Элементарный химический состав древесины

Элементарный химический состав древесины.

Древесина состоит из органических веществ, в состав которых входят углерод С, водород Н, кислород О и немного азота. Элементарный химический состав древесины разных пород практически одинаков. В среднем абсолютно сухая древесина независимо от породы содержит 49,5% углерода, 44,2% кислорода (с азотом) и 6,3% водорода. Азота в древесине содержится около 0,12%. Элементарный химический состав древесины ствола и ветвей мало различается. Условия произрастания также практически не отражаются на содержании основных элементов.

Кроме органических веществ, в древесине есть минеральные соединения, дающие при сгорании золу, количество которой колеблется в пределах 0,2—1,7%; однако у отдельных пород (саксаула, ядра фисташки) количество золы достигает 3—3,5%. У одной и той же породы количество золы зависит от части дерева, положения в стволе, возраста и условий произрастания. Больше золы дают кора и листья; так, стволовая древесина дуба дает 0,35%, листья — 3,5% и кора — 7,2% золы. Древесина ветвей содержит золы больше, чем древесина ствола; например, ветви березы и ели дают при сгорании 0,64 и 0,32% золы, а стволовая древесина — 0,16 и 0,17% золы. Древесина верхней части ствола дает золы больше, чем нижняя; это указывает на большое содержание золы в древесине молодого возраста; так, древесина бука в возрасте 10, 20 и 50 лет давала при сгорании 0,56; 0,46 и 0,36% золы.

В состав золы входят главным образом соли щелочноземельных металлов. В золе из древесины сосны, ели и березы содержится свыше 40% солей кальция, свыше 20% солей калия и натрия и до 10% солей магния. Часть золы (10—25%) растворима в воде (главным образом, щелочи — поташ и сода). В прежнее время поташ К2СО3, употребляемый в производстве хрусталя, жидкого мыла и других веществ, добывали из древесной золы. Зола от коры содержит больше солей кальция (до 50% у ели), но меньше солей калия, натрия и магния. Входящие в состав древесины и названные выше основные химические элементы (С, Н и О) образуют сложные органические вещества.

Главнейшие из них образуют клеточную оболочку (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы — пентозаны и гексозаны) и составляют 90—95% массы абсолютно сухой древесины. Остальные вещества называются экстрактивными, т. е. извлекаемыми различными растворителями без заметного изменения состава древесины; из них наибольшее значение имеют дубильные вещества и смолы. Содержание основных органических веществ в древесине в некоторой мере зависит от породы. Это видно из табл.1.

Таблица 1. Содержание органических веществ в древесине разных пород.

В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48—56% целлюлозы, 26—30% лигнина, 23—26% гемицеллюлоз (10—12% пентозанов и около 13% гексозанов); в то же время древесина лиственных пород содержит 46—48% целлюлозы, 19—28% лигнина, 26—35% гемицеллюлоз (23—29% пентозанов и 3—6% гексозанов). Из этих данных видно, что древесина хвойных пород содержит повышенное количество целлюлозы и гексозанов, а для древесины лиственных пород характерно высокое содержание пентозанов. В клеточной оболочке целлюлоза находится в соединении с другими веществами; особенно тесная связь, характер которой до сего времени не ясен, наблюдается между целлюлозой и лигнином. Ранее считали, что лигнин лишь механически примешан к целлюлозе; однако в последнее время все более приходят к убеждению, что между ними существует химическая связь.

Химический состав ранней и поздней древесины в годичных слоях, т. е. содержание целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз, практически одинаков; ранняя древесина содержит лишь больше веществ, растворимых в воде и эфире; это особенно характерно для лиственницы. По высоте ствола химический состав древесины меняется мало; так, в составе древесины дуба по высоте ствола не обнаружено практически ощутимых различий. У сосны, ели и осины в возрасте спелости обнаружено незначительное увеличение содержания целлюлозы и понижение содержания лигнина и пентозанов в средней по высоте части ствола. В древесине ветвей сосны, ели и осины содержится меньше целлюлозы (44—48% вместо 52—59%), но больше лигнина и пентозанов. Однако у дуба не обнаружено заметных различий в химическом составе древесины ствола и крупных ветвей; лишь в мелких ветвях найдено меньше дубильных веществ (8% в стволе и 2% в ветвях).    Содержание целлюлозы в древесине сосны убывает по мере ухудшения почвенных условий: в древостоях I бонитета — 58%; III бонитета — 56,8%; IV бонитета — 52,9% и V бонитета— 51,5%; аналогичное явление обнаружено и для древесины ели: в древостоях III бонитета — 52,1 % и IV бонитета 48,5%. Химический состав коры заметно отличается от химического состава древесины. Элементарный состав коры лжетсуги (%) характеризуется следующими данными: корка — углерода 54,7; водорода 6,4 и кислорода 38,8; луб — соответственно 53,3; 5,7 и 40,8. По сравнению с древесиной кора содержит больше золы, экстрактивных веществ и лигнина, но значительно меньше целлюлозы (почти в 3 раза) и пентозанов, причем резкого различия по содержанию пентозанов в коре хвойных пород (сосне, ели) и лиственных (березе, осине) не наблюдается. Химический состав коры некоторых пород приведен в табл. 2.

Таблица 2. Химический состав коры различных пород.

Влияние на древесину токов высокой частоты.

Древесина перед использованием, как правило, подвергается сушке, в результате которой резко улучшаются многие ее свойства. С физической стороны процесс сушки выражается в воздействии на сырую древесину пара, нагретого воздуха или жидкостей, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной влаги.

Существует несколько способов сушки; из них наиболее распространены, как уже отмечалось, атмосферная, когда древесина высыхает в штабелях на открытом воздухе, и камерная, когда древесина с целью ускорения процесса сушки высушивается в особых камерах при температуре более высокой, чем температура на открытом воздухе. Естественно, возник вопрос: не оказывает ли камерная сушка отрицательного влияния на прочность древесины? Обширные исследования этих опасений не подтвердили. Исследования показали, что надлежащим способом проведенная камерная сушка древесины дает материал, вполне равноценный по механическим свойствам материалу, получаемому в результате атмосферной сушки, происходившей при наиболее благоприятных условиях. Однако, если высушивание древесины при камерной сушке вести слишком быстро и при высокой температуре, это не только может привести к сильному растрескиванию и значительным внутренним напряжениям, но даже к нарушению строения и химическому изменению клеточных оболочек, что, естественно, должно оказать влияние на механические свойства древесины. При высокотемпературных режимах сушки с конечной температурой в камере 105—110° С продолжительность сушки сокращается в 1,5—2 раза, но вместе с тем наблюдается снижение прочности древесины сосны (в досках толщиной 30—60 мм) при сжатии вдоль волокон от 0,8 до 8,7%, радиальном скалывании от 1 до 12% и удельной работы при ударном изгибе от 5 до 10,5%. Несмотря на противоречивость выводов, вызванную разным подходом к истолкованию результатов исследований, последние работы также показывают, что высокотемпературная сушка приводит к снижению механических свойств древесины. В меньшей степени снижается прочность при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, в большей мере — при тангенциальном скалывании и существенно уменьшается ударная вязкость древесины.

При сушке в поле токов высокой частоты древесина лиственницы и сосны, высушенная до 22% при длине волны 30—40 м и при температуре внутри древесины не выше 105°, имела предел прочности при сжатии и удельную работу при ударном изгибе на 5—6% ниже по сравнению с древесиной атмосферной сушки.

Ультракороткие волны (8 м) при продолжительности действия на древесину от 10 мин до 1 ч не оказывают влияния на плотность и прочность при сжатии и статическом изгибе древесины сосны и березы; удельная же работа при ударном изгибе облученной древесины склонна к снижению. На основании этих данных можно прийти к заключению, что сушка древесины в поле высокой частоты не оказывает заметного влияния на физико-механические свойства древесины.

Влияние сучков на количественный и качественный     выход древесины.

Сучки — самый распространенный порок древесины. Сучки представляют собой части ветвей, заключенные в древесине ствола и «обросшие» новыми годичными кольцами. Мертвые сучки имеют тенденцию выпадать при сушке. Древесная ткань вокруг такого сучка имеет беспорядочную структуру, ее трудно обрабатывать.

Сучки различают двух видов: открытые и заросшие. Открытый сучок, в свою очередь, классифицируется по:

- форме, проявляющейся на поверхности разреза. Бывает круглый, овальный или продолговатый;

- положению в теле разреза. Выделяют пластовой, кромочный, ребровый, торцовый и сшивной;

- степени сростания/несростания с телом древесины. Например, сучок сросшийся, частично сросшийся, несросшийся и выпадающий;

- состоянию сучковой древесины. Есть следующие характеристики: здоровый, здоровый светлый, здоровый темный, здоровый с трещинами, а также загнивший, гнилой и табачный;

- по точке выхода на поверхность сучки бывают двух видов: односторонние и сквозные;

Заросший сучок встречается только в крупных лесоматериалах, и классификации не имеет.

Сучки являются основным пороком древесины, и в первую очередь влияют на ее сортность. Отрицательное воздействие сучков связано с тем, что они изменяют структуру волокон, вызывая искривления, в том числе годичных колец, изменяют однородность строения древесины, что отрицательно сказывается на механических свойствах. Твердость древесины здоровых сучков превышает твердость окружающих тканей, что затрудняет обработку пиломатериалов режущими инструментами, кроме этого табачные сучки сопровождаются внутренней гнилью.

Технические свойства и промышленное применение древесины бука,дуба и ореха.

Дуб (Quercus) - Oak. Наиболее распространен дуб черешчатый, или летний (Q. robur) - Common Oak, который занимает 95% площади дубовых лесов.

Древесина дуба имеет ядро темно-бурого или желтовато-коричневого цвета и узкую желтовато-белую заболонь, на поперечном разрезе в ранней зоне годичного слоя видны крупные сосуды, а в темной поздней древесине - светлые радиальные пламевидные полоски, образованные мелкими сосудами. Годичные слои и широкие (настоящие) сердцевинные лучи хорошо заметны на всех разрезах. Древесина прочная, стойкая против гниения, хорошо гнется, имеет красивую текстуру и находит многообразное применение: в виде паркета, строганого шпона для отделки изделий, в мебельной промышленности, машиностроении, в тарном (бочки для вина и пива) и дубильно-экстрактном производствах.

Бук (Fagus) - Beech. Произрастает преимущественно бук восточный (F. orientalis) - Oriental beech (на Кавказе и в Крыму), а также бук лесной, или европейский, (F. sylvatica) - European beech.

Бук - безъядровая порода. Древесина белая, с желтоватым или красноватым оттенками, годичные слои хорошо видны. Сердцевинные лучи широкие, на радиальном разрезе они имеют вид блестящих полосок, а на тангенциальном - коричневатых чечевичек, создающих характерный крапчатый рисунок.

Древесина бука имеет высокую прочность, красивую текстуру (особенно на радиальном разрезе), хорошо гнется. Находит многообразное применение (строганый шпон, паркет, гнутая мебель, детали машин и др.). Используется в лесохимии.

Орех (Juglans) - Walnut. Наиболее распространены два вида: орех грецкий (J. regia) - European walnut (произрастает на Кавказе и в Средней Азии) и орех манчжурский (J. mandshurica) - Manchurian walnut (на Дальнем Востоке). По механическим свойствам древесина ореха манчжурского значительно уступает древесине грецкого ореха.

Ядро коричневато-серой неравномерной окраски, нерезко отграниченное от широкой сероватой заболони, видны крупные сосуды. Годичные слои и сердцевинные лучи заметны слабо. Древесина отличается высокими декоративными свойствами, хорошо обрабатывается, используется в виде строганого шпона (особенно ценится шпон из капов), идет на ложи охотничьих ружей и другие изделия.

Стандартизация размеров сортиментов.

В 1960 г. вместо большого количества ранее действовавших стандартов были созданы только 2 стандарта на круглые лесоматериалы лиственных (ГОСТ 9462) и хвойных (ГОСТ 9463) пород по возможности с унифицированными, требованиями к качеству и размерам продукции лесозаготовок. Эти стандарты в литературе получили название уни­фицированных. С учетом опыта применения указанных стандартов, а также результатов научных исследований, унифицированные ГОСТы были уточнены. В результате около 90...95 % общего объема деловой древесины заготавливается по двум стандартам: ГОСТ 9462 «Лесоматериалы круглые лиственных пород. Размеры и технические условия» и ГОСТ 9463 «Лесоматериалы круглые хвойных пород».

Лесоматериал определенного установленного назначения называют сортиментом. Под качеством того или иного сортимента подразумевается совокупность свойств, удовлетворяющих определенным требованиям в соответствии с его назначением. Чем полнее сортимент удовлетворяет предъявляемым к нему ГОСТом требованиям, тем выше его качество.

В стандартах на различные виды круглых лесоматериалов отражаются следующие тех. требования к сортиментам: обязательно порода древесины, размеры, допуски и припуски к номинальным размерам, качество обработки, сорт, пороки древесины и их допускаемые размеры, технические свойства самой древесины (без пороков). Кроме того, ГОСТ 2292 (СТ СЭВ 813) регламентирует правила маркировки, сортировки, транспортирования, обмера, учета и приемки лесоматериалов. Хранение лесоматериалов производится согласно требованиям ГОСТ 9014.0.