Текст книги "Строение, характеристика и свойства древесины"

Илья Мельников
Строение, характеристика и свойства древесины

Строение древесины

Древесина состоит из элементарных клеток, разных по размерам и форме и прочно связанных между собой. Клетки могут быть заполнены смолами, камедями, водой; они образуют сосуды, сердцевинные лучи и собственно древесную массу.

Древесные породы делят на хвойные и лиственные. У хвойных листья игольчатой формы. Почти все хвойные являются вечнозелеными, исключение составляет лиственница, сбрасывающая осенью иголки. У лиственных пород листья широкие, осенью они опадают. Но и здесь есть исключение: в субтропиках и тропиках деревья сохраняют листву круглый год.

Рассмотрим поперечный разрез ствола. Снаружи ствол покрывает кора, состоящая из пробкового слоя и тонкого камбиального слоя на границе коры и древесины. Сразу же под корой расположен наружный заболонный слой древесины, часто отличающийся от остальной массы более светлым цветом. Почти всегда он имеет высокую влажность и состоит из молодых клеток, центральную часть ствола в этом случае определяют как спелодревесную. Когда центральная и периферийная части не различаются по содержанию воды и цвету, породы называются заболонными (безъядровыми).

Рис. 1. Поперечный разрез ствола:

1 – сердцевина, 2 – сердцевинные лучи, 3 – ядро, 4 – внешний пробковый слой, 5 – луб, 6 – заболонь, 7 – камбий, 8 – годичные слои

Центральная часть ствола составляет основную массу древесины. Она более темная и называется ядровой. Около геометрического центра ствола расположена сердцевинная трубка диаметром не более 1 см, ее отличает ослабленная древесина, а также кольцевые и радиальные трещины.

Деревья, растущие в умеренном или холодном климате, имеют ярко выраженные кольцеобразные слои. Причем слои, образовавшиеся в начале и конце вегетационного периода, различаются по плотности: весенняя часть годового слоя рыхлая, а осенняя плотная. Толщина годичных слоев и яркость рисунка весенней и осенней древесины у разных пород неодинаковы.

Характеристика основных древесных пород

Хвойные породы на территории СНГ играют ведущую роль в деревообработке. Здесь распространены сосна, ель, лиственница, пихта, кедр.

Сосна. Древесина сосны прямослойная, прочная, умеренно легкая, смолистая. Цвет ядра светло-коричневый с красноватым оттенком. На воздухе древесина сосны тускнеет, становится серой разных оттенков. Сосна хорошо поддается искусственной и естественной сушке, мало усыхает, не деформируется в готовых изделиях. К ее достоинствам можно также отнести легкость обработки, склеивания и облицовки. Ударные нагрузки древесина сосны переносит удовлетворительно.

Ель. По объемам производства и переработки древесина ели занимает второе место после сосны. Но качество древесины более низкое по таким показателям, как прочность изделий, наличие сучков. В остальном ель является полноценным заменителем сосны. К достоинствам еловой древесины относят: отсутствие запаха, наличие в основном мелких сучков, меньшая склонность древесины к синению, одинаковый цвет заболонной и спелой древесины – близкий к белому.

Лиственница. Произрастает в основном за Уралом и применяется реже, чем сосна и ель. Изделия из лиственницы очень прочны, надежно служат в условиях переменной влажности. Древесина лиственницы отличается очень малой сучковатостью – на значительной части пиломатериалов не найти даже мелких сучков. Древесина лиственницы прямослойная, она тяжелее сосны и обладает более высоким сопротивлением к ударным нагрузкам. Легко колется.

Обрабатывать древесину лиственницы труднее, чем сосны, – она смолиста; сушат пиломатериалы при мягких режимах. Эфективно используется в конструкциях, где требуется высокое сопротивление загниванию.

Изделия из лиственницы смотрятся очень эффектно, поэтому часто их отделывают прозрачными материалами.

Пихта. Древесина почти белая, мягкая, легкая, не смолистая. Хорошо сушится и обрабатывается. Там, где пихта произрастает, она служит заменителем сосны и ели. А древесина кавказской пихты, знаменитая своими резонансными качествами, используется при изготовлении музыкальных инструментов. Надо учитывать, что пихта, произрастающая в Карпатах, имеет более низкие механические свойства.

Кедр. Древесину кедра отличает стойкость против гниения. Древесина розовато-белая в заболони и бурая в ядре. По прочности близка к ели и пихте. Годовые слои почти незаметны, поэтому древесина гладко режется во всех направлениях, очень легко обрабатывается. Кедр широко используется для производства карандашей, в мебельном производстве, из него изготавливают аккумуляторный шпон.

Лиственные породы. Хозяйственное значение лиственных пород снижают два фактора: меньшие запасы по сравнению с хвойными и склонность к загниванию в атмосферных условиях. С другой стороны, разнообразие иных свойств, в том числе богатство текстуры, прочностные характеристики многих лиственных пород, делают их незаменимыми.

Дуб. Древесина твердая, малосучковатая, отличается высокой прочностью, стойкостью к гниению, относительной прямослойностью. У дуба красивая текстура на всех разрезах. Широко применяется в мебельном производстве (часто в виде строганого шпона). Хорошо поддается окраске, отделке лаками и мастиками. Детали и целые изделия часто изготовляют из дуба в фанерно-строгальном и паркетном производствах, в производстве клепки, машиностроении, строительстве.

Цвет древесины светло-коричневый разных оттенков. Материал тяжелый, но тем не менее хорошо обрабатывается, гнется и полируется.

Береза. Древесина березы имеет белый цвет с красноватым оттенком, годовые слои малозаметны. Отличается плотностью и высокой прочностью, особенно при ударных нагрузках. Масса и твердость – средние. Малостойка к гниению при переменной влажности. Хорошо обрабатывается, строгается, гнется и полируется. Обладает значительным сопротивлением к раскалыванию.

Используется древесина березы для производства лущеного шпона, фанеры. Высокая плотность древесины определяет березу как ценный материал в поделочных и токарных работах, при изготовлении мебели. Хорошо имитирует ценные породы, легко окрашивается и полируется.

Сушат березу при мягких режимах, так как часто в результате сушки пиломатериалы коробятся на участках с включением ложного ядра. Перед сушкой пиломатериалы из березы рекомендуется выдержать до воздушно-сухого состояния.

Используется береза широко: ее можно увидеть в строительных конструкциях, мебели, из нее делают тару, паркет.

Осина. Древесина мягкая, легкая, по прочности уступает березе. Также малостойка к гниению. Древесина белая с зеленоватым оттенком, годовые слои малозаметны. Хорошо склеивается, сушится, мало коробится, легко обрабатывается. Основное применение осина нашла в производстве спичек.

Липа. Древесина легкая и мягкая, однородного строения, белая с розоватым или красноватым оттенком. Очень хорошо режется, гнется и сушится – мало растрескивается и почти не коробится. Из липы изготавливают чертежные доски, щитовую мебель, различные поделки, модели в литейном деле, детали облицовки.

Бук. Древесина бука светло-желтая с красноватым оттенком и характерным блеском сердцевинных лучей, часто имеет ложное буровато-красное ядро. Очень эфектно смотрится в радиальном разрезе. На всех разрезах древесины отчетливо видны годовые слои и сердцевинные лучи. По прочности бук близок к дубу, но более хрупкий и малостоек против гниения.

Используется бук для производства шпона, паркетной фризы, в мебельной промышленности. Широко применяется также в поделочных работах, при изготовления музыкальных и чертежных инструментов, спортивного инвентаря.

Бук хорошо обрабатывается и пропитывается, отделывают его прозрачными материалами, выявляя его своеобразную текстуру.

Орех. Древесина бурого или серовато-коричневого цвета, часто с золотистым оттенком. Материал тяжелый, твердый, но хорошо обрабатывается и полируется, отличается красивой текстурой. Используется в производстве шпона для изготовления мебели высшего качества. Применяется для тонких резных работ, очень ценится за богатую палитру цветов ореховый кап.

Физические свойства древесины

Свойства древесины, которые обнаруживаются при испытаниях, не приводящих к изменению химического состава, называются физическими. К ним относится внешний вид древесины, влажность, тепловые, электрические и звуковые свойства, а также свойства, которые проявляются под воздействием электромагнитных излучений.

Внешний вид древесины характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Под цветом древесины понимают определенное зрительное ощущение, которое зависит, в основном, от спектрального состава отраженного 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.

Цвет древесины зависит от породы, возраста дерева, климата района произрастания. Древесина может изменять цвет при выдержке под влиянием воздуха и света, при поражении грибами, а также при длительном пребывании под водой. Тем не менее, цвет многих пород настолько характерен, что может служить признаком при распознавании.

Блеск характеризует 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 слоев, сердцевинных лучей, сосудов).

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

Ширина годичных слоев – число слоев, 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 протяженностью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего целое число слоев.

Влажность древесины – показатель, служащий для

количественной характеристики содержания воды в древесине. 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. Методы простые, надежные 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. Но и этот способ имеет свои недостатки: дает надежные 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 находится в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение ее содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическими связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины.

При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины ее 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– это уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной воды. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объема древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.

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

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

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

Усушка древесины учитывается при распиловке бревен 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 объема тела при сушке.

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 ее полного завершения.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины (поверхностные трещины – в начале сушки и внутренние – в конце ).

Коробление – этоизменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, выпиловке и неправильном хранении. Чаще всего коробление происходит из-за различая усушки по разным структурным направлениям.

Различают поперечную и продольную покоробленность. Продольная покоробленность бывает следующих видов: по кромке, по пласти и крыловатость.

Рис. 2. Покоробленность:

а – простая по пласти, б – сложная, продольная по пласти, в – продольная по кромке, г – поперечная ( стрелками указан прогиб)

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

Влагопоглощение – это способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха. Влагопоглощение практически не зависит от породы.

Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещенная в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает ее физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влияния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и пленочными материалами.

Разбухание – это увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении в ней содержания связанной воды . Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это свойство обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, 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 – это способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с водой. 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 объема полостей в древесине, поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше ее влажность, характеризующая максимальное водопоглощение.

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

Плотность. Это свойство характеризуется массой единицы объема материала, и выражается в кг/м³ или г/см³.

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

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

Плотность абсолютно сухой древесины p0 равна: p0 = m0 / v0, где m0, v0 – соответственно масса и объем древесины при W=0%.

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

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

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

Таблица 1.Средние значения плотности, кг/м³

Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца к его объему при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок. Это 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 древесных пород России и ближнего зарубежья очень малая плотность у пихты сибирской (345), ивы белой (415), а наибольшая плотность у самшита (1040). Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100-130 (бальза) до 1300 (бакаут). (Значения плотности даны в килограммах на метр кубический (кг/м³).

По плотности древесины при 12%-ой 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 поперек волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных.

Тепловые свойства. К тепловым свойствам относятся теплоемкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Теплоемкость. Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоемкость, представляющая собой количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг древесины на 1 градус. Удельная теплоемкость для всех пород одинакова. С увеличением влажности теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Коэффициент теплопроводности увеличением температуры, влажности и плотности увеличивается. Вдоль волокон теплопроводность в 2 раза выше, чем поперек.

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

Звукопроводность – это свойство материала проводить звук. В древесине скорость распространения звука выше вдоль волокон (5000 м/с), ниже в радиальном направлении (2000 м/с), еще ниже в тангентальном (1500 м/с). Звукопроводность древесины в продольном направлении в 16, а в поперечном в 3-4 раза выше звукопроводности воздуха. Это свойство древесины и ее способность резонировать звук используют в производстве музыкальных инструментов. Лучший материал для них – древесина ели, пихты кавказской, кедра сибирского.

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

Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в переменном электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость

равна отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами.

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

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 применяться гамма-излучения, которые глубже проникают в древесину и используются при определении ее плотности, обнаружении гнилей в рудничной стойке, строительных конструкциях и т.д.