Древесина что это в химии

Химический состав древесины

Древесина (абсолютно сухая) в основном состоит из трех химических элементов: углерода — 49,5%; кислорода — 44,2;

Целлюлозу из древесины можно получить, отделив ее от лигнина и гемицеллюлозы. Отделение целлюлозы от этих веществ основано на ее высокой стойкости к химическим соединениям и в частности к растворам кислот и щелочей, в которых менее стойкие лигнин и гемицеллюлоза переходят в раствор. Древесную щепу варят в котлах в кислотной (сульфитный способ) или щелочной (сульфатный способ) среде при высокой (135-175°С) температуре и высоком (0,5МПа) давлении. После нескольких часов варки целлюлозу промывают, очищают, отбеливают. Целлюлоза исходный материал для производства бумаги, ваты, искусственных волокон (вискозный шелк, штапель), искусственных мехов и кожи, фотои кинопленок, лаков, целлофана, пластмасс, пороха и других материалов.

Гемицеллюлозу и лигнин, перешедшие в раствор при варке, после дальнейшей химической и гидролизной переработки используют для получения этилового спирта, кормовых дрожжей, углекислоты, сухого льда, ванилина, фурфурола. Этиловый спирт является основным сырьем для получения искусственного каучука, уксуса, эфира.

Смола находится в стволе хвойных пород, имеет слабую связь с тканью древесины и сравнительно легко извлекается. Извлечение смолы выполняют либо подсочкой растущего дерева, либо экстракцией сильно осмоленной древесины. При подсочке делают поверхностные раны на стволе живого дерева, из которых вытекает смола живица. В результате переработки живицы получают канифоль и скипидар. При экстракционной переработке древесины смолистые вещества сначала растворяют в бензине, а затем полученный экстракт разгоняют на канифоль и скипидар.

Канифоль используется для получения мыла, изготовления лаков, красок, линолеума, эфиров, а также применяют во многих отраслях (кабельной, кожевенной, нефтяной, резиновой) промышленности. Скипидар используют в медицине, применяют как растворитель для лаков и красок, а также как сырье для производства других продуктов.

Дубильные вещества танниды получают из измельченной древесины и коры экстрагированием горячей водой. Их используют в кожевенной промышленности для дубления кож, придавая ей гибкость, мягкость стойкость к гниению и набуханию. Танниды растворяются в спирте и воде; при соединении с солями различных металлов они могут образовывать красители различных оттенков от светло-желтых до иссиня-черных, применяемых для глубокого крашения древесины.

Источник

Древесина

Ксилема (от греч. xýlon — дерево), сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли; часть проводящего пучка, образующаяся из прокамбия (См. Прокамбий) (первичная Д.) или камбия (См. Камбий) (вторичная Д.). Она составляет основную массу ствола, корней и ветвей древесных растений.

Физиологические и анатомические особенности Д. Форма и величина клеток, слагающих Д., различны и зависят от их функций. Д. содержит проводящие, механические и запасающие элементы. Строение Д. типично для родов, а иногда и для видов древесных растений. При изучении Д. и её свойств пользуются 3 главными разрезами, а для микроскопического изучения — срезами: поперечным, тангенциальным (тангентальным) и радиальным (рис. 1). По мере роста деревьев внутренняя, наиболее старая Д. ствола отмирает. Проводящие элементы Д. постепенно закупориваются: сосуды — так называемыми тиллами, трахеиды — торусами их окаймлённых пор. Проводящая и запасающая системы перестают функционировать, содержание в Д. воды, крахмала, отчасти жиров уменьшается, количество смол, дубильных веществ повышается. У ядровых пород (сосна, лиственница, дуб) центральная часть Д. отличается по окраске и называется ядром, периферическая зона называется Заболонью. У спелодревесных пород (ель, липа) периферическая часть отличается от центральной меньшей влажностью (такая Д. называется спелой). У заболонных пород (клён, берёза) центральная часть ничем не отличается от периферической. Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашивается темнее (главным образом под влиянием грибов) и образуется так называемое ложное ядро.

В Д. большинства двудольных и всех хвойных растений можно различить кольца прироста, или Годичные кольца, и радиальные, или сердцевинные, лучи. Внутри одного кольца прироста различают раннюю (весеннюю) и позднюю (летнюю) зоны, часто называющиеся соответственно ранней и поздней Д. По радиальным лучам питательные вещества передвигаются в места их отложения. Размеры и соотношение элементов, слагающих Д., изменяются в зависимости от условий произрастания и положения Д. в стебле. В неблагоприятных условиях (избыточное увлажнение, недостаток воды в почве, сильное затенение, объедание листьев насекомыми) образуются узкие слои прироста. Д. двудольных растений слагается из следующих типов клеток: члеников сосудов (трахей), трахеид (См. Трахеиды), механических волокон (Либриформа), древесинной паренхимы (См. Паренхима) и ряда др. элементов — переходных форм между ними (рис. 2). Комбинации в размерах и расположении элементов Д. (например, диаметр сосудов у различных пород варьируют от 0,0015 мм у самшита и аралии до 0,5 мм у дуба) создают разнообразие её структуры (рис. 3): рассеянно-сосудистая — по всему кольцу прироста сосуды почти равного диаметра, число их в ранней и поздней зонах почти одинаково (берёза, клён); кольцесосудистая — диаметр сосудов в ранней зоне кольца значительно больший, чем в поздней (дуб, вяз, маклюра). Сосуды могут быть расположены одиночно (дуб) или группами (ясень, берёза, осина), образуя в этом случае в местах соприкосновения окаймлённые поры. Трахеиды в этом случае утрачивают в процессе эволюции водопроводящую функцию и заменяются волокнами либриформа (Д. ясеня, например, состоит из сосудов, древесинной и лучевой паренхимы и волокон либриформа). Д. различается также по характеру соединения члеников сосудов, форме перфорации (простая, лестничная и т.д.), её расположению, форме членика, высоте и ширине сердцевинного луча и форме его клеток. Д. голосеменных, в том числе хвойных, состоит только из трахеид (сосуды отсутствуют), небольшого количества древесинной паренхимы и сердцевинных лучей. У одних родов (кипарис, можжевельник) сердцевинные лучи (гомогенные) состоят из одинаковых паренхимных клеток; у др. (сосна, ель, лиственница) в гетерогенных лучах имеются также и лучевые трахеиды, проходящие вдоль луча (рис. 4). Строение луча, форма клеток, число и размеры их пор имеют важное значение при определении породы дерева. У некоторых родов (сосна, ель, дугласова пихта и лиственница) в Д. имеются смоляные ходы.

Химический состав Д. Абсолютно сухая Д. всех пород в среднем содержит (в %): 49,5 углерода; 6,3 водорода; 44,1 кислорода; 0,1 азота. В Д. на долю оболочек клеток приходится около 95% массы. Главные составные части оболочек — целлюлоза (43—56%) и лигнин (19—30%), остальные: гемицеллюлозы, пектиновые вещества, минеральные вещества (главным образом соли кальция), небольшое количество жиров, эфирных масел, алкалоидов, гликозидов и т.п. Для всех клеток Д. характерно одревеснение — пропитывание оболочек лигнином. Существует более 70 реакций на одревеснение (например, флороглюцин с концентрированной соляной кислотой даёт малиновое окрашивание). Д. некоторых деревьев содержит дубильные вещества (квебрахо), красители (кампешевое дерево, сандал), бальзамы, смолы, камфору и т.д.

Физические свойства Д. характеризуются её внешним видом (цвет, блеск, текстура), плотностью, влажностью, гигроскопичностью, теплоёмкостью и др. Д. как материал используют в натуральном виде (Лесоматериалы, пиломатериалы), а также после специальной физико-химической обработки (см. Древесные материалы). Важное декоративное свойство и диагностический признак — цвет Д., характеристики которого изменяются в широких пределах (цветовой тон 578—585 нм, чистота цвета 30—60%, светлота 20—70%). Блеск наблюдается у Д. некоторых лиственных пород, особенно на радиальном разрезе. Текстура — рисунок Д., образующийся при перерезании анатомических элементов, — особенно эффектна у лиственных пород.

Д. содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу. Влажность Д.

где W — влажность в %, m— начальная масса образца, m₀ — масса образца в абсолютно сухом состоянии. Пределом гигроскопичности (точкой насыщения волокна) называется состояние, при котором в Д. содержится максимальное количество связанной (гигроскопической) влаги, а свободная влага отсутствует. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности W_пг при t 20°С, составляет в среднем 30%. На большинство свойств Д. оказывает влияние изменение содержания связанной влаги. При достаточно длительной выдержке Д. приобретает равновесную влажность W_p, которая зависит от влажности φ и температуры t окружающего воздуха (рис. 5). Уменьшение содержания связанной влаги вызывает сокращение линейных размеров и объёма Д. — усушку. Усушка

где У_w — усушка в %, а_пг — размер (объём) образца при пределе гигроскопичности, a_w — размер (объём) образца при данной влажности W в диапазоне 0—W_пг. Полная (при удалении всей связанной влаги) усушка в тангенциальном направлении для всех пород 6—10%, в радиальном направлении 3—5%, вдоль волокон 0,1—0,3%; полная объёмная усушка 12—15%.

При увеличении содержания связанной влаги, а также поглощении Д. др. жидкостей происходит разбухание — явление, обратное усушке. Вследствие разницы значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или увлажнении) наблюдается поперечное коробление пиломатериалов и заготовок. Продольное коробление наиболее заметно у пиломатериалов с пороками строения Д. В процессе сушки Д. из-за неравномерного удаления влаги и анизотропии (См. Анизотропия) усушки возникают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию пиломатериалов и круглых лесоматериалов. После камерной сушки из-за остаточных напряжений в Д. при механической обработке происходит изменение заданных размеров и формы деталей. Д. проницаема для жидкостей и газов, особенно лиственной породы по заболони и вдоль волокон.

Плотность древесинного вещества у всех пород одинакова (т.к. одинаков их химический состав) и примерно в 1,5 раза больше плотности воды. Плотность Д. из-за наличия полостей меньше и колеблется в значительных пределах в зависимости от породы, условий роста, положения образца Д. в стволе. Плотность Д. при данной влажности

где m_w и v_w — масса и объём образца при данной влажности W. С повышением влажности плотность Д. увеличивается. Часто для расчётов используют показатель, не зависящий от влажности, — условную плотность:

Удельная теплоёмкость Д. практически не зависит от породы и может быть найдена по диаграмме (рис. 6). Коэффициент теплопроводности λ зависит от температуры, влажности, породы (плотности), направления теплового потока и определяется по формуле λ = λ_ном ․ k_ρ ․ k_x, где λ_ном — номинальное значение коэффициента теплопроводности, а к_ρ и k_x — коэффициенты, учитывающие значение условной плотности ρ_усл и направление теплового потока в образце. λ_ном определяется по диаграмме (рис. 7), а некоторые значения коэффициентов k_ρ и k_x приведены в таблицах 1 и 2. Температурные деформации Д. значительно меньше усушки и разбухания и обычно в расчётах не учитываются.

Некоторые электрические и акустические свойства Д. приведены в таблице 3. Д. хвойных пород с малой плотностью (ель) обладает высокими резонансными свойствами и широко используется в музыкальной промышленности.

Таблица 1. — Коэффициент k_x

Таблица 2. — Коэффициент к_ρ

Механические свойства Д. наиболее высоки при действии нагрузок вдоль волокон; в плоскости поперёк волокон они резко снижаются. В таблице 4 даны средние показатели свойств Д. некоторых пород при W = 12%. С увеличением влажности до W_пг показатели уменьшаются в 1,5—2 раза. Модуль упругости вдоль волокон составляет 10—15 Гн/м 2 (100—150 тыс. кгс/см 2 ), а поперёк в 20—25 раз меньше. Коэффициент поперечной деформации для разных пород и структурных направлений находится в пределах от 0,02 до 0,8.

Способность Д. деформироваться под нагрузкой во времени, характеризующая её реологические свойства, резко повышается с увеличением влажности и температуры. Прочность при длительных нагрузках снижается. Например, предел долговременного сопротивления при изгибе составляет 0,6—0,65 от предела прочности при стандартных испытаниях на статический изгиб. При многократных нагружениях наблюдается усталость Д., предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от статического предела прочности.

Испытания Д. с целью определения показателей физико-механических и технологических свойств проводят на малых чистых (без пороков) образцах. Испытаниям подвергают серии образцов, а результаты опытов обрабатывают методами вариационной статистики. Все показатели приводят к единой влажности — 12%. На большинство методов испытаний разработаны стандарты, устанавливающие форму и размеры образцов Д., процедуру экспериментов, способы вычисления показателей её свойств. Д. отличается сильной изменчивостью свойств, поэтому при использовании Д. в качестве конструкционного материала особенно важно применение неразрушающих методов поштучного контроля прочности пиломатериалов, основанных, например, на связи между прочностью Д. и некоторыми её физическими свойствами. На свойства Д. влияют Пороки древесины (сучки, гнили, наклон волокон, крень и др.).

При оценке свойств Д. как конструкционного и поделочного материала учитывают её способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы), износостойкость, способность к загибу некоторых лиственных пород.

Д. имеет высокие значения коэффициента качества (отношение предела прочности к плотности), хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам, легко обрабатывается и позволяет изготовлять детали сложной конфигурации, надёжно соединяется в изделиях и конструкциях с помощью клея, обладает высокими декоративными свойствами. Однако наряду с положительными свойствами натуральная Д. обладает рядом недостатков: размеры и форма деталей изменяются при колебаниях влажности. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации (повышенная влажность Д., умеренно высокая температура воздуха, контакт с влажной почвой, конденсация влаги на элементах конструкций и т.д.) Д. загнивает. Гниение представляет собой процесс разрушения Д. в результате жизнедеятельности поселяющихся на ней грибов. Для защиты от загнивания Д. пропитывают антисептиками (см. Антисептические средства). Д. может также повреждаться насекомыми, для защиты от которых используют Инсектициды. Ввиду сравнительно малой огнестойкости Д. при необходимости пропитывают антипиренами (См. Антипирены).

Народнохозяйственное значение Д. Как конструкционный материал Д. широко применяется в строительстве (деревянные конструкции, столярные детали), на ж.-д. транспорте и линиях связи [шпалы, опоры линий электропередач (ЛЭП)], в горной промышленности (крепь), в машино- и судостроении, в производстве мебели, музыкальных инструментов, спортинвентаря; как сырьё в целлюлозно-бумажной промышленности и для др. видов химической переработки (например, гидролиз, сухая перегонка), а также как топливо. О заготовке Д. см. в ст. Лесозаготовки.

Таблица 3. — Электрические и акустические свойства древесины

Таблица 4. — Плотность и механические свойства малых чистых (без пороков) образцов древесины при влажности 12%

Лит.: Ванин С. И., Древесиноведение, 3 изд., М.—Л., 1949; Яценко-Хмелевский А. А., Основы и методы анатомических исследований древесины, М.—Л., 1954; Москалева В. Е., Строение древесины и её изменение при физических и механических воздействиях, М., 1957; Вихров В. Е., Диагностические признаки древесины главнейших лесохозяйственных и лесопромышленных пород СССР, М., 1959; Никитин Н. И., Химия древесины и целлюлозы, М.—Л., 1962; Древесина. Показатели физико-механических свойств, М., 1962; Уголев Б. Н., Испытания древесины и древесных материалов, М., 1965; Перелыгин Л. М., Древесиноведение, 2 изд., М., 1969; Леонтьев Н. Л., Техника испытаний древесины, М., 1970; Уголев Б. Н., Деформативность древесины и напряжения при сушке, М., 1971.

Рис. 1. Основные части ствола и его главные разрезы: 1 — поперечный; 2 — радиальный; 3 — тангенциальный.

Рис. 2. Типы клеток, слагающих древесину: а — древесинная паренхима; б — трахеиды; в — членики сосудов (трахей); г — волокна либриформа; д — клетки гетерогенного сердцевинного луча хвойного дерева; е — клетки гетерогенного сердцевидного луча лиственного дерева.

Рис. 3. Схема расположения сосудов древесины на поперечном сечении годичного кольца: 1 — клёна (рассеянно-сосудистая); 2 — вяза (кольцесосудистая).

Рис. 4. Участки срезов древесины сосны: 1 — поперечного; 2 — радиального; 3 — тангенциального; а — граница годичного кольца; б — поздняя древесина; в — ранняя древесина: г — новый ряд вклинивающихся трахеид; д — гетерогенный сердцевинный луч, состоящий из лучевых трахеид (е) с мелкими окаймленными порами и паренхимных клеток с большими окновидными порами (ж); з — смоляной ход (хорошо видны выстилающие его эпителиальные клетки); и — клетки паренхимы, окружающие смоляной ход; к — окаймленные поры; л — сердцевинный луч с горизонтальным смоляным ходом.

Рис. 5. Зависимость равновесной влажности древесины W_p от влажности φ и температуры t воздуха.

Рис. 6. Зависимость удельной теплоёмкости древесины С от температуры t и влажности W.

Рис. 7. Зависимость коэффициента теплопроводности древесины λ_ном от температуры t и влажности W.

Источник

Древесина: характеристики вещества

Отправим материал на почту

Древесина – популярный природный материал, который давно присутствует в быту человека. Вещество представляет собой сложное соединение органических компонентов, позволяющее создавать мебель, возводить сооружения или обогревать дома. Чтобы правильно использовать ресурс, надо разобраться в характеристиках сырья.

Общие сведения

Древесиной называют природный материал, который состоит из плотно прилегающих растительных клеток. Из-за физических особенностей у вещества упругая, плотная структура. Благодаря входящей в состав целлюлозе дерево очень крепкое и прочное.

Древесина отлично удерживает тепло. Между клетками есть пустоты, которые накапливают энергию. Ресурс противодействует динамическим и статическим нагрузкам, при этом остается легким. При сжатии вдоль волокон по прочности вещество не уступает цементу.

Древесину легко обрабатывать. Сырье можно резать, пилить, склеивать и спрессовывать под давлением. В материале удерживаются твердые крепления (скобы, гвозди). Из дерева создают как долговечные сооружения, так и декоративные изделия.

Из-за клеточного строения древесина может «дышать». Постоянный воздухообмен позволяет поддерживать благоприятный микроклимат внутри помещений. Из-за присутствия в составе масел и смол у сырья есть специфический аромат. Вещества помогают дереву бороться с разрушением тканей.

Декоративность и ценность древесины часто зависят от породы растения. Все сорта делят на две большие группы – хвойных и лиственных. Дополнительно выделяют однодольные культуры, к которым относят бамбук и пальмы.

Из-за особенностей строения древесина легко горит, во влажных условиях – гниет. У материала есть много пороков, которые снижают сортность и ограничивают применение. Из-за высокой гигроскопичности вещество набухает, коробится или трескается. Последствия недостатков минимизируют изменением условий эксплуатации и специальной защитой при обработке.

Строение материала

Древесина – это внутренняя часть ствола, расположенная под корой и освобожденная от корней и веток. Пористые волокнисто-слоистый ресурс состоит из многочисленных клеток. За счет плотного прилегания мелкие частицы создают непрерывный слой ткани.

Внутренние стенки клеток содержат органические соединения. Среди основных компонентов выделяют:

В процессе роста через корни в древесину поступают минеральные вещества, которые после сгорания станут золой. Экстрактивные элементы входят в состав эфирных масел, придают материалу аромат, вкус и цвет, предупреждают гниение. Клетки дерева собираются в части, создавая структуру сырья.

В поперечных элементах у лиственных видов располагаются лучи сердцевинные, по которым перемещаются и накапливаются питательные вещества. Вещества окрашены светлее или темнее основного материала. У разных пород деревьев свой уникальный текстурный рисунок.

У хвойных видов в сырье есть горизонтальные и вертикальные ходы, по которым движется живица. Смоляные компоненты защищают дерево от гниения, снижают показатели поглощения влаги. Параметры ограждают древесину от разрушения, не влияя на внешний вид и прочность.

Свойства вещества

Характеристики материала зависят от физических и химических особенностей. В пределах одной породы параметры изменяются из-за условий роста, уровня влажности и методов обработки. Среди основных показателей выделяют 6 свойств древесины.

Текстура

Естественный рисунок состоит из анатомических компонентов дерева, которые можно увидеть при распиливании. Чем сложнее структура растения, тем роскошней текстура. Узоры определяют декоративные свойства материала, что важно при создании строительной отделки и фасадов мебели.

Параметр помогает определить породу дерева, варьируется в пределах от почти белого до черного. За многообразие оттенков отвечают дубильные и красящие компоненты, расположенные в межклеточном пространстве сырья. Интенсивность цвета зависит от возраста и периода рубки. Изменение тона может быть связана с болезнью и условиями развития.

Влажность

В живом растении содержится до 115% влаги. Жидкость расположена в полостях клеток, сосудах, входит в состав химических элементов в древесине. При долгом нахождении на воздухе срезанный материал постепенно сохнет, достигая 18%. Уменьшение или увеличение влажности влияет на параметры прочности и формы, изменяет плотность и теплопроводность.

Твердость

От свойства зависит износоустойчивость древесины и предрасположенность к обработке. При вдавливании компонент противостоит более твердому телу (железу). Чем выше характеристика, тем тверже материал. Крепкое сырье трудно пилить и резать, что усложняет производство. На параметр влияют порода дерева, условия произрастания и период заготовки.

Прочность

Свойство отвечает за способность древесины сопротивляться к механическим повреждениям. Характеристика зависит от вертикальных статических нагрузок, которые могут разрушать структуру. На параметры влияют технические особенности породы, связанная в тканях жидкость и пороки.

Предрасположенность к деформации

Древесина при потере влаги может усыхать, уменьшаясь в размерах или разбухать, увеличиваясь. Свойства зависят от природных характеристик растения и окружающей среды (влажность, жара, морозы). При неравномерной деформации в разных частях сырья возникает внутреннее напряжение, которое завершается короблением и растрескиванием.

Механические свойства определяют эксплуатационные характеристики древесины. Благодаря упругости вещество после нагрузок возвращается в первоначальное состояние. Структура материала может под сильным давлением деформироваться, поэтому определяют предел выносливости для разных пород.

Пороки сырья

Физические особенности или недостатки сырья ухудшают эксплуатационные характеристики. Специфические природные изъяны возникают на стадии развития растения или из-за действий вредителей, болезней. Пороки снижают качество древесины и ограничивают возможность эксплуатации.

Сучки – остатки ветвей, заключенные в ткани. У дефектов собственная система цикличных кругов, которая более твердая и темная, чем остальной материал. Недостатки нарушают естественную целостность и однородность древесины, искривляя волокна и ухудшая внешний вид текстуры. За счет разрушения структуры уменьшается прочность и усложняется обработка.

Разрывы между тканью называют трещинами. Пороки возникают как в растущем дереве, так и в подготовленном материале. У живых экземпляров дефекты появляются при активной вегетации или во время сильных морозов. Недостатки нарушают целостность ресурса, ухудшают внешний вид и уменьшают прочность. В появившуюся щель попадает жидкость, которая способствует развитию болезней и гнили. Во время обработки изъяны удаляют, что увеличивает объем отходов.

К недостаткам строения дерева относят неравномерное изменение ствола. Сужение, расширение и кривизна негативно влияют на декоративность и прочность готового материала. Дефекты часто обнаруживают на стадии роста, отбраковывают сырье или переносят в более низкий сорт.

Пороки могут появиться во время переработки. Остатки коры на кромке древесины ограничивают сферу эксплуатации и уменьшают выход сырья. Торчащие волокна, волнистость на поверхности вещества возникают при ошибках в обработке. Причинами недостатков становится:

При нарушении технологии в срубленной древесине изменяется цвет. Химическая окраска возникает при окислении дубильных элементов внутри материала, проникая на глубину до 5 мм. Порок не опасен для прочности и устойчивости к износу, но негативно влияет на блеск и природную текстуру.

Коробление происходит при нарушениях условий хранения. Во время перевозки, сортировки или заготовки часто появляются инородные элементы и механические повреждения. Все пороки снижают внешний вид и характеристики сырья.

Заключение

Древесина – практичный материал, который используют при возведении зданий, отделке внутренних помещений и создании предметов интерьера. Возобновляемый ценный ресурс стал незаменимым компонентом жизни человека в качестве бумаги, дров и поделок. Характеристики вещества влияют на прочность, устойчивость к износу и внешний вид будущего изделия.

Источник