Деревянная рамка

Древесина — слоисто-пористый материал растительного происхождения. Состоит из многообразных клеток, связанных между собой порами. Строение древесины сложно и совершенно. Природа создала материал с такими уникальными качествами как: твердость, низкая тепло-, звукопроницаемость, высокая прочность. Дерево с легкостью поддается обработке инструментами, хорошо склеивается. Древесина была и остается ведущим материалом для изготовления домов.

Макроскопическое строение древесины

Если на срезе заметно строение штамба невооруженным взглядом, то говорят о таком понятии, как макростроение древесины. Бывает, что не вся плоскость среза окрашена равномерно: ближе к центру она может быть темнее, а дальше — светлее. Темная часть, самая прочная, созданная из мертвых клеток ткани, является ядром, а светлая — заболонью. Клетки ядра отмирают из-за закупорки проводящих сосудов смолой. Породы древесины с такой окраской называют ядровыми (дуб, сосна, ясень, лиственница). Если срез окрашен равномерно, то такие породы являются безъядровыми (ольха, береза).

Каждый год жизни отмечается на стволе увеличением слоя древесины определенного размера, который зависит от возраста, условий жизни растения, скорости роста. Такие слои называют годичными кольцами. Они особенно ярко видны на спилах хвойных пород.

Годичное кольцо содержит два таких слоя ткани, как:

1. Ранний мягкий. Возникает в первой половине годичной вегетации. Имеет светлую окраску. Находится у центра ствола.
2. Поздний твердый. Создается во второй половине годичного роста. Отличается темной окраской. Располагается ближе к коре.

По каналам ранней ткани транспортируются питательные элементы к вершине и обратно. Зона позднего слоя защищает растение от механических повреждений. В комле находятся самые узкие кольца. Из-за плохих условий произрастания они могут иметь волнистость, что повышает декоративность древесной массы. Древесный материал с самыми узкими кольцами считается лучшим.

От коры по радиусу к центру растения протягиваются светлые линии, используемые для перемещения питательных элементов. Эти линии называются сердцевинными лучами. Лучи характерны для всех пород. Они отчетливо видны на срезах. Ширина лучей меняется в пределах 0,05 — 1 мм. Их размер непосредственно зависит от условий жизни растения. Сердцевинные лучи ответственны за текстуру древесной массы. Некоторые из них прерываются далеко от сердцевины. Такие лучи называются вторичными в отличие от первичных, которые доходят до нее.

На поперечном разрезе лиственных пород замечаются небольшие отверстия, которые являются сосудами растения. Они поставляют дереву воду и питание. Если в раннем слое лежат крупные сосуды, а в позднем — мелкие, то такой сосудистый рисунок соответствует кольцесосудистой материи (дуб, вяз, ясень). Она отличается прочной древесной массой. Равномерное расположение сосудов по годичному кольцу соответствует мягкой рассеяннососудистой ткани (береза, осина). Весной с некоторых деревьев (береза, сахарный клен) собирают сок, перерезая их сосуды.

Для строения хвойных пород характерны протоки, наполненных смолой. Это смоляные ходы, которые свойственны лишь некоторым хвойным деревьям. Например, пихта и можжевельник их не имеют. Смоляные ходы разных направлений создают одну смолоносную систему.

Самый центр ствола занимает сердцевина, рыхлая масса, пронизывающая растение снизу доверху. Быстро поддается разложению. Она создается в начале жизни дерева. На срезе сердцевина представляется в виде отметины, как правило, круглой формы диаметром 2 — 5 мм. Лиственные породы имеют сердцевину большей площади, чем хвойные. Наибольшую сердцевину имеет бузина.

Тонкий слизистый слой клеток, лежащих в области между корой и древесиной, именуется камбием. Он вырабатывает микроэлементы для роста древесной ткани, принимая от луба питательные элементы. Начинаясь весной, процесс синтезирования новых клеток заканчивается осенью. Этим объясняется слоистое строение древесной массы.

Микроскопическое строение древесины

Только микроскопическое строение древесины отвечает в полной мере на вопрос: что же такое древесина? Множество разнообразных клеток, скрепленных между собой — это есть древесная масса. Каждая клетка наполнена протопластом, а межклеточное пространство — сложными полимерными соединениями. Однозначные по строению и функциям клетки создают соответствующие ткани: механические (опорные), проводящие и запасающие.

Оболочка клетки создана из природных высокомолекулярных полимеров: углеводов (70 — 80%) и лигнина (20 — 30%). Углеводная часть представлена холоцеллюлозой, гемицеллюлозой и целлюлозой. Лигнин — аморфное вещество, связывающее целлюлозные волокна между собой, благодаря чему целлюлоза приобретает прочность и эластичность. Лигнин и целлюлоза пропитывают стенки клеток, вызывая их одревеснение. В результате оболочка становится жесткой, твердой, по своей прочности не уступающая железобетону.

Химический состав древесины и коры

Ткань древесной массы создана из клеток. Поэтому все химические компоненты располагаются в клеточных оболочках. Древесина состоит из минеральных и органических компонентов. К минеральным (неорганическим) веществам относятся элементы, которые остаются после сгорания древесной ткани (зола). Их величина составляет 1% от общей массы. По химическому составу эти элементы представляют собой смесь разных солей, растворимых (натрия, калия) и нерастворимых (магния, кальция, железа) в воде.

Остальную часть занимают органические составляющие, занимающие 99% общей массы. Их элементный состав содержит 49 — 50% углерода, 43 — 44 % кислорода, 6 % водорода и 0,1 — 0,3 % азота.

Органические вещества представлены в виде двух групп:

1. Структурные компоненты, образующие структуру клетки (целлюлоза, холоцеллюлоза, гемицеллюлоза, лигнин).
2. Экстрактивные вещества — компоненты, которые можно извлечь из древесины растворителями (экстрагировать). Они не входят в состав клеточной стенки. К ним относятся эфирные масла, красители, дубильные вещества, жиры, пектины. Древесина обязана им запахом, цветом, вкусом, сопротивлению гниению и болезням. Экстрактивные элементы составляют 3 — 5% от общей массы органических компонентов.

Химический состав лиственных пород отличается от хвойных большим содержанием структурных компонентов (гемицеллюлозы), но меньшим содержанием лигнина. В зависимости от географического места произрастания, возраста растения химический состав может меняться в пределах одной породы.

Химический состав коры отличается повышенным содержанием экстрактивных веществ, лигнина и пониженным содержанием целлюлозы. Доля неорганических веществ в общем количестве составляет 10-15 %, это в 10 раз больше, чем в древесине. Преобладающими элементами золы являются кальций (82-95 %), калий, магний.

Кора — ценное растительное сырье:

1. Дубильные вещества незаменимы при выделке кож.
2. Экстрактивные компоненты находят применение в медицине.
3. Кору используют в качестве топлива.
4. Измельченная кора служит основой корокомпостов в сельском хозяйстве.

Разные химические составы коры и древесины приводят к необходимости перерабатывать их раздельно.

Повреждения всей структуры древесины или отдельных участков, которые снижают качество и ограничивают применение, называются пороками древесины. Некоторые пороки возникают в растущем дереве, другие — при хранении или эксплуатации сырья. Качество древесной массы определяется в соответствии с видами и размерами пороков, их расположения, назначения продукции.

ГОСТ 2140-81 устанавливает классификацию пороков по следующим группам:

1. Сучки, основания бывших ветвей.
2. Трещины, разрывы ткани вдоль волокон.
3. Дефекты формы ствола. К ним относятся сужение ствола, кривизна, овальность, наросты, закомелистость.
4. Пороки строения древесины: прожилки, полоски, пятнышки.
5. Химические окраски. Они возникают в заготовленном сырье в результате окисления дубильных веществ.
6. Грибные повреждения. Их вызывают грибы, которые являются растительными организмами, развивающимися из спор.
7. Повреждения насекомыми, птицами. Такой порок ухудшает декоративность и физико-механические качества.
8. Инородные включения.
9. Покоробленность. Порок возникает в результате обработки материала.

Некоторые из этих пороков просто понижают сортность материала, другие не имеют особенного значения, а третьи могут отправить древесину на дрова.

Основные части дерева

Дерево — многолетнее растение, состоящее из таких компонентов как:

• ствол,
• крона,
• корни.

Каждый элемент выполняет конкретную задачу и имеет свое предназначение для хозяйственных нужд. Строение деревьев лиственных пород не отличается от строения хвойных.

Ствол – это доля дерева, расположенная выше корней. В густом лесу только с его помощью ветви могут достичь света. По штамбу вверх и вниз перемещаются элементы питания и вода. Сверху ствол заканчивается тонкой вершиной. Нижняя зона, расположенная сразу над корнем, называется комлем. Ствол — основной материал для строительства. Он используется как источник тепла для нужд потребителей, служит сырьем для производства композитных материалов (ДСП, МДФ), скипидара, канифоли.

Снаружи штамб покрыт оболочкой: корой, которая является кожухом, защищающим дерево. Строение и свойства коры имеют свои особенности. Она включает в себя два слоя: наружный корковый или пробковый, состоящий из мертвых клеток луба, и внутренний лубяной, являющийся главной артерией ствола. Корковый слой оберегает древесную массу от повреждений.

Крона — комплекс веток с листьями или хвоей, растущих на стволе. В «зеленой» кроне происходит сложный процесс фотосинтеза, направленный на создание элементов питания. Попутно под действием света выделяется кислород, обогащающий атмосферу. Дополнительную энергию в виде солей минеральных и органических кислот поставляют корни. Избыток жидкости крона выделяет в атмосферу.

Использование кроны для хозяйственных нужд невелико, несмотря на ценность материала. Измельченные листья или хвоя используются как витаминная добавка для корма скота или птицы. После сгорания веток получается зола, являющаяся ценным удобрением. Из раздробленных веток садоводы изготавливают мульчу для защиты корней растений от мороза.

Строение дерева таково, что важны все элементы. Но корни — главная составляющая. Если по каким-то причинам гибнут крона и штамб, то дерево может возродиться благодаря корням. Корневая система отличается сложным строением. Главный корень разветвляется на мелкие втягивающие корешки. Они собирают питательные элементы с большой площади и поставляют их всем зонам. Обширная корневая система поддерживает растение вертикально. Корни не служат топливом, не используются для хозяйственных нужд.

От качества древесины (ботанический вид, состав органической массы, строение, влажность и т, д.) зависят химический состав, физико-химические и другие свойства коптильного дыма.

Морфологически древесина представляет собой упорядоченную систему клеток, сосудов (у лиственных пород), межклеточных смоляных ходов (у хвойных пород) и других элементов. Структурной единицей древесины является клетка. Клетки имеют тонкие первичные стенки с прилегающими изнутри вторичными стенками и отделяются друг от друга межклеточным веществом так называемой срединной пластинкой.

Сок, наполняющий клетки и сосуды камбиального слоя и заболони, представляет собой водный раствор различных органических соединений (солей, углеводов, дубильных и белковых веществ и т. д.) Ядровая древесина сока не содержит.

Древесина разных пород сходна по элементарному составу.

Несмотря на небольшую разницу в элементарном составе, теплотворная способность древесины различных пород колеблется довольно значительно. Так, теплотворная способность липы, сосны и осины составляет соответственно 5075, 4818 и 4695 ккал. При одинаковых условиях горючесть разных пород древесины зависит от плотности, или удельного веса, ее.

Различия в удельном весе и морфологическом строении древесины разных пород существенно влияют и на характер горения. При более рыхлой морфологической структуре кислород быстрее поступает к горящим частицам, в результате чего органические вещества древесины меньшего удельного веса легче подвергаются термическому распаду. При этом образуется более длинное пламя по сравнению с пламенем при горении более плотной древесины. В плотную древесину труднее проникает кислород, больше образуется угля, так как горение протекает медленнее; зона горения меньше, а несгоревших летучих веществ в коптильном дыме больше.

В зависимости от плотности дрова различных пород делят на три группы. К первой группе относят березу, бук, ясень, ильм, граб, вяз, клен, дуб, ко второй — сосну, ольху и к третьей — ель, кедр, пихту, осину, липу, тополь, иву.

Дрова первой группы — наилучшие, так как в единице объема их содержится наибольшая масса древесины.

На качество коптильного дыма существенно влияет и влажность древесины. Она зависит от возраста, породы дерева и времени заготовки. Лиственные деревья содержат меньше влаги, чем хвойные. Молодые деревья содержат больше влаги, чем старые той же породы.

В зависимости от влажности различают сухие дрова (содержание влаги до 20%), полусухие (содержание влаги от 21 до 33%) и сырые (содержание влаги более 33%).

Большая часть древесины состоит из целлюлозы (клетчатки), пентозанов и лигнина. Из этих веществ в основном образованы стенки клеток и клеточные оболочки, т. е. остов (каркас) древесины.

Целлюлоза, гемицеллюлоза (основная часть которой состоит из пентозанов и гексозанов) и лигнин составляют 90—95% веса абсолютно сухой древесины.

Экстрактивные вещества состоят из летучих масел и кислот, красящих и дубильных веществ, минеральных солей, органических, азотистых и других соединений.

Составные части коптильного дыма образуются главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярный полисахарид.

Молекулы ее состоят из длинных цепей глюкозных остатков, соединенных глюкозидными связями:

Молекулярный вес целлюлозы около 1 500 000.

Целлюлозное волокно имеет сложное мицеллярное строение: большая часть его цепей состоит из строго ориентированных кристаллических участков, а меньшая (10—30%) — из аморфной целлюлозы, где цепи расположены неупорядоченно. При нагревании до 284°, несмотря на побурение, сохраняется ориентировочная структура целлюлозы. При дальнейшем повышении температуры целлюлоза вначале переходит в аморфное состояние, а затем подвергается глубоким химическим изменениям.

При термическом распаде целлюлозы образуется смесь углеводов, представляющих собой осколки полисахаридов. При разложении целлюлозы не образуется метилового спирта, наличие которого твердо установлено в дыме от сжигания древесины. В связи с этим естественно предположить, что источником образования его является другая часть древесины — лигнин.

Лигнин содержится в древесине как лиственных, так и хвойных пород. Две трети его находятся в срединной пластинке, остальное же количество — во вторичных стенках плеток древесины.

Точная формула и молекулярный вес лигнина не установлены. Предполагают, что молекулярный вес его составляет несколько тысяч. Для строения лигнина характерно наличие метоксильных групп (—ОСН₃), составляющих около 85—90% всех метоксильных групп древесины. При пиролизе древесины из метоксильных групп лигнина образуется метиловый спирт:

Лигаин содержит также гидроксильные (—ОН), карбонильные (—CO) и другие группы. Большинство исследователей считает, что лигнин имеет ароматическое строение. Этим объясняется тот факт, что лигнин более устойчив к действию тепла, чем целлюлоза, имеющая гетероциклическое строение (целлюлоза начинает распадаться при температуре около 290°, а лигнин — при 350°). Из лигнина образуется меньше парогазовой смеси и больше угля (соответственно 60 и 26 %), чем из целлюлозы. Доказательством ароматической природы лигнина служит также образование из него при мягких способах окисления различных ароматических соединений (ванилина, сиреневого альдегида, ароматических кислот и пр.).

Гемицеллюлоза содержится преимущественно в срединной пластинке. Часть ее находится также во вторичных стенках клеток древесины.

Гемицеллюлоза состоит из пентозанов (C₅H₈O₄)_n и гексозанов (C₆H₁₀O₅)_n, легко гидролизуется, при этом образуются простейшие сахара:

Ниже приведено содержание гемицеллюлов в древесине различных пород:

• Сосна — 21,48%
• Ель — 20,67%
• Береза — 27,81%
• Бук — 22,15%
• Дуб — 24,99%
• Осина — 23,38%
• Ольха — 19,55%
• Яблоня — 37,28%
• Абрикос — 38,68%
• Груша — 31,31%

Больше всего содержится гемицеллюлов в древесине фруктовых деревьев. Этим, по-видимому, объясняется тот факт, что при использовании древесины фруктовых пород (например, засохших садовых деревьев) получаются продукты особенно высокого качества.

Химические свойства древесины

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть — зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы.

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.

Целлюлоза — природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n — степень полимеризации, равная 6000-14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы — тончайшие волоконца называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированны преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода.

Лигнин — полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

В качестве сырья древесину потребляют три отрасли химической промышленности: целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая.

Целлюлозно-бумажная промышленность вырабатывает целлюлозу для изготовления бумаги, картона и целого ряда целлюлозных материалов (производных целлюлозы), а также древесноволокнистых плит.

Основываясь на высокой химической стойкости целлюлозы, путём воздействия различных агентов на древесину переводят в раствор сопровождающие её менее стойкие вещества. Различают три группы способов промышленного получения целлюлозы: кислотные, щёлочные и нейтральные. Выбор того или иного способа зависит в основном от породного состава перерабатываемого древесного сырья.

К группе кислотных способов относятся сульфитный и бисульфитный. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных (ели, пихты) и ряда лиственных пород. Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород.

К группе щёлочных способов относятся сульфатный и нейтральный. Наибольшее распространение получил сульфатный метод. Варка щепы ведется в растворе едкого натра и сернистого натрия. Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна. К достоинствам этого способа относится меньшая продолжительность варки, а также возможность осуществлять процесс по замкнутой схеме (путем регенерации щелока), что уменьшает опасность загрязнения водоемов. Этим способом получают более половины производимой в мире целлюлозы, так как он позволяет использовать древесину любых пород.

Нейтральный — способ получения целлюлозы из древесины лиственных пород, при котором варочный раствор содержит вещества (моносульфиты), имеющие реакцию, близкую к нейтральной.

Широкое применение находят производные целлюлозы. При взаимодействии целлюлозы с растворами едкого натра, азотной и серной кислот или уксусным ангидридом можно получить искусственные ткани (штапель, вискозный и ацетатный шёлк), кордонное волокно для изготовления автомобильных и авиационных шин, целлофан, целлулоид, кино- и фотоплёнки, нитролаки, нитроклеи и другие продукты.

При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз, которые превращаются в простые сахара (глюкозу, ксилозу и др.) Эти сахара можно подвергать химической переработке, получая ксилит, сорбит и другие продукты. Однако гидролизная промышленность в основном ориентируется на последующую биохимическую переработку сахаров.

Реакция гидролиза происходит при довольно высокой температуре (150-190°С). При охлаждении гидролизата (водного раствора простых сахаров) образуются пары, из конденсата которых получают фурфурол. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон (нейлона), смол, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей и других продуктов.

При дальнейшей переработке гидролизата получают кормовые дрожжи, этиловый спирт (этанол), углекислый газ. Этанол получают только из хвойной древесины, используют как растворитель и, всё больше, как топливо.

При нагревании древесины без доступа воздуха происходит пиролиз. В результате пиролиза образуется уголь, жижка и газы.

Древесный уголь, отличающийся высокой сорбционной способностью, применяют для очистки промышленных растворов, сточных вод, в производстве сахара, при выплавке цветных металлов, при изготовлении медицинских препаратов, полупроводников, электродов и для многих других целей.

Жижка — раствор продуктов разложения, используется в производстве антисептиков, фенолов, уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона. Газы, образующиеся при пиролизе древесины, используют в качестве топлива.

Сырьём для лесохимической промышленности помимо низкокачественной древесины являются экстрактивные вещества. Добыча смолы (живицы) из хвойных пород достигается путём подсочки. Для этого на поверхности стволов сосны или кедра осенью наносят специальную рану (карру), из которой живица вытекает в конический приёмник. Переработка живицы осуществляется на лесохимических предприятиях, где происходит отгонка с водяным паром летучей части — скипидара и уваривание канифоли.

Скипидар широко применяется как растворитель в лакокрасочной промышленности для производства синтетической камфары. Камфара используется в производстве целлюлозы, лаков и киноплёнки. Канифоль применяют в производстве каучука, бумаги, нитролаков, электроизоляционных материалов и др.

Дубильные вещества (танниды), используемые при выделке кож получают из коры ивы, ели, лиственницы, пихты, а также из древесины дуба и каштана.

Физические свойства древесины

Свойства древесины, обнаруживаемые при испытаниях, не приводящих к изменению химического состава, называются физическими.

1. Внешний вид древесины

2. Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением

3. Тепловые свойства

4. Электрические свойства

5. Звуковые свойства

6. Свойства древесины, проявляющиеся под воздействием электромагнитных излучений

1. Внешний вид древесины

Он характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, которое зависит, в основном, от спектрального состава отражённого ею светового потока. Цвет — одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины. Его учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовлении мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок и т.д.

Окраска древесины зависит от породы, возраста дерева, климата района произрастания. Древесина может изменять цвет при выдержке под влиянием воздуха и света, при поражении грибами, а так же при длительном нахождении под водой. Тем не менее, цвет многих пород настолько характерен, что может служить одним из признаков при их распознавании.

Блеск — это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском из отечественных пород отличается древесина дуба, бука, белой акации, бархатного дерева; из иноземных — древесина атласного дерева и махагони (красного дерева).

Текстурой называется рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов (годичных слоёв, сердцевинных лучей, сосудов).

Для оценки качества древесины по внешнему виду используют такие характеристики, как ширина годичных слоёв и содержание поздней древесины.

Ширина годичных слоёв — число слоёв, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцевой поверхности образца.

Содержание поздней древесины определяется соотношением (в процентах) между суммарной шириной зон поздней древесины и общей протяжённостью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего целое число слоёв.

2. Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель — влажность. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины: W = (m — m0) / m0 * 100, где m — начальная масса образца древесины, г, а m0 — масса образца абсолютно сухой древесины, г.

Измерение влажности осуществляется прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, например высушиванием. Эти методы простые, надёжные и точные, но имеют недостаток — довольно продолжительную процедуру. Этого недостатка лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержания воды в древесине. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. Однако и эти способы имеют свои недостатки: дают надёжные показания в диапазоне от 7 до 30% и лишь только в месте введения игольчатых контактов.

Различают две формы воды, содержащейся в древесине: связанную и свободную. Связанная вода находиться в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение её содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическим связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины.

При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины её кондиционируют, приводя к нормализованной влажности. Если нет особых примечаний, то показатель равен 12%.

На практике по степени влажности различают древесину:

мокрую, W > 100%, длительное время находившуюся в воде;

свежесрубленную, W = 50-100%, сохранившую влажность растущего дерева;

воздушно-сухую, W = 15-20%, выдержанную на открытом воздухе;

комнатно-сухую, W = 8-12%, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;

абсолютно-сухую, W = 0, высушенную при температуре t=103±2°C.

Усушка. Уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды называется усушкой. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.

Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 — 2 раза больше, чем в радиальном.

Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении всего количества связанной воды.

Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид:

Bmax = (amax — amin) / amax * 100,

где amax и amin — размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм3).

Полная линейная усушка древесины наиболее распространённых отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10 %, в радиальном 3-7 %, а вдоль волокон 0,1-0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11-17 %.

Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке — сушильные напряжения, пропитке и в процессе роста дерева.

Полные сушильные напряжения удобно как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски — сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

Коробление. Изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и неправильном хранении называется короблением. Чаще всего коробление происходит из-за различая усушки по разным структурным направлениям. Различают поперечную и продольную покоробленность. Продольная покоробленность бывает: бывает по кромке, по пласти и крыловатость.

На рисунки ниже изображены виды покоробленности: А — поперечная: а — желобчатая, б — трапециевидная, в — ромбовидная, г — овальная; Б — продольная: д — по кромке, е — по пласти, ж — крыловатость.

Коробление может возникать при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений.

Влагопоглощение. Способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влияния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и плёночными материалами.

Разбухание. Увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении в ней содержания связанной воды называется разбуханием. Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это — свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Полное разбухание, %, вычисляют по формуле: amax = (amax — amin) / amin * 100, где amax и amin — размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3). Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперёк волокон, а наименьшее — вдоль волокон.

Разбухание — отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.).

Водопоглощение. Способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с капельножидкой водой называется водопоглощением. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды и наибольшего количества свободной воды. Очевидно, что количество свободной воды зависит от объёма полостей в древесине, поэтому, чем больше плотность древесины. Тем меньше её влажность, характеризующая максимальное водопоглощение.

Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке её растворами антисептиков и антипиринов, при сплаве лесоматериалов и в других случаях.

Плотность. Это свойство характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м3 или г/см3.

а) Плотность древесинного вещества pд.в., г/см, т.е. плотность материала клеточных стенок, равна: pд.в. = mд.в. / vд.в., где mд.в. и vд.в. — соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества.

Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см3, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

б) Плотность абсолютно сухой древесины p0 равна: p0 = m0 / v0, где m0, v0 — соответственно масса и объём древесины при W=0%.

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненнве воздухом).

Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины П: П = (v0 — vд.в.) / v0 * 100, где v0 и vд.в. — соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W=0%. Пористость древесины колеблется в пределах от 40 до 80%.

в) Плотность влажной древесины: pw = mw / vw, где mw и vw — соответственно масса и объём древесины при влажности W. Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности W < Wпн плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше Wпн наблюдается значительный рост плотности древесины.

г) Парциальная влажность древесины p`w характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объёма влажной древесины: p`w = m0 / vw, где m0 — масса абсолютно сухой древесины, г или кг; vw — объем, см3 или м3, древесины при данной влажности W.

д) Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца m0 к его объёму при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок Vmax: pБ = m0 / vmax. Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях.

Величина плотности древесины изменяется в очень широких пределах. Среди пород России и ближнего зарубежья древесину с очень малой плотностью имеет пихта сибирская (345), ива белая (415), а наиболее плотную — самшит (1040), ядро фисташка (1100). Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100-130 (бальза) до 1300 (бакаут). Значения плотности здесь и ниже даны в килограммах на метр кубический (кг/м3).

По плотности древесины при 12% влажности породы делят на 3 группы: с малой (Р12 < 540), средней (550 < P12 < 740) и высокой (P12 > 740) плотностью древесины.

Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением.

Водопроницаемость древесины вдоль волокон значительно больше, чем поперёк волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных.

К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Теплоёмкость. Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоёмкость С, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть 1 кг массы древесины на 1 (0) С. Удельная теплоёмкость для всех пород одинакова и для абсолютно сухой древесины составляет (ФОРМУЛА). С увеличением влажности теплоёмкость увеличивается.

Теплопроводность — свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Коэффициент теплопроводности ( ФОРМУЛА), с увеличением температуры, влажности и плотности увеличивается. Вдоль волокон (СИМВОЛ) в 2 раза больше, чем поперёк.

Температуропроводность характеризует способность древесины выравнивать температуру по объёму.

Тепловое расширение — способность древесины увеличивать линейные размеры и объём при нагревании. Коэффициент теплового расширения древесины в 3-10 раз меньше, чем у металла, бетона, стекла.

Электропроводность — способность древесины проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости от электрического сопротивления.

Сухая древесина относится к диэлектрикам. С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение ( в десятки миллионов раз) сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной воды. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки или сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области, выше Wпн.

Электрическая прочность — способность древесины противостоять пробою, т.е. снижению сопротивления при больших напряжениях.

Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в переменном электрическом поле. Показатели: диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь.

Диэлектрическая проницаемость равна отношению ёмкости конденсатора с прокладкой из древесины к ёмкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Этот показатель для сухой древесины равен 2-3.

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует долю подведённой мощности тока, которая поглощается древесиной и превращается в тепло.

Пьезоэлектрические свойства проявляются в том, что под действием механических усилий на поверхности древесины возникают электрические заряды.

5. Звуковые свойства

Одно из этих свойств — звукопроводность, показателем которой являются скорость звука. Скорость звука С, м/с, в древесине можно определить по формуле: C = (E / p)½, где Е — динамический модуль упругости, Н/м2; р — плотность древесины, кг/м3.

Другой важный показатель, характеризующий способность древесины отражать и проводить звук, — акустическое сопротивление, Па*с/м: R = p * C.

6. Свойства древесины, проявляющиеся под воздействием электромагнитных излучений

Поверхностные зоны древесины могут эффективно прогреваться с помощью невидимых инфракрасных лучей. Значительно глубже — до 10-15 см — проникают в древесину лучи видимого света. По характеру отражения световых лучей можно оценивать наличие видимых пороков древесины. Световое лазерное излучение прожигает древесину и в последнее время успешно используется для выжигания деталей сложной конфигурации.

Ультрафиолетовые лучи проникают гораздо хуже в древесину, но вызывают свечение — люминесценцию, которое может быть использовано для определения качества древесины.

Рентгеновские лучи используются для определения особенностей тонкого строения древесины, выявления скрытых пороков и в других случаях.

Из ядерных излучений можно отметить бета-излучения, которые используются при денсиметрии растущего дерева. Гораздо шире могут применятся гамма-излучения, которые глубже проникают в древесину и используются при определении её плотности, обнаружении гнилей в рудничной стойке, конструкциях и т.д.

Плотность древесины — это отношение массы древесины к ее объему. Выражается плотность в кг/м3 . Плотность древесины зависит от ее влажности. Все показатели физико-механических свойств древесины определяются при влажности 12%. Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. Плотность определяется количеством древесинного вещества в единице объема.

По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на 3 группы:

Порода/ Плотность, г/куб.см

Пихта сибирская 0.39

Конский каштан 0.56

Орех грецкий 0.64

Тиковое дерево 0.67

Свитения (махагони) 0.70

Пекан (кария) 0.83

Хурма эбеновая 1.08

Плотность древесины имеет большое практическое значение. Более плотная древесина хуже пропитывается антисептиками, менее подвержена истиранию на таких местах как полы, лестницы, перила.

Твердостью называется способность древесины сопротивляться внедрению в нее более твердых тел. На величину твердости оказывает влияние влажность древесины.

По степени твердости все древесные породы при 12%-ной влажности можно разделить на три группы:

мягкие — сосна, ель, тополь, липа, осина

твердые — лиственница, береза, бук, вяз, клен, ясень

очень твердые — акация белая, эбен, эвкалипт, кизил, самшит

Твердые породы древесины более износостойки по сравнению с мягкими. Твердость древесины имеет существенное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, распиловке.

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % общей массы), в состав которых входят углерод (С), водород (Н), кислород (О) и немного азота (N).

Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, 6 % водорода и всего лишь 0,1-0,3 % азота. Элементный химический состав древесины ствола и ветвей различается мало. При сжигании древесины остается ее неорганическая часть — зола (0,1-1 %). В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний; в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Большая часть (75-90 %) образованных ими минеральных веществ нерастворима в воде. Среди растворимых веществ преобладают карбонаты калия и натрия, а среди нерастворимых — соли кальция.

Больше золы дает кора. Так, стволовая древесина дуба образовала при сгорании 0,35 % золы, а кора — 7,2 %. Древесина ветвей образует больше золы, чем древесина ствола: ветви березы дают при сгорании 0,64 % золы, а стволовая древесина — 0,16 %. Древесина верхней части ствола дает больше золы, чем нйжняя.

Основными органическими веществами древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы, которые, как уже отмечалось, входят в состав клеточных стенок. Содержание указанных веществ зависит от породы. По данным А. В. Бурова и А. В. Оболенской, в древесине хвойных пород целлюлозы 35-52%, лигнина 25-30 %, гемицеллюлоз 22-30 % (в том числе пентозанов 5-11 % и гексозанов 9-13%). В древесине лиственных пород несколько меньше целлюлозы (31-50 %) и лигнина (20-28%), но больше гемицеллюлоз (19-35 %), причем среди гемицеллюлоз преобладают пентозаны (16-29 %) и гораздо меньше гексозанов (до 6 %).

Целлюлоза — линейный полимер, полисахарид с длинной гибкой цепной молекулой. Формула целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n, где n — степень полимеризации, составляющая 5000-10000. Это очень стойкое вещество, не растворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета, плотностью 1,54-1,58 г/см³.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (С₅Н₈O₄)_n, содержащие пять атомов углерода в элементарном звене, и гексозаны (С₆Н₁₀О₅)_n, имеющие, как и целлюлоза, шесть атомов углерода в звене. Однако у всех гемицеллюлоз степень полимеризации гораздо меньше (60-200), что свидетельствует о более коротких, чем у целлюлозы, цепочках молекул.

Лигнин — аморфный полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Лигнин химически менее стоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей. Цвет лигнина (от светло-желтого до темно-коричневого) зависит от способа его выделения из древесины; плотность 1,25-1,45 г/см³.

Кроме основных органических веществ в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннинов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

У хвойных пород (сосна, лиственница) в заболони целлюлозы и лигнина больше, чем в ядре. У некоторых лиственных пород (ясень, дуб, тополь) целлюлозы несколько больше в ядре. Древесина лиственницы (ядро) и дуба (ядро и заболонь) отличается повышенным содержанием водорастворимых экстрактивных веществ. В поздней древесине сосны, лиственницы содержится немного больше целлюлозы, чем в ранней древесине.

Элементный химический состав коры мало отличается от состава древесины, но кора содержит гораздо меньше целлюлозы и значительно больше экстрактивных и минеральных веществ. Как было указано ранее, в корке содержится суберин, которого нет в древесине. В корке березы — бересте — помимо суберина содержится бетулин, придающий ей характерный белый цвет.