Состав структурные элементы и свойства древесины
Древесина состоит в основном из органических веществ. Она является продуктом растительного происхождения и как биологический объект слагается из клеток. Стенки клеток древесины на 99% сложены из органических соединений, представленных у хвойных пород примерно на 70% , а у лиственных – на 80% углеводами.
Углеводы представляют группу природных веществ, образованных тремя элементами: углеродом, водородом и кислородом. В углеводную часть древесины входит целлюлоза как ее основной компонент по объему в стволе дерева и нецеллюлозные полисахариды, именуемые гемицеллюлозами.
Около 30% древесины составляют вещества ароматической природы, известные под названием лигнина.
Углеводы и лигнин – это высокомолекулярные вещества, или полимеры. К небольшой части древесины (2 – 4%) относятся экстрактивные вещества, которые не являются составляющими клеточной стенки – это низкомолекулярные соединения.
Целлюлоза – представляет собой линейный однородный полимер. Являясь основным веществом древесины, целлюлоза образует в структурном отношении слоистую клеточную оболочку (стенку) способную при механической обработке распадаться на тонкие целлюлозные волоконца-фибриллы, а при химической – на микрофибриллы. Древесные целлюлозные волокна имеют спиралевидную структуру и содержат примерно 55 – 65% кристаллической и 25 – 35% аморфной (гемицеллюлозной) части. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются.
Лигнин – природный полимер, представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород составляет 28 – 30%, а лиственных 18 – 24%. В древесине он был открыт более 145 лет назад, но его весьма сложное строение до сих пор остается не полностью выясненным. Полагают, что это смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой структуры. Присутствие лигнина устанавливают по цветным реакциям при взаимодействии с химическим реагентом (солянокислородным флороглцианом).
По сравнению с целлюлозой лигнин обладает меньшей химической стойкость, легче окисляется. Целлюлоза и лигнин взаимодействуют между собой. Характер их взаимодействия еще полностью не раскрыт.
Экстрактивные вещества в отличие от главных компонентов извлекаются нейтральными растворителями – водой, обычными органическими растворами. Хотя их немного они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и т.д. Среди экстрактивных веществ – смолы и смоляные кислоты, танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, фитостерины, белки и др. Содержание смол в лиственных породах до 1%, а в хвойных до 20%.
Таким образом, древесина – высококристаллическое вещество, имеющее форму продольных спиральных волокон, которые в деловой древесине выполняют роль своеобразного «армирующего» компонента, повышающего прочность материала на растяжение, чему способствует так же их упорядоченное расположение.
В совокупности древесина – по существу природный органический материал с конгломератным типом структуры, в котором имеются матричная пространственная сетка из лигнина и кристаллический волокнистый наполнитель в виде целлюлозы.
Подобно искусственным конгломератам, древесина содержит капилляры и поры различных размеров. Крупные капилляры являются полостями и порами стенок, капилляры и поры тонкие и мельчайшие находятся между фибриллами, микрофибриллами и внутри микрофибрилл.
Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество как строительного материала, так как сравнительно быстро и легко удаляется из нее при сушке.
При сушке древесины трудно испаряется гигроскопическая (связанная) влага от клеточных стенок насыщения волокон, причем объем древесины уменьшается в связи с усадкой и уплотнением клеточных оболочек.
С приближением при сушке к температуре 105ºС масса древесины сохраняет постоянное значение, что и принимают за абсолютно сухое состояние древесины. Абсолютно сухая древесина состоит из двух компонентов – древесинного вещества и воздуха. При нагревании выше 105 - 110ºС непрерывно протекают процессы деструкции, а древесина быстро теряет свои высокие физико-механические свойства.