Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


Древесина

Древесина, ксилема (от греч. xýlon — дерево), сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли; часть проводящего пучка, образующаяся из прокамбия (первичная древесина) или камбия (вторичная древесина). Она составляет основную массу ствола, корней и ветвей древесных растений.

  Физиологические и анатомические особенности древесины. Форма и величина клеток, слагающих древесину, различны и зависят от их функций. Древесина содержит проводящие, механические и запасающие элементы. Строение древесины типично для родов, а иногда и для видов древесных растений. При изучении древесины и её свойств пользуются 3 главными разрезами, а для микроскопического изучения — срезами: поперечным, тангенциальным (тангентальным) и радиальным (рис. 1). По мере роста деревьев внутренняя, наиболее старая древесина ствола отмирает. Проводящие элементы древесины постепенно закупориваются: сосуды — так называемыми тиллами, трахеиды — торусами их окаймлённых пор. Проводящая и запасающая системы перестают функционировать, содержание в древесине воды, крахмала, отчасти жиров уменьшается, количество смол, дубильных веществ повышается. У ядровых пород (сосна, лиственница, дуб) центральная часть древесины отличается по окраске и называется ядром, периферическая зона называется заболонью. У спелодревесных пород (ель, липа) периферическая часть отличается от центральной меньшей влажностью (такая древесина называется спелой). У заболонных пород (клён, берёза) центральная часть ничем не отличается от периферической. Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашивается темнее (главным образом под влиянием грибов) и образуется так называемое ложное ядро.

  В древесине большинства двудольных и всех хвойных растений можно различить кольца прироста, или годичные кольца, и радиальные, или сердцевинные, лучи. Внутри одного кольца прироста различают раннюю (весеннюю) и позднюю (летнюю) зоны, часто называющиеся соответственно ранней и поздней древесиной. По радиальным лучам питательные вещества передвигаются в места их отложения. Размеры и соотношение элементов, слагающих древесину, изменяются в зависимости от условий произрастания и положения древесины в стебле. В неблагоприятных условиях (избыточное увлажнение, недостаток воды в почве, сильное затенение, объедание листьев насекомыми) образуются узкие слои прироста. Древесина двудольных растений слагается из следующих типов клеток: члеников сосудов (трахей), трахеид, механических волокон (либриформа), древесинной паренхимы и ряда др. элементов — переходных форм между ними (рис. 2). Комбинации в размерах и расположении элементов древесины (например, диаметр сосудов у различных пород варьируют от 0,0015 мм у самшита и аралии до 0,5 мм у дуба) создают разнообразие её структуры (рис. 3): рассеянно-сосудистая — по всему кольцу прироста сосуды почти равного диаметра, число их в ранней и поздней зонах почти одинаково (берёза, клён); кольцесосудистая — диаметр сосудов в ранней зоне кольца значительно больший, чем в поздней (дуб, вяз, маклюра). Сосуды могут быть расположены одиночно (дуб) или группами (ясень, берёза, осина), образуя в этом случае в местах соприкосновения окаймлённые поры. Трахеиды в этом случае утрачивают в процессе эволюции водопроводящую функцию и заменяются волокнами либриформа (древесина ясеня, например, состоит из сосудов, древесинной и лучевой паренхимы и волокон либриформа). Древесина различается также по характеру соединения члеников сосудов, форме перфорации (простая, лестничная и т.д.), её расположению, форме членика, высоте и ширине сердцевинного луча и форме его клеток. Древесина голосеменных, в том числе хвойных, состоит только из трахеид (сосуды отсутствуют), небольшого количества древесинной паренхимы и сердцевинных лучей. У одних родов (кипарис, можжевельник) сердцевинные лучи (гомогенные) состоят из одинаковых паренхимных клеток; у др. (сосна, ель, лиственница) в гетерогенных лучах имеются также и лучевые трахеиды, проходящие вдоль луча (рис. 4). Строение луча, форма клеток, число и размеры их пор имеют важное значение при определении породы дерева. У некоторых родов (сосна, ель, дугласова пихта и лиственница) в древесине имеются смоляные ходы.

  Химический состав древесины. Абсолютно сухая древесина всех пород в среднем содержит (в %): 49,5 углерода; 6,3 водорода; 44,1 кислорода; 0,1 азота. В древесине на долю оболочек клеток приходится около 95% массы. Главные составные части оболочек — целлюлоза (43—56%) и лигнин (19—30%), остальные: гемицеллюлозы, пектиновые вещества, минеральные вещества (главным образом соли кальция), небольшое количество жиров, эфирных масел, алкалоидов, гликозидов и т.п. Для всех клеток древесины характерно одревеснение — пропитывание оболочек лигнином. Существует более 70 реакций на одревеснение (например, флороглюцин с концентрированной соляной кислотой даёт малиновое окрашивание). Древесина некоторых деревьев содержит дубильные вещества (квебрахо), красители (кампешевое дерево, сандал), бальзамы, смолы, камфору и т.д.

  О. Н. Чистякова.

  Физические свойства древесины характеризуются её внешним видом (цвет, блеск, текстура), плотностью, влажностью, гигроскопичностью, теплоёмкостью и др. Древесину как материал используют в натуральном виде (лесоматериалы, пиломатериалы), а также после специальной физико-химической обработки (см. Древесные материалы). Важное декоративное свойство и диагностический признак — цвет древесины, характеристики которого изменяются в широких пределах (цветовой тон 578—585 нм, чистота цвета 30—60%, светлота 20—70%). Блеск наблюдается у древесины некоторых лиственных пород, особенно на радиальном разрезе. Текстура — рисунок древесины, образующийся при перерезании анатомических элементов, — особенно эффектна у лиственных пород.

  Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу. Влажность древесины

 

где W — влажность в %, m— начальная масса образца, m0 — масса образца в абсолютно сухом состоянии. Пределом гигроскопичности (точкой насыщения волокна) называется состояние, при котором в древесине содержится максимальное количество связанной (гигроскопической) влаги, а свободная влага отсутствует. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности Wпг при t 20°С, составляет в среднем 30%. На большинство свойств древесины оказывает влияние изменение содержания связанной влаги. При достаточно длительной выдержке древесина приобретает равновесную влажность Wp, которая зависит от влажности j и температуры t окружающего воздуха (рис. 5). Уменьшение содержания связанной влаги вызывает сокращение линейных размеров и объёма древесины — усушку. Усушка

 

где Уw — усушка в %, апг — размер (объём) образца при пределе гигроскопичности, aw — размер (объём) образца при данной влажности W в диапазоне 0—Wпг. Полная (при удалении всей связанной влаги) усушка в тангенциальном направлении для всех пород 6—10%, в радиальном направлении 3—5%, вдоль волокон 0,1—0,3%; полная объёмная усушка 12—15%.

  При увеличении содержания связанной влаги, а также поглощении древесиной др. жидкостей происходит разбухание — явление, обратное усушке. Вследствие разницы значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или увлажнении) наблюдается поперечное коробление пиломатериалов и заготовок. Продольное коробление наиболее заметно у пиломатериалов с пороками строения древесины. В процессе сушки древесины из-за неравномерного удаления влаги и анизотропии усушки возникают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию пиломатериалов и круглых лесоматериалов. После камерной сушки из-за остаточных напряжений в древесине при механической обработке происходит изменение заданных размеров и формы деталей. Древесина проницаема для жидкостей и газов, особенно лиственной породы по заболони и вдоль волокон.

  Плотность древесинного вещества у всех пород одинакова (т.к. одинаков их химический состав) и примерно в 1,5 раза больше плотности воды. Плотность древесины из-за наличия полостей меньше и колеблется в значительных пределах в зависимости от породы, условий роста, положения образца древесины в стволе. Плотность древесины при данной влажности

 

где mw и vw — масса и объём образца при данной влажности W. С повышением влажности плотность древесины увеличивается. Часто для расчётов используют показатель, не зависящий от влажности, — условную плотность:

 

где m0 — масса образца при W = 0, vmax — объём при W > Wпг.

  Удельная теплоёмкость древесины практически не зависит от породы и может быть найдена по диаграмме (рис. 6). Коэффициент теплопроводности l зависит от температуры, влажности, породы (плотности), направления теплового потока и определяется по формуле l = lном × kr × kx, где lном — номинальное значение коэффициента теплопроводности, а кr и kx — коэффициенты, учитывающие значение условной плотности rусл и направление теплового потока в образце. lном определяется по диаграмме (рис. 7), а некоторые значения коэффициентов kr и kx приведены в таблицах 1 и 2. Температурные деформации древесины значительно меньше усушки и разбухания и обычно в расчётах не учитываются.

  Некоторые электрические и акустические свойства древесины приведены в таблице 3. Древесина хвойных пород с малой плотностью (ель) обладает высокими резонансными свойствами и широко используется в музыкальной промышленности.

  Таблица 1. — Коэффициент kx

Направление теплового потока

kx

Тангенциальное

1,0

Радиальное

1,05

Вдоль волокон

  для кольцесосудистых лиственных пород

 

1,6

  для остальных

2,2

  Таблица 2. — Коэффициент кr

rусл, кг/м3

кr

rусл, кг/м3

кr

340

1,98

500

1,22

360

1,00

600

1,56

400

1,05

650

1,86

  Механические свойства древесины наиболее высоки при действии нагрузок вдоль волокон; в плоскости поперёк волокон они резко снижаются. В таблице 4 даны средние показатели свойств древесины некоторых пород при W = 12%. С увеличением влажности до Wпг показатели уменьшаются в 1,5—2 раза. Модуль упругости вдоль волокон составляет 10—15 Гн/м2 (100—150 тыс. кгс/см2), а поперёк в 20—25 раз меньше. Коэффициент поперечной деформации для разных пород и структурных направлений находится в пределах от 0,02 до 0,8.

  Способность древесины деформироваться под нагрузкой во времени, характеризующая её реологические свойства, резко повышается с увеличением влажности и температуры. Прочность при длительных нагрузках снижается. Например, предел долговременного сопротивления при изгибе составляет 0,6—0,65 от предела прочности при стандартных испытаниях на статический изгиб. При многократных нагружениях наблюдается усталость древесины, предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от статического предела прочности.

  Испытания древесины с целью определения показателей физико-механических и технологических свойств проводят на малых чистых (без пороков) образцах. Испытаниям подвергают серии образцов, а результаты опытов обрабатывают методами вариационной статистики. Все показатели приводят к единой влажности — 12%. На большинство методов испытаний разработаны стандарты, устанавливающие форму и размеры образцов древесины, процедуру экспериментов, способы вычисления показателей её свойств. Древесина отличается сильной изменчивостью свойств, поэтому при использовании древесины в качестве конструкционного материала особенно важно применение неразрушающих методов поштучного контроля прочности пиломатериалов, основанных, например, на связи между прочностью древесины и некоторыми её физическими свойствами. На свойства древесины влияют пороки древесины (сучки, гнили, наклон волокон, крень и др.).

  При оценке свойств древесины как конструкционного и поделочного материала учитывают её способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы), износостойкость, способность к загибу некоторых лиственных пород.

  Древесина имеет высокие значения коэффициента качества (отношение предела прочности к плотности), хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам, легко обрабатывается и позволяет изготовлять детали сложной конфигурации, надёжно соединяется в изделиях и конструкциях с помощью клея, обладает высокими декоративными свойствами. Однако наряду с положительными свойствами натуральная древесина обладает рядом недостатков: размеры и форма деталей изменяются при колебаниях влажности. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации (повышенная влажность древесины, умеренно высокая температура воздуха, контакт с влажной почвой, конденсация влаги на элементах конструкций и т.д.) древесина загнивает. Гниение представляет собой процесс разрушения древесины в результате жизнедеятельности поселяющихся на ней грибов. Для защиты от загнивания древесину пропитывают антисептиками (см. Антисептические средства). Древесина может также повреждаться насекомыми, для защиты от которых используют инсектициды. Ввиду сравнительно малой огнестойкости древесину при необходимости пропитывают антипиренами.

  Народнохозяйственное значение древесины. Как конструкционный материал древесина широко применяется в строительстве (деревянные конструкции, столярные детали), на ж.-д. транспорте и линиях связи [шпалы, опоры линий электропередач (ЛЭП)], в горной промышленности (крепь), в машино- и судостроении, в производстве мебели, музыкальных инструментов, спортинвентаря; как сырьё в целлюлозно-бумажной промышленности и для др. видов химической переработки (например, гидролиз, сухая перегонка), а также как топливо. О заготовке древесины см. в ст. Лесозаготовки.

  Таблица 3. — Электрические и акустические свойства древесины

Показатели

Порода

Вдоль волокон

Поперёк волокон

радиальное направ-
ление

тангенциа-
льное нап-
равление

Удельное объёмное электросопротивление при W=8%, 108ом·м

Лиственница

3,8

19

14,5

Берёза

4,2

86

 —

Пробивное напряжение при W= 8-9%,

кв/см

Бук

14

41,5

52

Берёза

15

59,8

Диэлектрическая проницаемость при W=0 и частоте 1000 гц

Ель

3,06

1,91

1,98

Бук

3,18

2,40

2,20

Тангенс угла потерь

 

Ель

0,0625

0,0310

0,0345

Бук

0,0585

0,0319

0,0298

Скорость распространения звука, м/сек

Сосна

5030

1450

850

Дуб

4175

1665

1400

  Таблица 4. — Плотность и механические свойства малых чистых (без пороков) образцов древесины при влажности 12%

Показатели

Порода

Лиственница

Сосна

Ель

Дуб

Берёза

Осина

Плотность, кг/м3

660

500

445

690

630

495

Предел прочности вдоль волокон, Мн/м2 (кгс/см2):

  при сжатии

64,5 (645)

48,5 (485)

44,5 (445)

57,5 (575)

55,0(550)

42,5 (425)

  при статическом изгибе

111,5 (1115)

86,0 (860)

79,5 (795)

107,5 (1075)

109,5(1095)

78,0 (780)

при растяжении

125,0 (1250)

103,5(1035)

103,0(1030)

 

168,0(1680)

125,5(1255)

  при скалывании

    радиальном

9,9 (99)

7,5 (75)

6,9 (69)

10,2(102)

9,3 (93)

6,3 (63)

    тангенциальном

9,4 (94)

7,3 (73)

6,8 (68)

12,2 (122)

11,2 (112)

8.6 (86)

Ударная вязкость, кдж/м2 (кгс·м/см2)

52 (0,53)

41 (0,42)

39 (0,40)

77 (0,78)

93 (0,95)

84 (0,86)

Твёрдость, Мн/м2 (кгс/см2):

  торцовая..........…....

43,5 (435)

28,0 (285)

26,0 (260)

67,5 (675)

46,5 (465)

26,5 (265)

  боковая......……......

29,0 (290)

24,0 (245)

18,0 (180)

52,5 (525)

35,0 (350)

20,0 (200)

 

  Лит.: Ванин С. И., Древесиноведение, 3 изд., М.—Л., 1949; Яценко-Хмелевский А. А., Основы и методы анатомических исследований древесины, М.—Л., 1954; Москалева В. Е., Строение древесины и её изменение при физических и механических воздействиях, М., 1957; Вихров В. Е., Диагностические признаки древесины главнейших лесохозяйственных и лесопромышленных пород СССР, М., 1959; Никитин Н. И., Химия древесины и целлюлозы, М.—Л., 1962; Древесина. Показатели физико-механических свойств, М., 1962; Уголев Б. Н., Испытания древесины и древесных материалов, М., 1965; Перелыгин Л. М., Древесиноведение, 2 изд., М., 1969; Леонтьев Н. Л., Техника испытаний древесины, М., 1970; Уголев Б. Н., Деформативность древесины и напряжения при сушке, М., 1971.

  Б. Н. Уголев.


Рис. 1. Основные части ствола и его главные разрезы: 1 — поперечный; 2 — радиальный; 3 — тангенциальный.


Рис. 2. Типы клеток, слагающих древесину: а — древесинная паренхима; б — трахеиды; в — членики сосудов (трахей); г — волокна либриформа; д — клетки гетерогенного сердцевинного луча хвойного дерева; е — клетки гетерогенного сердцевидного луча лиственного дерева.


Рис. 5. Зависимость равновесной влажности древесины Wp от влажности j и температуры t воздуха.


Рис. 4. Участки срезов древесины сосны: 1 — поперечного; 2 — радиального; 3 — тангенциального; а — граница годичного кольца; б — поздняя древесина; в — ранняя древесина: г — новый ряд вклинивающихся трахеид; д — гетерогенный сердцевинный луч, состоящий из лучевых трахеид (е) с мелкими окаймленными порами и паренхимных клеток с большими окновидными порами (ж); з — смоляной ход (хорошо видны выстилающие его эпителиальные клетки); и — клетки паренхимы, окружающие смоляной ход; к — окаймленные поры; л — сердцевинный луч с горизонтальным смоляным ходом.


Рис. 6. Зависимость удельной теплоёмкости древесины С от температуры t и влажности W.


Рис. 3. Схема расположения сосудов древесины на поперечном сечении годичного кольца: 1 — клёна (рассеянно-сосудистая); 2 — вяза (кольцесосудистая).


Рис. 7. Зависимость коэффициента теплопроводности древесины lном от температуры t и влажности W.



     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн