Тема 1.2 – Химический состав древесины

План (0,5 часа)

1 Химический состав древесины, его характеристика

Химический состав древесины, его характеристика

Все древесные породы по химическому составу имеют примерно одинаковое содержание основных химических элементов: углерод ≈ 49%, кислород ≈ 44%, водород ≈ 6%.

При сгорании древесины остается неорганическая часть - зола, в количестве до 1 %. При сгорании коры, золы образуется до 5%.

Органические вещества, образующие древесину состоят из целлюлозы, лигнина, геллицеллюлозы и экстрактивных веществ.

Экстрактивные вещества не входят в состав клеточной стенки, слабо связаны с древесиной. Находясь в полостях клеток или на клеточных стенках, они могут быть извлечены из древесины при помощи воды или органических растворителей.

Включают в себя смолистые вещества, водорастворимые соединения, красители, дубильные вещества, Многие из экстрактивных веществ применяют в качестве лекарств, для пищевых целей, для химической переработки.

Целлюлоза – это основное вещество, образующее клеточную стенку. Содержание целлюлозы у хвойных – 41 – 58%, у лиственных – 39 – 47%. Представляет собой линейный полимер, полисахарид (С₆Н₁₀О₅)_n. Химически весьма стойкое вещество. Не растворяется в воде и большинстве органических растворителей. Пучки макромолекул целлюлозы – тончайшие волокна называются микрофибриллами. Они образуют каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находятся лигнин, гемицеллюлоза, а также вода.

Лигнин –вещество, неопределенного состава, аморфный полимер. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения (упрочнения) молодой клеточной стенки. В зависимости от способа его выделения отличается и по содержанию и по строению. Содержание лигнина у хвойных – 28 – 34%, у лиственных – 17 – 27%. Химически не стоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах кислот.

Гемицеллюлоза –состоит из двух соединений – пентозаны и гексозаны. Полимеры с более короткими молекулами чем целлюлоза. Входит в состав клеточных стенок. Химически менее стойкие, чем целлюлоза. Содержание гемицеллюлозы у хвойных – 15 – 23 %, у лиственных – 20 – 38 %. При химической переработке распадается на простые сахара.

Тема 1.3 – Физические свойства древесины

План (2 часа)

1 Внешний вид древесины

2 Влажность древесины

3 Плотность древесины

4 Усушка и разбухание древесины

5 Растрескивание и коробление древесины

6 Показатели макроструктуры древесины

7 Проницаемость древесины.

8 Тепловые свойства древесины

9 Электрические свойства древесины

10 Звуковые свойства древесины

Свойства древесины, проявляющиеся при взаимодействии с внешней средой, но не приводящие к изменению химического состава и нарушению целостности, относятся к физическим.

Изучение физических свойств древесины имеет важное значение, так как применение древесины в промышленности и строительстве в ряде случаев определяется соответствующими показателями этих свойств.

Внешний вид древесины

Цвет –представляет собой отраженный от поверхности цветовой поток. Древесина, произрастающая в северных широтах характеризуется светлыми и бледными цветам, которые в основном мало ценится при изготовлении изделий из древесины.

Более яркой окраской обладает древесина южных и тропических широт. Цвет древесины изменяется со временем, происходит потемнение из-за окисления веществ, образующих клеточные стенки древесины. Окисление связано с воздействием О₂ и ультрафиолетового излучения. Для придания желаемого оттенка древесину подвергают покрытию защитно-декоративными составами: красители, протравы, морилки.

Блеск –способность направлено отражать световые лучи. Древесина характеризуется рассеянным и матовым блеском. Это связано с тем, что поверхность древесины образована перерезанными клетками.

Хвойные и рассеянососудистые породы в отличии от кольцесосудистых характеризуются повышенным блеском.

Для увеличения блеска производят шлифование и полирование поверхности, покрывают поверхность лаками, которые образуют светоотражательную пленку.

Текстура – видимый рисунок на поверхности древесины, образующийся за счет контрастности ранней и поздней зоне годичного слоя и наличия или отсутствия сердцевинных лучей или сосудов у лиственных пород.

Наиболее декоративным является тангентальный разрез. Породы с большими сердцевинными лучами более красивую текстуру имеют на радиальном разрезе.

Равнослойность –показатель, характеризующий ширину годичных слоев на разных участках древесины. Чем меньше разница в ширине, тем выше равнослойность этой древесины. Этот показатель определяют при отборе резонансной древесины и авиационной древесины.

Равноплотность – показатель, характеризующий различие плотности на разных участках древесины. Наиболее высокие значения равноплотности характерны для лиственных рассеянососудистых пород.

Влажность древесины

Влажность – показатель содержания воды в древесине. В древесине может содержаться три вида влаги: химически связанная, связанная (гигроскопическая), свободная (капиллярная).

Свободная влага (вода) содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах (при влажности более 30%). Она не оказывает влияния на прочность и изменение размеров древесины. Связанная влага (в диапазоне 0 – 30%) заполняет субмикрокапилляры (пространства между микрофибриллами) в клеточных стенках. Максимальное содержание связанной влаги в клеточных стенках называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения. Влажность древесины, соответствующая пределу гигроскопичности, мало зависит от породы и в среднем принимается при температуре 20ºС, равной 30%.

Изменение содержания связанной влаги ведет к изменению практически всех свойств древесины. Прочность, усушка, разбухание не зависит от содержания свободной влаги в древесине.

Химически связанная влага входит в состав лигноцеллюлозного комплекса и выделяется только при химической переработке древесины.

В зависимости от степени влажности различают древесину: мокрую, длительное время пребывавшую в воде (W>100%); свежесрубленную (W=50 – 100%); воздушно-сухую (W=12 – 22%), комнатно-сухую (W=8 – 12%), и абсолютно сухую (W=0).

Равновесной влажностью называется такая влажность, к которой стремится древесина, находясь в воздухе определенного состояния. Каждому сочетанию температуры и влажности воздуха соответствует своя равновесная влажность древесины. Это необходимо учитывать на практике при использовании древесины в изделиях и конструкциях.

При длительной выдержке древесины в воде, когда вода заполняет практически все пустоты в древесине, она будет иметь максимальную влажность, соответствующую для каждой породы.

Влажность древесины измеряют прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на удалении воды из древесины в частности путём высушивания древесины в сушильных шкафах. Этот метод длителен: (6 – 10 часов), но дает высокую точность до 0,1%.

W= 100 (m – m₀)/ m₀ , (1)

где m – масса образца до высушивания, г;

m₀ – масса образца после высушивания, г.

Косвенные методы основаны на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от влажности. Наибольшее распространение получили электровлагомеры, реагирующие на изменение электропроводности древесины. Их недостатками является небольшой диапазон точных измерений (7 – 30% влажности) и локальность измерений в местах введения игольчатых контактов.

Плотность древесины

Одной из основных характеристик древесины является плотность. Она характеризуется массой единицы объёма. Плотность обозначается буквой ρ, размерность кг/м³ или г/см³. Поскольку химический состав органических веществ, образующих клеточные стенки древесины разных пород, практически одинаков, поэтому плотность древесинного вещества (или плотность клеточных стенок) у всех пород равняется 1530 кг/м³. Вследствие пористого строения плотность древесины меньше плотности древесинного вещества. По плотности древесины при 12% влажности породы делят на три группы: малой плотности (до 540 кг/м³); средней (550-740 кг/м³) и высокой (750 кг/м³ и более).

Среди иноземных пород встречаются древесные породы, плотность древесины которых около 100 кг/м³, например, Бальза и с очень высокой плотностью до 1300 кг/м³ Бакаут. Между плотностью и влажностью существует прямая связь, величина которой для разных пород различна.

С увеличением влажности древесины от 0 до 30% (связанная влага) плотность повышается незначительно, так как одновременно увеличивается масса и объём (происходит разбухание) или даже может несколько понижаться, если плотность древесины больше 1000кг/м³. При повышении влажности выше 30% плотность увеличивается более значительно.

На плотность древесины хвойных и кольцесосудистых пород оказывается влияние содержания поздней древесины в годичном слое. Так как плотность поздней древесины в 2,5 раза больше чем ранней, следовательно, чем её больше, тем плотность древесины выше.

Плотность древесины может оцениваться несколькими показателями: плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии (p₀), во влажном (p_w) , при стандартной (нормированной) влажности (p₁₂) и базисной плотностью (p_баз).