Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

О свойствах древесины

«Продукт» деревьев

Древесина-продукт деревьев, вырастающих из семян и саженцев. Благодаря росту в высоту и толщину, возникают три основные части дерева: корни, ствол и крона. Корни впитывают из почвы влагу вместе с растворенными в ней солями. Эта влага затем движется по внешним слоям ствола к кроне ( 94). В листьях или иглах под действием солнечной энергии осуществляется фотосинтез, то есть в зернах хлорофилла образуется углерод. При этом из воздуха поглощается диоксид углерода, а выделяется кислород. Углерод является основной составной частью древесины

Этот процесс имеет основополагающее значение для жизни на земле: 1 гектар леса производит в год около 60 тонн кислорода, то есть 45 000 м3! Отметим, что один реактивный самолет расходует на путь от Европы до Америки 40 000 м3 кислорода!

Образовавшиеся в кроне вещества движутся назад к корням, причем возникновению вещества древесины способствует находящийся под корой и лубом растительный слой ткани (камбий). В начале ежегодного вегетационного периода этот процесс протекает быстрее. Образуются тонкостенные клетки с обширными полостями, что соответствует светлым зонам на сечении ствола. Позднее все это происходит медленнее и образуются толстостенные клетки с узкими полостями. Это темные зоны на сечении. Так возникают концентрические годовые кольца. У некоторых пород деревьев можно различить расположенные вокруг сердцевины ярко окрашенные зоны. Это так называемая ядровая древесина.

Голоцеллюлоза, состоящая из целого комплекса полимерных углеводородов, является каркасом стенок клеток. Ценную для практических целей часть ее образует целлюлоза. В качестве спутника целлюлозы выступают другие углеводы, называемые гемицеллюлозой.

Техническое значение имеют и экстрактивные вещества, заключенные в древесине. Это смолы, жиры, воск и др. Так, например, из тонны корневой древесины сосны можно получить 150 кг смолы и около 25 литров скипидара. Сосновые смолы, добываемые непосредственно в лесах, имеют для ГДР большое народнохозяйственное значение, так как этим способом покрывается большая часть потребности в парафине.

Из вышеназванных составных частей и построены стенки древесных клеток. Хвойная древесина обладает двумя основными типами клеток: волокно-трахеидными и паренхимными. В то время как ранние волокно-трахеидные клетки служат для транспортировки воды и влияют на прочность древесины, паренхимные обеспечивают прохождение и накопление образовавшихся в кроне углеводов. У лиственных деревьев оказывается три типа клеток: трахеи, либриформные (частично трахеидные) и паренхимные. За транспортировку воды ответственность несут молодые трахеи, либриформные клетки отвечают за прочность, а паренхимные и здесь обеспечивают доставку и накопление усвояемых веществ. На поперечном разрезе древесного ствола ( 96) можно различить сердцевину с ядром и окружающими его слоями, камбием, лубом и корой.

Сильные и слабые стороны древесины

Как уже говорилось, древесина состоит из полостей различной величины. Капилляры, пронизывающие стенки клеток, намного меньше полостей внутри клетки и заполнены водой или смесью водяного пара с воздухом. Эта влага существенно влияет на прочностные свойства древесины.

Кажущаяся плотность сырой древесины 300-900 кг/м3. Граница между мягкими и твердыми древесными породами пролегает вблизи 550 кг/м3. Истинная плотность (с вычетом внутренних пустот) составляет около 1600 кг/м3 для голоцел-люлозы и 1400 кг/м3 для лигнина, то есть применимое среднее значение лежит около 1500 кг/м3.

Как и любое пористое тело, древесина гигроскопична и впитывает влагу из атмосферы. В зависимости от температуры и влажности воздуха между ним и древесиной устанавливается гигроскопическое равновесие, что определяет влажность древесины. Если, к примеру, относительная влажность воздуха 60%, а температура 20 °С, то после достижения равновесия влажность материала составит 11%.

При увлажнении древесина несколько увеличивается в объеме, при отдаче влаги, наоборот, дает усадку; иначе это называют процессом работы древесины. В то время как поперечное разбухание и усадка, как правило, невелики и ими можно пренебречь, изменение длины в продольном направлении значительно (у сосны 8%). Однако процессы набухания и усадки протекают только до насыщения древесины, то есть в интервале влажностей от 0 до 30%. Дальнейшее увлажнение не влияет на i разбухание.

Тепловое расширение древесины играет подчиненную роль, так как при температу-. ре выше 0 °С оно подавляется куда большими значениями термоусадки. То же можно сказать и о тепловом излучении. Поэтому важнейшим теплофизическим свойством древесины является малая теплопроводность, благодаря которой сухая древесина представляет собой прекрасный теплоизолятор.

Впрочем, сухая древесина и электроизолятор неплохой. Однако если в нее попадает влага, то ее электрическое сопротивление резко падает и в состоянии насыщения влагой достигает величины, соответствующей сопротивлению воды.

Магнитные свойства древесины настолько благоприятны, что все мачты антенн предпочитают изготавливать из дерева так как при этом нет искажений электромагнитного поля.

Древесина сильно отличается от всех других материалов и своими акустическими свойствами. Именно поэтому большинство музыкальных инструментов деревянные. У древесины, например, и сопротивление звуку, и поглощение его на порядок выше, чем у металлов.

Древесные материалы обладают также интересными упругими свойствами. Если нагружение деревянной балки происходит в области действия закона Гука, то есть много ниже предела прочности на разрыв, то деформация почти полностью исчезает после снятия нагрузки, что характерно для упругих тел. Однако у древесины и древесных материалов мы сталкиваемся и с явлением текучести, когда при наложении нагрузки возникает зависящая от времени деформация.  98 поясняет поведение древесины в нагруженном состоянии.

Прочность древесины довольно значительна и зависит от плотности (табл. 20).

Допустимые напряжения составляют, однако, только 10% от разрывных, так как все прочностные свойства древесины очень сильно зависят от ее влажности. С ростом влажности прочность уменьшается и при 50%-ной влажности составляет менее половины от исходной величины.

Среди слабых сторон древесины самой неприятной является ее подверженность разрушительному действию грибков и насекомых.

Из древесных грибков самые опасные те, которые разрушают дерево. Они вырабатывают ферменты, нарушающие структуру целлюлозы, и прочность древесины падает за такое короткое время, что внешние изменения еще не заметны. Аналогичное действие, но после истечения длительного времени оказывают и разрушающие дерево насекомые. Каждый видел старинную мебель, полностью изъеденную жучком.

Есть все-таки средства и способы защиты дерева. В народном хозяйстве это мероприятие сравнимо с антикоррозионной защитой металлов. Тип защиты ориентирован на дальнейшее использование древесины, и трудно найти области применения, где можно было бы пренебречь интенсивными защитными мероприятиями.

Особо нужно рассмотреть воспламеняемость древесины, что часто считается ее отрицательным свойством. Уже при 150 °С можно заметить явления теплового разложения. Если и далее подводить тепло, то между 230 и 260 °С при внесении огня могут воспламениться образующиеся при этом газы. Около 400 °С начинается собственное горение древесного вещества. Относительно небольшие куски дерева сгорают очень быстро, а толстые бревна (это было доказано при больших пожарах) ведут себя лучше, чем сталь, так как постепенно покрывающий их в процессе горения слой древесного угля становится все толще и, благодаря своей малой теплопроводности, защищает внутренние слои материала от дальнейшего разрушения.

Применяемые на практике огнезащитные средства значительно замедляют воспламенение, но не гарантируют, однако, негорючести.

Как сделать древесину долговечней?

Улучшить качество древесины очень часто желательно, а иногда просто необходимо. Есть способы блокировать гигроскопичность древесины, изменить прочностные показатели или понизить ее восприимчивость к некоторым химикалиям. Но эти способы пока еще очень редко бывают в ходу. Мягкие древесные породы, например, при производстве паркета пропитывают искусственными смолами для уменьшения гигроскопичности и увеличения износостойкости. Но разумные с точки зрения экономики средства полной блокировки гигроскопических свойств пока не созданы. Процессы набухания и усадки можно временно подавить, что и применяется в некоторых случаях, например для защиты деревянных произведений искусств.

К способам повышения качества древесины и изделий из дерева нужно в первую очередь отнести сушку, пропитку, обработку поверхности лаками и красками, введение веществ, защищающих от разрушения грибками и насекомыми, и другие методы.

Если принять влажность только что заготовленной древесины за стопроцентную, то после сушки на воздухе она снижается до 15%. Отсюда следует вывод, что древесина должна быть высушена в специальных камерах до влажности, необходимой при обработке. К примеру, в мебельном производстве она не должна превышать 6-9%. Влажность, к которой стремятся при сушке, зависит не столько от удобства переработки, сколько от климата той области, где предусмотрено использование изделия. Вроде бы, разумно высушивать древесину для оконных рам до 8%-ной влажности. Но, несмотря даже на то, что под краской выравнивание влажности идет не так быстро, соответствующая данной местности равновесная влажность все равно установится, рамы разбухнут, и их эксплуатационные свойства снизятся.

Распространенным методом защиты является пропитка каменноугольными маслами, высококипящими фракциями буроугольного масла, растворами солей плавиковой и фторкремниевой кислот, солей мышьяка, хлоридов ртути и цинка, а также некоторыми органическими соединениями. Против насекомых применяются специальные препараты гексахлоран и ДДТ, хотя для этого подходят и некоторые из вышеназванных соединений. Средства для защиты от огня различаются по принципу действия на материалы: теплоизолирующие (силикаты) и теплопоглощающие (фосфаты, карбонаты). И, наконец, можно пропитать древесину восками и маслами для уменьшения разбухания или искусственными смолами.

Правильно проведенные мероприятия по защите древесины существенно удлиняют срок ее эксплуатации. Они обеспечивают гораздо лучший результат, чем все другие меры по экономии древесины. Пренебрегать необходимыми мерами защиты, особенно там, где детали из нее недостаточно хорошо защищены от доступа влаги, равнозначно неосуществленным мероприятиям по антикоррозионной защите металлов.

Основными способами защиты поверхности древесины и изделий из нее являются протравливание, окраска, лакировка, оклейка фольгой и другие. В большинстве случаев функция защиты поверхности (например, снижение износа) тесно связана с эстетическими функциями.