Лекция № 1. Строение древесины

Невозможно назвать какую-нибудь отрасль промышленности, где не применялась бы древесина, невозможно указать такое местонахождение человека, где бы его не окружали изделия из древесины.

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, клеи, ядохимикаты, кормовые дрожжи, пищевые кислоты, глюкозу, упаковочные пленки, искусственную кожу, дубители, глицерин и т. д. Из хвои и листьев получают эфирные масла, лечебные экстракты, витаминную муку и другие продукты.

Древесина обладает и уникальными художественно-декоративными свойствами: она располагает всей гаммой цветов от белого до черного, имеет при соответствующей обработке блеск и текстуру. По сравнению с другими материалами ее легко обрабатывать. Она обладает гаммой эстетических свойств, создающих положительную ауру существования человека. Все это издавна привлекало внимание к древесине архитекторов, скульпторов, дизайнеров, прикладников, строителей.

Лекция № 1. Строение древесины

Растущие деревья имеют следующие составные части: корни, ствол, ветви, листья. Корневая система деревьев выполняет функции поставщика влаги и питательных веществ из почвы по стволу и ветвям к листьям. Кроме того, корни удерживают деревья в вертикальном положении. Через ветви влага поступает к листьям, в которых происходит процесс фотосинтеза – превращения лучистой энергии солнца в энергию химических связей органических веществ с поглощением из воздуха углекислого газа и выделением кислорода. Неслучайно лесные массивы называют легкими планеты. Продукты фотосинтеза от листьев передаются по ветвям в остальные части деревьев – ствол и корни. Таким образом, ветви выполняют роль каналов, по которым происходит обмен веществ между листьями и остальными частями дерева.

Хвойные породы деревьев – сосна, кедр, ель, лиственница – имеют узкие листья – хвою, а лиственные породы – широкие листья. Как правило, лиственные породы деревьев произрастают в основном в умеренных и южных широтах, а хвойные – в северных.

В зависимости от породы и климатических условий произрастания деревья имеют различную высоту и диаметр стволов. При этом они подразделяются на три категории. К первой относятся деревья первой величины, которые достигают высоты 20 м и более. Это ель, кедр, лиственница, сосна, береза, осина, липа, дуб, ясень, клен и др. В тропиках и субтропиках высота отдельных деревьев достигает 100 м и более.

Вторая категория включает деревья второй величины, имеющие высоту 10–20 м. Это, в частности, ива, ольха, рябина и др.

Третья категория – деревья третьей величины, высота которых равна 7–10 м. Это яблоня, вишня, можжевельник и др.

Диаметр ствола деревьев колеблется в основном от 6 до 100 см и более и зависит от породы, возраста деревьев и климатических условий произрастания. В отдельных случаях диаметр ствола деревьев может превышать 3 м – у дуба, тополя и некоторых других пород.

Дерево является анизотропным материалом.

Чтобы получить более полное представление о строении древесины, рассматривают три главных разреза ствола (рис.1):

1. поперечный (П);

2. радиальный (Р);

3. тангенциальный (Т).

Поперечным называется разрез, проходящий перпендикулярно оси ствола и направлению волокон и образующий торцевую плоскость. На поперечном разрезе ствола годичные слои имеют вид концентрических окружностей.

На поперечном разрезе ствола дерева можно видеть сердцевину, кору (пробковый слой) и древесину с годичными слоями. Различаются светлые, блестящие, направленные от сердцевины к коре линии – сердцевинные лучи. У одних пород они ярко выражены (дуб, бук), у других чуть заметны (сосна, липа и др.). В мозаичных работах особенно ценятся породы с ярко выраженными сердцевинными лучами.

Радиальный разрез – это продольный разрез, перпендикулярный торцевому и проходящий через сердцевину ствола по радиальному направлению вдоль волокон древесины. На радиальном разрезе сердцевинные лучи имеют вид продольных полос (ленточек) разной длины. Доски, полученные на радиальном разрезе довольно однородны по цвету и текстуре, межкольцевые размеры минимальны.

Тангенциальный разрез – это продольный разрез, проходящий на некотором расстоянии от сердцевины и по радиальному направлению вдоль волокон древесины по касательной к годичному слою. На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют вид извилистых конусообразных линий. Доски, полученные на тангенциальном разрезе, имеют ярко выраженную текстуру и насыщенный волнообразный рисунок годовых колец.

Рис. 1. Главные разрезы ствола дерева: П – поперечный, Р – радиальный, Т – тангенциальный
а	б	в
Рис. 2. Текстура на: а) поперечном; б) радиальном; в) тангенциальном разрезах древесины (сосна)

По этим трем направлениям различаются как свойства материала, так и эстетические особенности его строения. Это надо учитывать дизайнеру при создании деревянных изделий (обычный и инкрустированный паркет, деревянная скульптура, поделки из дерева и др.).

Древесина на указанных разрезах имеет различный вид и неодинаковые свойства. У каждой породы на разрезах ствола наблюдается характерный рисунок, который принято называть текстурой (рис. 2). Текстура зависит, прежде всего, от характера годичных колец, наличия сердцевинных лучей и строения волокон.

Большое влияние на текстурный рисунок оказывает красящий пигмент, а также разница в цвете ранней и поздней древесины. Особенно это заметно на тангенциальном разрезе. Выразительность текстуры зависит от ширины годичных колец (ярко проявляется у каштана, белой акации, тополя). Иногда разница в ширине годичных колец сочетается с их своеобразным волнистым строением.

Древесину получают при разделке стволов деревьев после удаления веток. При этом выход древесины составляет 90 и более процентов объема ствола дерева.

В лесной промышленности России основным объектом заготовки являются стволы деревьев, а ветки и сучья сжигаются или идут на дрова. В Канаде, Швеции и Финляндии в переработку идут все составные части деревьев, поэтому потери древесины там минимальны, а выход бумаги, картона и прочего – максимальный.

При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердцевинные повторения.

У молодых деревьев всех пород древесина состоит только из заболони. Затем по мере роста живые элементы вокруг сердцевины отмирают, а влагопроводящие пути закупориваются, и в них происходит постепенное накапливание экстрактивных веществ – смол, таннидов, красящих веществ. У некоторых деревьев – сосны, дуба, яблони и других – центральная зона ствола приобретает темную окраску. Такие деревья называют ядровыми.У других деревьев окраска центральной зоны и заболони ствола одинакова. Они называются безъядровыми.

Безъядровые деревья подразделяются на две группы: спелодревесные(липа, пихта, бук, ель), у которых влажность в центральной части ствола меньше, чем в периферийной, и заболонные,у которых влажность по поперечному сечению ствола одинакова (береза, клен, каштан и др.). Причем масса заболонной древесины уменьшается от вершины к комлю, а также с увеличением возраста дерева.

Возраст деревьев можно определить по числу годовых слоев, которые нарастают по одному в год. Эти слои хорошо видны на поперечном срезе ствола. Они представляют собой концентрические слои вокруг сердцевины. Причем каждое годовое кольцо состоит из внутреннего и наружного слоя. Внутренний слой формируется весной и в начале лета. Он называется ранней древесиной.Наружный слой образуется к концу лета. Ранняя древесина имеет меньшую плотность, чем поздняя, и более светлый цвет. Ширина годовых слоев зависит от ряда причин: во–первых, от погодных условий в течение периода вегетации; во–вторых, от условий произрастания дерева; в–третьих, от породы.

На поперечном срезе деревьев можно увидеть сердцевинные лучи, идущие от центра ствола к коре. У лиственных пород они занимают до 15 % объема древесины, у хвойных – 5–6 %, причем, чем больше их количество, тем хуже механические свойства древесины. Ширина сердцевинных лучей колеблется от 0,005 до 1,0 мм в зависимости от породы деревьев.

Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных тем, что в ней имеются клетки, вырабатывающие и хранящие смолу. Эти клетки группируются в горизонтальные и вертикальные смоляные ходы. Длина вертикальных ходов колеблется в пределах 10–80 см при диаметре около 0,1 мм, а горизонтальные смоляные ходы тоньше, но их очень много – до 300 штук на 1 см².

Химический состав древесины зависит частично от ее состояния. Древесина свежесрубленных деревьев содержит много воды. Но в абсолютно сухом состоянии древесина состоит из органических веществ, а неорганическая часть составляет всего лишь от 0,2 до 1,7 %. При сгорании древесины неорганическая часть остается в виде золы, которая содержит калий, натрий, магний, кальций и в небольших количествах – фосфор и другие элементы.

Органическая часть древесины всех пород имеет примерно одинаковый элементный состав. Абсолютно сухая древесина содержит в среднем 49–50 % углерода, 43–44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1–0,3 % азота. Лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, экстрактивные вещества – смола, камедь, жиры, танниды, пектины и другие – составляют органическую часть древесины.

У хвойных пород в органической части больше целлюлозы, а у лиственных – пентозанов. Целлюлоза является главной составляющей клеточных стенок растений, причем она же обеспечивает механическую прочность и эластичность растительных тканей.

Как химическое соединение целлюлоза представляет собой полиатомный спирт. При обработке целлюлозы кислотами происходит ее гидролиз с образованием простых и сложных эфиров, которые используют для производства пленок, лаков, пластмасс и др. Кроме того, при гидролизе целлюлозы образуются сахара, из которых получают этиловый спирт путем их сбраживания. Древесная целлюлоза является ценным сырьем для выработки бумаги. Другой компонент органической части древесины – гемицеллюлоза – представляет собой полисахариды высших растений, которые входят в состав клеточной стенки. В процессе переработки целлюлозы получается лигнин – аморфное полимерное вещество желто–коричневого цвета. Наибольшее количество лигнина – до 50 % – образуется при переработке древесины хвойных пород, а из древесины лиственных пород выход его составляет 20–30 %.

Очень ценные продукты получают при пиролизе древесины – сухой перегонке без доступа воздуха при температуре до 550 °C – древесный уголь, жижку и газообразные продукты. Древесный уголь используют при выплавке цветных металлов, в производстве электродов, медицине, в качестве сорбента для очистки сточных вод, промышленных отходов и для других целей. Из жижки получают такие ценные продукты, как антиокислитель бензина, антисептики – креозот, фенолы для производства пластмасс и пр.

В органической части древесины хвойных пород имеются смолы, которые содержат терпены и смоляные кислоты. Терпены являются основным сырьем для получения скипидара. Живица, выделяемая хвойным деревом, служит в качестве сырья для получения канифоли.

В процессе переработки древесины получают экстрактивные вещества, в том числе дубильные, применяемые для выделки кож – дубления. Основную часть дубильных веществ составляют танниды – производные многоатомных фенолов, которые при обработке кож взаимодействуют с их белковыми веществами и образуют нерастворимые соединения. В результате кожи приобретают эластичность, стойкость к загниванию и не набухают в воде.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: