коррозионной стойкостью к действию агрессивных сред, чем древесина лиственных пород. Снижение химической стойкости древесины сопровождается изменением ее цвета – от побурения до обугливания.
Древесина является горючим материалом: температура ее обугливания 120–150 о С; температура воспламенения 250–300 о С. Для защиты от возгорания древесину пропитывают огнезащитными составами (антипиренами), окрашивают жидкими огнезащитными материалами и др.
Биологические свойства древесины определяются стойкостью против грибов, плесени и насекомых, которая зависит от содержания смолистых, дубильных и других веществ. По биостойкости древесину подразделяют на три группы: наиболее стойкая (тисс, дуб), среднестойкая (сосна, кедр) и малостойкая (осина, бук). Гнилостойкость древесины повышают путем обработки ее антисептиками, к которым относятся органические и минеральные вещества с высокой токсичностью к грибам и насекомым.
ДРЕВЕСИНА
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов с многовековым опытом применения. Этому в немалой степени способствует то, что она самовосстанавливающийся материал.
Россия занимает первое место в мире по величине лесных массивов. Особенно велики запасы в Сибири, ценные породы древесины имеются в Карелии, на Кавказе, Дальнем Востоке.
Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной и глубокой переработки древесины. Наряду с такими традиционными материалами, как круглый лес, доски, брусья и т.п. все шире применяют клееные деревянные конструкции и разнообразные изделия, получаемые из отходов лесообработки. Отходы превращают в древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты с ценными и разнообразными свойствами.
Древесина, используя воду, минеральные и химические вещества, преобразуя энергию солнца, в процессе фотосинтеза вырабатывает широкий круг органических соединений, обогащает атмосферу кислородом. Как всякий живой организм дерево состоит из отдельных клеток и сосудов, разнообразных по форме, величине и расположению.
Физические, механические и другие свойства древесины обусловлены особенностями ее состава и строения. Древесина – это волокнистый, анизотропный материал, свойства которого зависят от направления волокон.
В зависимости от строения древесные породы делятся на хвойные и лиственные (кольце- и рассеяннососудистые).
Строение древесины изучается на макро- и микроуровнях.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ
Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60 до 90% древесины
Макроструктура - строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом. Обычно изучают три основных разреза ствола: поперечный (торцовый),
радиальный, проходящий через ось ствола, и тангентальный,
проходящий по хорде вдоль ствола.
При рассмотрении разрезов ствола невооруженным глазом или через лупу можно различить следующие основные его части: кора , которая состоит из пробковой ткани (пористая древесина, обеспечивающая тепловую защиту при разных изменениях температуры) и луба (выполняет проводящие функции – это проводящие клетки и ткани). По лубяному слою в растущем дереве доставляются питательные вещества, необходимые для развития, от кроны к корням.
За лубом находится камбий (состоит из древесных клеток, способных к делению или синтезу). Этот слой обеспечивает рост дерева путем деления клеток, для этого необходимы питательные вещества, поэтому луб и камбий находятся рядом. Ежегодно в вегетативный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола – клетки древесины. Слой камбия образуется за период – годовой слой.
За клетками камбия находится древесина (основная часть ствола), разделенная на две части – заболонь (состоит из проводящих клеток по которым осуществляется вертикальный (восходящий) поток, по клеткам заболони вода из корней попадает в крону и участвует в процессе синтеза, клетки заболони имеют очень высокую влажность). Внутренняя часть древесины – ядро (образуется за счет отмирания клеток заболони (клетки ядра выполняют механические функции).
В самом центре древесины находится слой очень тонких клеток - сердцевина (первичный росток, клетки сердцевины - не прочные, рыхлые). Загнивание дерева начинается с сердцевины.
Древесина ствола в поперечном разрезе состоит из ряда концентрических годичных) колец, располагающихся вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев: ранней (весенней) древесины, образовавшейся весной или в начале лета, и поздней (летней) древесины, которая образуется к концу лета.
Ранняя древесина светлая и состоит из крупных, но тонкостенных клеток; поздняя древесина более темного цвета, менее пориста и обладает большей прочностью, так как состоит из мелкопористых клеток с толстыми стенками.
В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных – дубильными веществами. В древесине всех пород располагаются сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же она растрескивается при высыхании.
МИКРОСТРУКТУРА
Древесные клетки в дереве по функциям разделяются на:
проводящие (осуществляется транспортировка жидкости);
запасающие (содержащие запас питательных веществ);
механические (опорные) определяют свойства древесины.
Группы одинаковых клеток образуют древесные ткани.
Проводящие клетки находятся в заболони и ранней зоне годового слоя:
трахеиды (в хвойных породах)
сосуды (в лиственных породах).
Механические клетки:
- трахеиды (в хвойных породах)
- либриформ (составляют основную массу ствола) (в лиственных породах).
Запасающие клетки находятся в сердцевинных лучах, образуя горизонтальные каналы.
Свойства древесины определяются строением оболочки древесной клетки.
микрофибриллами.
Микрофибрилла состоит из цепных молекул целлюлозы (природный полимер). (С6Н10О5)n – молекула имеет форму цепочки.
В клеточной оболочке содержатся и другие природные полимеры – лигнин и гемицеллюлоза,
которые размещаются между
микрофибриллами.
Древесина содержит – 30% целлюлозы, 25% лигнина, 25% гемицеллюлозы.
Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных более простым и правильным строением. Она состоит из трахеид, сердцевинных лучей, паренхимных клеток и смоляных ходов.
Трахеиды (от греч. tracheia – дыхательное горло и eidoc –
вид) имеют форму сильно вытянутых волокон с кососрезанными концами.
Ранние трахеиды – образуются весной и в начале лета. Они служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. Характерной их особенностью являются большие внутренние полости и тонкие стенки, на годовом слое они наиболее светлые, рыхлые и слабые, образуют раннюю древесину.
Поздние трахеиды образуются в конце лета. Стенки их сильно утолщены, внутренние полости малы, поры мелкие, малочисленные. Выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. На годовом слое они наиболее темные, плотные и крепкие, образуют позднюю древесину.
Паренхимные клетки – это одна из разновидностей живых растительных клеток, в которых откладываются запасные питательные материалы (крахмал, масла и др.). По внешнему виду – это четырехгранные призмы, стенки обычно тонкие, состоящие из целлюлозы и лигнина.
Древесина лиственных пород имеет более сложное строение. Причиной этого является сильное развитие сосудов, которые смещают соседние клетки, вследствие чего нарушается правильность
и однородность строения.
В состав древесины лиственных пород входят сердцевинные лучи, сосуды, трахеиды (не всегда), волокна либриформа
и паренхимные клетки.
Либриформ – это механическая ткань, являющаяся главной составной частью древесины всех лиственных пород. Волокна либриформа являются наиболее прочными элементами в древесине лиственных пород
и выполняют механические функции.
Сердцевинные лучи в древесине всех лиственных пород развиты значительно сильнее, чем у хвойных пород. Они построены исключительно из паренхимных клеток, несколько вытянутых по длине луча.
Содержание статьи
ДРЕВЕСИНА, сравнительно твердый и прочный волокнистый материал, скрытая корой основная часть стволов, ветвей и корней деревьев и кустарника. Состоит из бесчисленных трубковидных клеток с оболочками в основном из целлюлозы, прочно сцементированных пектатами кальция и магния в почти однородную массу. В природном виде используется в качестве строительного материала и топлива, а в размельченном и химически обработанном виде – как сырье для производства бумаги, древесноволокнистых плит, искусственного волокна. Древесина была одним из главных факторов развития цивилизации и даже в наши дни остается одним из важнейших для человека видов сырья, без которого не могли бы обойтись многие отрасли промышленности.
Источники.
Хотя древесная ткань имеется и у папоротников, почти всю древесину люди получают из деревьев двух главных отделов царства высших растений – голосеменных и покрытосеменных. Голосеменные растения – очень древняя форма, представленная исключительно древесными видами, к которым относятся хвойные деревья («мягкие породы»), а именно сосна, ель, кедр, поставляющие основную часть древесины, используемой человечеством. Отдел же покрытосеменных отличается большим разнообразием и делится на два класса – однодольные и двудольные. Лишь некоторые из однодольных (бамбук, пальмы, юкка) дают древесную ткань, которая имеет ограниченное, в основном местное значение. Что же касается двудольных, то к этому классу относятся важные лиственные («твердые») породы – дуб, эвкалипт, клен, древесина которых особенно ценна для мебели, отделки интерьеров и пр.
Структура.
Клетки древесины, как и клетки коры, возникают из многократно делящихся клеток прокамбия и камбия, которые составляют почти непрерывный слой образовательной ткани между корой и древесиной. Камбий возникает из клеток, отделившихся от конуса нарастания стебля или корня. Последний же берет начало в клеточно-образовательном центре зародыша в семени. В древесине имеются два класса клеток – паренхимные и прозенхимные. Паренхимные клетки обычно тонкостенные с простыми (неокаймленными) порами. В заболони они выполняют функцию физиологически активной живой ткани (обеспечивают хранение питательных веществ). Прозенхимные же клетки – толстостенные с окаймленными порами. Они теряют свой протопласт, когда вырастают и достигают окончательной толщины стенок, после чего превращаются в среду, проводящую жидкость и обеспечивающую опору.
Для древесины характерны годичные кольца, обусловленные изменениями размеров клеток и толщины их стенок в связи с изменениями условий роста. В зонах умеренного климата контраст колец связан с отличием «летней» древесины одного года от «весенней» следующего. По числу колец на уровне земли можно определить возраст дерева.
Химический состав.
В состав древесины входит ряд сложных органических соединений. Полный химический анализ показывает, что она содержит около 50% углерода, 6% водорода и 44% кислорода. Стенка клетки имеет сетчатую структуру из взаимосвязанных длинноцепных молекул целлюлозы, наполненную другими углеводородами (гемицеллюлозами), а также лигнином и различными экстрактивными веществами. Цементирующим межклеточным веществом являются в основном пектаты кальция и магния, а в клеточных полостях, особенно в древесине лиственных пород, накапливаются смолы, камеди, жиры, таннины, пигменты и минеральные вещества. В состав древесины входит 45–60% целлюлозы, 15–35% лигнина и 15–25% гемицеллюлоз. Количество инородных, экстрактивных веществ в значительной мере зависит от породы и неодинаково в заболони и ядровой древесине. Содержание минеральных веществ (зольность) древесины обычно значительно меньше 1%.
Физические свойства.
Относительная плотность древесины лежит в пределах от 0,1 (бальза) до ~ 1,3 (железное дерево и некоторые другие тропические породы). Относительная плотность большей части деловой древесины составляет 0,2–0,75, плотность – 190–850 кг/м 3 . Относительная плотность древесинного вещества равна приблизительно 1,5. Следовательно, лишь около 1/6 объема легкой деловой древесины составляет твердое вещество, тогда как в более тяжелых сортах на него приходится около половины объема. Относительная плотность может быть различной и для одной породы деревьев, что обусловлено переменчивостью условий произрастания. Так, для сосны длиннохвойной эта величина может составлять от 0,25 до 0,80 (среднее значение 0,53).
И древесина дерева на корню, и деловая древесина сильно поглощают воду, что обусловлено ее капиллярным строением. Свободная вода заполняет клеточные полости, а связанная удерживается за счет адсорбции в промежутках между волокнами. Когда вся свободная вода при сушке удалена, так что всю сосудистую систему заполняет связанная вода, древесина достигает точки насыщения волокон, что для большинства пород соответствует содержанию влаги около 28%. Дальнейшее удаление воды приводит к усадке, так как при десорбировании адсорбированной воды волокна сжимаются и просвет сосудов уменьшается.
В зависимости от наличия влаги древесина усаживается или разбухает. Усадка от точки насыщения волокон до состояния после сушки в печи максимальна (4–14%) в тангенциальном направлении (параллельно годичным кольцам), примерно вдвое меньше (2–8%) в радиальном направлении (поперек годичных колец) и практически отсутствует (0,1–0,2%) вдоль волокон. Тангенциальная, радиальная и объемная усадки приблизительно пропорциональны изменению влагосодержания древесины.
Механические свойства древесины тесно связаны с ее волоконно-клеточной структурой. Ее прочность максимальна вдоль и довольно низка поперек волокон. Предел прочности (отнесенный к единице массы) древесины при растяжении вдоль волокон в 40 раз, а при сжатии – в 3–4 раза больше, чем у стали. Предел прочности при сжатии вдоль волокон примерно в 6 раз, а при сдвиге – примерно в 4 раза больше, чем поперек волокон. Поскольку усилия сжатия и изгиба типичны для сооружений, древесина особенно подходит для использования в строительных конструкциях в качестве колонн и коротких балок. Почти все прочностные характеристики древесины изменяются пропорционально плотности и обратно пропорционально влагосодержанию ниже точки насыщения волокон. Наклон волокон, т.е. отклонение их направления от продольной оси, снижает прочность деревянного конструктивного элемента. Точно так же она снижается при наличии в досках и бревнах сучков, включенных частей ветвей, нарушающих или полностью прерывающих ход волокон. Однако в отсутствие растягивающих и изгибающих нагрузок небольшие сучки допустимы. Прочность древесины снижается также из-за повреждений гнилостными микроорганизмами и насекомыми.
Применение древесины.
Применение в строительстве.
Древесина применяется в строительстве в таких формах, как пиломатериалы прямоугольного сечения (брус, доски), шпон, фанера, железнодорожные шпалы, столбы, сваи, стойки, гонт и древесноволокнистые плиты. Больше всего потребляется пиломатериалов прямоугольного сечения. Их производят распиловкой бревен, затем отделывают до стандартной ширины и длины, сортируют по качеству, сушат и поставляют потребителям в необработанном с поверхности, обработанном или формованном виде. Фанеру изготавливают, склеивая нечетное число тонких слоев древесины (шпона) так, чтобы волокна соседних слоев были взаимно перпендикулярны. Фанерные панели отличаются от обычных пиломатериалов тем, что (наряду с отсутствием ограничений по ширине) их прочность более равномерна в разных направлениях, они лучше сопротивляются раскалыванию, а их размеры меньше изменяются в условиях переменной влажности.
Топливо и древесная масса.
Применение древесины как топлива в масштабах всего мира имеет все еще очень важное значение. В высокоразвитых промышленных странах топливное потребление древесины на протяжении последних десятилетий непрерывно уменьшалось в связи с переходом на уголь, газ, нефть и электричество. Такая тенденция, по-видимому, сохранится и в будущем по мере того, как с дальнейшим развитием техники будут все более доступны другие виды топлива и источники тепла. Применение же древесины в виде древесной массы в последнее время, наоборот, непрерывно увеличивалось и, по прогнозам, будет продолжать увеличиваться в обозримом будущем. Древесина превращается в древесную массу механическим истиранием с применением воды или путем обработки химикатами, разрушающими лигниновую связь и освобождающими волокна. Затем древесная масса переделывается в различные виды бумаги, коробочный картон, древесноволокнистые плиты. После специальной обработки она используется как целлюлозное сырье для изготовления синтетических тканей и пластиков.
Усовершенствования технологии.
Благодаря новым технологическим разработкам древесина стала шире использоваться в традиционных областях и нашла новые области применения. К таким достижениям относятся усовершенствования в технологии сушки, противогнилостная и противопожарная обработка, слоистые конструкции, сборные конструкции заводского изготовления, высокоэффективные столярные клеи. Достигнуты большие успехи в целлюлозно-бумажной промышленности, а также в производстве таких материалов на основе химической переработки древесины, как синтетическое волокно, целлофан, спирт, дрожжи, древесноволокнистые плиты, древесина с полимерной пропиткой, древесный слоистый пластик и различные формованные изделия. Прогресс в области переработки и применения древесины явился стимулом к дальнейшему развитию лесного хозяйства.
Основная масса древесины состоит из органических веществ, содержащих углерод (С), водород (Н), кислород (О) и азот (N).
В химический состав древесины, входят также минеральные вещества, которые при сгорании образуют золу. В зависимости от породы дерева количество золы в древесине колеблется от 0,2 до 1,7%.
Входящие, в химический состав древесины углерод, водород, кислород - образуют сложные органические вещества, часть которых, входит в клеточные стенки, часть - в сами клетки.
Клеточные стенки древесины, состоят преимущественно из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, полости клеток - из дубильных и красящих веществ, смолы, камеди, эфирных масел и алкалоидов.
Целлюлоза, гемицел-люлоза и лигнин составляют около 96% веса сухой древесины.
Целлюлоза является основным химическим веществом клеточных оболочек древесины и относится к полисахаридам.
Строение ее волокнистое. В воде, спирте, эфире, ацетоне и других обычных органических растворителях не растворяется.
Путем воздействия на целлюлозу различными кислотами и последующей химической обработки из нее получают бумагу, искусственный шелк, древесный кормовой сахар, винный спирт, лаки и др.
Гемицеллюлозы, по своему химическому составу близки к целлюлозе и также относятся к полисахаридам. Они обладают меньшей химической стойкостью, легко гидролизуются под воздействием кислот и переходят в раствор.
Гемицеллюлозы, разделяются на группу пентозанов и гексозанов.
Пентозаны при гидролизе образуют сахара-пентозы, которые не способны бродить и давать спирт, гексозаны образуют сахарагексозы, способные бродить и дающие спирт. Пентозаны преобладают в древесине лиственных пород, гексозаны - в древесине хвойных.
Лигнин, по сравнению с целлюлозой отличается меньшей стойкостью, легче подвергается воздействию горячих щелочей, окислителей и пр. Под действием сернистой кислоты или раствора едкого натра лигнин переходит в раствор. На этом свойстве основано получение из древесины целлюлозы, которая освобождается при этом от лигнина, образуя техническую целлюлозу.
При сухой перегонке дерева из лигнина получается метиловый спирт. Он тоже входит в химический состав древесины.
Дубильные вещества, обладают вяжущим вкусом, способностью растворяться в воде и спирте, в сочетании с солями железа придавать темно-синие и зеленоватые окраски растворам. Дубильные вещества, применяют в кожевенном производстве для дубления шкур.
Красящие вещества, встречаются обычно в полостях клеток. Химический состав древесины разнообразен, поэтому красящие вещества бывают красного, желтого, синего и коричневого цвета.
Краски, получающиеся из древесины некоторых пород, применяются для крашения материи, спиртовые растворы некоторых красок - для подкрашивания ликеров и кондитерских изделий.
Особую группу веществ близких к смолам, представляют у некоторых растений лакто - резины - млечные соки, из которых получают каучук и гуттаперчу - материалы для изготовления резиновых изделий.
Камеди - прозрачная густая жидкость, выделяющаяся из растений, быстро застывающая и твердеющая на воздухе. Камеди используют для изготовления некоторых сортов клея, в спичечном производстве, текстильной промышленности, медицине, кондитерском производстве и др.
Из эфирных масел, содержащихся в химическом составе древесины, можно изготовить камфорное масло. Из него приготовляют камфару, используемую при изготовлении целлголоида и для медицинских целей.
Из алкалоидов, встречающихся в древесных породах, следует отметить хинин, который добывают главным образом из коры некоторых видов деревьев. Употребляется хинин в медицине как противомалярийное средство.
Качество древесины, применяемой в виде сырья в отдельных химических производствах, определяется количественным содержанием необходимых химических веществ.
Так, древесина ели, сосны, осины, тополя и др. является главнейшим сырьем для получения целлюлозы - основного полуфабриката для изготовления бумаги, вискозного шелка, нитроцеллюлозы и пр.
Древесина сосны, служит ценным сырьем в смоло - скипидарных производствах, древесина дуба и каштана - важным сырьем для получения дубильных веществ.
Некоторые породы высоко ценятся изза содержания красящих веществ: красное дерево или красный сандал (содержит красные красящие вещества), сумах, желтое дерево, маклюра (желтые красящие вещества), синий сандал (синее красящее вещество).
Ни один из строительных материалов не обладает такими качествами, как древесина. Она очень удобна в обработке. Кроме того, это один из самых прочных, легких материалов, долго сохраняющих тепло и приятный запах.
Для того чтобы приступить к работе с древесиной, обязательно потребуется терпение. Не беда, если что-то с первого раза не будет получаться – все приходит с опытом. Глазомер и твердая рука могут быть помощниками, которые не позволят ошибиться при резании, пилении, сверлении, долблении и вытачивании древесины.
Древесина не относится к капризным строительным материалам, но некоторые ошибки она просто не простит: нельзя будет надставить несколько сантиметров неровно отпиленной доски или выровнять испорченную поверхность без ущерба будущему изделию. Это не пластилин и не глина, но в пластичности им древесина не уступает.
Сырая или специально вымоченная древесина прекрасно принимает ту форму, которую вы пожелаете ей придать.
При работе можно либо исказить, либо подчеркнуть рисунок древесины. Во втором случае выполненное изделие только выиграет и прекрасно будет смотреться без покрытия слоем краски. А усилить игру тонов помогут различные древесные лаки, которые наносятся на поверхность двумя-тремя тонкими слоями.
Для того чтобы задуманное изделие максимально подчеркивало текстурный рисунок древесины и не противоречило ему, необходимо изучить его.
Нет такого бруска древесины, на котором бы не прослеживалось направление роста волокон. Наиболее полное представление о том, что получится из выбранного бруска, может возникнуть только в том случае, если распилить брусок по трем направлениям: под углом в 45°, вдоль волокон и поперек них.
Срез под углом в 45° называется тангентальным срезом, который дает текстуру древесины в виде конусообразных линий (рис. 1, а). Срез вдоль волокон даст радиальный срез, который покажет вертикальные линии волокон (рис. 1, б). Срез, проходящий поперек волокон, по сути дела, представит текстуру дерева из годичных колец (рис. 1, в). Такой срез и будет называться поперечным.
Рис. 1. Виды срезов: а – тангентальный; б – радиальный; в – поперечный.
Если правильно расположить на бруске задуманный чертеж, то внешний вид будущего изделия только выиграет. Кроме того, сложность и красота будущего рисунка напрямую зависят от разнообразия текстуры древесины.
Строение древесины
Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая практически неразличима невооруженным глазом.
На свежем спиле растущего дерева слой камбия представлен очень хорошо. Если снять кору, откроется тонкая прослойка влажной ткани зеленоватого цвета – это и есть камбий. За камбием расположена собственно древесина с годичными кольцами.
Древесину еще называют заболонью. В центре каждого дерева есть ядро, которое по цвету может сливаться с заболонью или иметь более темный цвет. В зависимости от этого разделяют заболонные породы древесины, где ядро не имеет ярко выраженной структуры и клетки расположены так же плотно, как и в заболони (рис. 2, а), и ядровые, где, соответственно, ядро хорошо различимо (рис. 2, б). Иногда заболонные породы дерева называют безъядровыми.
Рис. 2. Виды пород: а – заболонные; б – ядровые.
К ядровым древесным породам относятся все хвойные (сосна, кедр, ель, тис, лиственница) и некоторые лиственные породы, например дуб, ясень, тополь. Большинство лиственных пород составляет ряд заболонных, или безъядровых: береза, граб, ольха, клен.
Кроме микроструктуры древесины, к ней относится плотность расположения древесных клеток. На создание композиции и возможность использования того или иного бруска в работе влияет макроструктура древесины, представленная годичными кольцами и сердцевидными сосудами.
К макроструктуре также относится наличие различных сучков, наростов и неразвившихся побегов-глазков, которые отклоняют годичные кольца и образуют различные свилеватости.
Древесина, где наиболее четко различимы годичные кольца, горизонтальные и вертикальные сосуды, представляется наиболее интересной для обработки. Практически все хвойные породы – сосна, лиственница, пихта, ель, кедр – обладают такой древесиной.
Физические свойства древесины
К физическим свойствам древесины относятся ее плотность, влажность, теплопроводность, звукопроводность, электропроводность, стойкость к коррозии (то есть способность противостоять действию агрессивной среды), а также ее декоративные качества (цвет, блеск, запах и текстура).
Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемой в г/см3или кг/м3. Зависит этот показатель от породы древесины, возраста, условий роста, ее влажности. Нет необходимости вдаваться в подробности изучения данного показателя; достаточно знать, что древесина, отличающаяся большей плотностью, служит гораздо дольше и менее подвержена необратимым изменениям, чем менее плотная (однако следует учесть, что для чистоты сравнительного анализа плотность древесины измеряют на образцах влажностью 15 %). Самая большая плотность у дуба, далее по убывающей следуют: ясень, клен, лиственница, бук, береза, орех, сосна, липа, осина, ель, пихта.
Влажность лесоматериалов, используемых в строительстве и при изготовлении деревянных изделий, является показателем ее качества и долговечности. На практике различают древесину: комнатно-сухую, с влажностью 8–12 %; воздушно-сухую искусственной сушки, с влажностью 12–18 % (эти два вида древесины получают путем сушки пиломатериалов в сушильных камерах); атмосферно-сухую естественной сушки, с влажностью 18–23 % (получают в результате продолжительного хранения лесоматериалов, уложенных штабелями на прокладках в сухих, проветриваемых помещениях или под навесом, без допуска воздействия прямых солнечных лучей), влажную древесину, с влажностью более 23 %.
Чем меньше показатель влажности древесины, тем меньше она подвержена гниению. Однако не следует стремиться использовать лесоматериалы наименьшей влажности. Дело в том, что структура древесины очень гигроскопична: она легко отдает переизбыток влаги при повышении температуры и уменьшении влажности окружающей среды и с такой же легкостью впитывает влагу при снижении температуры и повышении влажности окружающей среды. Это неминуемо приводит: в первом случае – к усушке древесины (уменьшению ее объемных размеров); во втором случае – к ее разбуханию (увеличению объемных размеров). И усушка, и разбухание изменяют объемные размеры деревянной детали неодинаково в различных направлениях; результат этого – коробление древесины, деформация деревянных конструкций, что в конечном итоге приводит их в негодность. Самый простой способ предупреждения коробления – применение древесины, влажность которой в момент использования соответствует эксплуатационной влажности.
Теплопроводность, звукопроводность. Деревянные дома из сруба или бруса хорошо удерживают тепло. Здоровая древесина способна распространять звук вдоль волокон: если после удара по комлевой части бревна, доски или бруса слышится чистый звенящий звук, то это говорит о высоком качестве древесины; прерывистый, глухой звук свидетельствует о ее загнивании.
Коррозионная стойкость древесины очень важна для строений и изделий, изготовленных из нее, особенно тех, которые эксплуатируются в основном под открытым небом. Следует отметить, что хвойные породы более стойки к коррозии по сравнению с лиственными, поскольку хвойная древесина пропитана природными смолистыми веществами.
Цвет, блеск, запах и текстура являются физическими свойствами древесины, позволяющими визуально определить ее породу.
Цвет способен указать на качество: например, синеватая окраска хвойной древесины свидетельствует о начальной стадии загнивания (цвет здоровой сосны – от коричневато-желтого в зонах, насыщенных смолой, до светло-желтого; цвет ели – от светло-желтого до белого); черные и темно-коричневые пятна на буковой древесине – признак загнивания (цвет здорового бука – от желто до розовато-бежевого).
Свидетельствовать о пороках древесины может и изменение запаха: если в помещении, где хранится древесина бука, ощущается стойкий запах прелой листвы, а запах в помещении, где хранятся сосновые лесоматериалы, затхлый – это явный признак процессов гниения.
Текстура древесины зависит от распила, а механическая прочность тех или иных досок или брусков – от вида разреза (рис. 3). Но и цвет, и блеск, и текстура имеют чисто декоративное значение.
Рис. 3. Составные части поперечного распила ствола и текстура древесины на трех разрезах: а – составные части поперечного распила ствола: 1 – лубяной слой коры; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – ядро; 5 – сердцевина; 6 – сердцевидные лучи; б – текстура древесины сосны на трех разрезах: 1 – на поперечном; 2 – на радиальном; 3 – на тангентальном.
Механические свойства древесины
Механические свойства древесины более важны, так как от них зависят прочность и долговечность сооружений и изделий из дерева.
Механическая прочность древесины – это ее возможность противостоять различным статическим и динамическим нагрузкам. По направлению действия нагрузок различают прочность на сжатие, изгиб, скалывание (сдвиг), растяжение (рис. 4). При этом предел прочности древесины на сжатие и растяжение при направлении нагрузки вдоль волокон значительно выше, нежели при направлении нагрузки поперек волокон. Механическая прочность древесины зависит от ее физических свойств: увеличение влажности снижает прочность, а плотная древесина более прочна, чем легкая и рыхлая.
Рис. 4. Испытание прочности древесины: а – направление нагрузки: 1 – вдоль волокон; 2 – поперек волокон радиально; 3 – поперек волокон тангентально.
Пластичность – способность деревянной детали изменять форму под воздействием нагрузки и сохранять эту форму после снятия приложенной нагрузки. Это свойство имеет значение при изготовлении гнутых деталей: важно знать, что с увеличением влажности и температуры древесины ее пластичность увеличивается; поэтому детали, которые нужно выгнуть, обрабатывают горячей водой или паром. Высокой пластичностью (по убывающей) обладает древесина бука, вяза, дуба, ясеня. Хвойные породы древесины пластичностью, достаточной для сгибания деталей, не обладают вследствие прямолинейной структуры волокон.
Твердость древесины обусловлена ее способностью сопротивляться внедрению инородных тел. По этому признаку древесину разделяют на твердую – бук, дуб, клен, ясень, вяз, лиственница (самые твердые – самшит и акация) и мягкую – липа, ель, сосна, ольха.
Твердость определяет еще одно механическое свойство древесины – ее износостойкость, способность противостоять трению. Здесь имеется прямая взаимосвязь: чем тверже древесина, тем выше показатель ее износостойкости.
Из книги: Коршевер Н. Г. Работы по дереву и стеклу