Строение, основные свойства и применение древесины

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление

1 Общая характеристика древесины

1.1 Строение дерева

1.2 Макроскопическое строение древесины

1.3 микроскопическое строение древесины

2 Основные свойства древесины

2.1 Химические свойства древесины

2.2 Физические свойства древесины

2.3 Механические свойства древесины

3 Материалы, получаемые из древесины

3.1 Круглые лесоматериалы

3.2 Пиленые лесоматериалы (пилопродукция)

3.3 Строганные, лущеные, колотые лесоматериалы, измельченная древесина

3.4 Композиционные древесные материалы и модифицированная древесина

Выводы

Перечень использованных источников

ВСТУПЛЕНИЕ

Огромные пространства нашей планеты покрывают леса, они занимают около одной трети суши. Основным продуктом леса является древесина. По типу лесной растительности различают хвойные леса теплого умеренного климата, экваториальные дождевые леса, тропические влажные лиственные леса, леса сухих областей.

Древесина очень давно используется для строительства жилищ, изготовления предметов домашнего обихода, для средств транспорта и разных изделий. Со временем наряду с древесиной в строительстве стали применяться металл, цемент, черепица, стекло, пластические массы.

Несмотря на это, объем переработки древесины, постоянно растет, увеличивается выработка и переработка пиломатериалов. Потребление пилопродукции будет увеличиваться в домостроении, для производственных и бытовых нужд, в строительстве конструкций разной сложности и размеров, на ремонтных и эксплуатационных работах, в производстве мебели, тары и упаковки.

Многообразное использование древесины объясняется редкостным сочетанием в ней многих ценных свойств. Древесина представляет собой прочный и одновременно легкий материал, обладающий хорошими теплоизоляционными свойствами, способностью без разрушения поглощать работу при ударных нагрузках, гасить вибрации. Она легко обрабатывается режущими инструментами, склеивается, удерживает металлические и другие крепления. Древесина используется после переработки в виде пиломатериалов, целлюлозы, фанеры, бумаги, картона, древесноволокнистых и древесностружечных плит. Древесина - прекрасный конструкционный материал, и она находит применение в машиностроении. Из древесины изготовляют шпалы, мебель и спички, музыкальные инструменты, тару и спортивный инвентарь. Она является исходным сырьем для получения путем химической переработки кордных волокон для шинной промышленности, вискозного волокна, кормовых дрожжей, лекарственных препаратов и пр.

Однако древесина имеет и ряд недостатков: изменчивость свойств в направлении вдоль оси ствола и поперек; обладает гигроскопичностью, что приводит к увеличению ее массы и уменьшению прочности, а при высыхании древесина уменьшается в размерах (происходит усушка); она растрескивается и коробится; поражается грибами, что приводит к гниению; древесина способна гореть. Перечисленные недостатки в значительной мере устраняются путем химической и химико-механической переработки древесины в листовые и плитные материалы - бумагу, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанеру и др.

Чтобы улучшить внешний вид и защитить изделия от воздействия окружающей среды используются все виды обработки ее поверхности. К таким видам обработки относятся резьба и выжигание, инкрустация, золочение, оклеивание отделочными пленками, покрытие лакокрасочными материалами и др.

Развитие техники отделки древесины имеет многовековую историю. Древесина была одним из первых материалов, которым человек стал пользоваться для изготовления орудий охоты и труда. Стремление украсить и защитить от разрушения эти орудия должно было зародиться у человечества на самых ранних стадиях развития культуры.

Все же техника отделки древесины вплоть до XX века развивалась очень медленно, а отделочные материалы (пленкообразователи, пигменты, красители) были почти исключительно естественного происхождения.

Техника нанесения и обработка лакокрасочных покрытий оставалась ручной значительно дольше, чем, например, обработка древесины резанием. Лишь с начала XX века наблюдаются попытки использования механизмов для шлифования лакокрасочных покрытий и нанесения политуры. Более значительные изменения произошли после первой мировой войны, когда во все возрастающих количествах для отделки древесины стали применять нитроцеллюлозные лаки и эмали и первые лаки на синтетических фенолформальдегидных и затем глифталевых смолах.

Одновременно с нитроцеллюлозными лаками и красками широкое распространение получило пневматическое распыление вместо господствовавшего до этого ручного нанесения покрытий тампоном и кистью.

В мебельной промышленности впервые нитроцеллюлозные лаки и нанесение их распылением были внедрены в 1929 году на мебельной фабрике им.Халтурина в Ленинграде.

В этот же период стали появляться станки и механизированные аппараты для шлифования и полирования покрытий пастами, станки для нанесения политуры, вальцовые и щеточные станки.

Еще более значительные изменения в технике отделки древесины произошли после Великой Отечественной войны. Успехи химии полимеров привели к появлению в этот период целой серии новых лакокрасочных материалов на основе синтетических смол: алкидно-мочевино-формальдегидных; полиэфирных, эпоксидных, полиуретановых и др.

Характерная особенность большинства новых лаков - образование ими покрытий не в результате процессов простого испарения растворителей, как например у шеллачных и нитроцеллюлозных лаков, а в результате химических превращений, происходящих после нанесения лака на поверхность древесины. Получающиеся покрытия по своей стойкости к действию многих реагентов значительно превзошли покрытия из известных ранее пленкообразователей. Поэтому уже в пятидесятые и шестидесятые годы в производстве мебели широкое применение получили полиэфирные лаки и эмали, а в производстве спортивного инвентаря и строительных деталей алкидно-мочевино-формальдегидные лаки и эмали.

В это время наряду с жидкими лакокрасочными материалами для отделки древесины стали применять пленочные материалы в виде пропитанной термоактивными смолами бумаги с напечатанной на ней текстурой древесины.

Развитие производства древесных (стружечных и волокнистых) плит и их использование в корпусной мебели и других изделиях из древесины способствуют упрощению конструкции последних и механизации процессов отделки простых плоских поверхностей. Поэтому уже с середины 50-х годов начинается переход от отделки собранных изделий к отделке их узлов и деталей до сборки. Конструктивная простота таких узлов и деталей создает предпосылки для широкого применения новых механизированных способов нанесения лакокрасочных и пленочных материалов и обработки нанесенных покрытий.

В середине 50-х годов появились так называемые лакообливочные машины, сделавшие буквально революцию в технике нанесения лакокрасочных материалов на плоские поверхности изделий. По сравнению с широко распространенным пневматическим распылением эти машины позволили не только в несколько раз повысить производительность, но и значительно снизить потери лакокрасочных материалов.

В 60-х годах лакообливочные машины становятся основным оборудованием для нанесения лакокрасочных материалов в производстве корпусной мебели. Широкое распространение в это время нашли также вальцовые станки, распыление и осаждение лакокрасочных материалов на изделия в электрическом поле высокого напряжения, ленточные шлифовальные и барабанные полировочные станки для облагораживания покрытий.

Для отделки мебели и строительных деталей используются автоматические и полуавтоматические линии, ведется разработка способов быстрого отверждения покрытий с помощью различного вида излучений (инфракрасного, ультрафиолетового, ускоренных электронов).

В целом техника отделки древесины лакокрасочными и пленочными материалами в настоящее время достигла довольно высокого уровня и находится в стадии дальнейшего развития и совершенствования

Введение в древесину антисептиков, антипиренов, смол, а также пластификация и прессование позволяют улучшить свойства натуральной древесины и получить био- и огнестойкие материалы, обладающие повышенной прочностью, износостойкостью и формоустойчивостью, антифрикционными и другими необходимыми технологическими и эксплуатационными свойствами.

Немалую роль при оценке древесины как материала будущего играют ее неповторимые эстетические свойства. Даже отработанная древесина имеет преимущество перед другими материалами, легко поддаваясь биологическому разложению и не загрязняя окружающую среду.

В данной курсовой работе излагаются сведения об особенностях макроскопического строения древесины, ее химических, физических и механических свойствах, а также о материалах, которые получают из древесины.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСИНЫ

1.1 Строение дерева

Древесина состоит из элементарных клеток, разнообразных по размерам и форме. Они прочно связаны между собой. Полости клеток могут быть заполнены смолами, камедями, тиллами, водой. Из клеток образуются сосуды, сердцевинные лучи, создается древесная масса.

Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни (рисунок 1.1)

Ствол. Ствол связывает корневую систему с кроной дерева. Он проводит воду с растворенными минеральными веществами вверх (восходящий ток), а с органическими веществами - вниз к корням (нисходящий ток); хранит запасные питательные вещества; служит для размещения и поддержания кроны. Ствол дает основную массу древесины (от 50 до 90% объема всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть - комлем.

Рисунок 1.1- Части растущего дерева

Камбий - это живая образовательная ткань, функционирующая у древесных растений в течение десятков, сотен и даже тысяч лет. В умеренном климатическом поясе наибольшая активность его наблюдается весной и летом. Зимой камбий бездействует. Этим обуславливается слоистое строение ствола дерева. Ствол также служит для размещения и поддержания кроны. Ствол дает большую массу древесины (от 50 до 90 % объема дерева) и имеет главное промышленное значение.

Ствол изучают на трех главных разрезах: поперечном, и двух продольных - радиальном и тангенциальном (рисунок 1.2). Плоскость поперечного, или торцевого, 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.

Основные анатомические части ствола легко обнаружить на его поперечном разрезе. Наружная часть - кора резко отличается по внешнему виду от внутренней части - древесины, занимающей наибольший объем ствола. Древесина окружает небольшую центральную зону - сердцевину. Расположенный между древесиной и корой слой камбия для простого глаза незаметен.



Рисунок 1.2 - Основные части ствола и главные разрезы: П - поперечный, Р - радиальный, Т - тангенциальный

Сердцевина сравнительно редко находится в геометрическом центре сечения ствола, обычно она более или менее смещена в сторону. Сердцевина на поперечном разрезе имеет вид темного пятнышка диаметром 2-5 мм (у бузины достигает 1 см). У одних пород она имеет овальную или округлую форму, у других - треугольную (ольха), четырех- и пятиугольную (ясень и тополь) и звездчатую (дуб). Сердцевина сравнительно редко находится в геометрическом центре сечения ствола, обычно она более или менее смещена в сторону. На продольном радиальном разрезе сердцевина имеет вид узкой коричневой прямой у хвойных пород или извилистой полоски у лиственных пород.

Древесина занимает наибольшую часть объема ствола. Диаметр ствола изменяется в широких пределах, примерно от 6-8 до 100 см. Форма поперечного сечения ствола и, следовательно, древесины чаще всего близка к окружности, но иногда сечение приобретает форму эллипса. Диаметр уменьшается по высоте ствола. В верхней части ствола древесину пронизывают сучки, представляющие собой остатки ветвей.

Кора покрывает снаружи камбий и древесину. На поперечном разрезе ствола она имеет форму кольца, окрашенного обычно значительно темнее древесины (рисунок 1.2). В толстой коре взрослых деревьев различают 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 - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях органические питательные вещества. У молодых деревьев кора гладкая, иногда покрытая тонкими опадающими чешуями; при утолщении ствола в коре появляются трещины, которые с возрастом дерева углубляются. По характеру поверхности кора может быть гладкой (пихта), бороздчатой (дуб), чешуйчатой (сосна), волокнистой (можжевельник) и бородавчатой (бересклет). Цвет коры снаружи изменяется в широких пределах: от белого (береза), светло-серого (пихта), зеленовато-серого (осина) до серого (ясень), темно-серого (дуб), или темно-бурого (ель). С каждым годом толщина коры увеличивается. Однако вследствие малой величины годичного прироста и постепенного отпада наружных слоев в виде чешуй кора никогда не достигает такой толщины, как древесина. Относительный объем коры в стволе (без сучьев) для основных пород приведен в таблице 1.1 [1].

Таблица 1.1 - Относительный объем коры в стволе

Порода	Объем коры, %
Лиственница	22-25
Сосна	10-16
Ель	6-13
Кедр	6-10
Пихта	11-19
Дуб	14-21
Бук	7-11
Липа	12-16
Осина	11-20

Как видно из приведенных данных в таблице 1.1, объем, занимаемый корой, колеблется в пределах 6 - 25% объема ствола, в зависимости от породы, а также возраста дерева и условий произрастания. С возрастом дерева относительный объем коры снижается, с ухудшением условий произрастания, наоборот, повышается. Доля коры в объеме ствола уменьшается с увеличением диаметра ствола.

Крона и корни. Значительная доля биомассы дерева приходится на крону и корни растущего дерева.

Корни представлены целой системой, которая включает мелкие корешки, всасывающие воду с растворенными в ней минеральными веществами, и толстые корни, которые удерживают дерево в вертикальном положении, проводят воду к стволу и хранят запасы питательных веществ. В промышленности корни используются в качестве второсортного топлива и для получения технологической щепы. Крупные корни (пни) хвойных деревьев, оставленные на лесосеке на 10-15 лет, обогащаются смолой и служат сырьем для получения скипидара и канифоли.

Крона - совокупность ветвей, одетых листьями. В зеленых листьях из углерода, поглощаемого из воздуха в виде углекислоты, и воды, поступающей из почвы, образуются сложные органические вещества, необходимые для жизни дерева.

Промышленное использование кроны невелико. Из листьев (хвои) получают витаминную муку, лекарственные препараты, пихтовое масло; из ветвей - технологическую щепу для производства тарного картона, древесностружечных и древесноволокнистых плит.

В таблице 1.2 приводятся данные об относительном объеме частей дерева [1]. Данные таблицы сугубо ориентировочны, так как они могут изменяться с возрастом дерева и в зависимости от внешних условий.

Таблица 1.2 - Относительный объем частей дерева

Порода	Объем частей дерева, %
	Ствол	Корни	Ветви
Лиственница	77-82	12-15	6-8
Сосна	65-77	15-25	8-10
Ясень	55-70	15-25	15-20
Бук	55-70	20-25	10-20
Клен	65-75	15-20	10-15
Береза	78-90	5-12	5-10

Исходя из данных таблицы 1.2, видим, что наибольший объем ствола и наименьший объем корней имеет береза; у ясеня - самый маленький объем ствола и самый большой объем ветвей; у бука также маленький объем ствола, но при этом самый большой объем корней.

1.2 Макроскопическое строение древесины

Заболонь, ядро, спелая древесина. Древесина наших лесных пород окрашена обычно в светлый цвет. При этом у отдельных пород вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза, граб), у других центральная часть имеет более темную окраску (дуб, лиственница, сосна). Темноокрашенная часть ствола называется ядром, а светлая периферическая - заболонью.

В том случае, когда центральная часть ствола отличается меньшим содержанием воды, т. е. является более сухой, ее называют спелой древесиной, а породы - спелодревесными. Породы, имеющие ядро, называют ядровыми. Остальные породы, у которых нет различия между центральной и периферической частью ствола ни по цвету, ни по содержанию воды, называют заболонными (безъядровыми).

Из древесных пород ядро имеют: хвойные - сосна, лиственница, кедр; лиственные - дуб, ясень, ильм, тополь. Спелодревесными породами являются из хвойных ель и пихта, из лиственных бук и осина. К заболонным породам относятся лиственные: береза, клен, граб, самшит.

Однако у некоторых безъядровых пород (береза, бук, осина) наблюдается потемнение центральной части ствола. В этом случае темная центральная зона называется ложным ядром. Молодые деревья всех пород не имеют ядра и состоят из заболони. Лишь с течением времени образуется ядро за счет перехода заболонной древесины в ядровую.

Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины, закупорки водопроводящих путей, отложения дубильных, красящих веществ, смолы, углекислого кальция. В результате этого изменяются цвет древесины, ее масса и показатели механических свойств. Ширина заболони колеблется в зависимости от породы, условий произрастания. У одних пород ядро образуется на третий год (тис, белая акация), у других - на 30-35-й год (сосна). Поэтому заболонь у тиса узкая, у сосны широкая.

Переход от заболони к ядру может быть резким (лиственница, тис) или плавным (орех грецкий, кедр). В растущем дереве заболонь служит для проведения воды с минеральными веществами от корней к листьям, а ядро выполняет механическую функцию. Древесина заболони легко пропускает воду, менее стойка против загнивания, поэтому при изготовлении тары под жидкие товары использовать заболонь следует ограниченно.

Годичные слои, ранняя и поздняя древесина. На поперечном разрезе видны концентрические слои, расположенные вокруг сердцевины. Эти образования представляют собой ежегодный прирост древесины. Называются они годичными слоями. На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных полос, на тангентальном - извилистых линий (рисунок 1.3). годичные слои нарастают ежегодно от центра к периферии и самым молодым слоем является наружный. По числу годичных слоев на торцевом разрезе на комле можно определить возраст дерева.

Рисунок 1.3 - Вид годичных слоев на главных разрезах: П - поперечном, Р - радиальном, Т - тангенциальном

Ширина годичных слоев зависит от породы, условий роста, положения в стволе. У одних пород (быстрорастущих) годичные слои широкие (тополь, ива), у других - узкие (самшит, тис). В нижней части ствола расположены наиболее узкие годичные слои, вверх по стволу ширина слоев увеличивается, так как рост дерева происходит и в толщину и в высоту, что приближает форму ствола к цилиндру.

У одной и той же породы ширина годичных слоев может быть различной. При неблагоприятных условиях роста (засуха, морозы, недостаток питательных веществ, заболоченные почвы) образуются узкие годичные слои.

Иногда на двух противоположных сторонах ствола годичные слои имеют неодинаковую ширину. Например, у деревьев, растущих на опушке леса, на стороне, обращенной к свету, годичные слои имеют большую ширину. Вследствие этого сердцевина у таких деревьев смещена в сторону и ствол имеет эксцентричное строение.

Некоторым породам свойственна неправильная форма годичных слоев. Так, на поперечном разрезе у граба, тиса, можжевельника наблюдается волнистость годичных слоев.

Каждый годичный слой состоит из двух частей - ранней и поздней древесины: ранняя древесина (внутренняя) обращена к сердцевине, светлая и мягкая; поздняя древесина (наружная) обращена к коре, темная и твердая. Различие между ранней и поздней древесиной ясно выражено у хвойных и некоторых лиственных пород. Ранняя древесина образуется в начале лета и служит для проведения воды вверх по стволу; поздняя древесина откладывается к концу лета и выполняет в основном механическую функцию. От количества поздней древесины зависят ее плотность и механические свойства.

Сердцевинные лучи, сердцевинные повторения. На поперечном разрезе некоторых пород хорошо видны невооруженным глазом светлые, часто блестящие, направленные от сердцевины к коре линии - сердцевинные лучи. Сердцевинные лучи имеются у всех пород, но видны лишь у некоторых.

По ширине сердцевинные лучи могут быть очень узкие, не видимые невооруженным глазом (у самшита, березы, осины, груши и всех хвойных пород); узкие, трудно различимые (у клена, вяза, ильма, липы); широкие, хорошо видимые невооруженным глазом на поперечном разрезе. Широкие лучи бывают настоящие широкие (у дуба, бука) и ложноширокие - пучки сближенных узких лучей (у граба, ольхи, орешника).

На радиальном разрезе сердцевинные лучи заметны в виде светлых блестящих полосок или лент, расположенных поперек волокон. Сердцевинные лучи могут иметь окраску светлее или темнее окружающей древесины.

На тангентальном разрезе они видны в виде темных штрихов с заостренными концами или в виде чечевицеобразных полосок, размещенных вдоль волокон. Ширина лучей колеблется от 0,015 до 0,6 мм.

Сердцевинные лучи в срубленной древесине создают красивый рисунок (на радиальном разрезе), что имеет значение при выборе древесины в качестве декоративного материала.

В растущем дереве сердцевинные лучи служат для проведения воды в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ.

Количество сердцевинных лучей зависит от породы: у лиственных пород сердцевинных лучей примерно в 2-3 раза больше, чем у хвойных.

На торцевом разрезе древесины некоторых пород можно видеть рассеянные темные пятнышки бурого, коричневого цвета, расположение ближе к границе годичного слоя. Эти образования называются сердцевинными повторениями. Сердцевинные повторения образуются вследствие повреждения камбия насекомыми или морозом и напоминают по цвету сердцевину.

Сосуды. На поперечном (торцевом) разрезе лиственных пород видны отверстия, представляющие сечения сосудов - трубок, каналов разной величины, предназначенных для проведения воды. По величине сосуды делят на крупные, хорошо видимые невооруженным глазом, и мелкие, не видимые невооруженным глазом. Крупные сосуды чаще всего расположены в ранней древесине годичных слоев и на поперечном разрезе образуют сплошное кольцо из сосудов. Такие лиственные породы называются кольцесосудистыми. У кольцесосудистых пород в поздней древесине мелкие сосуды собраны в группы, ясно заметные благодаря светлой окраске. Если мелкие и крупные сосуды равномерно распределены по всей ширине годичного слоя, то такие породы называются рассеяннососудистыми лиственными породами.

У кольцесосудистых лиственных пород годичные слои хорошо заметны из-за резкого различия между ранней и поздней древесиной. У лиственных рассеяннососудистых пород такого различия между ранней и поздней древесиной не наблюдается и поэтому годичные слои заметны плохо.

У лиственных кольцесосудистых пород мелкие сосуды в поздней древесине образуют следующие типы группировок: радиальная - в виде светлых радиальных полос (рисунок 14,а.) дуб, каштан; тангенциальная - мелкие сосуды образуют светлые волнистые линии, расположенные параллельно границе годичного слоя (рисунок 1.4,б) - ильм, вяз, карагач; рассеянная - мелкие сосуды в поздней древесине собраны в светлые точки или черточки (рисунок 1.4,в). На радиальном и тангенциальном разрезах крупные сосуды имеют вид продольных бороздок. Диаметр крупных сосудов колеблется от 0,2 до 0,4 мм, мелких - от 0,015 до 0,1 мм. Длина сосудов чаще бывает не более 10 см, но у дуба достигает нескольких метров. Объем сосудов в зависимости от породы колеблется от 7 до 43 %.

Сосуды понижают прочность древесины, так как являются слабыми элементами. Они облегчают проницаемость древесины жидкостями и газами в продольном направлении.



Рисунок 1.4 - Типы группировок мелких сосудов в древесине лиственных пород: а - радиальная (дуб), б - тангенциальная (ильм), в - рассеянная (ясень), г - расположение сосудов у лиственных рассеянососудистых пород.

Смоляные ходы. Характерная особенность строения древесины хвойных пород - смоляные ходы. Различают смоляные ходы вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные проходят по сердцевинным лучам. Вертикальные смоляные ходы - тонкие узкие каналы, заполненные смолой. На поперечном разрезе вертикальные смоляные ходы видны в виде светлых точек, расположенных в поздней древесине годичного слоя; на продольных разрезах смоляные ходы заметны в виде темных штрихов, направленных вдоль оси ствола. Количество и размер смоляных ходов зависят от породы древесины. У древесины сосны смоляные ходы крупные и многочисленные, у древесины лиственницы - мелкие и немногочисленные.

Смоляные ходы занимают небольшой объем древесины ствола (0,2-0,7%) и поэтому не оказывают существенного влияния на свойства древесины. Они имеют значение при подсочке, когда из растущих деревьев получают смолу (живицу).

По количеству смоляных ходов на первом месте стоит сосна, далее следует кедр, затем лиственница и ель. У двух последних смоляные ходы занимают не более 0,2 % общего объема древесины. Однако и у пород с крупными и многочисленными смоляными ходами они занимают менее 1 % общего объема древесины.

1.3 Микроскопическое строение древесины

Микроскопическое строение древесины. Исследование древесины под микроскопом показывает, что она состоит из мельчайших частичек - клеток, преимущественно (до 98%) мертвых. Растительная клетка имеет тончайшую прозрачную оболочку, внутри которой находится протопласт, состоящий из цитоплазмы и ядра.

Клеточная оболочка у молодых растительных клеток представляет собой прозрачную, эластичную и весьма тонкую (до 0,001 мм) пленку. Она состоит из органического вещества - клетчатки, или целлюлозы.

По мере развития, в зависимости от функций, которые призвана выполнять та или иная клетка, размеры, состав и строение ее оболочки существенно изменяются. Наиболее частым видом изменения клеточных оболочек является их одревеснение и опробкование.

Одревеснение клеточной оболочки происходит при жизни клеток в результате образования в них особого органического вещества - лигнина. Одревесневшие клетки или совсем прекращают рост, или увеличивают размеры в значительно меньшей степени, чем клетки с целлюлозными оболочками.

Целлюлоза в клеточной оболочке представлена в виде волоконец, которые называются микрофибриллами. Промежутки между микрофибриллами заполнены в основном лигнином, гемицеллюлозами и связанной влагой.

В процессе роста клеточные оболочки утолщаются, при этом остаются неутолщенные места, называемые порами. Поры служат для проведения воды с растворенными питательными веществами из одной клетки в другую.

Виды клеток древесины. Клетки составляющие древесину, разнообразны по форме и величине. Различают два основных вида клеток: клетки, имеющие длину волокон 0,5-3 мм, диаметр 0,01-0,05 мм, с заостренными концами - прозенхимные и клетки меньших размеров, имеющие вид многогранной призмы с примерно одинаковыми размерами сторон (0,01-0,1 мм), - паренхимные.

Паренхимные клетки служат для отложения запасных питательных веществ. Органические питательные вещества в виде крахмала, жиров и других веществ накапливаются и хранятся в этих клетках до весны, а весной они направляются в крону дерева для образования листьев. Ряды паренхимных клеток расположены у дерева по радиусу и входят в состав сердцевинных лучей. Количество их в общем объеме древесины незначительно: у хвойных пород 1-2%, у лиственных - 2-15%.

Основная масса древесины всех пород состоит из клеток прозенхимных, которые в зависимости от выполняемых ими жизненных функций разделяются на проводящие и опорные или механические. Проводящие клетки у растущего дерева служат для проведения из почвы в крону воды с растворами минеральных веществ, опорные создают механическую прочность древесины.

Ткани древесины. Клетки одинакового строения, выполняющие одни и те же функции, образуют ткани древесины.

В соответствии с назначением и видом клеток, из которых состоят ткани, различают: запасающие, проводящие, механические (опорные) и покровные ткани.

Запасающие ткани состоят из коротких запасающих клеток и служат для накопления и хранения питательных веществ. Запасающие ткани находятся в стволе и корнях.

Проводящие ткани состоят из вытянутых тонкостенных клеток (сосудов, трубок), через которые влага, впитанная корнями, проходит к листьям.

Длина сосудов в среднем около 100 мм; у некоторых пород, например у дуба, сосуды достигают 2-3 м длины. Диаметр сосудов колеблется от сотых долей миллиметра (у мелкососудистых пород) до 0,5 мм (у крупнососудистых).

Механические ткани (опорные) находятся в стволе. Эти ткани придают устойчивость растущему дереву. Чем больше этой ткани, тем древесина плотнее, тверже, прочнее. Механические ткани называют либриформом.

Покровные ткани находятся в коре и выполняют защитную роль.

Строение древесины хвойных пород. Древесина хвойных пород отличается сравнительной простотой и правильностью строения. Основную ее массу (90-95 %) составляют расположенные радиальными рядами вытянутые клетки с кососрезанными концами, называемые трахеидами. В стенах трахеид имеются поры, через которые они сообщаются с соседними клетками. В пределах годичного слоя различают ранние и поздние трахеиды. Ранние трахеиды образуются весной и в начале лета, имеют тонкие оболочки с порами, широкие полости и служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. У ранних трахеид размер в радиальном направлении больше, чем в тангентальном. Концы ранних трахеид имеют закругленную форму.

Поздние трахеиды образуются в конце лета, имеют узкие полости и толстые клеточные оболочки, поэтому выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. Размер по радиальному направлению меньше, чем по тангентальному.

Количество пор на стенках ранних трахеид примерно в 3 раза больше, чем на стенках поздних трахеид. Трахеиды являются мертвыми клетками. В стволе растущего дерева только вновь образующийся годичный слой содержит живые трахеиды.

Сердцевинные лучи у хвойных пород узкие, слабо заметные или вовсе не заметные простым глазом. Они состоят преимущественно из паренхимных клеток.

Древесная паренхима у хвойных пород распространена мало и представляет собой вытянутые по длине ствола единичные паренхимные клетки или клетки, соединенные в длинные ряды, идущие вдоль оси ствола. Древесной паренхимы нет у тиса и сосны.

Строение древесины лиственных пород. По сравнению с хвойными породами лиственные имеют более сложное строение. Основной объем древесины лиственных пород составляют сосуды и сосудистые трахеиды, волокна либриформа, паренхимные клетки.[19]

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

2.1 Химические свойства древесины

Химический состав древесины и коры. Древесина в основном состоит из органических веществ. Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины (высушенной при 103^оС) содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3 % азота.

Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Количество золы в древесине около 0,2-1 %. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде. Среди растворимых первое место занимают щелочные - поташ и сода, а из нерастворимых - соли кальция.

Химические элементы образуют сложные органические соединения. Главные из них - целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, входящие в состав клеточных стенок древесины. Остальные вещества называются экстрактивными. Это смолы, дубильные и красящие вещества.

Кора по элементарному составу мало отличается от древесины, но в ней больше минеральных веществ. Химический состав коры некоторых пород приведен в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1 - Химический состав коры, %

Вещества	Сосна	Ель	Береза
	Луб	Корка	Луб	Корка	Луб	Корка
Целлюлоза	18,2	16,4	23,2	14,3	18,5*	3,4*
Лигнин	17,1	43,6	15,6	27,4	20,3	1,3
Пентозаны	12,1	6,8	9,7	7,1	20,2	1,1
Гексозаны	16,3	6,0	9,3	7,7	--	--
Суберин	0,0	2,9	0,0	2,8	1,2	38,7
Экстрактивные: растворимые в воде растворимые в спирте растворимые в эфире	20,8 3,9 --	14,2 3,5 --	33,1 1,7 --	27,9 2,6 --	-- 13,7 1,7	-- 5,6 38,1

* Включая гексаны

Из данных таблицы 2.1 видно, что соотношение между основными органическими веществами в коре иное, чем в древесине, здесь значительно меньше целлюлозы. Кроме того, в наружной части коры содержится суберин, которого нет в древесине.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер - полисахарид. Формула целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n, где n - степень полимеризации. В клеточной стенке целлюлоза находится в соединении с другими веществами. Целлюлоза - вещество белого цвета, плотность 1,54-1,58 г/см³. В древесине хвойных пород целлюлозы содержится больше (41-58 %), чем в древесине лиственных пород (39-47 %).

Целлюлоза очень стойкое вещество, не растворяется в воде, спирте, эфире, ацетоне. На этом свойстве основаны промышленные способы получения целлюлозы из древесины.

Лигнин - высокомолекулярное соединение ароматической природы, плотность 1,25-1,45 г/см³. Лигнин по сравнению с целлюлозой содержит большее количество углерода (целлюлоза 44 %, лигнин 60-65 %) и меньше кислорода. Лигнин менее стойкое вещество, при нагревании растворяется в щелочах и кислотах, находит применение в виде пылевидного топлива, в производстве крепителей формовочных земель в литейном деле, пластических масс, ванилина, активированного угля и др.

Гемицеллюлозы объединяют группу полисахаридов, входящих в состав клеточной стенки, но отличающихся от целлюлозы химическими и физическими свойствами. В группу гемицеллюлоз входят пентозаны и гексозаны. По сравнению с целлюлозой у гемицеллюлоз невысокая степень полимеризации, чем и объясняется повышенная растворимость их в разбавленных щелочах и легкая гидролизуемость.

Содержание указанных веществ в древесине хвойных и лиственных пород приведено в таблице 2.2 [2].

Таблица 2.2- Содержание органических веществ в древесине хвойных и лиственных пород

Вещество	Содержание, %
	в хвойных	в лиственных
Целлюлозы	41 - 58	39 - 47
Лигнина	28 - 34	17 - 27
Гемицеллюлозы	15 - 23	20 - 38
В том числе: пентозаны гексозаны	5 - 12 9 - 17	15 - 30 до 8

Из данных таблицы 2.2 видно, что наибольшее количество целлюлозы, лигнина и гексозанов содержат хвойные породы, а гемицеллюлозы и пентозанов - лиственные породы.

Экстрактивные вещества получают путем экстракции водой и органическими растворителями. Водой извлекаются из древесины дубильные вещества, камеди и красящие вещества. Активную часть дубителей составляют таниды. Они содержатся в ядре дуба (6-11 %) и каштана (6-13 %), а также в коре ивы, лиственницы, дуба, ели, пихты (от 5 до 16 %). Дубильные вещества растворимы в воде и спирте, легко окисляются в присутствии щелочей. Дубильные вещества используются в кожевенной промышленности при выделке кож из сырых шкур животных. Это придает коже стойкость против гниения, эластичность, способность не разбухать.

Камеди представляют собой водорастворимые смолы. Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (больше в ядре) и коры.

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

Химический состав древесины основных пород приведен в таблице 2.3 [2].

Таблица 2.3 - Химический состав древесины основных пород, %

Порода	Целлюлоза	Лигнин	Пентозаны	Гексозаны	Зола	Экстрактивные вещества, растворимые
						в эфире	в воде
Сосна	51,9	28,2	11,2	9,3	0,2	1,6	0,6
Ель	58,3	29,0	10,1	9,8	0,2	1,1	1,8
Лиственница сибирская	45,8	29,5	9,3	--	1,0	1,8	5,1
Пихта	48,0	29,9	5,3	17,8	0,7	0,9	1,4
Кедр	50,0	30,1	8,6	11,8	0,1	2,4	1,5
Дуб	38,9	23,8	28,8	--	0,3	0,6	1,8
Бук	42,2	20,8	29,3	7,6	0,5	0,5	0,6
Береза	46,8	21,2	32,9	--	0,4	3,0	1,5
Клен	41,5	23,1	25,6	7,7	0,3	0,3	0,5
Осина	52,4	20,3	22,6	0,5	0,2	1,6	2,2

Из данных таблицы 2.3 видно, что древесина хвойных пород отличается несколько большим содержанием целлюлозы, а лиственных - высоким содержанием пентозанов.

Получение и использование целлюлозных материалов. В основе ряда широко применяемых материалов лежит целлюлоза. Ее можно получить, удалив из клеточных стенок древесины все остальные вещества. В процессах варки, воздействуя на древесину различными агентами, растворяют сопровождающие вещества, отличающиеся меньшей химической стойкостью.

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

Кислотные способы. К этой группе относят сульфитный и бисульфитный способы. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных пород (ели, пихты) и ряда лиственных пород.

Короткие окоренные бревна (балансы) на рубильных машинах перерабатываются в щепу. Щепа загружается в вертикальные варочные котлы вместимостью до 400 м³. В котел подается сульфитная варочная кислота, представляющая собой раствор сернистой кислоты, содержащий некоторое количество бисульфита кальция Ca (HSO₃)₂. Кальциевое основание (CaO) может быть заменено магниевым, натриевым или аммонийным. Варка ведется при 130-150^оC и давлении 0,5-1 МПа в течение 5-12 часов. В результате варки получают целлюлозу и перешедшие в раствор органические вещества - сульфитный щелок. Целлюлозу промывают, очищают от сучьев, щепы, песка; отбеливают хлорсодержащими веществами. На специальных машинах целлюлозу обезвоживают и превращают в плотную ленту, которую затем разрезают на листы и упаковывают в пачки. В таком виде техническая целлюлоза поступает на бумажные фабрики и другие предприятия.

Сульфитный щелок используется для получения путем биохимической переработки белковых кормовых дрожжей, этилового спирта и других продуктов. Химической переработкой из щелока можно получить ванилин, фенолы, ароматические кислоты.

Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород. Варка щепы проводится в водном растворе бисульфата натрия, магния или аммония. Оборудование и технология во многом похожи с применяемыми при сульфитном способе. Однако температура процесса варки выше (155-165^оС).

Щелочные способы. К этой группе относятся сульфатный и натронный способы. 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 натрий NaOH и в 3 раза меньше сернистого натрия Na₂S. Варка ведется в котлах вместимостью 75-160 м³ при 170-180^оС и давлении 0,8-1 МПа в течение 3-5 часов. По окончании процесса варочный раствор приобретает черный цвет и называется черным щелоком. Черный щелок уваривают для компенсации потерь Na₂S, смешивают с сульфатом натрия Na₂SO₄ и прокаливают. При этом органическая часть щелока сгорает (используется как топливо), а минеральная употребляется для приготовления варочного раствора (белого щелока). Остальные операции такие же, как и при получении сульфитной целлюлозы. Варка может осуществляться не только в котлах, но и в высокопроизводительных аппаратах непрерывного действия. Для получения высококачественной целлюлозы, идущей на химическую переработку, древесину подвергают предгидролизу (пропаркой, водной варкой при 170^оС или другим способом) с целью удаления большей части гемицеллюлоз. Выход целлюлозы сульфатным способом составляет 40-50 %.

Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна, необходимые для производства корда и других целей. К достоинствам этого способа относится также предусмотренная технология регенерации щелока. Это дает возможность проводить процесс по замкнутой схеме, сводя к минимуму загрязнение водоемов.

В качестве побочных продуктов при сульфатном производстве целлюлозы улавливают скипидар и снимают с поверхности охлажденного щелока сульфатное мыло, разложение которого минеральной кислотой дает таловое масло. Этот продукт применяют при выработке хозяйственного мыла, приготовления олифы, смазочных масел. Из талового масла получают канифоль, фитостерин, используемый для лечения атеросклероза, кожных и других заболеваний, а также ряд продуктов, применяемых в производстве ядохимикатов, моющих средств, эмульгаторов и т.д. Часть щелочного лигнина без ущерба для основного производства может быть использована в качестве наполнителя для синтетического каучука, для замены фенола при получении пластмасс, в шинной, керамической и других отраслях промышленности. Из предгидролизата можно получать кормовые дрожжи. Второй щелочной способ получения целлюлозы - натронный. Основан на применении в качестве реагента едкого натра; потери щелочи возмещаются добавкой соды.

Нейтральный способ. Этот способ используется для получения из древесины лиственных пород целлюлозы с весьма большим содержанием сопутствующих веществ. Варочный раствор, содержащий сульфит натрия Na₂SO₃ или сульфат аммония (NH₄)₂SO₃, имеет близкую к нейтральной реакцию, поэтому способ называют моносульфитным или нейтрально-сульфитным. Варка проводится в котлах периодического или непрерывного действия при конечной температуре 160-180^оС, давлении 0,65-1,25 МПа и длится 0,2-6 часов. Основной недостаток - невозможность использования древесины хвойных пород.

Для всех применяемых в промышленности способов получения целлюлозы характерно образование отходов, в той или иной мере загрязняющих окружающую среду соединениями серы. Поэтому особенно важны разработки бессернистой технологии целлюлозы.

Гидролиз древесины. При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз ее полисахаридной части. Целлюлозы и гемицеллюлозы при гидролизе превращаются в простые сахара. Полученные сахара идут на биохимическую переработку. Эти сахара (например, глюкоза, ксилоза и др.) можно подвергать химической переработке, получая такие продукты, ксилит, сорбит и др. Сырьем для гидролизной промышленности служат главным образом отходы лесопиления и деревообработки, низкокачественная древесина. Гидролиз древесины можно осуществлять разбавленными минеральными кислотами (серной, соляной) при высокой температуре или теми же, но концентрированными кислотами при нормальной температуре.

В промышленности применяется способ гидролиза разбавленной до 0,5-0,6 % серной кислоты. Сырье в виде смеси опилок и щепы поступает в гидролизаппарат вместимостью 18-160 м³. Сюда же подается горячий раствор серной кислоты. При 140-160^оС происходит осахаривание (гидролиз) гемицеллюлоз. Затем при 180-190^оС начинается гидролиз целлюлозы. Одновременно с подачей серной кислоты отбирают гидролизат - кислый водный раствор простых сахаров. В конце процесса в гидролизаппарат подается горячая вода для удаления сахаров и серной кислоты, пропитывающих нерастворимый осадок - лигнин. Этот побочный продукт может быть использован для получения смол, пластмасс, антисептиков, стимуляторов роста растений, удобрений, активированного угля, топлива и др.

При охлаждении гидролизата образуются пары, из конденсата которых получают фурфурол, представляющий собой бесцветную маслянистую жидкость с запахом печеного хлеба. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон (нейлона), смол, для очистки смазочных масел, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей, средств для борьбы с сорняками, грибами и насекомыми, а также и для других целей. Фурфурол можно получать в качестве основного продукта при гидролизе богатых пентозанами древесины лиственных пород (березы, осины) и сельскохозяйственных растительных отходов.

Нейтрализованный известковым молоком гидролизат (сусло) поступает в бродильное отделение. Там под действием ферментов винокуренных дрожжей содержащиеся в сусле гексозы (глюкоза и сахара из гексозана) сбраживаются и образуют этиловый спирт, а также углекислый газ, который улавливается и используется для получения жидкой углекислоты и сухого льда.

Термическое разложение древесины. Разложение древесины происходит при нагреве ее без доступа воздуха. Этот процесс называется сухой перегонкой. При температуре 120-250^оС происходит удаление воды и частичное разложение гемицеллюлоз (при температуре 150-270^оС). Затем при 275-450^оС происходит распад веществ, слагающих древесину. При этом происходит бурное выделение тепла. Последняя стадия протекает при температуре 450-550^оС с дополнительным подводом тепла извне. В результате сухой перегонки образуются твердые (уголь), жидкие (жижка) и газообразные продукты.

Древесный уголь содержит 80-97 % углерода. Он не содержит вредных примесей (серы и фосфора). Древесный уголь обладает высокой сорбционной способностью. Его применяют в металлургии при выплавке цветных металлов и ферросплавов; в виде, обработанных паром, порошкообразных углей для очистки промышленных растворов и сточных вод, обесцвечивания соков и рафинируемых масс в сахарной промышленности и т.п. он идет для производства сероуглерода, необходимого для получения вискозного волокна, и целлофана. Промышленность полупроводников использует особо чистый кремний, для получения которого необходим древесный уголь. Он также применяется для производства электродов, цементации (придания твердости стальным деталям), в медицине, в качестве топлива, кормовой прикормки для скота, для производства пластмасс и для других целей.

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 выделяют уксусную кислоту, метиловый спирт, растворители (ацетон, метилацетат и др.). Газы, получаемые при сухой перегонке древесины, используют в качестве топлива для обогрева реторт (аппаратов для сухой перегонки).

Сжигание древесины. Окисление древесины в процессе горения происходит при ее энергохимической переработке и при использовании в качестве топлива. Качество топлива оценивается теплотой сгорания (теплотворной способностью).

Массовая теплота сгорания древесины представляет собой количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы - 1 кг древесины. Теоретически массовую теплоту сгорания можно определить по химическому составу. Точно определить теплоту сгорания можно в лабораторных условиях в калориферах.

Элементарный химический состав древесины практически одинаков. Поэтому теплота сгорания единицы массы древесины почти не зависит от природы и в абсолютно сухом состоянии колеблется в пределах 19,6- 21,4 МДж/кг.

Обычно дрова оценивают не по массе, а по объему, и необходимо знать теплоту сгорания единицы объема (1 м³) древесины. Умножив теплоту сгорания единицы массы на плотность древесины, получают теплоту сгорания единицы объема. Объемная теплота сгорания зависит от породы, т.е. чем выше плотность древесины, те6м выше ее теплота сгорания. Например, для древесины дуба объемная теплота сгорания равна 13*10³ Мдж/м³, для осины - 7,4*10 м ³ МДж/м³. теплота сгорания также зависит от влажности древесины, с увеличением которой она уменьшается.

2.1 Физические свойства древесины

Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.

К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения - усушка, разбухание, растрескивание и коробление. К физическим свойствам древесины относится также ее электро-, звуко- и теплопроводность, показатели макроструктуры.

Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Цвет. Цвет древесине придают находящейся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества, которые находятся в полостях клеток.

Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Древесина пород, произрастающих в жарких и южных районах, имеет более яркую окраску по сравнению с древесиной пород умеренного пояса. В пределах климатического пояса каждой древесной породе присущ свой особый цвет, который может служить дополнительным признаком для ее распознавания. Так, древесина граба имеет светло-серый цвет, дуба и ясеня - бурый, грецкого ореха - коричневый. Под влиянием света и воздуха древесина многих пород теряет свою яркость, приобретая на открытом воздухе сероватую окраску.

Древесина ольхи, имеющая в свежесрубленном состоянии светло-розовый цвет, вскоре после рубки темнеет и приобретает желтовато-красную окраску. Древесина дуба, полежавшая долгое время в воде, приобретает темно-коричневый и даже черный цвет (мореный дуб). Меняется окраска древесины и в результате поражения ее различными видами грибов. На окраску древесины оказывает влияние также возраст дерева. У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у более старых. Устойчивым цветом обладает древесина дуба, груши и белой акации, самшита, каштана.

Цвет древесины имеет важное значение в производстве мебели , музыкальных инструментов, столярных и художественных изделий. Насыщенный богатством оттенков цвет придает изделиям из древесины красивый внешний вид. Цвет древесины некоторых пород улучшают, подвергая различной обработке, - пропариванию (бук), протравливанию (дуб, каштан) или окрашиванию различными химическими веществами. Цвет древесины и его оттенки характеризуют обычно определениями - красный, белый, розовый, светло-розовый и лишь при особой необходимости по атласу или шкале цветов.

Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые лучи и создают блеск на радиальном разрезе.