Физические и химические свойства древесины

Физические свойства древесины
Рассмотрим некоторые физические свойства древесины, ин­тересующие технологов лесохимических производств.

Плотность древесины. Плотность собственно древесины, или древесинного вещества, почти одинакова для различных пород и в среднем равна 1, 55 г/см[1]. Плотность древесины как физического тела, т. е. включая пустоты (ранее этот показа­тель назывался объемный вес), зависит от породы дерева, ус­ловий произрастания, индивидуальных особенностей каждого дерева и в большой степени от влажности древесины (табл. 1.1).

Из числа наиболее распространенных в СНГ древесных пород среднюю плотность (в воздущносухом состоянии) выше 0, 55 г/см3 имеют многие лиственные породы (дуб, ясень, клен, граб, бук, береза) и только одна хвойная порода (листвен­ница), а плотность ниже 0, 55 г/см3 — все остальные хвойные породы (сосна, пихта, ель, кедр и др.) и лишь немногие лист­венные (ольха, осина, тополь, липа). Плотность имеет суще­ственное значение, например, в процессах пиролиза древесины при расчете массы загружаемого в аппараты сырья и др.

Для некоторых технологических расчетов важно знать на­сыпную массу измельченной древесины, т. е. массу щепы или опилок, входящую в единицу объема аппарата при свободной загрузке. Масса 1 насыпного м3 хвойной щепы в пересчете на абсолютно сухую древесину составляет обычно 130—160 кг/м3, березовой щепы — в среднем 190 кг/м3, опилок 100—135 кг/м3, щепы смешанных пород из лесосечных отходов 120—160 кг/м3. При искусственном уплотнении насыпная масса опилок и щепы может быть повышена на 30—50 %.

1.1. Плотность абсолютно сухой древесины

Влажность древесины. Различают абсолютную и относи­тельную влажность древесины. Абсолютная влажность вы­ражается в процентах от абсолютно сухого вещества древесины, а относительная — в процентах от влажной древе­сины.

Относительную влажность W0 можно пересчитать в абсо­лютную W по формуле

W = 100ro/(100 — ro),

w0=mw/(m+w).

В расчетах по технологии лесохимических производств ис­пользуют, как правило, показатели относительной влажности (табл. 1.2) и в дальнейшем, если не указано иное, имеются в виду именно эти показатели. Объем древесного сырья в учеб­нике приводится в кубических метрах плотной древесины.

По данным табл. 1.2 можно определить содержание абсо­лютно сухой древесины в 1 м3 древесины той или иной влаж­ности. Например, если масса 1 м3 сосновой древесины 20%-ной относительной влажности равна 540 кг, то в нем содержится 540 (100—20): 100 = 432 кг абсолютно сухой древесины, но не 470 кг, как могло бы показаться на основании цифр первой строки табл. 1.2. Это расхождение является следствием того, что при высушивании древесины ниже определенной влажно­сти происходит ее усадка и уплотнение.

Влажность центральной и периферической частей расту­щего или свежесрубленного дерева неодинакова. Средняя от­носительная влажность ядровой древесины хвойных пород со­ставляет 25—30 %. спелой древесины 35—40, заболони 45— 65%)- У заболонных древесных пород влажность древесины от периферии к центру уменьшается постепенно. Общая влажность свежесрубленной древесины хвойных пород обычно равна 45— 50%, мягких лиственных 40—50, твердолиственных 30—45 %-

Способность высушенной древесины поглощать водяные пары из воздуха до состояния равновесия называется ее ги­гроскопичностью.

1.2. Средняя масса 1 м3 плотной древесины различной влажности, кг

Гигроскопичность древесины различ­ных пород почти одинакова. При относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С влагоемкость древесины сосны и дуба составляет 29—30 %, при 90%—21—22%, при 50%-9-10% ит. д.

Способность древесины при погружении в воду поглощать ее называется водопоглощением. Предельное количество воды, которое может поглотить древесина, зависит от объема в ней полостей. Так, древесина березы, имеющая плотность в абсолютно сухом состоянии 0, 6 г/см3, теоретически может поглотить около 130 % воды от массы сухого вещества, при этом плотность ее составит 1, 2 г/см3. Практически такое пол­ное насыщение древесины водой никогда не достигается, но при сплаве древесины березы (и некоторых других листвен­ных пород) иногда наблюдается увеличение плотности выше единицы, в результате чего древесина тонет.

Усушка и набухание древесины. При высушивании сырой древесины вначале из нее удаляется свободная влага, содер­жащаяся в клеточных и межклеточных полостях, при этом размеры высушиваемого куска древесины не изменяются. За­тем выделяется связанная, или коллоидная, влага, находя­щаяся в связанном состоянии в стенках клеток. В этот момент начинается усадка древесины, т. е. уменьшение ее размеров. Точка перехода, наступающая при абсолютной влажности (для разных пород) 25—30 %, называется точкой насы­щения волокна. При увлажнении абсолютно сухая дре­весина увеличивается в размерах до точки насыщения волокна. Такое увеличение вдоль волокон обычно равно менее 0, 5%, в радиальном направлении 2—6%, а в тангенциальном 5— 12%- По объему набухание составляет 10—20% от объема абсолютно сухой древесины. При дальнейшем увлажнении дре­весины ее размеры не изменяются. Неравномерность набуха­ния (следовательно, и усушки) древесины в различных на­правлениях приводит часто к ее деформации (короблению). Однако набухание может иметь и положительное значение, на­пример при замачивании деревянных баков и бочек для пре­дупреждения течи.

При высушивании древесины влага в виде паров удаляется в основном через торцы (в среднем в 4 раза больше, чем в ра­диальном направлении); количество испаряемой влаги в тан­генциальном направлении имеет промежуточное значение. За­болонь высыхает быстрее ядра, древесина хвойных пород быстрее, чем лиственных. Чрезмерно быстрое высушивание древесины приводит к образованию трещин. Такая древесина малопригодна для поделок, а при пиролизе из нее получается уголь с пониженной механической прочностью.

Теплоемкость древесины. Теплоемкость древесины склады­вается из теплоемкости собственно древесины и теплоемкости содержащейся в ней влаги, а также смолистых веществ. При этом теплоемкость смолистых веществ в 1, 5 раза, а воды в 3 раза больше, чем теплоемкость абсолютно сухой древе­сины, равная при О °С 1, 4 кДж/(кг-К). Поэтому с увеличе­нием смолистости и особенно влажности древесины ее тепло­емкость увеличивается. Теплоемкость древесины, как и всех материалов, увеличивается также с повышением температуры.

Теплопроводность древесины. Древесина — плохой провод­ник тепла. Коэффициент теплопроводности сухой древесины колеблется в пределах 0, 1—0, 4 Вт/(м-К), тогда как углероди­стой стали около 50 и меди около 400 Вт/(м-К). Чем меньше плотность древесины, т. е. чем больше в ней полостей, тем хуже она проводит тепло. При увлажнении древесины ее теп­лопроводность увеличивается, так как воздух замещается во­дой, имеющей в 26 раз более высокую теплопроводность.

Теплота сгорания древесины. Количество теплоты, выде­ляющейся при полном сгорании вещества, называется тепло­той сгорания (раньше эта величина называлась теплотворной способностью). Теплота сгорания древесины сильно зависит от ее влажности и мало от породы дерева. Теплота сгорания 1 кг вещества называется удельной теплотой сгорания. При сжига­нии абсолютно сухой древесины различных пород она колеб­лется в пределах 20ч-21-103 кДж/кг. Средняя теплота сгора­ния свежесрубленной древесины составляет около 8, 5 X X Ю3 кДж/кг, а воздушносухой — достигает 15-Ю3 кДж/кг. Теплота сгорания 1 м3 воздушносухой древесины смешанных пород соответствует примерно 0, 25—0, 28 т условного топлива, теплота сгорания которого принимается 29, 3 • 103 кДж/кг.

Химический состав древесины

Дерево в процессе роста поглощает углекислоту из воздуха и воду из почвы с содержащимися в ней минеральными со­лями. Зеленые растения обладают способностью превращать энергию видимого света солнечных лучей в потенциальную хи­мическую энергию органических соединений. В листьях де­ревьев, содержащих зеленый пигмент хлорофилл, идет про­цесс фотосинтеза, т. е. из углекислоты и воды при участии сол­нечного света образуется органическое вещество. При этом вырабатываются углеводы и другие химические соединения, которые, видоизменяясь, служат материалом для построения клеток древесины. Этот процесс сходен у всех древесных по­род, поэтому органическая часть любой древесины содержит примерно постоянное количество углерода (49, 5—51%), водо­рода (6, 1—6, 3%), азота (0, 1%)) и кислорода (почти 44%).

Минеральная часть древесины — зола составляет 0, 3—1% от ее массы, а иногда и больше. В нерастворимой в воде части золы преобладают соединения кальция (углекислый кальций), а в растворимой — соединения калия (углекислый калий, или поташ).

1.3. Содержание основных компонентов в древесине различных пород, произрастающих в СНГ

Постоянством элементного состава объясняется одинаковая теплота сгорания единицы массы древесины разных пород и некоторые другие свойства. В то же время из одних и тех же исходных веществ в растущих деревьях различных пород об­разуется неодинаковое количество конечных соединений, вхо­дящих в состав клеточной стенки древесины. Поэтому химиче­ские свойства древесины различных пород неодинаковы.

Основными составными частями древесины любой породы являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. В древесине также содержатся смолы и терпены, жиры, камеди, дубиль­ные, красящие и другие вещества.

Между основными составными частями древесины, прежде всего между целлюлозой и лигнином, имеются химические связи. Однако химия древесины как наука в значительной сте­пени основывается на исследованиях свойств и строения со­ставных частей древесины по отдельности. В табл. 1.3 приве­ден средний химический состав древесины разных пород.

Из табл. 1.3 видно, что целлюлоза (клетчатка) составляет около половины массы древесины, лигнин — одну пятую (или немного больше) в лиственных породах и свыше четверти в хвойных, и, наконец, пентозаны — одну десятую в хвойных и четверть в лиственных.

Таким образом, главное отличие состава лиственных пород от хвойных заключается в несколько меньшем содержании целлюлозы и лигнина (а также гексозанов) и в значительно большем содержании пентозанов.

Содержание основных составных частей древесины в раз­личных деревьях одной и той же породы и в различных ча­стях одного и того же дерева изменяется не очень значи­тельно, а содержание экстрактивных веществ, наоборот, иногда резко колеблется. Так, в древесине лиственницы содержится от 6 до 25 % веществ, растворимых в воде (лиственничная ка­медь, представляющая собой полисахарид арабогалактан). Обычно содержание камеди тем выше, чем больше возраст де­рева: в древостоях до 200-летнего возраста в среднем 10— 12%, 250—300-летнего возраста 14% и выше. Содержание смолистых веществ в сосновой древесине изменяется от 2 до 8 %• Сильно колеблется содержание дубильных веществ, или таннидов (являющихся в химическом отношении производными многоатомных фенолов — пирогаллола, пирокатехина и флоро- глюцина): их в древесине дуба 3—9 %, в коре дуба и ивы 8— 14, ели 7—12, лиственницы 8—16 %.

При более детальном исследовании состава древесины вы­яснилось, что целлюлоза, выделяемая при обычных методах анализа древесины, не вполне свободна от гемицеллюлоз; лиг­нин содержит примеси целлюлозы и других веществ, поэтому цифры, приведенные в табл. 1.3, являются приближенными. Например, исследование древесины ели позволило установить следующий ее средний состав, %:

целлюлозы 43;

трудногидролизуемых гемицеллюлоз (полисахаридов типа

целлюлозы) 6;

легкогидролизуемых гемицеллюлоз 19;

лигнина 28;

смол, белков, ацетилов, золы и др 4

Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид,

имеющий общую формулу (СбН10О5)п, которую, принимая во внимание три активных гидроксила в каждой структурной ее единице, можно записать в виде [СбН702(0Н)з]п. Молекулы целлюлозы построены в виде цепей. Целлюлоза обладает ори­ентированным аморфно-кристаллическим строением, которое объясняет все ее свойства — реакционную способность, набуха­ние в воде (чем и вызывается увеличение размеров древесины при увлажнении) и др.

Гемицеллюлоз ы древесины состоят из различных по­лисахаридов с разной величиной молекулы. В их число входят пентозаны (С5Н804)п и гексозаны (С6Ню05)„. Из пентозанов древесины известны ксилан и реже встречающийся арабан, из гексозанов — маннан, галактан, фруктан и глюкан. Все они по­строены из остатков соответствующих моносахаридов: ксилозы, арабннозы, маннозы, галактозы, фруктозы, глюкозы и при кислотном гидролизе переходят в них:

(С6Н804)„ + (л- 1) Н20 + п С6Н10О6; (С6Н10О6)а + (л- 1) Н.20 + п С6Н1206-

Маннан и ксилан наблюдаются в древесине в трудно- и лег­когидролизуемых формах; почти все остальные гемицеллю- лозы легко гидролизуются. Вообще под гемицеллюлозами обычно понимают нерастворимые в воде полисахариды, гидро- лизующиеся значительно легче, чем целлюлоза.

Из гемицеллюлоз в древесине в наибольшем количестве содержатся пентозаны: 9—12% в хвойной древесине и 18— 29 % в лиственной. Гексозаны в значительном количестве на­ходятся в хвойной древесине, особенно маннан (до 6—9 % от массы древесины), тогда как в лиственной древесине содержа­ние их невелико.

Кроме остатков указанных выше моносахаридов, в состав молекул гемицеллюлоз в количестве около 3 % от массы дре­весины у хвойных пород и 4—5 % у лиственных входят в виде метиловых эфиров уроновые кислоты.

Прочность древесины на разрыв определяется прочностью цепей целлюлозы, а жесткость древесине придает лигнин.

Лигнин — это полимерное вещество ароматического ха­рактера, состоящее из ядер в основном пирокатехинового (для хвойных пород) или пирогаллового (для лиственных пород) типа с боковыми цепями из трех углеродных атомов. Основная часть лигнина у хвойной древесины находится в срединной пе­регородке, образующейся при склеивании первичных слоев клеточных стенок соседних волокон древесины. У лиственной же древесины в срединной перегородке содержится лишь около половины всего лигнина, а другая половина распределена в толще клеточной стенки.

С лигнином связаны метоксильные группы ОСН3. В древе­сине различных пород содержится 4—7 % метоксилов; в лист­венных породах их больше, чем в хвойных. Ацетильные группы древесины СН3СО в основном связаны с трудногидролизуемым ксиланом в виде сложных эфиров (ацетат ксилана). Их содер­жание в древесине лиственных пород составляет 5—6%, а в хвойных породах обычно 1, 5—2 %•

При гниении древесины, вызываемом действием различных низших организмов, в особенности грибов, меняется ее ок­раска, структура, значительно изменяются свойства и хими­ческий состав, снижается масса 1 м3.

При коррозийной (белой) гнили гриб затрагивает главным образом лигнин и меньше целлюлозу. При деструктивной (бу­рой) гнили быстрее разрушается целлюлоза и возрастает от­носительное содержание лигнина; такая древесина в значи­тельной части теряет волокнистую структуру.

Существуют и такие виды дереворазрушающих грибов, ко­торые, разрушая в одинаковой мере целлюлозу и лигнин, вы­зывают коррозийно-деструктивную гниль, например гниль бе­резы и осины от ложного трутовика. Выходы и качество про­дукции из гнилой древесины ниже, чем из здоровой.

Разметка.
Решение выделить в отдельную главу вопросы работы с древесно-волокнистой плитой не случаен.

Древесно-волокнистые плиты используют при устройстве полов и изготовлении мебели своими руками, поэтому навыки работы с такими плитами могут пригодится как столяру, так и плотнику.

Причиной большинства ошибок, допускаемых при изготовлении деталей мебели из плит и при устройстве полов из них, является неправильная разметка, поэтому к этой операции следует отнестись очень серьезно.

Перед разметкой плиту внимательно осматривают и решают, какие края следует отпилить, а также определяют, какая сторона будет лицевой, а какая тыльной. Чтобы получить ту или иную плоскую

деталь, нередко бывает достаточным отпиливание от плиты двух крайних полос - продольной и поперечной, причем так, чтобы на них по возможности остались самые крупные дефекты. Однако в

любом случае разметку делают по всему контуру, иначе эту операцию снова придется выполнять перед строганием.

Разметку, последовательность которой показана на рис. 1, а, производят сначала на лицевой пласти.

Рис. 1. Разметка плиты для распиливания (а) и перенос разметки: б - с лицевой пласти на кромку; в - скромки на тыльную пласть

Первую риску проводят по линейке вдоль продольного края, который не отпиливают. Ее делают на таком удалении от кромки, чтобы все следы выкрошенных участков остались за пределами этой линии.

Обычно это удаление не превышает 3 мм. Затем, используя угольник, под прямым углом к продольной стороне проводят две поперечные риски, начиная с неотпиливаемого края. После этого контур замыкают второй продольной риской. Все размеры детали откладывают без припусков, точно по проекту.

По древесине риску прочерчивают карандашом. Запомните правило: прежде чем проводить риски, необходимо проверить правильность отложенных размеров и шчнсшть прямого угла. Если его величина

будет больше или меньше 90°, при сборке детали не подойдут одна к другой.

С лицевой стороны заготовки разметку переносят на тыльную, используя угольник, как показано нарис.1, б, в.

С целью достижения полного соответстпия рисок на тыльную сторону сначала переносят обе концемыс точки, а затем по линейке соединяют их риской. Ограничиться разметкой одной лицевой стороны нельзя, так как во время пиления возможен перекос и увод пилы за риску, что особенно часто наблюдается у начинающих мастеров. При отсутствии контрольной разметки с обратной стороны проверить правильность распила становится невозможным. В результате деталь оказывается зауженной или укороченной, приходится изготавливать новую.

Необходимость разметки тыльной пласти обусловлена также и другой причиной. При пилении может произойти откол и выкрашивание на оборотной стороне плиты. Чтобы этого избежать, риску на обороте

делают глубокой, для чего по линии разметки проводят шилом несколько раз, с каждым разом усиливая нажим.

Процесс распиливания плит имеет одну очень важную особенность. Пилить необходимо не по риске, а на расстоянии около 2 мм параллельно ей, оставляя небольшой припуск для последующего строгания

кромки. Без такого припуска обойтись нельзя, потому что даже при тщательной работе пилой кромка все равно не получится такой же ровной и гладкой, как при строгании. В том случае, если из большой

плиты нужно выпилить несколько деталей, по их границам проводят не одну, а две риски, расположенные параллельно и удаленные примерно на 5 мм одна от другой. Пилить следует посередине

между рисками. Часть материала в промежутке уйдет в пропил, а оставшаяся - на припуски.

Плиту, как правило, распиливают сначала в продольном, а затем в поперечном направлении. Во избежание сдвига плиты во время работы ее закрепляют, причем самым простым способом является

следующий: на плиту садятся, выдвинув место распила за край стола или табурета.

Сначала делают неглубокий запил легким коротким движением пилы на себя. Чтобы пила не соскальзывала с запила, ее полотно направляют вдоль согнутого в суставе большого пальца левой руки или ногтя (рис. 45, а).

Кромки строгают без специальной разметки, так как эта операция производилась в самом начале обработки, а после правильно проведенного распиливания разметочные риски должны оставаться

хорошо заметными и нетронутыми. Сначала строгают одну из продольных кромок, затем обе поперечные и вторую продольную. Строгание можно проводить как с двух концов, так и с одного. В первом случае, чтобы не сколоть дальний угол плиты, в направлении которого движется рубанок,

кромку обрабатывают до середины с одного конца, а затем, развернув плиту на 180°, - с противоположного. При строгании в одном направлении на дальнем конце, на уровне разметочной риски, предварительно делают глубокую зарубку (просечку), используя для этой цели нож или

стамеску.

Кромки сначала выравнивают шерхебелем, а потом рубанком. В том случае, если толщина снимаемой шерхебелем стружки не превышает 1-1, 5 мм, начинают работать рубанком. Кромки древесно-стружечной плиты строгают так же, как и кромки любых других плит. Отличие состоит лишь в том, что вместо обыкновенных ленточных отделяются стружки в виде крошек. На кромку столярной плиты выходят торцы брусков, поэтому при ее строгании выпуск лезвия ножа уменьшают.

Начинающие столяры, работая рубанком, очень часто допускают такую ошибку: в начале движения, когда инструмент входит в обрабатываемую поверхность, его приподнимают кверху, а в конце, наоборот, наклоняют книзу. Вследствие этого начальный и конечный участки кромки оказываются перестроганными, а средняя часть остается недостроганной. Для избежания подобных погрешностей в начале строгания следует сильнее нажимать на инструмент левой рукой, а в конце - правой.
В средней части кромки нажим обеих рук должен быть одинаковым.

К перекосу обрабатываемой поверхности приводит наклон рубанка вбок. А вследствие изменения наклона с одного бока на другой образуется похожая на пропеллер поверхность, которую очень трудно

выправить. Обнаружить перекос можно с помощью угольника. Этот инструмент периодически прикладывают длинной стороной к пласти плиты, а короткой - к кромке. Если возник перекос, сострагивают возвышающиеся участки.

Благодаря наличию двусторонних разметочных рисок значительно упрощается контроль при строгании.

По рискам видно, в каких местах плита прострогана больше, а в каких меньше. Главное - не перестрогать риски, иначе можно испортить кромку и повредить облицовочный слой.

Качество проведенной работы проверяют, поставив плиту остроганной кромкой на гладкий стол. Если она не упадет, значит, строгание выполнено правильно.

Строгание древесины.

Этот прием обработки древесины заключается в выравнивании поверхности после пиления. В зависимости от этапов выполнения строгания используют разные типы рубанков. Приготовленную к отделке деталь укладывают на верстак и закрепляют ее. Начинают с грубого выравнивания, для чего используют шерхебель. При этом все движения направляют поперек волокон, но не вдоль них, так как можно снять слишком много древесины. Если на пути следования шерхебеля встречаются свилеватости, которые затрудняют обработку, то не надо делать упор на них. В противном случае в этом месте древесина может отколоться, и брусок станет непригодным к дальнейшей работе. После обработки поверхности небольших деталей шерхебелем ее зачищают первоначально одиночным рубанком, а затем двойным. При работе с длинными деталями, например с досками, лучше использовать фуганок или полуфуганок. Фуганок держат за ручку правой рукой, а левой поддерживают корпус немного позади пробки. Только когда один участок детали по ширине обработан фуганком, переходят к другому участку. При обработке торцов детали движения направляют от краев к середине, тогда не возникнут сколы и отщепы.

Приемы работы рубанком немного отличаются. Продвижение рубанка по поверхности должно быть направлено вдоль волокон, а не против них. При работе с рубанком слегка нажимают левой рукой на переднюю часть его корпуса, а правой - на заднюю. Только так можно получить ровную и гладкую поверхность. На рис. 47 показаны приемы работы рубанком.