Строение древесины и ее свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию, Московский государственный университет леса, ИПСОП, отделение заочного обучения

Контрольная работа

по дисциплине древесиноведение

Выполнил: Смирнов Алексей

Руководитель: Поповкина Лариса Васильевна

Сокол-2013



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.

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.

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.

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.

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=(a_max-a_min)/a_min*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. 1).

Таблица 1. 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 W_(п.н.) - 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=(a_max-a_min)/a_min*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 W_(п.н.) - 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 1 приведена электрическая прочность древесины некоторых пород .

Таблица 1. 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 ( 0 = 130 кг/) диэлектрическая проницаемость поперек волокон в диапазоне частот 10… Гц составляет в среднем 1,3, а у граба ( 0 = 800 кг/) - 2,6. Проницаемость вдоль волоконбольше в среднем в 1,4 раза. С повышением влажности древесины увеличивается, так как для воды величина этого показателя в диапазоне частот 10… Гц составляет 81…7,5. По данным Г.И.Торговникова, при влажности 10% и температуре 20С для древесины плотностью 0 = 500 кг/ на частоте Гц равна 4,2, на частоте Гц - 2,0, а при влажности 60% - соответственно равна 65 и 6,6. Увеличение температуры от - 40 до 100С для абсолютно сухой древесины приводит к незначительному увеличению (примерно в 1,3 раза). Повышение температуры влажной древесины приводит к более существенному увеличению . Тангенс угла диэлектрических потерь также зависит от плотности древесины. Поперек волокон tg при плотности 0 = 500 кг/ и комнатной температуре в диапазоне частот 10… Гц составляет 0,005…0,007, а при плотности 0 = 800 кг/этот показатель равен 0,007…0,025. Вдоль волокон tg выше , чем поперек волокон , в среднем в 1,7 раза. С повышением влажности tg увеличивается. Зависимости этого показателя от частоты имеют сложный характер. Так, для древесины с плотностью 0 = 500 кг/ при температуре 20С и влажности 80% значение tg при частоте Гц достигает 74, при частоте Гц снижается до 0,2 , а в области сверхвысоких частот ( Гц) возрастает до 0,34. Повышение температуры абсолютно сухой древесины вызывает снижение tg , но в области СВЧ этот показатель возрастает . У влажной древесины ( W= 25% ) нагревание приводит к существенному возрастанию tg , но в области СВЧ он меняется не значительно .

При диэлектрическом нагревании температура повышается одновременно по всему объему древесины. Такой способ нагревания находит практическое применение в процессах сушки, склеивания и пропитки древесины. Нагревание в поле СВЧ можно использовать для сушки древесины, для поверхностного оттаивания бревен перед окоркой и распиловкой .

Пьезоэлектрические свойства древесины. На поверхности некоторых диэлектриков под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Это явление, связанное с поляризацией диэлектрика, носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрические свойства были вначале обнаружены у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. Эти материалы обладают также обратным пьезоэлектрическим эффектом, заключающимся в том, что размеры их изменяются под действием электрического поля. Пластинки из этих кристаллов находят широкое применение в качестве излучателей и приемников в ультразвуковой технике.

Пьезоэлектрические свойства были обнаружены также в древесине. Было установлено, что основной носитель пьезоэлектрических свойств в древесине -- ее ориентированный компонент -- целлюлоза. Интенсивность поляризации древесины пропорциональна величине механических напряжений от приложенных внешних усилий; коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Количественное изучение пьезоэлектрического э эффекта, таким образом, сводится к определению значений пьезоэлектрических модулей. В связи с анизотропией механических и пьезоэлектрических свойств древесины указанные показатели зависят от направления механических усилий и вектора поляризации.

Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающей и растягивающей нагрузках под углом 45° к волокнам. Механические напряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон, не вызывают в древесине пьезоэлектрического эффекта. Максимальный пьезоэлектрический эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а затем и совсем исчезает. Так, уже при влажности 6--8% величина пьезоэлектрического эффекта очень мала. С повышением температуры до 100° С величина пьезоэлектрического модуля увеличивается. При малой упругой деформации (высоком модуле упругости) древесины пьезоэлектрический модуль уменьшается. Открытое явление позволяет глубже изучить тонкую структуру древесины. Показатели пьезоэлектрического эффекта могут служить количественными характеристиками ориентации целлюлозы и поэтому очень важны для изучения анизотропии натуральной древесины и новых древесных материалов с заданными в определенных направлениях свойствами. Данное явление используется при разработке неразрушающих методов контроля качества древесины. Определить величину и коэффициент разбухания сосновой доски в тангенциальном направлении, если ее размер в этом направлении при увлажнении от 0 до 20 % изменился от 135 до 140,2мм

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

_max=(a_max-a_min)/a_min*100=(140,2-135)/135*100=3,9%

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:

===0,19

где W_(п.н.) - предел насыщения клеточных стенок.

4. Реологические свойства древесины. Реологическая модель и закономерности ее деформирования. Зависимость величины реологических коэффициентов от температуры и влажности древесины

При длительном воздействии механических нагрузок, колебаний влажности и температуры проявляются так называемые реологические свойства древесины, т. е. ее способность деформироваться под нагрузкой во времени. Древесина, или материал клеточных стенок, в основном представляет собой комплекс природных полимеров, имеющих длинные гибкие цепные молекулы. Такая особенность строения полимеров определяет особый характер их поведения под нагрузкой и реологические свойства древесины. При приложении усилий к образцу такого материала могут возникнуть следующие виды деформаций: упругие -- вследствие обратимого изменения средних междучастичных расстояний (о них речь шла выше); высокоэластичные, связанные с обратимой перегруппировкой звеньев цепей молекул (при этом объем тела не изменяется); вязко-текучие, обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей (объем тела при этом меняется).

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях -- стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Каждое из них характеризуется преобладающим типом деформаций. Переход из состояния в состояние происходит при изменении температуры, критические значения которой называются температурой стеклования и температурой текучести. А при изменении влажности влияние температуры на развитие деформаций древесины во времени усиливается.

Поведение реальных тел можно описать при помощи соотношений, содержащих в общем случае напряжения, деформации и их производные во времени. Такие соотношения называют реологическими уравнениями, а параметры, характеризующие материал, -- реологическими коэффициентами, напряжения и деформации -- реологическими переменными.

Реологические коэффициенты можно получить в процессе двух основных видов испытаний: на ползучесть и релаксацию. В первом случае ведется наблюдение за значением деформации образца, возникающей под действием нагрузки, мгновенно приложенной и неизменяемой в течение испытаний. Во втором случае образцу сообщается начальная деформация, которая во время испытаний поддерживается постоянной. При этом значение напряжений снижается по сравнению с начальным. Кроме того, реологические испытания проводят при константной скорости возрастания напряжений или скорости деформации. Реологические свойства древесины и особенности ее деформирования при различной последовательности силовых, влажностных и температурных воздействий учитываются при разработке режимов гидротермической (например, для получения шпона) и механической (гнутье, прессование) обработки, консервирования, модифицирования древесины.

На основе исследований реологических свойств также выяснилось, что при многократных циклических изменениях влажности древесины жесткость и прочность деревянных конструкционных элементов снижается. Это явление получило название гигроусталость. По некоторым данным, уже после шести циклов увлажнения-сушки с амплитудой 8% (от 20% до 12%) при напряжениях 1,2 МПа модуль упругости снижается примерно на 30%.

Гигроусталость необходимо учитывать при использовании древесины в строительных конструкциях.

Определить прочность образца из древесины бука при статическом изгибе и привести ее к нормализованной влажности, если размеры образца20Ч20Ч300 мм, максимальная нагрузка 1800 Н, а влажность в момент испытания 20 %. Нагружение - в одной точке. Поправочный коэффициент б = 0,04 Согласно ОСТ НКЛ 250 для испытания на статический изгиб применяются образцы в форме бруска размерами 20 мм X 20 мм X 300 мм; в образце посредине длины измеряется с точностью 0, 1 мм его ширина b по радиальному и высота h по тангентальному направлению. Неподвижные опоры и нож машины должны иметь закругление; расстояние между центрами опор l = 24 см. Образец располагают на опорах так, чтобы усилие было направлено по касательной к годовым слоям (изгиб тангентальный). Нагружение производится в одной точке посредине между опорами равномерно, который доводится до полного излома. Предел прочности вычисляется по формуле:



= ==101,25МПа

Поправочный коэффициент на влажность для древесины всех пород 0,04.

Рис.1 Схема испытания на статический изгиб: 1 - образец; 2 - нож; 3 - съемные опоры

Предел прочности образца с нормализованной влажностью при необходимости пересчитывают на влажность 12% по формуле:

=+(W-12=101,25=133,65МПа

Предел прочности образца с влажностью, отличающейся от нормализованной, пересчитывают на влажность 12% по формуле:

===140,625МПа



5. Грибные поражения: побурение, заболонная и наружная трухлявая гниль. Причины возникновения и влияние на качество древесины

Грибные поражения древесины -- это группа пороков древесины, возникающая с участием грибов. Могут как вызывать разрушение древесины, так и не влиять на её прочностные характеристики, но изменять цвет.

Грибные поражения в древесине возникают при развитии в ней грибов, которые подразделяются на деревоокрашивающие и дерево-разрушающие.

Грибы относятся к простейшим организмам, которые размножаются споровым методом и вегетативно. Растущие деревья и срубленная древесина заражаются спорами -- мельчайшими микроорганизмами, которые обладают высокой жизнеспособностью и хорошо приспосабливаются к неблагоприятным условиям. Споры разносятся ветром или водой на значительные расстояния и, попадая через трещины и раны в ствол дерева, начинают развиваться.

На древесине грибы развиваются при определенной влажности (оптимальная -- 40--60%) и температуре (оптимальная -- 20--30 °С).

В благоприятных условиях споры прорастают и образуют гифы (тонкие нити), которые переплетаются между собой и формируют мицелий гриба или грибницу. Гифы, проникшие в древесину, выделяют ферменты, последние превращают целлюлозу и лигнин в вещества, которые растворяются в воде и усваиваются грибом.

По характеру питания и степени разрушения древесины грибы делятся на два вида. В первом случае грибы питаются лигнином или целлюлозой, что приводит к разрушению клеточной стенки, а следовательно, и всей древесины. Грибы, вызывающие такие изменения в древесине, называются дереворазрушающими. Во втором случае изменяется окраска древесины и лишь частично -- ее физико-механические свойства. Такие грибы называются деревоокрашивающими. Механические свойства древесины, пораженной гнилью, резко ухудшаются, способность сопротивляться нагрузкам полностью утрачивается. Плотность такой древесины снижается в 2--2,5 раза, водопроницаемость увеличивается. Гнилая древесина при высыхании резко коробится.

Деревоокрашивающие грибы питаются запасными органическими веществами (белки, жиры, углеводы), накапливающимися в полостях клеток древесины. Оптимальная температура, при которой происходит развитие распространенного деревоокрашивающего грибка (синевы), -- 20--25 °С. При температуре 7--8 °С начинается замедление роста грибницы. Необходимая влажность для развития грибов синевы -- 22--63%. Оптимальная влажность для грибницы -- 33--82%. Пораженная древесина приобретает серую окраску с синеватым или зеленоватым оттенками. Прочность древесины понижается на 7--12%, увеличивается влажность и проницаемость для жидкостей. На такой древесине легко развиваются дереворазрушающие грибы и жуки-точильщики.

Под воздействием деревоокрашивающих грибов в растущем дереве возникают грибные ядровые пятна и полосы, в срубленной древесине -- грибные заболонные окраски. На качество древесины эти пороки существенно не влияют, незначительно снижают прочность при ударных нагрузках, портят внешний вид и повышают водопроницаемость древесины.

Одним из процессов отмирания древесины с участием штабельных грибов является задыхание, или прелость. Поражается им лиственная древесина, начиная с весны или лета, то есть с тёплого времени года. Первая его стадия -- побурение - ещё не связана с заражением грибами. Начинается оно с торцов брёвен, часто с двух сторон, и в виде конусов продвигается к центру, где смыкается. Вторая стадия -- подпар -- уже происходит с участием грибов и вызывается мраморной гнилью. Конечная фаза прелости -- мягкая гниль, хорошо различимая как на глаз, так и на ощупь. Такой тип гнили вызывает настоящий трутовик и некоторые другие грибы.

Побурение -- возникает в срубленной древесине с участием грибов или без них и вызывает некоторое снижение твёрдости древесины. Предшествует заболонной гнили, распространяется от торцов и боковых поверхностей, проявляется в виде ненормально окрашенных участков лиственных пород бурого цвета различных оттенков. Особенно свойственно берёзе, ольхе и буку, у которого уменьшает водопроницаемость. По месту возникновения бывает: торцовое и боковое. Чтобы предотвратить побурение древесины производят пропаривание пиломатериалов. Побурение мало изменяет прочность материала при статических нагрузках и твердость, но снижает ударную вязкость древесины при изгибе, ухудшает ее внешний вид.

Гниль -- ненормальные по цвету участки древесины с понижением твёрдости, возникающие под действием дереворазрушающих грибов, из которых одним из самых опасных является настоящий домовой гриб.

Заболонная гниль возникает в сухостойной, валежной и срубленной древесине под воздействием дереворазрушающих грибов, а также при длительном и неправильном хранении. Этот порок снижает прочность материала при статическом изгибе на 22%, при сжатии вдоль волокон -- на 20--25%.

Трухлявая наружная гниль - бурая трещиноватая гниль, возникающая преимущественно в наружной, как в ядровой, так и в заболонной части лесоматериалов, охватывает его по всему поперечному сечению или только по его части и распространяется вглубь, нередко по трещинам. На поверхности часто наблюдаются грибные тяжи и плодовые тела. Может продолжаться даже в относительно сухой древесине. Резко снижает механические свойства древесины, процесс разрушения может продолжаться не только в непросушенном, но и в относительно сухом материале. Пораженная древесина -- опасный источник грибной инфекции для деревянных конструкций и сооружений, поскольку легко распадается на части и растирается в порошок.

древесина разбухание бук реологический



6. Технические свойства и промышленное применение древесины ели, ясеня и бука

В лесу ели растут одним стволом с малым количеством сучьев в нижней части и исключительно прямыми. Свободная от сучьев часть ствола достигает в таких условиях 25 м при общей высоте дерева до 60 м, диаметр составляет от 0,4 до 1,2 м, максимум около 2 м. На открытых местах крона елей становится объёмней, а сучковатость ствола повышается. Древесина светлого беловатого или желтовато-белого цвета с шелковистым блеском, причём ядровая древесина и заболонь не отличаются по цвету. Под влиянием света она темнеет и принимает жёлто-коричневый оттенок. Годичные кольца ясно различимы, причём цвет светлой ранней древесины плавно переходит в тёмную позднюю, границы годичных колец чётко выражены. Как и другие хвойные породы еловая древесина имеет заметные смоляные каналы и карманы, образующие на поперечном срезе светлый пунктирный узор. Этим признаком не обладает пихта, что позволяет отличать их друг от друга. Другое отличие заключается в расположении на стволе сучьев: сучья пихты отходят от ствола как правило под прямым углом, из-за чего на стволе от них остаются круглые отметины, а у ели ветви отходят от ствола под углом и отметины овальные.

Еловая древесина очень мягкая и имеет среднюю плотность 470 кг/мі при 12-15 % влажности. С увеличением ширины годичных колец (и связанным с этим уменьшением доли поздней древесины) плотность снижается, механические качества тоже ухудшаются - соответственно годной для строительства считается только еловая древесина с шириной годичных колец от 4 до 6 мм (DIN 4074-1). Механические свойства древесины для такой малой плотности очень хорошие, поэтому ель используется в качестве строительной и конструкционной древесины. Однако в необработанном виде ель недолговечна при воздействии погодных факторов, а в контакте с землёй быстро сгнивает, для наружного применения эта древесина должна быть соответствующим образом химически обработана. В то же время ель обладает сравнительно низкой пропитываемостью, влажность древесины более 20 % и связанное с этим поражение грибами мешает пропитке. Ель легко обрабатывается пилением, строганием, фрезерованием и другими техниками, соединение шурупами, гвоздями и с помощью склеивания также не вызывает трудностей, но стволы с повышенной сучковатостью, смоляными карманами и связанными с условиями роста внутренними напряжениями могут изменить свою форму после использования. Покраска, нанесение покрытий и морение не вызывает проблем. Еловая древесина в виде пиломатериалов как правило используется вместе с пихтой; обе породы очень схожи по своим качествам. Кроме того, ель перерабатывается в виде кругляка, таких пиломатериалов как доски, составные доски и как шпон. В то же время это важнейший материал для производства композитов из дерева, таких как фанера, склеёный брус, ДСП и ДВП.

В качестве строительной и конструкционной древесины ель применяется почти везде, как в интерьерных так и в экстерьерных приложениях. В домовом строительстве она находит применение при строительстве крыш, деревянной обшивки, перил, лестниц, каркасов стен и потолков, полов, окон, дверей и ворот. В производстве мебели в виде цельной древесины или композитов она используется для скрытых деталей или как основная древесина для простой мебели. Вдобавок есть целый ряд других применений, таких как опалубки, деревянные настилы, заборы, столбы, игрушки и многие другие. Из ели делают ящики, поддоны и древесную вату. Особым случаем является использование высококачественной еловой древесины или древесины высокогорной ели для изготовления корпусов струнных инструментов или резонансных оснований клавишных инструментов.

Центральное место в применении древесины ели и других хвойных пород древесины занимает производство бумаги и целлюлозы. Более длинные по сравнению с лиственными породами волокна этих древесных пород легче соединяются, что придаёт лучшую прочность бумаге. Благодаря своей удельной теплоте сгорания, составляющей 4,5 кВт*ч/кг или 1500 кВт*ч/мі, ель играет центральную роль топлива как в форме дров для домашнего отопления так и древесных обрезков, топливных гранул и брикетов для соответствующих отопительных систем. В качестве отходов лесных хозяйств и промышленности она поступает также на тепловые и электростанции, работающие на биотопливе.

Средняя плотность:	430 кг/мі
Пределы плотности:	300-640 кг/мі
Продольная усадка:	0,3 %
Радиальная усадка:	3,6 %
Тангенциальная усадка:	7,8 %
Радиальное набухание:	0,19 %
Тангенциальное набухание:	0,36-0,39 %
Прочность на сгиб:	68 Н/ммІ
Прочность на сжатие:	40 Н/ммІ
Предел прочности:	80 Н/ммІ

Древесина ясеня относится к тем породам, которые могут иметь ядро отличающегося от заболони цвета, но часто этот цвет одинаков. Заболонь и ядро бывают серыми, беловатого, желтоватого или красноватого оттенка. Ядровая древесина старых деревьев порой принимает более тёмный цвет, до шоколадно-коричневого, что нежелательно. Лучшим для этой породы считается цвет и рисунок ядра, напоминающий древесину оливкового дерева (лат. Olea europaea) с видимыми на поперечном разрезе волнистыми областями оливково-коричневых и светло-коричневых оттенков. Древесина пористая по годичным кольцам, волокна ранней древесины явственно больше и располагаются в чётко отличимых от спелой древесины многорядных кольцах. Так же чётко видимы годичные кольца. Древесные лучи узкие и видны на продольных разрезах как «зеркальца». Обструганные поверхности обладают матовым блеском. Древесина ясеня, имеющая среднюю плотность 690 кг/мі, относится к тяжёлым и твёрдым сортам дерева с хорошими прочностными характеристиками. Её прочность на разрыв и сгиб превышает прочность древесины дуба. Она эластична, износостойка и более вязка, чем многие отечественные породы древесины. При этом механические свойства древесины тем лучше, чем шире годичные кольца. Годичные кольца шириной свыше 1,5 мм, что часто встречается у «водяных ясеней», это признак хорошего качества древесины. Ясно выраженный цвет ядра на качество древесины не влияет. Эту древесину можно обрабатывать как вручную, так и с помощью машин, в пропаренном состоянии её можно гнуть так же хорошо, как и древесину бука. Поверхностная обработка не представляет сложности, также её можно обрабатывать морилками. Ясень стоек к слабым основаниям и кислотам. Однако он недостаточно устойчив к воздействию внешней среды и его быстро повреждает контакт с землёй. Так как он с трудом поддаётся пропитке, его редко используют на открытом воздухе.

Ясень часто применяют как в виде цельной древесины, так и в виде фанеры или шпона, например для кухонной, спальной или другой мебели, также в гнутых формах для стульев и кресел. Он находит применение в качестве покрытий для стен и потолков, при изготовлении паркета и половых досок. Для всех этих целей предпочтительно светлое дерево без ядра. Особенно востребована эта древесина там, где предъявляются высокие требования к прочности, вязкости и эластичности, например для рукояток молотков, топоров, лопат, кос, граблей и другого садового инструмента. Из неё изготавливают также спортивные снаряды -- шведские стенки, биты, луки и санки. Особенно большое значение имела древесина ясеня при изготовлении деревянных колёс, так как по своим свойствам она идеально подходит для большинства их частей.

Также эта древесина широко использовалась при строительстве вагонов и автомобилей. Её использовали для строительства молотилок и ткацких станков. Используется в производстве гитар и басов высшего уровня. Из ясеня делают свои гитары и басы фирмы: fender, music man, gibson... Так же и гитарные мастера часто используют это дерево для создания деки.

Средняя плотность:	650-690 кг/мі
Пределы плотности:	410-860 кг/мі
Продольная усадка:	0,2 %
Радиальная усадка:	5,0 %
Тангенциальная усадка:	8,0 %
Радиальное набухание:	0,21 %
Тангенциальное набухание:	0,38 %
Прочность на сгиб:	105 Н/ммІ
Прочность на сжатие:	50 Н/ммІ
Предел прочности:	130 Н/ммІ
Твёрдость:	по Бринеллю вдоль 65 Н/ммІ, поперёк 37?41 Н/ммІ
Теплопроводность:	явор 0,16-0,18 Вт/км клён остролистный 0,14 Вт/км

Буки растут в лесу прямыми деревьями с длинными стволами без сучьев. Длина ствола без сучьев достигает 15 м при общей высоте от 30 до 35 м (максимально 45 м), максимальный диаметр ствола достигает 1,5-2 м, а доживает это дерево до 250-300 лет. Возраст, в котором производится порубка буков, составляет 100-140 лет, к этому времени деревья имеют стволы диаметром 30-50 см. Ежегодные приросты составляют около 4 мі в год, причём вначале деревья растут очень медленно, на хорошей почве к 120 годам прирост может составлять до 8,7 мі в год.

Как и обыкновенный ясень, бук относится к деревьям с нерегулярным образованием отличающегося по цвету ядра; это значит, что ядровая древесина и заболонь одних деревьев может быть практически одного цвета -- от бледно-жёлтого до розоватого, а другие имеют очень яркую красно-коричневую ядровую древесину («красное ядро»). Заболонь как правило очень широкая, красное ядро, в зависимости от условий произрастания, образуется только после 80 лет; примерно после 120 лет у буков происходит скачкообразное образование красного ядра и в возрасте 150 лет от 80 до 100 % буков имеют соответственно окрашенное ложное ядро. После пропаривания вся древесина за пределами окрашенного ядра принимает равномерный красно-коричневый цвет. Годичные кольца ясно отличимы на чистых поперечных срезах одно от другого и расположены местами волнообразно. Волокна многочисленные и расположены беспорядочно, поры видны только через лупу, на срезе вдоль поры не видны. Примечательными являются заметные древесные лучи, напоминающие в тангенциальном направлении веретёнца, а в радиальном плоские зеркальца. Вообще внешний вид древесины имеет мало отличительных признаков.

Буковая древесина очень тверда и имеет плотность 720 кг/мі при 12-15 % влажности, что относит её, как и схожую по плотности древесину дуба, к отечественным тяжёлым твердолиственным породам древесины. Она очень однородна по плотности, вязка, малоэластична и обладает в качестве строительной древесины хорошей прочностью. Тем не менее, эта древесина сильно коробится и после сушки не показывает слишком хорошей устойчивости; к тому же бук сильнее сгибается под нагрузкой, чем другие виды конструкционной древесины. Из-за таких свойств, а также из-за сильной повреждаемости грибами, бук не применяется там, где возможны сильные перепады влажности воздуха и его нельзя применять вне помещений в неимпрегнированном виде. Однако он воспринимает лёгкое импрегнирование, что делает его более долговечным, притом он очень долго выдерживает и экстремальные погодные условия.

Как в виде кругляка так и в виде пиломатериалов бук требует бережного обращения. Он склонен к впитыванию влаги, а также к плесневению, кроме того быстро трескается и коробится. Соответственно бук должен быть по возможности быстро вывезен с места рубки и распилен, однако сушка не должна быть слишком быстрой из-за склонности к растрескиванию. Пропаривание древесины наряду с изменением цвета приводит к некоторому смягчению древесины и снятию внутренних напряжений, что улучшает её обрабатываемость и сгибаемость. За счёт однородной структуры эту древесину можно без проблем резать, фрезеровать, обрабатывать рубанком, сверлить и шлифовать, она также хорошо обрабатывается на токарном станке и подходит для резьбы по дереву. После пропаривания её можно очень хорошо гнуть, в этом её превосходит только ясень. Соединения шурупами и гвоздями держатся хорошо, клееные соединения -- очень хорошо. Поверхности можно полировать, морить и окрашивать. Покрытие лаком не вызывает трудностей. Бук нельзя применять в композитах с цементом, из-за того, что он тормозит застывание цемента.

Бук продаётся и перерабатывается как в виде кругляка так и в виде пропаренных или непропаренных пиломатериалов и шпона; эта древесина представляет собой важнейший вид твердолиственной древесины в Германии. Наряду с елью и сосной это наиболее используемая в промышленности древесина, с другой стороны для этого ценимого дерева существует множество применений. Однако эта древесина применяется лишь ограниченно в виде массивных деталей как конструкционная и строительная из-за своей малой формоустойчивости. Всего известно более чем 250 применений для буковой древесины. Примерно половина из них относится к промышленному использованию, для изготовления фанеры и ДВП, получению целлюлозы для бумажной промышленности и особенно высокочистой целлюлозы для производства регенерированных волокон, таких как вискоза и лиоцелл для изготовления текстиля и технического текстиля. В СССР бук применялся в производстве электрогитар, что было нецелесообразно с точки зрения звучания инструмента.

Главной областью использования бука является производство мебели, где он применяется как в виде цельной древесины, так и в виде фанеры, формованной фанеры или формованного шпона. Это дерево служит для изготовления твёрдых и стойких поверхностей интенсивно эксплуатируемой мебели, особенно детской и молодёжной, офисной мебели и сидений в общественных местах. В производстве стульев бук используется больше других пород древесины, кроме того, из него изготавливают кровати, столы и каркасы мягкой мебели, садовую мебель и шезлонги. В интерьерах буковый шпон используют для покрытий стен и потолков, из-за своей твёрдости он часто используется при строительстве лестниц, а также деревянных полов и паркета. Широчайшую область использования этой древесины представляют собой повседневные предметы. Здесь она применяется как для кухонного инвентаря, такого как разделочные доски, подносы, блюда и ручки ножей, щёток, так и для рукояток инструментов, верстаков, линеек и прищепок. В производстве игрушек это дерево используется чаще всего, так как твердо и не занозится. Из-за хорошей способности к шпонированию и склеиванию эта древесина занимает центральное место в производстве композитных материалов из древесины - особенно различных видов фанер, сборных досок, модифицированной древесины.

В производстве тары буковая древесина наряду с хвойными породами имеет большое значение для изготовления транспортных поддонов из цельной древесины и фанеры, а также для изготовления ящиков и бочек. Она применяется в виде фанерных листов для изготовления нагрузочных площадок контейнеров и кузовов грузовых автомобилей, кроме того, её используют в форме композитов со сталью для особых целей. Пропитанные маслом шпалы из бука используются для строительства железнодорожных путей и после срока эксплуатации -- для ландшафтного благоустройства и в садовом дизайне.

Буковая древесина представляет собой прекрасные дрова, которые очень долго горят спокойным жарким пламенем и обладают теплотой сгорания 19,7 МДж/кг. Из-за высокой температуры горения бук подходит для приготовления гриля. Оценка бука как топлива привела к специфическому, вряд ли ещё практикуемому способу хозяйствования, при котором отросшие побеги деревьев раз в несколько лет срезались на дрова («низколесное хозяйство»). Также велико значение древесины бука как сырья для прекрасного древесного угля. Древесина бука содержит ряд ценных химических веществ и путем сухой перегонки из нее получают уксус, деготь, поташ, щелок, креозот. Кроме того древесина является исходным сырьем для получения метилового спирта.

Средняя плотность:	720 кг/мі
Пределы плотности:	540-910 кг/мі
Продольная усадка:	0,3 %
Радиальная усадка:	5,8 %
Тангенциальная усадка:	11,8 %
Радиальное набухание:	0,2 %
Тангенциальное набухание:	0,41 %
Прочность на сгиб:	105-123 Н/ммІ
Прочность на сжатие:	53-62 Н/ммІ
Предел прочности:	135 Н/ммІ
Теплопроводность:	0,16 Вт/(м*К)



Список литературы

1.Боровиков А.М. Справочник по древесине / А.М. Боровиков, Б.Н. Уголев. - М. : Лесн. пром-сть, 1989.

2. ГОСТ 23431-79 (СТ СЭВ 6830-89). Древесина. Строение и физико-механические свойства. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988.

3. Леонтьев Н.Л. Техника испытаний древесины / Н.Л. Леонтьев. - М. : Лесн. пром-сть, 1970.

4. Михайличенко А.Л. Древесиноведение и лесное товароведение / А.Л. Михайличенко, Ф.П. Садовничий. - М. : Высшая школа, 1991.

5. Михайличенко А.Л. Практикум по древесиноведению и лесному товароведению / А.Л. Михайличенко, И.С. Сметанин. - М. : Лесн. пром-сть, 1989.

6. Старостенко В.П. Строение древесины и ее свойства: методические указания / В.П. Старостенко, А.А. Титунин, А.А. Свирков. - Кострома: КТИ, 1993.

7. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б.Н. Уголев. - М. : МГУЛ, 2007.

Размещено на Allbest.ru

...