Физика древесины

И. П. Демитрова, А. Н. Чемоданов






ФИЗИКА ДРЕВЕСИНЫ


Учебное пособие




























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 674.038.1
ББК37.11
     Д30


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологий лесозаготовительных производств Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С. М. Кирова С. А. Угрюмое;
доктор технических наук, профессор кафедры лесопромышленных и химических технологий Поволжского государственного технологического университета Е. М. Царее;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского национального исследовательского технологическогоуниверситета Р. Р. Сафин;
директор ИП «Мербау мебель» М. Н. 'Черепаноеа




     Демитрова, И. П.
дзо Физика древесины : учебное пособие / И. П. Демитрова, А. Н. Чемоданов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 136 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1140-0

          Рассматриваются физические свойства древесины, знание которых необходимо для грамотного построения технологического процесса ее переработки. Основное внимание уделено теоретическим вопросам физики древесины, а также лабораторным исследованиям процессов, происходящих в древесине при ее переработке и воздействии на нее различных факторов. Подробно рассмотрены свойства древесины тех пород, которые характерны для произрастания и переработки в средней полосе России.
          Для студентов и аспирантов лесных и деревообрабатывающих специальностей, а также преподавателей и производственников при обосновании новых технологических решений и совершенствовании технологии деревопереработки.

                                                         УДК 674.038.1
                                                         ББК37.11



ISBN 978-5-9729-1140-0

     © Демитрова И. П., Чемоданов А. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Цель учебного пособия «Физика древесины» - представить информацию о древесине и физических процессах в ней при обработке. В нем изложены сведения по основным разделам дисциплины «Физика древесины» в объеме университетского курса, необходимого технологам деревоперерабатывающих производств и специалистам в смежных областях знаний.
     Дисциплина «Физика древесины» тесно переплетается со смежными курсами «Материаловедение», «Гидротермическая обработка древесины», «Технология деревообработки», «Технология композиционных материалов из древесины». Достаточно сложно провести четкую границу между ними, так как у этих областей знаний общий предмет обработки - древесина. Различны лишь подходы и методы воздействия на этот уникальный материал.
     Анатомическое строение и биологические функции элементов древесины, пути переноса вещества, пространственное и временное распределение его в клетках и во всем организме древесного растения в период роста, изменения, происходящие с течением времени, определяют физическую основу и суть материала, являющегося сырьем для множества технологий, и определяют процессы переработки и методы и средства воздействия на него.
     Основное внимание в данном учебном пособии уделено теоретическим вопросам физики древесины, а также лабораторным исследованиям процессов, происходящих в древесине при ее переработке и воздействии на нее различных факторов. Более подробно рассмотрены свойства древесины тех пород, которые характерны для произрастания и переработки в средней полосе России. Причем теоретическое рассмотрение физического свойства древесины дополняется по возможности методом и анализом результата лабораторного исследования данного свойства.

3

                ВВЕДЕНИЕ





     Физика древесины - наука о строении, свойствах, физических процессах, происходящих в древесине при ее переработке и воздействии на нее различных факторов. Она является теоретической основой разработки технологий переработки древесного сырья.
     Вопросам физики древесины уделяли большое внимание все древесино-веды. Д. М. Перелыгин определял физические свойства древесины как свойства, которые могут наблюдаться без изменения химического состава древесины и нарушения целостности испытуемого образца.
     Классификация физических свойств древесины представлена в таблице 1.


Таблица 1

Классификация физических свойств древесины

  Свойства, определяющие                                            
внешние признаки древесины   Цвет, блеск, текстура, запах древесины 
                                Плотность древесинного вещества     
Свойства, определяющие вес  (клеточной стенки), плотность древесины,
         древесины                         пористость               
                              Прочность древесины при растяжении,   
   Механические свойства       сжатии, изгибе и сдвиге, твердость   
         древесины                древесины, ударная вязкость       
  Свойства, определяющие         Влажность, водопроницаемость,      
    отношение древесины         влагопоглощение, водопоглощение,    
      к влаге и газам       усушка, разбухание, давление разбухания,
                                        газопроводность             
  Свойства, определяющие        Теплоемкость, теплопроводность,     
отношение древесины к теплу           тепловое расширение           
  Свойства, определяющие                                            
    отношение древесины             Проницаемость древесины         
        к излучению               электромагнитным излучением       
                               Электропроводность, электрическое    
  Электрические свойства    сопротивление, электрическая прочность, 
                                  пьезоэлектрические свойства       
                             Звукопроводность, звукопроницаемость,  
Звуковые свойства древесины      резонансные свойства древесины     

    Древесина является материалом, который человек использовал во все времена. Более того, это один из самых важных природных возобновляемых ресурсов.
    Физика древесины не может рассматриваться без детального знакомства со строением древесины. Физические процессы, происходящие при ее переработке, находятся в тесной связи со всеми компонентами древесины и зависят от особенностей ее строения.


4

                1. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ





     Строение древесины можно увидеть невооруженным глазом (макростроение) и под микроскопом (микростроение) на трех разрезах ствола: поперечном, продольном радиальном и продольном тангенциальном (рис. 1).

Поперечный

Рис. 1. Разрезы ствола

Рис. 2. Поперечный разрез: 1 - сердцевинные лучи (древесные лучи); 2 - сердцевина; 3 - ядро;
4 - заболонь; 5 - годичные слои; 6 - камбий;
7 - луб; 8 - корка

     Сердцевина на поперечном разрезе (рис. 2) имеет вид темного пятнышка диаметром 1-5 мм. В зависимости от вида древесного растения ее форма может быть в виде круга, овала или звездчатая. В жизнедеятельности дерева она служит для запасания питательных веществ. Во взрослом дереве сердцевина является мертвым образованием, состоящим из мягкой и непрочной ткани. В пиломатериалах отнесена к порокам строения древесины. От нее часто начинается загнивание и образование трещин.
     Кора состоит из наружного пробкового слоя (корки) и внутреннего слоя -луба, по клеткам которого идет нисходящий ток питательных (органических) веществ, выработанных листьями.
     На границе между древесиной и лубом находится образовательная ткань - слой живых клеток, который называется камбий. Путем деления клеток камбия происходит утолщение ствола и ветвей. Деление клеток в сторону древесины происходит гораздо чаще. Активность камбия замирает на холодное время года (или в период засухи) и возобновляется весной.
     На внешней стороне луба под коркой находится пробковый камбий, благодаря деятельности которого образуется наружный слой коры. У некоторых пород, например, у пробкового дуба (рис. 3, 4), снаружи нарастает толстый слой пробки, состоящей из мертвых клеток.
     Пробка дуба используется для изготовления теплоизоляционных и облицовочных материалов.

5

Рис. 3. Добыча коры пробкового дуба

Рис. 4. Поперечный срез ствола пробкового дуба

     А у секвойи (рис. 5) слой коры достигает 50-сантиметровой толщины и является огнестойким. Растут эти гиганты в Калифорнии (США), достигая высоты 150 метров и диаметра ствола 11 метров. Их возраст может достигать свыше 4000 лет.

Рис. 5. Секвойя

     Древесина хвойных пород умеренного климатического пояса на поперечном разрезе представляет собой ряд чередующихся концентрических колец светлой и темной окраски, называемых ранней и поздней древесиной (по времени их образования). Каждый слой, состоящий из ранней и поздней древесины, образуется за один вегетационный период (с мая по сентябрь) и называется годичным слоем.
     В начале вегетационного периода, ранней весной и в начале лета, дерево испытывает потребность в большом количестве влаги и питательных веществ, которые необходимы для распускания листьев и завязывания плодов. В этот период от слоя камбия в сторону древесины откладываются клетки, приспособленные для передвижения влаги: у хвойных пород это широкополостные тонкостенные трахеиды, т. е. трахеиды ранней зоны (рис. 6); у лиственных кольцесосудистых пород - крупные сосуды (рис. 7, 8).

6

Поперечный

разрез           1   2

Рис. 6. Микроструктура древесины сосны: 1 - смоляной ход;
2, 3 - соответственно, поздние и ранние трахеиды;
4 - сердцевинные (древесные) лучи

     Во второй половине вегетационного периода, в конце лета и осенью, дерево нуждается в упрочнении своего ствола, так как оно нагружено побегами, листвой, плодами. Поэтому поздняя древесина формируется у лиственных пород из массивных и прочных механических клеток (либриформа); у хвойных пород - из толстостенных трахеид. Как правило, число годовых слоев на срезе у корневой шейки соответствует возрасту дерева.
     У некоторых лиственных пород (дуб, ясень, вяз, ильм, карагач, каштан съедобный, бархатное дерево, фисташка, дзельква, акация амурская и др.), получивших название колъцесосудистых (см. рис. 7), ранняя древесина пронизана крупными, видимыми невооруженным глазом сосудами. Крупные сосуды сформированы в ранней зоне годичного кольца, благодаря чему граница между годовыми слоями хорошо видна. У других лиственных пород - рассеянно-сосудистых (береза, бук, тополь, граб, клен, орех, груша, липа, ольха, осина, ива, самшит и др.), у которых сосуды равномерно распределены по всей ширине годового слоя, - различий между ранней и поздней древесиной почти нет, и граница между слоями размыта (рис. 8).

7

Рис. 7. Микроструктурадревесины кольцесосудистых пород (дуб): 1 - мелкие сосуды; 2 - крупные сосуды; 3 - либриформ;
4 - сердцевинные (древесные) лучи

      Чем больше поздней древесины содержится в годичном слое, тем она тяжелее и прочнее. Породы подразделяются на мягкие и твердые. Все кольцесосудистые породы являются твердыми, а рассеянно-сосудистые и хвойные породы могут быть и твердыми, и мягкими.
      У одних пород древесина окрашена одинаково по всему сечению, а у других пород она имеет в середине темноокрашенное ядро, состоящее из клеток, пропитанных смолами и дубильными веществами. Древесина ядра у растущих деревьев менее влажная, чем древесина наружной (светлой) части, называемой заболонью. Заболонь является древесиной, по проводящим клеткам которой происходит восходящее сокодвижение.
      К породам, имеющим ядро, - ядровым относятся: из хвойных - лиственница, сосна, кедр сибирский, тисс, можжевельник; из лиственных - все кольцесосудистые (дуб, каштан настоящий, ясень, бархатное дерево, вяз, ильм, берест, белая акация и др.) и некоторые рассеянно-сосудистые (орех грецкий, платан, яблоня, тополь, ива, рябина и др.).

8

Рис. 8. Микроструктура древесины рассеянно-сосудистых пород (береза): 1 - сосуды; 2 - либриформ; 3 - сердцевинные (древесные) лучи

     У некоторых пород цвет центральной части не отличается от цвета заболони, однако древесина в центре ствола, подобно ядру, имеет повышенную плотность и твердость и содержит значительно меньше влаги, чем заболонь. Эта часть ствола называется спелой древесиной. К спелодревесным породам относятся ель, пихта, бук, липа, клен полевой и др.
     Молодые деревья не имеют ядра. Образуется оно с течением времени, у разных пород в разное время. Так, у сосны при достижении 30-35-летнего возраста, а у дуба - в период между 8 и 12 годами. У белой акации годичный слой переходит в зону ядра на третий год жизни, т. е. заболонь состоит всего из двух годичных слоев. Переход от заболони к ядру может быть резким (тис) или постепенным (грецкий орех). Зависит процесс образования ядра от генетики древесного растения и от условий его произрастания.
     На поперечном разрезе дуба, бука или платана отчетливо видны блестящие тонкие полоски, идущие от сердцевины к коре и называемые сердцевинными (древесными) лучами (см. рис. 8). Сердцевинные лучи есть в древесине любой породы, но невооруженным глазом они часто не видны из-за малой ширины (например, у березы, осины и всех хвойных пород). На площади тангенциального разреза равной 1 см² их число иногда достигает нескольких тысяч. Ширина сердцевинных лучей у разных пород колеблется от 0,005 до 1 мм; высота - от 0,2 до 50,0 мм и более. Все лучи обязательно доходят до коры, но одни (первичные) начинаются от сердцевины, а другие (вторичные) - на некото

9

ром расстоянии от нее. По ширине различают три типа лучей: 1) очень узкие, невидимые невооруженным глазом; 2) узкие, трудно различимые невооруженным глазом; 3) широкие, ясно видимые невооруженным глазом. Сердцевинные лучи могут быть настоящими или ложноширокими, т. е. состоящими из пучка близко расположенных друг к другу узких лучей.
     Настоящие широкие лучи имеют дуб, бук и платан; ложноширокие (агрегатные) лучи - граб, ольха и лещина. Узкие, но все же различимые невооруженным глазом лучи у древесины кленов, ильмовых пород (вяза, ильма, карагача), липы, кизила и некоторых других. Очень узкие лучи, которые можно лишь иногда заметить на строго радиальном разрезе свойственны древесине всех хвойных и многих лиственных пород (ясень, береза, осина, тополь, ива, груша, рябина и др.).
     В растущем дереве сердцевинные лучи служат для проведения питательных веществ в горизонтальном направлении и запасания их.
     По сердцевинным лучам древесина легко раскалывается. В то же время сердцевинные лучи повышают сопротивление древесины сжатию поперек волокон в радиальном направлении. Сердцевинные лучи обусловливают различие между радиальной и тангенциальной усушкой. Трещины усушки проходят по сердцевинным лучам.
     Благодаря сердцевинным лучам отдельные породы имеют характерный блеск и красивую текстуру поверхности.
     Древесина состоит из волокон (рис. 9), вытянутых вдоль оси ствола. Каждое волокно во время жизни представляет собой растительную клетку, состоящую из оболочки и протопласта (протоплазмы и ядра).
     Оболочка молодых клеток представляет собой прозрачную тонкую (едва достигающую 0,001 мм) пленку, эластичную, растяжимую и легко проницаемую для воды и водных растворов. В момент образования оболочка состоит из пектиновых веществ, которые спустя непродолжительное время превращаются в целлюлозу.
     В процессе развития клетки (в зависимости от выполняемых ею функций) ее оболочка существенно изменяется по размеру, строению и составу. Наиболее частым изменением состава клеточных оболочек является их одревеснение и опробковение.
     Одревеснение клеточной оболочки заключается в появлении в ней нового органического вещества - лигнина. Лигнин придает клеточной оболочке прочность, жесткость и твердость. Одревеснение оболочки происходит при жизни клетки в результате деятельности протопласта. Рост одревесневших клеток сильно замедляется или совсем прекращается. Снижается их способность к набуханию. Продолжительность формирования клетки (по исследованиям Сви-дерской И. В.) достигает трех недель.

10