Краткие теоретические сведения. Цель работы - Ознакомиться с различными видами древесины, изучить особенности и применение древесины в промышленности.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ

Цель работы - Ознакомиться с различными видами древесины, изучить особенности и применение древесины в промышленности.

Задачи:

1. рассмотреть строение древесины, ее физические и физико-химические свойства;

2. выявить компонентный состав древесины, а так же влияние на него различных факторов;

3. рассмотреть элементный состав древесины, их свойства, номенклатуру;

4. рассмотреть области применения древесины и ее составляющих.

Краткие теоретические сведения

Древесина является самым крупномасштабным возобновляемым
сырьевым источником органических соединений. Материал, которым человек начал пользо­ваться на заре своего рождения и которым пользуется в самых раз­нообразных целях. Это более 200 ви­дов различной бумаги, более 100 видов картона, древесново­локнистые плиты, древеснослоистые пластики и многие изделия из них. В процессе химической переработки древесины получают раз­личные изделия и вещества: искусственные ткани и меха, кино-и фотопленки, взрывчатые вещества, спирты, лекарственные сред­ства, ветеринарные и косметические препараты, смазочные масла, лаки и краски, клей, ядохимикаты, кормовые дрожжи, пищевые кислоты, глюкозу, упаковочные пленки, искусственную кожу, ду­бители, глицерин и т. д. Из хвои и листьев получают эфирные масла, хвойные лечебные экстракты, хвойную витаминную муку и другие продукты.

К основным лесообразующим породам, занимающим наибольшие площа­ди и имеющие важное хозяйственное значения, относятся следующие: из хвойных -,лиственница, сосна, ель, пихта; из лиственных - береза, осина, ольха, дуб, бук, граб, ильм, ясень, клен, липа, тополь, ива.

Дерево является одной из жизненных форм древесных растений с ярко выраженным стволом, состоящим из комлевой, срединной и вершин­ной частей (рис. 1). Комлевая часть ствола непосредственно примыкает к корневой системе, а вершинная вместе с ветвями, мертвыми сучьями и древесной зеленью образует крону дерева (табл. 1).

Таблица 1 Относительный объем частей дерева, %

Рис. 1. Схема Рис. 1. Схема строения древесного растения: I - корни; II - ствол (А - комлевая: П - срединная; В - вершинная часть); 111- крона (Г-листья и сучья; д- зелень), 1-древесина (а-сердцевина,б-ядро; в-заболонь);- 2 – камбий; 3 - кора (г - луб; д - корка).

Макро- и микро- строение древесины и коры

На поперечном разрезе ствола древесного растения (рис. 2) можно выделить следующие зоны:

сердцевина, состоящая в основном из живых клеток, образующаяся за
счет деления клеток верхушечной образовательной ткани при росте де­
рева в высоту;

ядро - наиболее старая по времени образования зона древесины (кси­лемы), имеющая в большинстве случаев более темную окраску за счет
наличия в ней большого количества экстрактивных веществ и состоя­щая в основном из мертвых клеток;

заболонь - периферийная часть древесины, более молодая по сравне­нию с ядром и содержащая большое количество живых клеточных эле­ментов, в особенности в прикамбиальной зоне, выполняет проводя­щую функцию от корневой системы к кроне дерева;

камбий - одноклеточный слой живых клеток, поочередно делящихся в
сторону заболони и в сторону луба, обеспечивающий рост дерева в толщину;

луб - непосредственно примыкающий к камбию внутренний слой коры
(флоэма), состоящий в основном из живых клеток, выполняющий про-
водящую функцию от кроны дерева к его корневой системе;

корка - периферийный слой коры, состоящий из мертвой пробковой
ткани, выполняющей защитную функцию (табл. 2,3).

Таблица 2 Относительный объем древесины и коры, %

Рис.2. Схема макростроения древесины: е - годичный слой (е*- ранняя; е*- поздняя древесина); ж – сердцевинные лучи (ж*- первичный; ж"- вторичный); з - смоляные ходы (л - сосуды);и - трахеиды (м - волокла либриформа).

Таблица 3

Содержание ядровой и заболонной древесины в образцах разного

возраста, %

Кроме перечисленных зон на поперечном разрезе невооруженным глазом видны годичные кольца, а также сердцевинные лучи радиально расположенные образования, начинающиеся либо непосредст­венно от сердцевины (первичные), либо в древесине (вторичные), со­стоящие из живых клеток и вместе с сердцевиной, прикамбиальной зоной заболони, камбием и лубом составляющие живую ткань ствола, которая выполняет запасающую и образовательную функцию, как по составу, так и строению в зависимости от принадлежности древес­ного растения к хвойной или лиственной породе (табл. 4).

Рис. 3. Схема микростроения древесины сосны:

ж - сердцевинный луч (ж111 - однорядный, ж - многорядный, жу - клетки лучевой паренхимы); з - смоляные ходы (з1 - верти­кальный, з11 - горизонтальный, зш - эпителиальные клетки); и -трахеиды (и1 - весенние, и" - летие); к1 - окаймленные поры.

Рис. 4. Схема микростроения древесины березы.

Таблица 4 Содержание анатомических элементов древесины от площади поперечного сечения, %

К клеточным элементам хвойных пород относятся: трахеиды - мертвые клетки, длина которых достигает 6 мм (табл.5,).

Различают весенние и летние трахеиды. Первые образуются в нача­ле вегетационного периода при интенсивном делении клеток, поэтому имеют широкие полости и тонкие стенки при соотношении диаметра к длине 1:100, образуя зону ранней древесины в годичном кольце, вы­полняют проводящую функцию. Вторые образуются в летний период, имеют узкие полости и толстые стенки при соотношении диаметра к длине 1:400 и, образуя зону поздней древесины годичного кольца, выполняют Механическую функцию.

Таблица 5

Размеры анатомических элементов древесины

Живые (паренхимные) клетки в хвойной древесине немногочислен­ны так как часть питательных веществ хвойные породы накапливают в хвое. Паренхимные клетки представляют собой округлые или многогранные тонкостенные клеточные элементы, составляющие основу сердцевинных лучей (лучевая паренхима), сердцевины, камбия, прикамбиальной зоны и луба (вертикальная паренхима). К живым клеткам так­же относятся эпителиальные клетки, выстилающие внутреннюю поверх­ность таких образований как смоляные ходы и продуцирующие физиоло­гическую смолу. Смоляные ходы характерны только для хвойных древес­ных пород в лиственных их нет. Различают вертикальные и горизон­тальные смоляные ходы, последние иногда располагаются в многоряд­ных сердцевинных лучах. Смоляные ходы заполнены физиологической смолой выполняющей скорее всего роль антисептика при ранении дерева. Клеточными элементами древесины лиственных пород являются: волокна либриформа - прозенхимные клетки веретенообразной Формы более короткие чем трахеиды хвойных (1-2 мм) с толстыми стенка­ми и узкими полостями, выполняют в лиственной древесине механическую функцию (см. табл. 5).

Сосуды - длинные трубки, образующиеся за счет срастания широко­полосных живых клеток, и образова­нием на их месте перфорированных перегородок, проницаемых для жидкостей. Диаметр сосудов, расположенных в ранней древесине, может достигать 0,5 мм в поздней древесине сосуды значительно мельче, длина члеников сосудов обычно не превышает I мм (см табл. 7). Сосуды, выполняя проводящую функцию могут располагаться либо в определенной зоне годичного кольца (кольцесосудистые породы) либо достаточно равномерно по всему годичному слою (рассеянососудистые породы). Внутри сосудов могут образовываться выросты (тиллы) закупоривающие сосуды.

В древесине тропических лиственных пород иногда присутствуют образования, называемые камедными ходами (аналогичные смоляным ходам хвойных), полости которых заполнены веществами углеводного характера-камедями.

Стенки прозенхимных клеточных элементов и хвойных (трахеиды) и явственных (волокна либриформа, членики сосудов) не являются сплош­ными, в них присутствуют отверстия округлой или щелевидной формы (простые норы) или отверстия с клапаном (окаймленные поры). Окаймленных поры представляют собой камеру поры, внутри которой на порис­той мембране (маргинальная зона) расположен клапан (торус), закры­вающий поочередно отверстия (порус) с одной или с другой стороны ка­меры поры, таким образом, уравновешивая давление жидкости между со­седними клетками.

Строение древесины ветвей зависит от их расположения. В гори­зонтально расположенных ветвях находится большое количество особых групп клеток, в то время как ветви вертикально расположенные по строе­нию древесины практически не отличаются от ствола. Для ветвей типичны короткие и узкие волокнистые элементы и обилие сердцевинных лучей. В ветвях длина волокон увеличивается по направлению от ствола к перифе­рии, но в самой верхней части ветви длина их резко уменьшается. В ветвях древесины хвойных большое количество смоляных ходов, они несколько уже, чем смоляные ходы в древесине ствола. У лиственных пород в ветвях большое количество сосудов, но они небольших размеров. В толщину вет­ви растут значительно медленнее чем ствол, поэтому у них узкие годичные кольца и высокая плотность древесины.

Корень отличается от ствола и ветвей уже тем, что у него нет серд­цевины. Клетки опорного корня мало чем отличаются по строению от клеток ствола, зато существует больше отличий между боковыми корнями и стволом, а также между основанием и кончиком корня. Тонкостенные трахеиды древесины корней хвойных пород шире и длиннее трахеид ство­ла, однако около кончика корня они значительно короче. У сосны, напри­мер, встречаются трахеиды длинной до 10 мм. В стенках трахеид имеется большое количество пор, часто даже на тангециальных стенках, что со­вершенно не типично для древесины ствола. Трахеиды ранней и поздней древесины отличаются друг от друга незначительно. В корнях хвойных имеется значительно большее количество вертикальной паренхимы, чем в стволе.

Различие в строении между стволом и корнями у лиственных пород очень существенно. В корнях, не считая опорных, волокон либриформа немного, зато в изобилии сосудов и паренхимных клеток. Сосуды ранней и поздней древесины практически не отличаются по диаметру, большинство из них имеют широкие полости и они беспорядочно разбросаны по годич­ному кольцу, поэтому древесина корней всегда является рассеянососудистой. Из-за большого количества сосудов древесина корней лиственных пород менее плотная, чем древесина ствола. Так как клетки ранней и позд­ней древесины мало чем отличаются друг от друга, годичные кольца в корнях трудноразличимы.

Строение коры коренным образом отличается от строения древеси­ны. Большинство клеток луба живые. В их состав входят ситовидные клетки, ситовидные трубки, паренхимные клетки округлой формы, лу­бяные волокна и каменистые клетки. В лубе хвойных пород проводящими элементами являются ситовид­ные клетки, относительно узкие с заостренными концами, расположенные вертикальными рядами. В лиственных породах аналогичную функцию вы­полняют ситовидные трубки, состоящие из отдельных элементов. Стенки ситовидных клеток и элементов ситовидных трубок перфорированы, попе­речные перегородки элементов ситовидных трубок (ситовидные пла­стинки) имеют крупные поры. Ситовидные клетки и элементы ситовид­ных трубок - это живые клетки с плазматическим содержимым, но без яд­ра. Содержимое клеток связано тонкими плазматическими нитями (плазмодесмами), которые проходят через поры.

Паренхимные клетки округлой формы образуют основную массу ткани флоэмы. Они образуют как вертикальную, так и лучевую паренхи­му. Лубяные лучи являются непосредственным продолжением сердце­винных лучей, они выполняют функцию проведения продуктов метабо­лизма в радиальном направлении. На некотором расстоянии от камбия ра­диальное расположение лучей нарушается, они принимают волнистый вид, в результате увеличения числа клеток могут расширяться и во внешней части луба принимать аркообразную форму.

Луб хвойных пород пронизывают смоляные ходы, окруженные эпи­телиальными клетками. К прозенхимным клеткам луба относятся лубяные волокна, пред­ставляющие собой длинные (1-Змм) толстостенные клетки с заостренны­ми, перекрывающими друг друга концами, располагающиеся тангенциальными рядами, и каменистые клетки (скелериды), имеющие многогранную форму

Строение клеточных стенок древесных клеток

Клеточные стенки мертвых древесных клеток (древесных волокон) не являются однородными, а имеют сложное слоистое строение и разную толщину (табл. 6).

Таблица 6

Толщина стенок анатомических элементов, мкм

На ранней стадии развития клетки сразу после ее деления и в период протоплазма находится внутри тонкой оболочки, называемой первичной стенкой (Р) Ее толщина в сухом состоянии не превышает 300 А природном. Межклеточное вещество, соединяющее первичные стенки соседних клеток в древесную ткань носит название истинной срединной пластинки между ними.

По окончании роста клетки ее стенка начинает утолщаться в результате откладывания продуктов биосинтеза во вторичную стенку (S). Вторичная стенка состоит из трех слоев: S1 - наружного, S2 - среднего и S3 -внутреннего, отличающихся оптическими свойствами и толщиной Соотношение толщин слоев клеточной стенки в среднем составляет: (М+Р):S1:S2:S3 = 2:10:78:10.

Межклеточное вещество истиной срединной пластинки имеет одно­родную структуру и состоит в основном из лигнина. Первичная и слои вторичной стенки построены из целлюлозных волокон (фибрилл), проме­жутки между которыми заполнены гемицеллюлозами и лигнином.

В распределении и направлении целлюлозных фибрилл в толще кле­точной стенки существуют две особенности:

Таблица 7 (мкм) и соотношение (%) слоев стенок весенних трахеид ели.

1. Концентрическая слоистость

Каждый слой вторичной стенки (в особенности S2) состоит из тонких концентрических слоев (ламел). Их количество достигает 200, а нали­чие объясняется суточной периодичностью отложения продуктов био­синтеза клетки. При жизнедеятельности клетки в режиме постоянного Освещения концентрическая слоистость не наблюдается.

2. Спиральная полосатость

В первичной стенке Р целлюлозные фибриллы образуют переплетаю­щуюся структуру неправильной формы.

Во вторичной стенке S2 фибриллы располагаются более правильно по спирали.

В слое S2 фибриллы образуют две группы перекрещивающихся спира­лей, идущих под большим углом к оси волокна (70 - 90°), с образовани­ем до 10 концентрических слоев

3. Физические и физико-химические свойства древесины и коры. Гетерокапиллярная структура

Благодаря своему анатомическому строению древесина представляет собой гетерокапиллярную систему с капиллярными пространствами раз­личных размеров. Они подразделяются на капиллярные пространства пер­вого и второго порядка.

К капиллярным пространствам первого порядка относятся: межкле­точные пространства, полости внутри клеток и пор в стенках клеток. Их линейные размеры зависят от особенностей строения древесины той или иной породы.

К капиллярным пространствам второго порядка относятся простран­ства между фибриллами, микрофибриллами и внутри микрофибрилл. Их ли­нейные размеры колеблются от 10 до 100 А и зависят от многих факторов: условий произрастания, возраста древесины, ее влажности и т.д.

Несмотря на несоизмеримо большие линейные размеры капиллярных пространств первого порядка их количество в древесине значительно меньше, чем капиллярных пространств второго порядка и площадь внут­ренней поверхности вторых значительно больше чем первых. Так, для на­сыщенной водой древесины ели площадь внутренней поверхности капил­лярных пространств первого порядка составляет 0,2 м²/г, а капиллярных пространств второго порядка достигает 300 м²/г.

3.1 Плотность и пористость

В связи с вопросом о плотности древесины различают два показателя: истинную плотность древесного древесины определенной древесной породы. Истинная плотность древесного вещества – материала, из которого построена клеточная стенка древесной клетки, является величиной постоянной и в среднем составляет 1540 кг/м3. Плотность же древесины же зависит от многих факторов: принадлежности ее к той или иной древесной породе, пористости, влажности и т.д. Так как объем пустот в древесине составляет от 50 до 80 %, то плотность древесины как правило не превышает 1000 кг/м³.

По величине плотности древесины отечественные породы можно (влить на 3 группы (при 12% влажности):

1. Породы малой плотности - менее 540 кг/м³ (ель, сосна, кедр, пих­та, осина, ива, липа, тополь).

Породы средней плотности - от 540 до 740 кг/м³ (лиственница, тис, береза, бук, дуб, клен).

Породы высокой плотности - более 740 кг/м³ (самшит, акация, граб).

Минимальным значением плотности обладает древесина бальсы -100 кг/м³, максимальным - древесина бакаута - 1350 кг/м³, средняя плот­ность древесины некоторых пород приведена в табл. 8.

Таблица 8

Плотность абсолютно сухой древесины и коры, кг/м³

Плотность древесины зависит не только от породы, но и от возраста дерева, местонахождения образца, от соотношения поздней и ранней дре­весины в нем. Плотность древесины ветвей как правило выше, чем древе­сины ствола, а плотность древесины корней ниже, и это наиболее харак­терно для лиственной древесины в следствии наличия в древесине корней большого количества сосудов. Средняя плотность коры как правило выше плотности соответствующей древесины (табл. 8). Эта закономерность на­блюдается как у хвойных, так и у лиственных пород в связи с очень высо­кой плотностью луба по сравнению с плотностью корки (табл. 9).

Таблица 9

Плотность луба и корки, кг/м³

С плотностью связан еще один показатель - пористость древесины. Пористость показывает относительное содержание внутренних пустот в древесине в % от объема абсолютно сухой древесины и вычисляется по формуле:

С = 100-(1 - р/d), где С - пористость древесины; р - плотность древе­сины; d - истинная плотность древесного вещества.

3.2 Электрические свойства

Электропроводность древесины хвойных пород как правило больше чем лиственных, вследствие содержания в первых большего количества экстрактивных веществ, являющихся электролитами (смоляные кислоты). Вдоль волокон этот показатель больше чем поперек как для древесины хвойных, так и лиственных пород. Удельное сопротивление абсолютно су­хой древесины сосны вдоль волокон составляет 1,8-1015 Ом·см, поперек 2,3· 1015 Ом·см, для древесины березы соответственно: 2,3·1015 Ом·см и 5,1·1016 Ом· см. С увеличением влажности электропроводность древесины возрастает.

Диэлектрическая проницаемость древесины также выше в продоль­ном направлении: для древесины ели она составляет вдоль волокон - 3,06, поперек - 1,95.

Тепловые свойства

Удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины в пределах из­менения температур от 0 до 100°С в среднем составляет 1,68 кДж/кг·град (0,4 ккал/кг·град) и повышается с увеличением влажности.

Древесина является плохим проводником тепла, ее теплопроводность вдоль волокон больше чем поперек и возрастает с увеличением влажности.

Коэффициент линейного термического расширения вдоль волокон в среднем составляет 6·1016, поперек - 3·1015.

Температура воспламенения древесины находится в интервале 190 - 230° С и зависит от породы.

Температура горения древесины сравнительно не велика - 1025 -1100°С.

Теплотворная способность древесины составляет 4700 - 5100 ккал/кг и сильно зависит от влажности.

Световые свойства

Действие света ограничивается поверхностью древесины. Поглоще­ние ультрафиолетового излучения заканчивается на расстоянии сотых долей миллиметра от поверхности. На глубину около 2,5 мм проникает лишь 0,02% видимого света и 0,28% инфракрасного излучения. Глубина проник­новения светового излучения в древесину темных цветов меньше чем в древесину светлых.

Побурение древесины со временем считают связанным с действием ультрафиолетового излучения, а глубина окраски древесины до 2,5 мм свя­зана с переносом окрашенных веществ вглубь древесины атмосферной влагой.

3.3 Отношение к жидкостям и газам

Естественное существование, эксплуатация, многие виды механиче­ской и химической переработки древесины связаны с водой и водными растворами, поэтому вопрос об отношении древесины к воде является важ­ным. Древесина является достаточно гигроскопичным материалом и для нее различают два показателя:

относительная влажность (влажность) - содержание воды в дре­
весине, отнесенное к массе влажной древесины.

абсолютная влажность (влагосодержание) - содержание воды в
древесине, отнесенное к массе абсолютно сухой древесины.

Условно приняты следующие степени влагосодержания древесины:

Абсолютно-сухая - 0% (достигается высушиванием при 105°С до
постоянной массы).

Комнатно-сухая - 8-12%.

Воздушно-сухая -15-20% (зависит от влажности воздуха).

Свежесрубленная - 35-100% (зависит от породы, времени рубки,
условий произрастания и т.д.).

Мокрая > 100% (после длительного пребывания в воде или сопри­косновения с ней).

Распределение влаги в древесине неравномерно. Больше всего ее со­держится в корнях, ветвях и древесной зелени. По высоте ствола ее больше в комлевой части, по сечению ствола: для хвойных пород в заболони боль­ше чем в ядре, в связи с наличием в ядре экстрактивных веществ гидро­фобного характера, для лиственных - распределение влаги является срав­нительно равномерным, но иногда наблюдается обратная зависимость.

Характер взаимодействия древесного вещества с водой сложен и многообразен. Различают два вида влаги в древесине:

связанную (гигроскопическую), содержащуюся в капиллярных
пространствах второго порядка.

свободную или избыточную (капиллярную), содержащуюся в
капиллярных пространствах первого порядка.

Гигроскопическая влага физико-химически связана с древесным веществом и, удаляясь, с большим трудом составляет 25-30% от массы абсолютно сухой древесины. Предполагают, что прочное связывание воды с древесиной обусловлено двумя факторами:

1. Понижением упругости водяного пара в капиллярных пространст­вах второго порядка и как следствие капиллярной конденсацией. На долю этого фактора как считают приходится 20-25% влагосодержания.

2 Образование водородных связей за счет гидроксилов целлюлозы и гемицеллюлоз с образованием моно или полимолекулярных ори­ентированных слоев молекул воды. Эта влага удаляется чрезвы­чайно трудно и влагосодержание = 0 не достигается даже сушкой древесины в вакууме. На долю этого фактора относят оставшиеся 5% влагосодержания.

Способность древесины впитывать капильно-жидкую влагу называ­ется водопоглощением, а способность поглощать влагу из воздуха - влагопоглощением или гигроскопичностью.

При относительной влажности воздуха 100% происходит полное на­сыщение древесины гигроскопической влагой и достигается предел гигро­скопичности - точка насыщения волокна. Это состояние при комнатной температуре соответствует 30% влагосодержания древесины. Дальнейшее увеличение влагосодержания не сказывается существенно на изменении физических и механических свойств древесины.

Сорбционная способность древесины складывается из сорбционной способности ее компонентов. Если принять сорбционную способность дре­весины в целом за 1,0, то она составит: для гемицеллюлоз - 1,56, холоцеллюлозы -1,09, целлюлозы - 0,94, лигнина - 0,6. Из этого видно, что наибо­лее гидрофобным компонентом древесины является лигнин.

Увлажнение и высушивание древесины процесс не вполне обрати­мый. Древесина искусственной сушки поглощает из воздуха на 2% меньше влаги по сравнению с древесиной естественной сушки. Это явление носит название гистерезиса десорбции. Обусловлено это, повидимому некото­рыми процессами конденсации компонентов древесины при интенсивном нагреве, что приводит к их гидрофобизации.

При поглощении влаги древесина набухает, при этом изменение ли­нейных размеров составляет 6-13%. В случае невозможности изменения линейных размеров развиваются давления от 100 до 400 МПа.

Древесные волокна неодинаково набухают по длине и толщине. В длину при этом изменение линейных размеров составляет 1-2%, а в толщи­ну 20-30%. Это объясняется спиральной структурой волокна. Более интен­сивное набухание наблюдается в растворах щелочей. Так, при концентрации NaOH 17-18% оно достигает 70% по толщине, при этом наблюдается образование вздутий на поверхности волокна («четок»), связанное со сдерживающим действием слоев Р и S1. Если искусственно удалить эти слои, то набухание становится равномерным по толщине волокна. При снижении влажности за предел гигроскопичности начинается усушка древесины, сопровождаемая короблением.

Влажность древесины определяется двумя группами методов, к первой относятся прямые, ко второй косвенные. Прямыми методами являются:

высушивание при температуре 105 °С до постоянной массы, отгонка воды с неполярным органическим растворителем.

12
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒