ДРЕВЕСИ́НА
-
Рубрика: Технологии и техника
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ДРЕВЕСИ́НА, вторичная ксилема многолетних растений; в растущих деревьях и кустарниках составляет осн. массу стволов, ветвей, корней и выполняет в них проводящие, запасающие и механич. функции. Различают Д. хвойных (сосна, ель и др.) и лиственных (дуб, берёза и др.) пород.
Строение
Д. изучают на трёх разрезах ствола: поперечном и двух продольных – радиальном и тангенциальном (рис. 1). В Д. различают заболонь (периферич. светлую зону) и ядро (центр. зону), имеющее более тёмную окраску у т. н. ядровой Д. или мало отличающееся по цвету от заболони у безъядровой Д. Среди безъядровых пород (ель, пихта, бук и др.) выделяют спелодревесные, у которых центр. зона Д. в свежесрубленном состоянии менее влажная, чем периферическая, и заболонные (берёза, клён) – с равномерной влажностью по сечению ствола. Годичные слои (ежегодные приросты Д.) на поперечном разрезе имеют вид концентрич. окружностей, на радиальном и тангенциальном – соответственно прямых и изогнутых полос; у мн. пород в каждом слое заметны менее плотная светлая (т. н. ранняя) и более плотная тёмная (поздняя) Д. У кольцесосудистых лиственных пород (напр., дуб, ясень) крупные сосуды расположены только в ранней Д., а у рассеянно-сосудистых (берёза, осина) крупные и мелкие сосуды равномерно распределены по годичному слою. У некоторых лиственных пород на поперечном разрезе видны светлые радиальные полоски (лучи), на радиальном – блестящие тёмные или светлые поперечные полоски, а на тангенциальном – веретеновидные узкие полоски. У некоторых хвойных пород (сосна, кедр и др.) в поздней зоне годичных слоёв на поперечном разрезе заметны светлые пятнышки – смоляные ходы.
Наблюдаемая с помощью оптич. и электронных микроскопов структура Д. срубленного дерева включает растительные клетки с отмершим протопластом (т. н. мезоструктура). Клеточные стенки (микроструктура) состоят в осн. из целлюлозных микрофибрилл (наноструктура). В тонкой первичной и толстой трёхслойной вторичной оболочке клеточной стенки микрофибриллы имеют разл. ориентацию; в наиболее мощном внутр. слое вторичной оболочки микрофибриллы расположены под небольшим углом наклона (5–15°) к длинной оси клетки. Такая преимущественная ориентация микрофибрилл – одна из осн. причин анизотропии Д. Со стороны полости клетки стенку покрывает тонкий бородавчатый слой. В стенках клеток имеются простые или окаймлённые поры. В промежутках между микрофибриллами находится лигнин, вызывающий одревеснение клеточных стенок, а также гемицеллюлозы и вода.
Д. хвойных пород в осн. состоит из удлинённых прозенхимных клеток – трахеид (рис. 2). Расположенные в ранней зоне годичного слоя крупнополостные трахеиды выполняют гл. обр. проводящую функцию, поздние толстостенные трахеиды – механическую, а паренхимные клетки, образующие лучи и участвующие в структуре вертикальных смоляных ходов, – запасающую. Горизонтальные ходы в некоторых лучах пересекаются с вертикальными, составляя единую смолоносную систему. В Д. лиственных пород (рис. 3) проводящую функцию выполняют сосуды, сосудистые и волокнистые трахеиды; механическую – волокна либриформа и/или волокнистые трахеиды; запасающую – паренхимные клетки в виде горизонтальных однорядных и многорядных лучей, а также вертикальной осевой паренхимы.
Состав и свойства
Химич. состав Д. всех пород практически одинаков (49–50% углерода, 43–44% кислорода, 6% водорода и 0,1–0,3% азота). В Д. эти элементы образуют органич. вещества: целлюлозу (31–50%), лигнин (20–30%) и гемицеллюлозы (19–35%), включающие пентозаны (5–29%) и гексозаны (6–13%). Хвойные породы содержат несколько больше целлюлозы, лиственные – значительно больше пентозанов. В состав Д. входят также экстрактивные вещества (таннины, смолы, камеди, эфирные масла и др.). Минер. вещества при сжигании Д. образуют золу (0,1–1%). Массовая теплота сгорания Д. не зависит от породы и составляет 19,6–21,4 МДж/кг; объёмная теплота сгорания (МДж/м3) зависит от плотности древесины.
Физические свойства. Внешний вид Д. характеризуется цветом, блеском и текстурой, которые служат для идентификации древесных пород, а также определяют ценность Д. как декоративного материала. Многообразие цвета Д. разных пород зависит от состава и содержания экстрактивных веществ. Цвет изменяется при воздействии на Д. воздуха, света, темп-ры, химич. агентов, а также в результате пропаривания, длительной выдержки в воде, при грибных поражениях. Блеск Д. определяется в осн. наличием лучей на продольных разрезах. Текстура Д. (рисунок, образующийся в результате перерезания анатомич. элементов) зависит не только от породы дерева, но и от направления разреза ствола. Особенно эффектна текстура у некоторых лиственных пород из-за перерезанных сосудов (напр., дуб, ясень), лучей (бук, клён) и пороков строения (карельская берёза).
Влажность Д. (W) определяется как отношение содержащейся в ней массы воды к массе абсолютно сухой Д. Связанная вода содержится в клеточных стенках, свободная – в полостях клеток и межклеточных пространствах. Влажность ядра свежесрубленных хвойных деревьев составляет 35–37%, заболони – в 2–3 раза больше; у лиственных пород это различие незначительно. По высоте ствола влажность распределена неравномерно; она также подвержена сезонным и суточным колебаниям. Свойства Д. резко меняются при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок Wп. н., равного в ср. 30% (определяется при увлажнении в воде). Д. обладает способностью поглощать влагу из воздуха (в виде связанной воды), при этом макс. влажность Д. достигает предела гигроскопичности, равного Wп. н. при комнатной темп-ре. При вымачивании Д. поглощает воду как в свободном, так и связанном виде, при этом наибольшая влажность составляет 100–270%. По степени влажности Д. разделяют: на мокрую, длительное время находившуюся в воде (влажность более 100%); свежесрубленную, сохранившую влажность растущего дерева (50–100%); Д. атмосферной сушки, или воздушно-сухую, выдержанную на открытом воздухе (15–20%); камерной сушки, или комнатно-сухую, высушенную в камере или выдержанную в отапливаемом помещении (8–12%); абсолютно сухую, высушенную при темп-ре ок. 103 °C (0%). При выдерживании на воздухе при постоянных темп-ре и относит. влажности Д. приобретает соответствующую и одинаковую для всех пород равновесную влажность; при кондиционировании (темп-ра воздуха 20 °C и влажность 65%) влажность Д. называется нормализованной и составляет 12%. Уменьшение содержания связанной воды приводит к усушке Д. При полном удалении связанной воды сокращаются линейные размеры Д. (на 8–10% в тангенциальном направлении, 3–7% в радиальном, 0,1–0,3% вдоль волокон) и объём (на 11–17%). Увеличение содержания связанной воды (при выдерживании Д. во влажном воздухе или воде) вызывает разбухание Д. Из-за различий усушки и разбухания по разным направлениям происходит коробление Д. Неравномерное удаление связанной воды из Д. вследствие стеснённой усушки и неоднородных остаточных деформаций вызывает напряжения, приводящие к растрескиванию материала в процессе сушки или изменению заданной формы деталей при механич. обработке высушенной Д. Растрескивание Д. (напр., крупных брусьев и брёвен) происходит также из-за напряжений, обусловленных различием тангенциальной и радиальной усушек.
Плотность материала клеточных стенок (древесинного вещества) не зависит от породы и составляет 1530 кг/м3. Плотность Д. в сухом состоянии из-за наличия в ней пустот зависит от породы и изменяется в пределах от 100 кг/м 3 (бальзовое дерево) до 1300 кг/м3 (бакаут). Плотность Д. для наиболее распространённых отеч. пород при нормализованной влажности составляет 400–700 кг/м3. С увеличением влажности (выше Wп. н.) плотность Д. возрастает. Д. обладает способностью пропускать под давлением жидкости и газы (водо- и газопроницаемость). Проницаемость Д. лиственных пород выше, чем хвойных, у заболони больше, чем у ядра, вдоль волокон больше, чем поперёк волокон.
Удельная теплоёмкость абсолютно сухой Д. одинакова у всех пород – 1,55 кДж/(кг·°С); возрастает с повышением влажности и темп-ры. Теплопроводность Д. также возрастает с увеличением плотности, влажности и темп-ры; вдоль волокон она в два раза выше, чем поперёк волокон. Тепловое расширение Д. мало. Сухая Д. имеет очень высокое электрич. сопротивление (является диэлектриком), которое резко снижается (в млн. раз) с повышением влажности до Wп. н., а при дальнейшем увлажнении – лишь в сотни или десятки раз. Д. обладает невысокой электрич. прочностью; для повышения сопротивления пробою её пропитывают минер. маслами. Диэлектрич. проницаемость сухой Д. составляет 2–5 и увеличивается с повышением влажности и темп-ры. Под действием механич. нагрузок в сухой Д. возникают электрич. заряды. Пьезоэлектрич. свойства Д. обусловлены наличием ориентированного компонента – целлюлозы; в сухой Д. они наиболее заметны, с увеличением влажности уменьшаются и при влажности 6–8% практически исчезают. В Д. скорость распространения звука вдоль волокон составляет 5000 м/с, поперёк волокон – в 3–4 раза меньше и уменьшается с увеличением влажности и темп-ры Д. Удельное акустич. сопротивление Д., равное произведению её плотности на скорость звука, ок. 3·106 Па· с/м. Декремент затухания звука в Д. зависит от частоты колебаний, влажности, темп-ры и составляет (2–4)·10–2 Нп. Д. обладает относительно низким звукопоглощением и высокой резонансной способностью, что обусловило широкое применение Д. (особенно ели, пихты) для изготовления дек муз. инструментов.
Воздействие на Д. электромагнитных колебаний зависит от их частоты: ИК-излучение прогревает поверхностные слои в Д. (применяется для сушки шпона и др. тонких сортиментов); видимый свет обладает большой проникающей способностью (для дефектоскопии Д.); световое лазерное излучение прожигает Д. (в качестве своеобразного «режущего» инструмента для фигурного раскроя изделий из Д., гравёрных работ и др.); УФ-излучение вызывает люминесценцию Д. (для контроля качества обработки Д.). Рентгеновские и ядерные излучения, проходя через Д., ослабляются в зависимости от толщины, плотности и влажности сортимента; их также применяют для дефектоскопии Д.
Механические свойства. Д. характеризуется прочностью и деформативностью (способностью изменять размеры и форму). Прочность образцов Д. определяют при испытаниях на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и (реже) на кручение. Показатели механич. свойств Д. вдоль волокон значительно выше, чем поперёк волокон. У наиболее распространённых отеч. пород пределы прочности Д. (для образцов без пороков, с влажностью 12%) составляют: при сжатии вдоль волокон 40–73 МПа; при растяжении вдоль волокон 66–171 МПа, поперёк волокон в радиальном направлении 4–13,3 МПа, в тангенциальном – 2,8–9,2 МПа; при изгибе 68–148 МПа. Повышение влажности Д. до Wп. н. снижает пределы прочности при сжатии вдоль волокон в 2–2,5 раза; увеличение размеров образцов и наличие пороков Д. также уменьшает её прочность. При кратковременных и сравнительно небольших нагрузках Д. деформируется как упругий материал; модуль упругости Д. вдоль волокон составляет 12–18 ГПа, поперёк волокон в 15–30 раз меньше. Реологич. свойства Д. (характеризующие её повышенную способность деформироваться под нагрузкой во времени) возрастают с увеличением содержания в ней связанной воды и темп-ры. При снижении влажности и темп-ры нагруженной Д. значит. часть упругих деформаций перерождается в «замороженные» деформации, которые проявляются в процессах сушки, прессования, гнутья Д. Замороженные деформации обусловливают «память» Д. на температурно-влажностные воздействия. Прочность Д. при длительном воздействии нагрузки может снизиться в 2 раза. Многократное изменение нагрузки приводит к снижению прочности – усталости Д.; циклич. изменение влажности нагруженной Д. вызывает гигроусталость, т. е. снижение прочности и повышенную деформацию. При проектировании деревянных конструкций используют расчётные сопротивления, которые в неск. раз меньше пределов прочности, что позволяет учесть влияние длительности нагрузки, влажности, темп-ры, пороков и др. факторов. Ударная вязкость Д. характеризует её способность поглощать работу при ударе без разрушения; у лиственных пород этот показатель в 2 раза выше, чем у хвойных. Твёрдость Д. зависит от её плотности, причём торцовая твёрдость больше боковой.
Пороки
Недостатки, изменяющие внешний вид Д., целостность тканей, правильность строения и др., снижают качество Д. и ограничивают возможности её практич. использования. Возникают как в растущем дереве, так и в срубленной Д. во время её хранения и переработки. К ним относятся: сучки; трещины (метиковые, морозные, отлупные), возникающие в растущем дереве и при сушке; пороки формы ствола – сбежистость (аномальное уменьшение диаметра по длине ствола), закомелистость (резкое увеличение диаметра в нижней части ствола), а также кривизна, наросты; пороки строения – наклон волокон, свилеватость (извилистое и беспорядочное расположение волокон), завиток (местное искривление годичных слоёв), крень (реактивная древесина у хвойных пород), ложное ядро и внутр. заболонь у лиственных пород, пасынок (крупный сучок); раны – сухобокость (наружное омертвление ствола) и прорость (зарастающая рана, содержащая кору и омертвелую Д.), засмолок и кармашек (отложения смолы), водослой (переувлажнённые участки ядра или спелой Д.) и др. К порокам Д. также относятся: изменения естеств. окраски Д. (напр., продубина и желтизна); грибные поражения в виде синевы, плесени, гнили; биологич. повреждения насекомыми и птицами (напр., червоточины от личинок); механич. повреждения стволов и дефекты обработки лесоматериалов, инородные включения (камни, металлич. осколки и др.), обугленность, покоробленность. Некоторые пороки Д. могут рассматриваться как её достоинства, напр. наросты с красивой текстурой.
Применение
Д. как конструкционный материал получила широкое распространение в строительстве, судостроении, на ж.-д. транспорте и др.; применяется в виде лесоматериалов, пиломатериалов, древесных материалов. Д. используется в произ-ве бумаги, картона, древесно-волокнистых плит. Как химич. сырьё Д. используют для получения разл. органич. соединений, напр. целлюлозы, этанола, кормовых дрожжей, ксилита, сорбита, древесного угля, смолы, метанола, уксусной кислоты, ацетона и др. растворителей, горючих и негорючих газов (при пиролизе Д.). Д. сохраняет своё значение и как топливо.
Древесиноведение
Древесиноведение – науч. дисциплина, изучающая строение и свойства Д. и коры методами биологии, химии, физики и др. наук. Для определения качества Д. проводят испытания, в т. ч. неразрушающие, основанные на использовании ИК-, светового, УФ-, рентгеновского и ядерных излучений, звуковых и ультразвуковых колебаний. Разрабатываются новые методы исследований Д., а также способы улучшения её свойств (модифицирование Д. прессованием, введением синтетических полимеров и других веществ; пропитывание антисептиками и антипиренами для защиты от гниения и огня).