Химический состав, прочность древесины и коры

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Химический состав древесины и коры. Характеристика органических веществ древесины

Древесина является материалом биологического происхождения и большая часть вещества древесины состоит из высокомолекулярных соединений. В абсолютно сухом состоянии древесина на 99 % состоит из органических соединений. На долю неорганической части древесины в среднем приходится 1 %.

Элементарный химический состав органической части древесины всех пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина 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: целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы и экстрактивные вещества. Содержание органических веществ в древесине зависит от породы, возраста и других факторов. У хвойных пород больше целлюлозы, у лиственных - пентозанов. В ранней зоне годичных слоев целлюлозы меньше, чем в поздней. Целлюлозы, лигнина и экстрактивных веществ в ядре больше, чем в заболони. С возрастом содержание экстрактивных веществ увеличивается. Исходный химический состав древесины представлен в Таблице 1.



Кора по элементарному составу мало отличается от древесины, но в ней больше минеральных веществ. 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.

1. Целлюлоза - главная составная часть клеточных стенок. Она обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой линейный полимер, полисахарид с формулой (C6H10O5)n, где n = (6000 - 14000) - степень полимеризации.

Целлюлоза - линейный гомогликан, построенный из остатков глюкозы, является самым распространенным органическим соединением. В клеточных стенках растений целлюлоза составляет (40 - 50) %, а в таком важнейшем сырье, как хлопковое волокно, - 98 %. Молекулы целлюлозы содержат не менее 104 остатков глюкозы [мол.масса (1 - 2) * 106 Да] и могут достигать в длину (6 - 8) мкм.

Природная целлюлоза обладает высокой механической прочностью, устойчива к химическому и ферментативному гидролизу. Эти свойства связаны с конформацией молекул и особенностями надмолекулярной организации. Неразветвленные связи приводят к образованию линейных цепей, стабилизированных внутри- и межцепочечными водородными мостиками. Уже в процессе биосинтеза ассоциаты из (10 - 100) молекул объединяются в элементарные фибриллы диаметром около 4 нм. Примерно 20 таких элементарных фибрилл формируют микрофибриллу, которая видна под электронным микроскопом. Микрофибриллы - это лентоподобные образования толщиной (5 - 10) нм, шириной (10 - 30) нм и длиной в несколько микрометров, включающие в себя элементарные фибриллы. Они являются структурными элементами, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки. Иногда в световой микроскоп видны более крупные структурные образования. Это макрофибриллы или просто фибриллы, поперечные размеры которых достигают 400 нм и более. Целлюлоза состоит из длинных цепных молекул, образованных повторяющимися звеньями, состоящими из двух глюкозных остатков. Каждая пара связанных между собой глюкозных остатков называется целлобиозой. Глюкозные остатки образуются после выделения молекулы воды при соединении молекул глюкозы в процессе биосинтеза полисахарида целлюлозы. В целлобиозе глюкозные остатки повернуты на 180 o, первый углеродный атом одного из них связан с четвертым углеродным атомом соседнего звена.

Рассматривая целлюлозу на молекулярном уровне, можно сказать, что макромолекула ее имеет вид вытянутой неплоской цепи, образованной различными структурами звеньев. Наличие различных звеньев связано со слабыми внутримолекулярными связями между гидроксильными группами ОН - ОН или между гидроксильной группой ОН и кислородом О. Целлюлоза на 70 % обладает кристаллической структурой. По сравнению с другими линейными полимерами целлюлоза имеет особые свойства, что объясняется регулярностью строения цепи макромолекулы и значительными силами внутри- и межмолекулярного взаимодействия.

При нагревании до температуры разложения целлюлоза сохраняет свойства стеклообразного тела, то есть ей присущи в основном упругие деформации. Целлюлоза - химически стойкое вещество, она не растворяется в воде и большинстве органических растворителей (спирте, ацетоне и др.). При действии щелочей на целлюлозу протекают одновременно физико-химические процессы набухания, перегруппировки и растворения низкомолекулярных фракций. Целлюлоза мало устойчива к действию кислот, что обусловлено глюкозидными связями между элементарными звеньями. В присутствии кислот происходит гидролиз целлюлозы с разрушением цепей макромолекул. Целлюлоза - это вещество белого цвета, плотностью (1,54 - 1,58) г/см3.

2. Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы - это связанные полисахариды (смесь преимущественно нейтральных гетерогликанов ксилана, ксилогликана, галактана и др., выполняющие в клеточной стенке функцию аморфного цементирующего состава. Гемицеллюлоза ассоциирует с целлюлозными фибриллами за счет нековалентных связей. Эти комплексы связываются с нейтральными и кислыми пектинами, построенными в основном из галактуроновой кислоты. Эта группа полисахаридов отличается от целлюлозы большей гидролизуемостью в кислотах и растворимостью в щелочах. Гемицеллюлозы делятся на две группы: гексозаны и пентозаны. Гексозаны (C6H10O5)n, как и целлюлоза, содержат 6 атомов углерода в составе элементарного звена. Пентозаны (C5H8O4)n содержат 5 атомов углерода в звене. Молекулярная масса гемицеллюлоз значительно меньше, чем у целлюлозы. Степень полимеризации обычно равна 60 - 200.

В состав гемицеллюлоз входят: гополимеры и сополимеры. Гополимеры - полисахариды, состоящие из одинаковых элементарных звеньев, например, пентозаны ксилан и арабан, гексозаны маннан и галактан. Но преимущественно гемицеллюлозы состоят из сополимеров, то есть смешанных полисахаридов из различных звеньев, например, арабогалактан, глюкан, глюкоманнан, галактоглюкоманнан.

При гидролизе гексозаны дают гексозы - простые сахара, способные бродить с образованием этилового спирта; пентозаны дают пентозы - не способные бродить сахара. Из пентозанов получают фурфурол. 3.Лигнин Лигнин - аморфный полимер сложного строения. Образуется в результате полимеризации ароматических спиртов (кониферилового и др.). Строение лигнина клеточных стенок не установлено, так как при выделении из древесины природный лигнин претерпевает необратимые изменения. Химический состав лигнина, выделенного из древесины хвойных и лиственных пород неодинаков. В основе строения лигнина хвойных пород лежат производные пирокатехина, а лиственных пород - производные пирокатехина и пирогаллола. Считается, что между лигнином и углеводами существует лигноуглеводная связь.

Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ. Придает клеточным стенкам прочность и жесткость, инкрустируя целлюлозные волокна. Лигнин менее химически стоек, чем целлюлоза. Это используется при выделении целлюлозы из древесины. Лигнин легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей. Цвет выделенного из древесины лигнина от светло-желтого до темно-коричневого, зависит от способа его выделения из древесины. Плотность - (1,25 - 1,45) г/см3. 4.Экстрактивные вещества

Экстрактивные вещества могут быть извлечены из древесины и коры водой или органическими растворителями.

Водой экстрагируются дубильные и красящие вещества и камеди. Дубильные вещества используются для выделки (дубления) сырых кож, что придает ей стойкость против гниения, эластичность, способность не разбухать. Основную их часть составляют танниды - производные многоатомных спиртов, а так же органические кислоты, минеральные и азотсодержащие вещества, полифенолы. Дубильные вещества растворяются в воде и спирте, легко окисляются, при соединении с солями железа дают темно-синюю окраску. Водный экстракт дубителей имеет кислую реакцию, обладает вяжущим действием. Фенольные группы таннидов взаимодействуют с аминогруппами белковых молекул кожи, образуя нерастворимые соединения. Наибольшее количество дубильных веществ содержится в ядровой древесине дуба ((6 - 11) %), каштана ((6 - 13) %), а также в коре ивы, лиственницы, дуба, ели, пихты ((5 - 16) %). Красящие вещества находятся во всех частях дерева в полостях клеток. Особенно богаты красящими веществами тропические породы. Красные красящие вещества встречаются в древесине гранатового дерева, желтые в древесине маклюры, шелковицы, коре березы и граба, коричневые содержит ольха, кожура грецкого ореха.

Камеди - водорастворимые смолообразные вещества, состоят в основном из полисахаридов в комбинации с солями сложных органических кислот. Выделяются обычно в результате патологических явлений, происходящих в растущем дереве. Из камедей промышленное значение имеет камедь лиственницы, которая используется в производстве красок, полиграфической, бумажной промышленности и др.

При применении органических растворителей (эфира, спирта, ацетона, бензола и т.д.) из древесины могут быть выделены смоляные и жирные кислоты, воски, стерины и другие вещества.

Стеарины - органические вещества класса стероидов, полициклические спирты (например, фитостерин). Воски - сложные эфиры жирных кислот и высокомолекулярных спиртов. В небольшом количестве представлены жирные кислоты: олеиновая, линолевая и др.

Смолы - сложные органические вещества, содержащиеся в смоляных ходах, смоляных клетках, иногда пропитывают клетки древесины. Основными компонентами смол являются смоляные кислоты и спирты, эфиры смоляных кислот или фенолов, химически инертные вещества (углеводороды и др.), могут также присутствовать эфирные масла и вода. Смолы делятся на твердые и жидкие смолы, содержащие много эфирных масел. Среди жидких смол большое значение имеет живица, которую получают в результате подсечки.

Кора и древесина некоторых древесных пород содержит токсичные вещества, вызывающие отравления и заболевания при работе с такой древесиной. Токсическим началом часто являются алкалоиды. Например, у тиса ядовиты кора и листья, содержащие алкалоид таксин, у самшита ядовиты все части, но особенно кора и листья.

2. Разбухание древесины. Анизотропия разбухания. Величина разбухания в различных направлениях. Коэффициенты разбухания

Разбуханием древесины называется увеличение ее размеров и объема при увлажнении до точки насыщения волокна. Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.).

Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Полное разбухание, %, вычисляют по формуле: max=(amax-amin)/amin*100, где amax и amin - размер (объем) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм.

Древесина при поглощении воды или паров воды увеличивает свои линейные и объемные размеры. Это свойство древесины называется разбуханием или набуханием. Разбухание древесины вызвано тем, что связанная вода, размещаясь в клеточных стенках, раздвигает микрофибриллы. Максимальная влажность, которую может приобрести древесина при поглощении воды из воздуха, - 23-30%. Разбухание древесины в различных направлениях неодинаково. Наименьшее разбухание наблюдается вдоль волокон (0,1-0,6%), наибольшее - в тангентальном направле нии (6-10%), разбухание в радиальном направлении колеблется в пределах 3-5%. Разбухание происходит только до точки насыщения волокон (23-30% влажности) и при дальнейшем увеличении влажности прекращается. Разница в разбухании в тангентальном и радиальном направлениях уменьшается с увеличением объемного веса (табл. 2).



Таблица 2 - Уменьшение соотношения между тангентальным и радиальным разбуханием при увеличении объемного веса

Объемный вес	Отношение тангентального разбухания к радиальному
0,3-0,5	2,22-1,89
0,5-0,7	1,92-1,66
0,7-0,9	1,75-1,39
0,9-1,1	1,55-1,30
1,1-1,3	1,41-1,19

Коэффициент разбухания на 1% процент влажности вычисляют, округляя результат до 0,01%, по формуле

=,

где - предел насыщения клеточных стенок, равный в среднем 30%.

Скорость разбухания древесины неравномерна: в начале она больше, по мере приближения к точке насыщения волокон уменьшается. Разбухание древесины происходит и при поглощении других жидкостей, но в меньшей степени, чем от воды.

Разбухание древесины при высокой влажности является необратимым процессом: если абсолютно сухую древесину увлажнить до точки насыщения волокон и затем снова высушить до абсолютно сухого состояния, то кривые разбухания и усушки полностью не совпадут. Совпадение наблюдается только на участке, соответствующем влажности от 0 до 3%, и около точки насыщения волокон. Это явление носит название гистерезиса.

Анизотропия при разбухании и усушке перпендикулярно направлению волокон приводит к искажению в поперечном разрезе при сушке. В тангентальном направлении древесина примерно в два раза больше растягивается по прямой, что объясняется расположением годичных колец.

Определить величину и коэффициент разбухания образца из кедра в радиальном направлении, если его размер в этом направлении при увлажнении от 0 до 40 % изменился от 30,0 до 31,3 мм

Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1%, по формуле:

max=(amax-amin)/amin*100=(31,3-30,0)/30.0*100=4.3%

где amax и amin - размер, мм, образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии.

Коэффициент разбухания на 1% процент влажности вычисляют, округляя результат до 0,01%, по формуле:

===0,11

где - предел насыщения клеточных стенок.

3. Электропроводность и электрическая прочность древесины. Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства древесины. Практическое значение электрических свойств древесины в деревообрабатывающих производствах

Электропроводность. Способность древесины проводить электрический ток находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. В общем случае полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух сопротивлений - объемного и поверхностного. Объемное сопротивление численно характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное сопротивление определяет препятствие прохождению тока по поверхности образца. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и поверхностное сопротивления. Электропроводность - это способность древесины проводить электрический ток. Характеристикой электропроводности является электрическое сопротивление. Электропроводность древесины зависит от породы, температуры, направления волокон и ее влажности. Электропроводность древесины имеет значение в случае ее применения для столбов линий электропередач, линий связи, рукояток электроинструментов.

Электрическая прочность. Способность древесины противостоять пробою, т. е. снижению сопротивления при больших напряжениях, называется электрической прочностью. Электрическая прочность абсолютно сухой древесины вдоль волокон в 4-7 раз меньше, чем поперек. С повышением влажности электрическая прочность заметно снижается, при этом уменьшается различие между вдоль и поперек волокон.

С увеличением температуры и влажности электрическая прочность уменьшается. В таблице 3 приведена электрическая прочность древесины некоторых пород.

Таблица 3 - Электрическая прочность древесины некоторых пород

Порода	Влажность, %	Электрическая прочность, кВ/мм в направлении
		Радиальном	Тангенциальном	Вдоль волокон
Сосна	0	5,9	7,2	1,45
	33	1,4	1,5	0,76
	10	5,9	7,7	1,68
Ель	0	6,0	7,2	1,35
	33	1,4	1,3	0,87
Береза	0	9,1	7,6	1,26
	33	1,4	1,2	0,50
	12	-	5,7	1,31
Бук	12	-	4,4	1,32



Из данных таблицы 1 видно, что при влажности 0 % береза в радиальном и тангенциальном направлении имеет наибольшую электрическую прочность, а вдоль волокон наименьшую. При влажности 33 % в радиальном направлении наибольшую электрическую прочность имеет сосна, а наименьшую береза.

Для повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании ее в качестве изолятора древесину пропитывают трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т.е. она является диэлектриком.

Диэлектрические свойства древесины. Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, проявляет свои диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя показателями. Первый из них - относительная диэлектрическая проницаемость - численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Второй показатель - тангенс угла диэлектрических потерь tgd - определяет долю подведенной мощности, которая вследствие дипольной поляризации древесины поглощается ею и превращается в теплоту.

Диэлектрическая проницаемость абсолютно сухой древесины с увеличением плотности возрастает. Так, у древесины бальзы (r0 = 130 кг/) диэлектрическая проницаемость поперек волокон