Химические и физические свойства древесины

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.

3.Тепловые свойства

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.

4.Электрические свойства

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

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

Легкая

Бальса 0.15

Пихта сибирская 0.39

Ель 0.45

Ива 0.46

Осина 0.51

Сосна 0.52

Липа 0.53

Средняя плотность

Конский каштан 0.56

Орех грецкий 0.64

Береза 0.65

Вишня 0.66

Лиственница 0.66

Тиковое дерево 0.67

Бук 0.68

Дуб 0.69

Свитения (махагони) 0.70

Платан 0.70

Плотные породы

Ясень 0.75

Слива 0.80

Пекан (кария) 0.83

Самшит 0.96

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.

Твердость

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.

Поделится в:

Добавить комментарий