Химический состав древесины

Древесина – это вещество клеточных стенок (оболочек клеток дерева), состоит в основном из органических веществ (около 99 %), и лишь небольшую часть (около 1 %) составляют минеральные вещества, которые при сжигании древесины образуют золу. Основные органические компоненты древесины являются высокомолекулярными соединениями (полимерами), которые в древесине между собой прочно связаны. Органические вещества древесины подразделяют на три основные части: углеводную, ароматическую и экстрактивные вещества. Главными компонентами древесины являются: целлюлоза (45–55 %), близкие к ней гемицеллюлоза (24–30 %) и лигнин (20–29 %).

Целлюлоза, или клетчатка имеет волокнистое строение, в чистом виде бесцветна, не имеет запаха и вкуса, очень стойка, не изменяется на воздухе и не растворяется в воде, спирте, ацетоне, эфире и других обычных органических растворителях. Целлюлоза идет на изготовление бумаги, искусственного шелка, взрывчатых веществ, ниток, целлулоида, нитроцеллюлозных лаков и других веществ. Гемицеллюлозы по своему химическому составу являются веществами, близкими к целлюлозе. Под действием кислот они легко гидролизуются и переходят в раствор. Лигнин представляет собой сложное органическое растительное вещество. От целлюлозы лигнин отличается большим содержанием углерода и меньшей стойкостью: она легко подвергается действию горячих щелочей и окислителей. В древесине хвойных пород в смоляных ходах или в смоляных клетках коры содержатся смолы. Из древесины сосны получают жидкую смолу – живицу, представляющую густую, липкую прозрачную жидкость с ароматическим запахом. В древесине многих пород (дуб, каштан) содержатся дубильные вещества – танниды, используемые в кожевенной промышленности для дубления сырых шкур и превращения их в кожу. Млечные соки некоторых растений дают особые вещества – гуттаперчу. Породы, дающие гуттаперчу, называют каучуконосами (бересклет бородавчатый), т.к. она является сырьем для получения каучука.

2. Свойства древесины

Свойства древесины подразделяются на физические, механические, химические и биологические.

Физическими называются такие свойства древесины, которые можно определить без нарушения целостности испытуемого образца, без изменения его химического состава. К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, объемная масса, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, теплопроводность, звукопроводность, пористость, усушка, разбухание и коробление, газопроницаемость и др.

Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском и текстурой. Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества. Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет и различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Блеск древесины зависит от количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Плотная древесина обладает обычно большим блеском (бук, клен, ильм, платан, акация). Текстурой называется рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годовых слоев и сердцевинных лучей. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины в направлении разреза. Запах древесины определяют находящиеся в ней смолы, эфирные масла, дубильные и другие вещества. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони.

Объемная масса характеризует древесину при стандартной 15 % влажности. От ее величины зависят строительно-технические свойства. Отношение веса вещества к весу воды, взятому в одинаковом объеме, называется удельным весом данного вещества. Удельный весь древесинного вещества составляет в среднем 1,49–1,57 г/см³. Так как древесина имеет поры, то в практике важен вес единицы объема древесины в ее естественном состоянии, т.е. объемный вес древесины. Объемная масса древесины в воздушно-сухом состоянии колеблется в значительных пределах – от 380 кг/м³ для очень легких пород деревьев (пихта сибирская) до 1050 кг/м³ для наиболее тяжелых (саксаул, фисташка). В зависимости от величины объемной массы в воздушно сухом состоянии древесину можно разделить на следующие группы: породы легкие, объемный вес до 0,55 (сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, осина, каштан, ива, черемуха); породы среднетяжелые, объемный вес 0,56–0,75 (лиственница, тис, берест, вяз, береза, ильм, бук, дуб, клен, рябина, черешня, яблоня, ясень, можжевельник); породы очень тяжелые, объемный вес выше 0,76 (акация белая, береза железная, граб, груша, самшит, саксаул, фисташник, хмелеграб, кизил).

В практике приняты следующие понятия, характеризующие степень влажности срубленной древесины: мокрая (находящаяся долгое время в воде) – доходит до 150–200 %; свежесрубленная древесина: для хвойных пород 80–100 %, для мягких лиственных пород 60–93 %, для твердых лиственных пород – 36–78 %; транспортная – влажность не выше 22 %; воздушно-сухая – 15–20 %, комнатно-сухая – 8–13 %,. Влажность древесины длительное время находящейся на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой, называется равновесной, а влажность, соответствующая предельному содержанию гигроскопической влаги – точкой насыщения волокон. Древесина обладает высокой гигроскопичностью, ее влажность изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха.

Гигроскопичность (влагопоглощение) – способность древесины поглощать пары воды из окружающего воздуха и отдавать содержащуюся в ней влагу. Гигроскопичность является отрицательным свойством древесины, так как обусловливает изменение плотности, объемной массы, теплопроводности и прочности древесины, изменяемость размеров деревянных конструкций в процессе их эксплуатации в зданиях и сооружениях, восприимчивость к бактериальному поражению. Водопроницаемость древесины определяется количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца за определенное время (г/см3) и зависит от породы древесины, ее исходной влажности, характера среза и других факторов. В процессе испарения гигроскопической влаги происходит уменьшение линейных и объемных размеров древесины.

Теплопроводность древесины невелика и зависит от объемной массы, характера пор и влажности, при увеличении плотности и влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность древесины неодинакова: в направлении вдоль волокон коэффициент теплопроводности примерно в 1,5–3 раза больше, чем поперек.

Звукопроводностью называется свойство материала пропускать сквозь свою толщу звук. Древесина является хорошим проводником звука, который распространяется в ней в 2–17 раз быстрее, чем в воздухе. Большая звукопроводность древесины является ее отрицательным свойством, вызывая необходимость применения звукоизолирующих материалов. Звук распространяется быстрее вдоль волокон и медленнее поперек волокон (особенно в тангенциальном направлении). Сырая и загнившая древесина проводит звук значительно хуже сухой и здоровой. Резонансные свойства древесины зависят от однородности ее строения и объемного веса. Наилучшими резонирующими свойствами обладает древесина ели, кавказской пихты и кедра сибирского.

Электропроводность древесины подвержена значительным изменениям и зависит от ее породы, температуры, направления годовых слоев и влажности. С повышением температуры и влажности электропроводность древесины увеличивается.

Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 80%, лиственных – от 32 до 80%.

Усушка, разбухание и коробление. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. При разбухании и усушке происходит коробление и растрескивание лесных материалов. Коробление вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен.

Механическими называются свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам). Механические свойства древесины в значительной степени зависят от объемной массы, с повышением которой увеличивается прочность. С повышением влажности прочность уменьшается. К механическим свойствам древесины относятся прочность, упругость, твердость, вязкость, хрупкость. Во многих деревянных конструкциях древесина работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10–12 раз больше, чем поперек, а у лиственных – в 5–8 раз. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон очень высокая, она превышает ее прочность при сжатии вдоль волокон и составляет 1200—1300 кг/см². Прочность древесины при статическом изгибе в сред­нем в 2 раза выше прочности ее на сжатие вдоль волокон. Прочность древесины на скалывание вдоль волокон в 8—10 раз меньше, чем при растяжении, и в 5 — 6 раз меньше, чем при сжатии.

Твердостью называется способность материала со­противляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Количе­ственно твердость измеряется усилием в кг, которое нуж­но приложить для того, чтобы вдавить в материал другое, более твердое тело. Твердость измеряется в кг на 1 см² поверхности (кг/см²). Различают твердость древесины — торцовую, тангенциальную и радиальную. Торцовая твердость древе­сины превосходит боковую. С изменением влажности на 1 % тор­цовая твердость древесины изменяется на 3 %, боковая — на 2 %. Основные породы распола­гаются в следующей последовательности по степени их твердости в порядке уменьшения: кизил, фисташка, хме­леграб, граб, ясень, груша, берест, дуб, эвкалипт, бук, рябина, можжевельник, клен остролистный, вяз, береза, лиственница, кипарис, ольха, каштан, сосна, ива белая, осина, ель, кедр, пихта сибирская.

Раскалываемостью называется способность древе­сины расщепляться вдоль волокон под действием раскли­нивающих ее сил. Легко раскалывается мёрзлая древесина. Раскалываемость древесины должна учитываться при скреплении деталей гвоздями и болтами, особенно у торца и кромок.

При изготовлении изделий из древесины большое значение имеют технологические свойства. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать металлические крепления.

Химические свойства древесины характеризуют ее стойкость к действию кислот, щелочей и других реагентов. Древесина обладает высокой стойкостью к действию раствора щелочей, солей и большинства органических кислот. Однако растворы минеральных кислот, особенно азотной, а также морская вода разрушают древесину. Древесина хвойных пород обладает большей коррозионной стойкостью к действию агрессивных сред, чем древесина лиственных пород. Снижение химической стойкости древесины сопровождается изменением ее цвета – от побурения до обугливания.

Древесина является горючим материалом: температура ее обугливания 120–150 ^оС; температура воспламенения 250–300 ^оС. Для защиты от возгорания древесину пропитывают огнезащитными составами (антипиренами), окрашивают жидкими огнезащитными материалами и др.

Биологические свойства древесины определяются стойкостью против грибов, плесени и насекомых, которая зависит от содержания смолистых, дубильных и других веществ. По биостойкости древесину подразделяют на три группы: наиболее стойкая (тисс, дуб), среднестойкая (сосна, кедр) и малостойкая (осина, бук). Гнилостойкость древесины повышают путем обработки ее антисептиками, к которым относятся органические и минеральные вещества с высокой токсичностью к грибам и насекомым.