Органические вещества древесины и их промышленное значение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Органические вещества древесины и их промышленное значение

1. Органические вещества древесины и их промышленное значение

Целлюлоза. Это вещество представляет собой линейный полимер полисахарид, который, как и крахмал, имеет формулу

где n - степень полимеризации. Макромолекула целлюлозы имеет вид цепи, состоящей из множества звеньев--целлюлозных остатков.

Гемицеллюлозы. Этим термином объединяется группа полисахаридов. содержащихся в клеточных стенках древесины, но отличающихся от целлюлозы большей гидролизуемостью в кислотах и растворимостью в щелочах. В указанную группу входят пентозаны и гексозаны, которые делятся на отдельные разновидности полисахаридов (маннаны, ксиланы, галактаны и др.).

Лигнин. Это высокомолекулярное соединение ароматической природы (полифенол) представляет собой аморфный полимер сложного строения. Строение лигнина, находящегося в составе клеточных стенок древесины и коры, до сих пор окончательно не установлено. Дело в том, что в процессе выделения из древесины природный лигнин претерпевает необратимые превращения

Суберин. Это смесь веществ, включающая органические кислоты и их метиловые эфиры. Суберин находится только в коре и вызывает опробковение клеточных стенок корки.

Экстрактивные вещества. В эту группу входят вещества, которые могут быть извлечены из древесины и коры путем экстракции водой и органическими растворителями.

Камеди представляют собой водорастворимые смолообразные вещества, состоящие в основном из полисахаридов (арабогалактана и др.). Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (особенно в ядре) и коры.

Смолы, находящиеся в древесине и коре (в смоляных ходах и других смоловместилищах) хвойных пород, содержат в природном состоянии значительное количество (около 40 %) терпенов и смоляные кислоты. Выделяющаяся при ранении ствола живица по своему составу отличается от смолы, находящейся в смоловместилищах дерева.

1.1 Микроскопическое строение древесины лиственных пород

Проводящую функцию у лиственных пород выполняют сосуды и трахеиды (сосудистые, а также волокнистые), механическую -- волокна либриформа и волокнистые трахеиды, запасающую -- паренхимные клетки.

Сосуды. Эти специализированные водопроводящие анатомические элементы занимают довольно большую часть объема ствола, у разных пород она колеблется в пределах 10--55 %. Сосуды представляют собой длинные вертикальные трубки, состоящие из члеников -- отдельных коротких клеток с широкими полостями и тонкими стенками. Диаметр сосудов и длина члеников зависят от породы, а у кольцесосудистых пород и от расположения в пределах годичного слоя.

Нижние и верхние или кососрезанные боковые стенки этих клеток частично или полностью разрушаются. При этом образуются простые (одно или два округлых отверстия) или лестничные (ряд щелевидных отверстий) перфорации. Таким образом, в сосуде нет сплошных внутренних перегородок, и по свободным от протопласта сообщающимся клеткам продвигается вода.

Сосуды в стволе отклоняются от вертикали, в тангенциальном и отчасти в радиальном направлении. Благодаря концевым и промежуточным контактам сосудов создается единая пространственно разветвленная водопроводящая система. Из этой системы выключаются сосуды, в которые через окаймленные поры вдаются выросты горизонтально расположенных паренхимных клеток -- тиллы. Эти мешковидные образования с одревесневшими оболочками обычно закупоривают сосуды в процессе формирования ядра.

Сосудистые трахеиды. Эти элементы являются переходной формой между типичными трахеидами и сосудами. По своей форме, размерам, расположению пор и наличию у не которых пород спиральных утолщений они напоминают членики мелких сосудов. Сосудистых трахеид в стволе сравнительно мало, и при определении объема, занимаемого водопроводящими элементами, их учитывают вместе с сосудами.

Волокна либриформа. Основная механическая ткань -- либриформ у многих лиственных пород занимает наибольшую часть объема древесины ствола, ее содержание у разных пород колеблется в пределах 35--75 %.

Волокна либриформа представляют собой типичные прозенхимные, т. е. вытянутые клетки с заостренными концами, узкими полостями и мощными стенками, снабженными простыми щелевидными порами.

Волокнистые трахеиды. Эти элементы, так же как волокна либриформа, имеют толстые стенки и малые полости; однако поры у волокнистых трахеид окаймленные.

Паренхимные клетки. У лиственных пород, сбрасывающих на зиму листву, объем хранилищ запасных веществ (паренхимных клеток) больше, чем у хвойных. Паренхимные клетки занимают 8--40 % объема древесины ствола. Они образуют две системы горизонтальную (сердцевинные лучи) и вертикальную (древесную паренхиму).

Сердцевинные лучи объединяют основную часть паренхимных клеток. Объем сердцевинных лучей у некоторых пород, например у дуба, может составлять 28-32 % общего объема древесины ствола.

1.2 Усушка и разбухание древесины, их причины и практическое значение

Уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении нее связанной воды называется усушкой.

Учитывая, что анатомические элементы вытянуты преимущественно вдоль оси ствола, Наибольшая усушка должна наблюдаться в поперечных направлениях, действительно, продольная усушка, обусловленная некоторым наклоном микрофибрилл, в несколько десятков раз меньше, так как составляет лишь долю от основной поперечной деформации. В тангенциальном направлении поперек волокон усушка в 1,5--2 раза больше, чем в радиальном. В направлении наибольшей жесткости, т. е. вдоль волокон, усушка наименьшая. Поперек волокон усушка больше в тангенциальном направлении, в котором жесткость меньше, чем в радиальном. Показателем усушки является влажностная (несиловая) деформация. Под полной, или максимальной, усушкой понимают уменьшение линейных размеров или объема древесины при удалении всего количества связанной воды. Следовательно, для установления влажность древесины должна быть снижена от предела насыщения клеточных стенок до нуля.

.

Полная усушка древесины наиболее распространенных отечественных лесных пород в тангенциальном направлении составляет 8--10 %, а радиальном направлении 3--7 %, вдоль волокон 0,1--0,3 %. Полная объемная усушка находится в пределах 11-- 17 %. Для расчетов влажностной деформации необходимо располагать коэффициентом усушки, определяющим величину усушки при снижении содержания связанной воды в древесине на 1 %.



Формула для вычисления частичной усушки имеет вид

Повышение содержания связанной воды в древесине при выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличением линейных размеров и объема древесины. Это называется разбуханием. Разбухание древесины вызвано тем, что связанная вода, размещаясь в клеточных стенках, раздвигает микрофибриллы.

Так же как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее -- вдоль волокон.

Разбухание древесины зависит от содержания и степени гигроскопичности, входящих в клеточные стенки компонентов. Как уже отмечалось, наибольшая гигроскопичность у гемицеллюлоз, а наименьшая у лигнина. Однако большую роль играет характер размещения и взаимосвязей компонентов древесины.

4. Водо - влагопоглощение и разбухание древесины, и практическое значение этих явлений.

Вследствие пористого строения при непосредственном контакте с водой древесина способна увеличивать свою влажность. Это свойство древесины называется водопоглощение. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды (предела насыщения клеточных стенок) и наибольшего количества свободной воды.

,

где - влажность предела насыщения клеточных стенок, %;- плотность древесинного вещества; -- плотность древесины в абсолютно сухом состоянии; -- плотность воды.

Если неизвестно точное значение то максимальную влажность, %, можно вычислить по другой формуле:

,

где - базисная плотность древесины.

Скорость процесса водопоглощения зависит от размеров и формы образца: чем крупнее образцы, тем медленнее этот процесс. Значительное время занимает выравнивание влажности по объему образца. Образцы с развитой торцовой поверхностью поглощают воду достаточно быстро. Процесс водопоглощения ускоряется с повышением температуры. Количество поглощенной воды зависит от породы древесины, начальной влажности образца, анатомической зоны (заболонь поглощает больше воды, чем ядро).

Влагопоглощение. Способность древесины вследствие ее гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воз называется влагопоглощением. Процесс влагопоглощения складывается из сорбции паров воды основными органическими веществами клеточной стенки и перемещения образовавшейся связанной воды в глубь древесины. Сначала происходит связывание влаги в мономолекулярном слое (толщиной в одну молекулу воды), который особенно прочно удерживается органическими веществами древесины. Затем появляется полимолекулярный слой с постепенно убывающей прочностью связей между молекулами воды и компонентами древесины. Так образуется находящаяся в пленочном состоянии адсорбционная вода, по своим свойствам отличающаяся от обычной воды.

Повышение содержания связанной воды в древесине при выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличением линейных размеров и объема древесины. Это называется разбуханием. Разбухание древесины вызвано тем, что связанная вода, размещаясь в клеточных стенках, раздвигает микрофибриллы.

Так же как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее -- вдоль волокон.

Разбухание древесины зависит от содержания и степени гигроскопичности, входящих в клеточные стенки компонентов. Как уже отмечалось, наибольшая гигроскопичность у гемицеллюлоз, а наименьшая у лигнина. Однако большую роль играет характер размещения и взаимосвязей компонентов древесины.

Макроскопическое строение древесины: заболонь, ядро, спелая древесина, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы, сердцевинные повторения.

На поперечном разрезе ствола многих пород в древесине выделяется темноокрашенная центральная зона - ядро, и светлая наружная - заболонь. Эти зоны видны и на продольных разрезах ствола. В растущем дереве заболонь является живой, а ядро мертвой частью древесины, которая уже не участвует в физиологических процессах.

В раннем возрасте древесина всех пород состоит только из заболони и лишь с течением времени происходит отмирание живых элементов древесины, закупорка водопроводящих путей и отложение экстр активных веществ в центральной зоне. При этом у одних пород происходит интенсивное изменение цвета указанной зоны древесины -- она приобретает темную окраску, т. е. образуется ядро. Такие породы называют ядровыми.

У других пород отмирание центральной части древесины не сопровождается ее потемнением. Породы с однородной окраской всей древесины принято называть безъядровыми. Среди группы безъядровых пород есть такие, у которых центральная зона в растущем дереве имеет меньшую влажность, чем периферийная. В этом случае центральную зону называют спелой древесиной, а породы этой подгруппы спелодревесными. Имеются также породы, в которых центральная часть не отличается от периферической ни по цвету, ни по содержанию влаги; такие породы называют заболонными.

Ежегодный прирост древесины называется годичным слоем. На величину годичного прироста влияют особенности метеорологических условий, и по ширине годичных слоев можно проследить изменения климата, происходившие в далеком прошлом.

У некоторых лиственных пород на по перечном разрезе ствола хорошо видны светлые, часто блестящие линии, направленные по радиусам сечения от сердцевины к коре и называемые сердцевинными лучами.

Первичные сердцевинные лучи начинаются у самой сердцевины, а вторичные на разном расстоянии от нее. Лучи обоих видов доходят до коры и продолжаются в ней. В растущем дереве сердцевинные лучи служат для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ зимой. Сердцевинные лучи имеются у всех пород -- как лиственных, так и хвойных. По ширине различают три типа лучей: очень узкие, невидимые невооруженным глазом; узкие, трудно различимые невооруженным глазом; широкие, ясно видимые невооруженным глазом. Широкие лучи могут быть настоящими и ложноширокими, т. е. состоящими из пучка близко расположенных друг к другу узких лучей.

Для некоторых лиственных пород (например, у березы, ольхи, клена, ивы, осины) характерно наличие на продольных разрезах древесины буроватых или коричневатых (иногда желтых) прямых или изогнутых узких полосок, замкнутых контуров, черточек, пятнышек, по виду на поминающих сердцевину. Эти образования, называемые сердцевинными повторениями, возникают в результате повреждения камбия насекомыми.

Сосуды. Эти элементы строения древесины характерны только для лиственных пород. Они часто хорошо заметны на поперечном разрезе в виде отверстий округлой формы. В растущем дереве по сосудам, имеющим форму трубок, поднимается из корней в крону вода с растворенными в ней минеральными веществами. Сосуды подразделяются на крупные, легко обнаруживаемые невооруженным глазом, и мелкие, неразличимые без микроскопа. По расположению сосудов в древесине лиственные породы подразделяют на кольцесосудистые с кольцом крупных сосудов в ранней зоне годичных слоев и рассеянно-сосудистые, у которых сосуды независимо от величины распределены по годичному слою более или менее равномерно. Среди кольцесосудистых можно выделить породы с радиальным расположением групп мелких сосудов, напоминающих язычки пламени (дуб, каштан съедобный), тангенциальным расположением групп мелких сосудов, образующих вытянутые вдоль годичных слоев сплошные или прерывистые волнистые линии (ильм, вяз, берест), и беспорядочным расположением групп мелких сосудов в виде отдельных светлых черточек или точек (ясень).

Смоляные ходы. Эти элементы строения древесины присущи только хвойным породам. Они представляют собой наполненные смолой каналы, пронизывающие древесину сосны, кедра, лиственницы и ели (у остальных хвойных -- пихты, тиса и можжевельника -- их нет). Невооруженным глазом можно обнаружить только вертикальные смоляные ходы, а связанные с ними горизонтальные ходы видны лишь под микроскопом.

1.3 Влияние строения древесины на ее физико-механические свойства

Уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении нее свободной воды называется усушкой.

Экспериментальное определение полной радиальной, тангенциальной и объемной усушки проводят согласно ГОСТ 16483.37--80 и ГОСТ 16483.38--80 на образцах в виде четырехгранной прямоугольной призмы с основанием 20х20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм. Годичные слои на торце образца должны быть параллельны соответствующей паре граней. Влажность образцов должна быть выше или равна пределу насыщения клеточных стенок. При меньшей влажности образцы вымачивают в дистиллированной воде при t=20°С. Через каждые 3 сут. измеряют соответствующий размер у двух-трех образцов из партии. После того как расхождение между результатами двух последних измерений окажется менее 0,02 мм, образец осушают с поверхности фильтровальной бумагой и определяют его окончательные поперечные размеры по серединам радиальных и тангенциальных поверхностей, а также при необходимости размер между торцами с погрешностью не более 0,01 мм. Таким образом, устанавливают исходный размер для определения тангенциальной или радиальной линейной усушки. Определение усушки вдоль волокон ввиду ее малости стандартом не предусматривается.

Далее образцы, предварительно подсушенные в течение 2 сут, (во избежание растрескивания), досушивают до постоянных размеров, постепенно поднимая температуру до 103°С. Изменение размеров двух-трех контрольных образцов проверяют повторными измерениями через 2 ч после 6 ч с начала высушивания. Сушку прекращают, когда разница между двумя последовательными измерениями будет не более 0,02 мм. Допускается прекращать сушку по достижении постоянной массы. У высушенных образцов по тем же направлениям после охлаждения в герметичных сосудах с гигроскопическим веществом измеряют новые размеры и вычисляют по формуле линейную (радиальную или тангенциальную) усушку. Результат округляют до 0,1%.

Строение клеточной стенки древесины

Во время вегетационного периода в клетке камбия появляется так называемая клеточная пластинка, которая, разрастаясь, разделяет материнскую клетку на две дочерние. Эта пластинка состоит из пектиновых соединений--аморфных гидрофильных и очень пластичных. Затем по обе стороны от клеточной пластинки откладываются первичные оболочки, отграничивающие протопласт каждой дочерней клетки.

Первичные оболочки состоят из отдельных микрофибрилл целлюлозы, между которыми размещаются аморфные вещества матрикса. Целлюлоза представляет собой углеводный полимер с очень длинной цепной молекулой. Целлюлозные микрофибриллы образуют беспорядочную сетку. Матрикс в начале формирования клетки состоит из пектиновых соединений и гемицеллюлоз -- веществ, близких к целлюлозе, но отличающихся меньшей длиной молекул.

Упрочнение клеточных оболочек происходит также вследствие их одревеснения благодаря образованию лигнина.

Первичная оболочка, содержащая сравнительно мало целлюлозы, для обеспечения необходимой прочности древеснеет в значительно большей мере, чем вторичная. Таким образом, состав матрикса первичной оболочки с увеличением возраста меняется, и у вполне сформировавшейся клетки матрикс состоит в основном из лигнина. Обогащенное лигнином межклеточное вещество и первичные оболочки двух соседних клеток как бы сливаются в единое структурное образование, часто называемое сложной срединной пластинкой.

Основным структурным элементом является микрофибрилла. Это лентоподобное образование, имеющее размеры по толщине 5--10 им, ширине 10--30 мм и длине несколько микрометров, включает в себя элементарные фибриллы. Иногда выделяют более крупные структурные образования, видные в обычный световой микроскоп. Это макрофибриллы, или просто фибриллы, имеющие поперечные размеры порядка 400 нм и более.

2. Части дерева, их функциональное назначение и практическое использование

Дерево, как известно, состоит из ствола, корней и кроны.

Ствол. При рассмотрении схемы формирования растущего дерева было принято, что ствол имеет форму конуса. На самом же деле ствол следует рассматривать как тело, образованное вращением вокруг вертикальной оси некоторой кривой. Ствол изучают на трех главных разрезах: поперечном и двух продольных - радиальном и тангенциальном. Плоскость поперечного, или торцового, разреза перпендикулярна оси ствола. Плоскость одного из продольных разрезов проходит через сердцевину ствола по радиусу торца -- радиальный разрез, плоскость другого разреза -- тангенциального - направлена по касательной к окружностям, образованным слоями годичного прироста. На поперечном разрезе можно указать радиальные и тангенциальные направления, а на продольных разрезах направления вдоль волокон и радиальное или тангенциальное.

Сердцевина сравнительно редко находится в геометрическом центре сечения ствола, обычно она более или менее смещена в сторону. Диаметр сердцевины большей частью колеблется в пределах 2--5 мм (у бузины достигает 1 см). распространенным

Кора покрывает снаружи камбий и древесину. На поперечном разрезе ствола она имеет форму кольца, окрашенного обычно значительно темнее древесины. В толстой коре взрослых деревьев можно различить два слоя с постепенным или резким переходом от одного к другому: наружный -- корку (его назначение -- предохранять живые ткани ствола от резких колебаний температуры, испарения влаги, проникновения грибов, бактерий и механических повреждений) и внутренний слой -- луб, непосредственно прилегающий к камбию. Назначение луба в растущем дереве -- проводить вниз по стволу образующиеся в листьях органические питательные вещества.



Части дерева	Доля общей массы абсолютно сухого вещества в древостоях различных бонитетов %
	1	2	3	4
Ствол:
древесина и сердцевина	68,13	64,15	63,16	58,42
кора	6,74	7,52	6,45	6,08
Крона:
ветви	5,42	6,09	6,47	4,58
хвоя	1,2	1,55	1,58	1,95
шишки	0,12	0,12	0,05	0,2
сучья сухие	0,54	1,02	1,49	1,75
Корни	17,85	19,55	20,8	27,02

Прямые и косвенные методы определения влажности древесины, достоинства и недостатки, области применения

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель -- влажность. Под влажностью (абсолютной) 1 понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины:

где m-- масса образца влажной древесины, г; -- масса образца абс. сух. древесины, г.

Влажность древесины измеряют прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины. Воду можно отделить путем высушивания и определить влажность с заданной степенью точности. Согласно ГОСТ 16483.7--71 с погрешностью до 0,1 % можно определить влажность проб из образцов, подвергавшихся физико-механическим испытаниям, выполняя следующую процедуру.

Очищенные от заусенцев и опилок пробы помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками и взвешивают на аналитических весах с погрешностью до 0,001 г. Бюксы используют для того, чтобы масса пробы не изменилась во время взвешивания. Массу бюксы определяют заранее на тех же весах. Пробы находятся в бюксах (но со снятыми крышками) и во время высушивания.

Пробы высушивают в сушильных шкафах -- небольших обогреваемых камерах с автоматическими регуляторами температуры. Наилучшими экс свойствами обладают электрические сушильные шкафы, которые и находят повсеместное применение.

Высушивание выполняют при температуре воздуха 103°С, бюксы с пробами находятся в шкафу до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы, устанавливаемое контрольными взвешиваниями. Первое взвешивание проводят через 6--10 ч, а далее через каждые 2 ч. Если разница в массе при двух взвешиваниях с указанным интервалом окажется менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Пробы из смолистой древесины хвойных пород не должны находиться в сушильном шкафу более 20 ч. Перед каждым взвешиванием бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах -- сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой концентрацией 94 %. Влажность, %, вычисляют по формуле

.

Влажность древесины с большей погрешностью (до 1 %) определяют по образцам размерами 20х20х30 мм, взвешивая их без бюкс на технических весах с погрешностью до 0,01 г. После первого взвешивания образцы помещают в сушильный шкаф, в котором они находятся до тех пор, пока по результатам двух последних контрольных взвешиваний (разница должна быть не более 0,02 г) не будет установлено достижение постоянной массы т Влажность образца вычисляют по формуле. Описанный простой и надежный метод определения влажности путем высушивания нашел широкое применение.

Основной недостаток прямых методов заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика. При методе высушивания она занимает 8--10 ч, а иногда и более. Этого недостатка лишены косвенные методы. Косвенные методы определения влажности основаны на измерении показателей других физических свойств древесины, которые зависят от содержания влаги в древесине. Поскольку вода оказывает влияние по существу на все физические свойства древесины, косвенных методов измерения ее влажности сущёствует очень много. Однако не все из них могут быть с равным успехом использованы для создания быстродействующих, точных, простых по конструкции и удобных в эксплуатации приборов -- влагомеров.

Для создания влагомеров широко используются достаточно строгие зависимости между влажностью и электрическими параметрами древесины. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, основанные на измерении электропроводности древесины.

К недостаткам этих приборов, помимо меньшей точности (по сравнению с методом высушивания), относится также и то, что они дают значения локальной влажности древесины в месте введения игольчатых контактов. При обычно неравномерном распределении влажности по объему доски или заготовки этот не достаток может быть причиной дополнительных погрешностей в определении интегральной влажности древесины.

2.1 Стойкость древесины. Способы и средства повышения стойкости древесины

Древесина во время хранения и службы может разрушаться под действием физических, химических и биологических факторов. Способность древесины сопротивляться разрушению от действия указанных факторов называется ее стойкостью. Стойкость против химических факторов имеет сравнительно ограниченное значение: она проявляется при соприкосновении древесины с кислотами, щелочами (деревянные чаны, цистерны и пр. на химических заводах) или с химически агрессивными газами (стропильные фермы). Физические (главным образом температура и влажность среды) и биологические факторы действуют на древесину в большинстве случаев одновременно, при чем разрушение древесины происходит преимущественно от воздействия биологических факторов (грибов).

Древесина различных пород, как показывают наблюдения и лабораторные исследования, при хранении и в службе разрушается с разной скоростью. Существенно влияют на стойкость древесины против грибов содержащиеся в ней смолистые и ядовитые вещества. В пределах одной породы биостойкость зависит от плотности. С увеличением возраста стойкость древесины повышается. Сопротивление загниванию зависит от положения древесины в стволе. Как правило, ядро имеет большую стойкость, чем заболонь. Замечено также, что ядро у хвойных пород имеет повышенную стойкость в своих наружных зонах. Стойкость древесины из нижней части ствола выше, чем из верхней части.

Наиболее важное значение имеет повышение био- и огне- стойкости древесины. Для защиты древесины от загнивания в службе применяются конструкционные и химические меры, заключающиеся в создании условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих грибов. Химические меры защиты заключаются в обработке древесины токсичными для грибов веществами -- антисептиками. Защита древесины от возгорания достигается пропиткой ее химическими веществами антипиренам и или нанесением соответствующих покрытий.

Антисептики должны удовлетворять следующим требованиям: 1) обладать высокой токсичностью к грибам; 2) хорошо проникать в древесину; 3) не ухудшать физико-механических свойств древесины, а также ее способность склеиваться и окрашиваться; 4) быть устойчивыми к вымыванию из древесины; 5) не корродировать металлы; 6) при соблюдении элементарных правил техники безопасности быть безвредными для людей; 7) быть доступными и дешевыми.

2.2 Различия в микроскопическом строении древесины хвойных и лиственных пород

Свойства, определяющие внешний вид древесины: цвет, блеск, текстура, макроструктура и их значение при практическом применении древесины.

Цвет. Под цветом древесины понимают определенное зрительное ощущение, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока. Древесина обладает избирательной способностью поглощать световые излучения, и отраженный от нее световой поток имеет иной спектральный состав, чем падающий.

Цвет - одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины, которую учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовления мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок, спортивного инвентаря и т. д.

Блеск. Под блеском древесины понимают ее способность направленно отражать световой поток. Как известно, строго направленное отражение и, следовательно, наибольший блеск наблюдаются при освещении зеркальных, т. е. гладких, поверхностей с размерами неровностей, меньшими половины длины световой волны. В отличие от них матовые поверхности, имеющие однородные неровности больших размеров, отражают световой поток диффузно, т. е. равномерно во все стороны. Поверхности даже самым тщательным образом обработанной древесины приближаются к матовым и могут характеризоваться коэффициентом диффузного отражения (белизной).

Текстура. Текстурой называют рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче ее текстура. В строении древесины хвойных пород принимает участие сравнительно небольшое число типов упорядоченно расположенных анатомических элементов, создающих довольно однообразную текстуру.

У хвойных пород текстура зависит в основном от разницы в окраске ранней и поздней древесины, а также от ширины годичных слоев. Извилистые очертания годичных слоев образуют более интересный рисунок, особенно у лиственницы и тиса на тангенциальном разрезе.

Для древесины лиственных пород, отличающихся весьма сложным строением, характерно наличие видимых невооруженным глазом крупных сосудов (например, у ясеня, бархатного дерева, дуба), сердцевинных лучей, обычно окрашенных темнее, чем окружающая древесина (например, у бука, ильма, платана), неправильно расположенных волокон и т. д. Это создает более богатую текстуру.

Макроструктура. Для оценки по внешнему виду древесины ее качества используют некоторые характеристики макро структуры: ширину годичных слоев, степень равнослойности, содержание поздней древесины в годичных слоях, равноплотность, а также величину и характер распределения анатомических неровностей.

Показателем, характеризующим ширину годичных слоев, служит число слоев, приходящееся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцовой поверхности образца. Степень равнослойности обычно оценивают по разнице в числе годичных слоев на двух таких соседних участках длиной по 1 см. 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.

Характеристика органических веществ древесины. Получение и использование целлюлозных материалов.

Целлюлоза. Это вещество представляет собой линейный полимер полисахарид, который, как и крахмал, имеет формулу где n - степень полимеризации. Макромолекула целлюлозы имеет вид цепи, состоящей из множества звеньев--целлюлозных остатков.

Гемицеллюлозы. Этим термином объединяется группа полисахаридов. содержащихся в клеточных стенках древесины, но отличающихся от целлюлозы большей гидролизуемостью в кислотах и растворимостью в щелочах. В указанную группу входят пентозаны и гексозаны, которые делятся на отдельные разновидности полисахаридов (маннаны, ксиланы, галактаны и др.).

Лигнин. Это высокомолекулярное соединение ароматической природы (полифенол) представляет собой аморфный полимер сложного строения. Строение лигнина, находящегося в составе клеточных стенок древесины и коры, до сих пор окончательно не установлено. Дело в том, что в процессе выделения из древесины природный лигнин претерпевает необратимые превращения

Суберин. Это смесь веществ, включающая органические кислоты и их метиловые эфиры. Суберин находится только в коре и вызывает опробковение клеточных стенок корки.

Экстрактивные вещества. В эту группу входят вещества, которые могут быть извлечены из древесины и коры путем экстракции водой и органическими растворителями.

Камеди представляют собой водорастворимые смолообразные вещества, состоящие в основном из полисахаридов (арабогалактана и др.). Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (особенно в ядре) и коры.

Смолы, находящиеся в древесине и коре (в смоляных ходах и других смоловместилищах) хвойных пород, содержат в природном состоянии значительное количество (около 40 %) терпенов и смоляные кислоты. Выделяющаяся при ранении ствола живица по своему составу отличается от смолы, находящейся в смоловместилищах дерева.

2.3 Получение и использование целлюлозных материалов

В промышленности используются кислотные, щелочные и нейтральные способы получения целлюлозы.

Кислотные способы. К этой группе относятся сульфитный и бисульфитный способы. Сульфитный способ до недавнего времени имел у нас наибольшее распространение. При этом способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных пород (ели, пихты) и ряда лиственных пород. Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород. Варка щепы проводится в водном растворе бисульфита натрия, магния или аммония.

Щелочные способы. К этой группе относятся сульфатный и натронный способы. Наибольшее распространение получил первый из них. Для получения целлюлозы сульфатным способом может быть использована древесина любых пород, в том числе и высокосмолистых (сосна и др.). Измельченная в щепу древесина варится в растворе, содержащем едкий натр NaOH и в 3 раза меньше сернистого натрия Na2S. Нейтральный способ. Этот способ используется для получения из древесины лиственных пород целлюлозы с весьма большим содержанием сопутствующих веществ. Варочный раствор, содержащий сульфит натрия или сульфит аммония имеет близкую к нейтральной реакцию, поэтому способ называют моносульфитным или, чаще, нейтрально-сульфитным.

Значение древесины в хозяйственной деятельности человека и перспективы ее применения.

Главные разрезы и части ствола, основные структурные направления в древесине.

Ствол изучают на трех главных разрезах: поперечном и двух продольных - радиальном и тангенциальном. Плоскость поперечного, или торцового, разреза перпендикулярна оси ствола. Плоскость одного из продольных разрезов проходит через сердцевину ствола по радиусу торца -- радиальный разрез, плоскость другого разреза -- тангенциального - направлена по касательной к окружностям, образованным слоями годичного прироста. На поперечном разрезе можно указать радиальные и тангенциальные направления, а на продольных разрезах направления вдоль волокон и радиальное или тангенциальное.

2.4 Достоинства и недостатки древесины как, материала

Пиролиз (термическое разложение) древесины, получаемые продукты.

Разложение древесины (и коры) под действием высокой температуры происходит во многих процессах лесохимических производств. Широко известен процесс так называемой у перегонки древесины при нагревании ее без доступа воздуха. В этом процессе совершается собственно пиролиз древесины. При энергохимической переработке древесины кроме пиролиза происходят ее газификация (в условиях ограниченного доступа воздуха) и сжигание (воздух подается в избыточных количествах).

При сухой перегонке древесины начальная стадия процесса происходит с поглощением извне подведенного тепла и сопровождается потерей воды (при 120--150 °С), а также частичным разложением менее стойких компонентов, главным образом гемицеллюлоз (при 150--275 °С). Затем при 275--450 °С происходят главные реакции распада веществ, слагающих древесину. Эта стадия процесса протекает при бурном выделении тепла. Последняя стадия пиролиза происходит при 450--550°С с дополнительным подводом тепла извне. На этой стадии для удаления остатков летучих веществ уголь прокаливают.

В результате пиролиза образуются твердые (уголь), жидкие (жижка) и газообразные продукты.

Древесный уголь содержит 80--97 % углерода. Зольность его составляет обычно всего лишь 1,5 %, причем содержание вредных примесей-- серы, фосфора и др.-- очень мало. Теплота сгорания высококачественного угля почти в 2 раза выше, чем древесины.

Жижка представляет собой жидкий дистиллят -- раствор продуктов разложения древесины. При отстаивании жижки образуются два слоя: верхний--водный и нижний--смоляной. Из отстойной и растворенной в сырой жижке смолы получают антиокислитель бензина, антисептики (креозот), фенолы для производства пластмасс, крепители литейных земель, понизители вязкости бурильных растворов и другие продукты. Из водного слоя жижки выделяют уксусную кислоту, метиловый спирт, растворители (ацетон, метилацетат и др.).

Газы, образующиеся при пиролизе древесины, используют в качестве топлива для обогрева реторт (аппаратов сухой перегонки).

Теплота сгорания древесины.

Окисление древесины и коры в процессе горения происходит не только при энергохимической переработке, но и при использовании их виде топлива.

Качество древесины как топлива оценивается теплотой сгорания (теплотворной способностью). Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг древесины. Если известен химический состав топлива, его теплоту сгорания можно определить теоретическим путем по формуле д. И. Менделеева. Эта формула для вычисления низшей (без учета тепла, образующегося при конденсации водяных паров) теплоты сгорания ‚ кДж/кг, применительно к древесине, практически не содержащей серы, имеет вид , где С, Н и О - содержание углерода, водорода и кислорода, %; - относительная влажность древесины, %.

Вычисленные по указанной формуле значения отличаются от действительных на 5--10 %. Теплота сгорания единицы массы древесины почти не зависит от породы, так как элементный химический состав древесины различных пород примерно одинаков. У абсолютно сухой древесины теплота сгорания колеблется в узких пределах 19,6-21,4МДж/кг*, причем у хвойных пород она несколько выше, чем у лиственных. Для сравнения укажем, что теплота сгорания, МДж/кг, торфа 23, антрацита 30, мазута 40.

Формы влаги в древесине. Количественная характеристика влажности.

Различают две формы воды, содержащейся в древесине, -- связанную (или гигроскопическую) и свободную. Связанная (адсорбционная и микрокапиллярная) вода находится в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Связанная вода прочно удерживается в основном физико-химическими связями; удаление этой воды, особенно ее адсорбционной фракции, затруднено и существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая силами капиллярного взаимодействия, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на свойства древесины. Принято называть древесину влажной, если она содержит только связанную воду, или сырой, если она содержит, кроме связанной, и свободную воду.

Предел насыщения клеточных стенок - максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при увлажнении древесины в воде; он характеризуется равновесием влажности клеточных стенок водой, находящейся в полостях клеток у сырой древесины. .

Предел гигроскопичности - максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при сорбции; характеризуется отсутствием воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок с воздухом, приближающимся к насыщенному состоянию (при относительной влажности около 0,995).

4(прод). Степени влажности древесины, различимые в практике.

В практике по степени влажности различают древесину: мокрую (W>100%), длительное время находившуюся в воде; свежесрубленную (w=50…100%), сохранившую влажность растущего дерева; воздушносухую (W=15…20%), выдержанную на открытом воздухе; комнатную (W=8…12%), долгое время находившуюся в отапливаемом помещении; абсолютно сухую (W=0), высушенную при t=103°С.

28. Микроскопическое строение древесины хвойных пород.

Образованная камбием так называемая вторичная древесина у хвойных пород состоит из ограниченного набора анатомических элементов. Они организованы в довольно упорядоченную структуру, которую целесообразно изучать, выделяя элементы, выполняющие стволе живого дерева преимущественно одну из трех физиологических функций.

Проводящую и механическую (опорную) функции выполняют прозенхимные клетки с отмершим протопластом - трахеиды, которые в растущем дереве расположены главным образом вертикально. Они составляют основную долю (90 % и выше) объема древесины. Запасающую функцию выполняют живые паренхимные клетки.

Трахеиды. У всех хвойных пород трахеиды имеют форму сильно вытянутых волокон с одревесневшими стенками и кососрезанными концами. На поперечном разрезе по форме они у большинства пород близки к прямоугольникам (иногда квадратам), а у лиственницы к пяти- или шестиугольникам. Первые из этих клеток образуются в начале вегетационного периода и называются ранними трахеидами, они выполняют в основном проводящую функцию. Вторые появляются в следующей стадии вегетационного периода и называются поздними трахеидами; они играют роль механических элементов.

Паренхимные клетки. Эти клетки в древесине хвойных пород входят главным образом в состав сердцевинных лучей, а также сопровождают смоляные ходы и иногда располагаются изолированно в виде древесной паренхимы.

Сердцевинные лучи у хвойных пород занимают 5-- 10 % общего объема древесины, причем верхний предел этого диапазона относится к древесине лиственницы, сбрасывающей зимой хвою. На поперечном разрезе сердцевинные лучи состоят из одного ряда паренхимных клеток, т. е. относятся к категории очень узких лучей, невидимых невооруженным глазом. На радиальном разрезе видно, что сердцевинные лучи по высоте состоят из нескольких рядов паренхимных клеток с простыми порами. Сердцевинные лучи в растущем дереве не только хранят запасные питательные вещества в период покоя, но и проводят растворы веществ в горизонтальном направлении в период вегетации.

Смоляные ходы из наших хвойных пород имеют сосна, кедр, лиственница и ель. Они образуют единую смолоносную систему, состоящую из пересекающихся вертикальных и горизонтальных ходов. Эти межклеточные ходы включают три или два слоя клеток. У вертикальных смоляных ходов внутренний слой представляет собой клетки эпителия, выделяющие смолу. За этими клетками, выстилающими полость хода, следует слой пустых мертвых клеток, а снаружи находится слой живых клеток сопровождающей паренхимы.

10. Строение годичных слоев. Ранняя и поздняя древесина, деление лиственных пород на кольцесосудистые и рассеяннососудистые.

В связи с периодичностью деятельности камбия в умеренном климатическом поясе древесина отечественных пород имеет достаточно четко выраженное слоистое строение. Ежегодный прирост древесины называется годичным слоем.

У многих по род на разрезах древесины четко видно, что каждый годичный слой состоит из двух частей (см. рис. 4). Внутренняя часть, расположенная ближе к сердцевине, более светлая и менее твердая, чем наружная. По времени образования в течение вегетационного периода внутреннюю часть называют ранней древесиной, а наружную-- поздней. Переход от светлой ранней древесины к темной поздней может быть очень резким (например, у лиственницы), достаточно четким (у сосны) или плавным, почти незаметным (у кедра). Различие в цвете, также в строении поздней древесины предыдущего слоя и ранней древесины последующего слоя обусловливает хорошую видимость годичных слоев у большинства хвойных и некоторых лиственных пород.

По ранней древесине годичных слоев в растущем дереве происходит передвижение воды (вверх по стволу), а поздняя древесина выполняет преимущественно механические функции.

По радиусу ствола хвойных пород содержание поздней древесины изменяется следующим образом. Слои, окружающие сердцевину, содержат мало поздней древесины, затем ее со держание увеличивается, достигает максимума, а далее, у коры, уменьшается. По высоте ствола содержание поздней древесины убывает в направлении от комля к вершине и может снизиться 1,5--2 раза.

Сосуды подразделяются на крупные, легко обнаруживаемые невооруженным глазом, и мелкие, неразличимые без микроскопа. По расположению сосудов в древесине лиственные породы подразделяют на кольцесосудистые с кольцом крупных сосудов в ранней зоне годичных слоев и рассеянно-сосудистые, у которых сосуды независимо от величины распределены по годичному слою более или менее равномерно. Среди кольцесосудистых можно выделить породы с радиальным расположением групп мелких сосудов, напоминающих язычки пламени (дуб, каштан съедобный), тангенциальным расположением групп мелких сосудов, образующих вытянутые вдоль годичных слоев сплошные или прерывистые волнистые линии (ильм, вяз, берест), и беспорядочным расположением групп мелких сосудов в виде отдельных светлых черточек или точек (ясень).

2.5 Коробление и растрескивание древесины

Коробление древесины. Изменение заданной формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и хранении. Вследствие анизотропии усушки происходит коробление, которое принято называть структурным. Оно может наблюдаться в поперечной и продольной плоскостях сортимента. В чистом виде поперечное структурное коробление проявляется при удалении воды через торцовые поверхности очень коротких сортиментов. Возникающая при этом поперечная покоробленность зависит только от различий в радиальной и тангенциальной усушке, а также от расположения годичных слоев на торце сортимента.

Продольная покоробленность возникает из-за различий в усушке по длине волокон. Покоробленность по кромке и пласти возникает, если в доске оказываются участки разной по строению древесины. Такая покоробленность встречается, например, у досок, включающих участки креневой или примыкающей к сердцевине молодой древесины, которые обладают большей усушкой вдоль волокон, чем нормальная древесина. Спиральная покоробленность -- крыловатость появляется у древесины с наклоном волокон.

При высыхании сортиментов промышленных размеров, у которых вода удаляется в основном через боковые (не торцовые) поверхности, поперечное коробление происходит не только вследствие анизотропии усушки (структурное коробление), но также вследствие неравномерного распределения влажности по сечению. Покоробленность, вызванная этой причиной, при выравнивании влажности по сечению доски в значительной мере исчезает. Кроме того, в высушенном материале из-за нарушения равновесия остаточных напряжений происходит коробление при несимметричном строгании (фрезеровании) досок или их ребровом делении.

Коробление досок может наблюдаться и при распиловке сырых бревен из-за напряжений, имеющихся в растущем дереве. Иногда причиной коробления досок является неправильная укладка их в штабеля при атмосферной и камерной сушке, увлажнение при хранении и др.

Способность древесины к короблению -- серьезный недостаток, затрудняющий ее обработку и использование в конструкциях и изделиях в условиях переменной влажности. Коробление досок при сушке можно уменьшить путем приложения внешних усилий (от массы вышележащих частей штабеля или при помощи специальных прижимов).

2.6 Влажность древесины и метод ее определения

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель -- влажность. Под влажностью (абсолютной) 1 понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины:

где m-- масса образца влажной древесины, г; -- масса образца абс. сух. древесины, г.

Влажность древесины измеряют прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины. Воду можно отделить путем высушивания и определить влажность с заданной степенью точности. Согласно ГОСТ 16483.7--71 с погрешностью до 0,1 % можно определить влажность проб из образцов, подвергавшихся физико-механическим испытаниям, выполняя следующую процедуру.

Очищенные от заусенцев и опилок пробы помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками и взвешивают на аналитических весах с погрешностью до 0,001 г. Бюксы используют для того, чтобы масса пробы не изменилась во время взвешивания. Массу бюксы определяют заранее на тех же весах. Пробы находятся в бюксах (но со снятыми крышками) и во время высушивания.

Пробы высушивают в сушильных шкафах -- небольших обогреваемых камерах с автоматическими регуляторами температуры. Наилучшими экс свойствами обладают электрические сушильные шкафы, которые и находят повсеместное применение.

Высушивание выполняют при температуре воздуха 103°С, бюксы с пробами находятся в шкафу до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы, устанавливаемое контрольными взвешиваниями. Первое взвешивание проводят через 6--10 ч, а далее через каждые 2 ч. Если разница в массе при двух взвешиваниях с указанным интервалом окажется менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Пробы из смолистой древесины хвойных пород не должны находиться в сушильном шкафу более 20 ч. Перед каждым взвешиванием бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах -- сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой концентрацией 94 %. Влажность, %, вычисляют по формуле

Влажность древесины с большей погрешностью (до 1 %) определяют по образцам размерами 20х20х30 мм, взвешивая их без бюкс на технических весах с погрешностью до 0,01 г. После первого взвешивания образцы помещают в сушильный шкаф, в котором они находятся до тех пор, пока по результатам двух последних контрольных взвешиваний (разница должна быть не более 0,02 г) не будет установлено достижение постоянной массы т Влажность образца вычисляют по формуле. Описанный простой и надежный метод определения влажности путем высушивания нашел широкое применение.

Основной недостаток прямых методов заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика. При методе высушивания она занимает 8--10 ч, а иногда и более. Этого недостатка лишены косвенные методы. Косвенные методы определения влажности основаны на измерении показателей других физических свойств древесины, которые зависят от содержания влаги в древесине. Поскольку вода оказывает влияние по существу на все физические свойства древесины, косвенных методов измерения ее влажности сущёствует очень много. Однако не все из них могут быть с равным успехом использованы для создания быстродействующих, точных, простых по конструкции и удобных в эксплуатации приборов -- влагомеров.