Вопрос 57. Структура и строение древесины

Древесина - ценнейшее промышленное сырьё. Свойства древесины делают её важным конструкционным материалом во многих областях техники. Благодаря таким технологическим свойствам, как лёгкость об­работки резанием и окончательной доводки поверхности изделия, а также натуральным декоративным достоинствам, древесина - незаме­нимый материал, особенно в мебельной промышленности и столярном деле. Декоративные свойства древесины издавна привлекают изготови­телей предметов интерьера и различных художественных изделий. Химический состав древесины делает её необходимым химическим сырь­ем для целлюлозно-бумажной промышленности и производства древес­ных пластиков.

Древесина — ткань высших растений, состоящая из органических высокомолекулярных соединений (целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз- до 90-95%), низкомолекулярных экстрагирующих веществ (алифати­ческих углеводородов, кислот, смол, эфирных масел, жиров, стеаринов - до 5-25%) и минеральных веществ (карбонатов, силикатов, фосфатов, оксидов металлов — до 0,25-1,25%).

Химический состав древесины - 50,9% углерода, 43% кислорода, 6,4% водорода и 0,1% азота. Основная структурная единица древесины - клетка. Ствол дерева состоит из клеток древесины, выполняющих раз­личные функции и имеющих разные свойства.

В макроструктуре древесины различаются кору, камбий, сердцеви­ну и древесину (рис.).

Схеме поперечного

разреза ствола дерева:

1 - кора растения;

2 - камбий;

3 - сердцевина дерева;

4 - древесина (ксилема)

Кора растения - многослойная периферическая ткань стеблей и корней растений. Развивающаяся кора состоит из наружного слоя -корки и внутреннего - луба. Луб (флоэма) - ткань высших растений, которая служит для проведения органических веществ, синтезируе­мых главным образом в листьях, из кроны дерева вниз и содержит их запасы. Кора может содержать дубящие, лекарственные, пряные и Другие вещества.

Камбий — образовательная ткань в стеблях и корнях растений, дающая начало вторичным проводящим тканям и обеспечивающая их рост в толщину: к центру дерева откалываются клетки древесины, а в сторону луба - лубяные клетки. Сезонные изменения активности камбия в результате смены тёплого и холодного времен года обусловливают образование годичных колец (слоев прироста древесины). Годичные кольца видны на срезе ствола дерева и позволяют определить его возраст и условия жизни.

Сердцевина дерева - центральная часть стебля или корня, занятая рыхлой первичной тканью дерева, в которой откладываются крахмал, масла и дубящие вещества. Она состоит из наиболее тонкостенных клеток и имеет малую прочность- Сердцевина легко загнивает. Часть древесины, прилегающая к сердцевине, состоит из омертвевших клеток и называется ядром. Движение влаги по этим клеткам прекратилось. Ядро окружено кольцами более молодой древесины — заболонью, по живым клеткам которой, расположенным рядами тонких концентрических колец, перемещается влага с растворёнными в ней питательными веществами. Если у древесной породы ядро отсутствует, то её называют заболонной (берёза, клён, ольха).

Древесина (ксилема) — ткань высших растений, служит для проведения воды и растворов минеральных солей от корней к листьям и другим органам.

Макроструктуру древесины изучают по трём разрезам ствола дерева: поперечному, радиальному продольному (по диаметру или радиусу) и тангенциальному продольному (по хорде). По макроструктуре древесные породы делятся на следующие группы:

- состоящие из ядра и заболони (дуб, ясень, сосна, лиственница);

- спелодревесные, состоящие из спелой древесины и заболони, отличающихся по своим свойствам (ель, пихта, бук);

- заболонные, имеющие практически одинаковые свойства центральной и наружной частей ствола, то есть ядро отсутствует (берёза, клен, липа, ольха).

Микроструктура древесины складывается из большого количества длинных, плотных трубчатых клеток, наполненных водой или растительным соком. Длина клеток обычно 2-4 мм, а размер в поперечнике 90-40 мкм. Стенки клеток являются композитом со сложной структу­рой. Микроволокна композита, характеризующиеся высокой прочностью, построены из кристаллической целлюлозы и составляют 45% от массы стенок клетки.

Целлюлоза является полимером (С₆Н₁₀О₅ )со степенью полимери­зации 10⁴. Микроволокна целлюлозы составляют основу лигнина и гемиделлюлозы. В состав гемицеллюлоз входят полисахариды, построен­ные из остатков моносахаридов - пентоз и гексоз, соединённых глинозидными связями в различных положениях. В них также входят остатки уроновых кислот. В зависимости от строения главного моносахарида гемицеллюлозы подразделяются на немтозаны и гексозаны. Лигнин -некристаллический полимер, в то время как гемицеллюлозы - полимеры такого же состава, что и целлюлоза, но с меньшей степенью полимеризации и частично кристаллической структурой. Лигнин и гемицеллюло­зы составляют 20% массы стенок клеток, еще 10% массы составляет во-да, 5% - побочные компоненты, то есть смолы, дубильные вещества, жиры, красители, алкалоиды, а также минеральные соли, остальное -целлюлоза. Побочные компоненты придают древесине цвет и запах, а иногда также стойкость к вредителям.

Важным компонентом древесины являются минеральные вещества, такие как соли калия, натрия, кальция и угольной, фосфорной и крем­ниевой кислот. Содержание этих компонентов в древесине переменно и составляет в среднем 0,2-1,7%.

Существенным компонентом древесины является вода. Различают связанную и свободную воду. Около 25-30% влаги содержится в древе­сине в связанном виде и очень трудно поддается удалению. Остальная влага, заполняющая межклеточное пространство, легко выпаривается во время сушки.

Дерево, насыщенное водой, легко отдает её воздуху, пересушенное дерево наоборот, поглощает влагу из воздуха. Растущее дерево очень быстро впитывает воду, причём количество её зависит не только от вида дерева, но и от времени года. Оптимальное содержание воды в расту­щей сосне или ели составляет 80%, в березе - 70% . При транспорти­ровке по воде (сплав) влажность дерева повышается еще больше. Такую Древесину называют мокрой.

При Длительном хранении на складе насыщение древесины водой стабилизируется, достигая определенного содержания, зависящего от окружающего воздуха. В зависимости от климата и времени года влажность древесины, находящейся на воздухе, составляет 15-20%. Высу­шенная древесина носит название воздушно-сухой.

Физикомеханические свойства древесины зависят от её макро- и микроструктуры. Механические свойства определяются стереорегулярным строением макромолекул целлюлозы и высокой степенью их ори­ентации. Однако свойства древесины также зависят от влажности, воз­раста дерева, строения, направления приложения нагрузки по отноше­нию к направлению волокон, температуры.

При сушке древесины при температуре 80-100°С снижается её прочность при сжатии вдоль волокон и ударная вязкость. Обработки при 15О-180°С понижает твёрдость древесины. Оптимальная темпера­тура сушки - 70^СС. Механические свойства древесины определяются при ее стандартной влажности 12%. Если влажность другая, то количе­ственные показатели свойств умножаются на коэффициент пересчёта. На свойства древесины большое влияние оказывают её пороки — дефекты отдельных участков древесины, формирующиеся при росте дерева, при хранении на складах и эксплуатации и снижающие качество и ограничивающие диапазон применения.

Пороки древесины - это отклонения от нормального строения а также повреждения, которые оказывают влияние на её свойства. В зави­симости от причин появления пороки согласно ГОСТ 2140-71 делят на группы, виды и разновидности. Группы пороков могут быть условно разделены по шести основным причинам появления:

- пороки древесины - сучки, трещины;

- пороки формы ствола - сбежистость, закомелистость, кривизна;

- пороки строения - наклон волокон, крень, водослой, засмолок, свилеватость, химические окраски и др.;

- повреждения древесины грибками;

- биологические повреждение древесины насекомыми (червоточи­на), паразитными растениями и птицами;

- механические повреждения, инородные включения, пороки обра­ботки и покоробленности.