Влияние структуры древесины на ее свойства: Плотность, пористость и проницаемость древесины
Свойства древесины во многом определяются ее структурой, которой присущ ряд отличительных особенностей. Древесина имеет волокнистую структуру, потому что основная масса клеток относится к прозенхимным. Чередование ранней и поздней древесины образует слоистую структуру древесины. Анатомические элементы и ткани древесины ориентированы определенным образом в стволе дерева (волокна, сосуды, лучевая и древесная паренхимы, вертикальные и горизонтальные смоляные ходы).
Приведенные особенности строения древесины обусловливают выделение в ней 3-х основных структурных направлений: аксиальное (вдоль волокон, т.е. параллельно оси ствола), радиальное (поперек волокон вдоль сердцевинных лучей, т.е. вдоль радиуса ствола) и тангенциальное (поперек волокон по касательной к границе между годичными кольцами, т.е. перпендикулярно сердцевинным лучам и радиусу ствола). Многие свойства древесины (набухание, прочность, проницаемость и др.) напрямую зависят от структурного направления, что делает древесину обычным анизотропным материалом, у которого в отличие от изотропного материала количественные характеристики таких свойств в каждом направлении разные. Иная важная особенность структуры древесины — это то что она является пористым материалом, т.е. материалом, в котором имеются пустоты (поры), не заполненные веществом самого материала. Суммарный объем этих пустот и их линейные размеры влияют на свойства пористых материалов.
Поверхность материала древесины гидрофильна, а поперечные размеры ее пустот меньше капиллярной постоянной воды (3,8 мм при 20°С). Капиллярная постоянная жидкости характеризует линейный размер, при котором и меньше которого становятся существенными капиллярные явления. Следовательно, при контакте древесины с водой должны наблюдаться капиллярные явления (капиллярная пропитка, капиллярная конденсация и др.), играющие важную роль не только в жизни дерева, но и в процессах переработки древесины.
Отсюда можно сделать вывод что структура древесины влияет на следующие свойства древесины: плотность древесины, пористость древесины и проницаемость древесины.
Плотность древесины является одной из важнейших ее характеристик как конструкционного материала и сырья для различных видов переработки. Она характеризует количество вещества в единице объема и равна отношению массы древесины к занимаемому ею объему в соответствующих единицах. В тех случаях, когда невозможно или трудно измерить объем древесины, определяют относительную плотность древесины. Относительная плотность древесины — безразмерная величина, так как она представляет собой отношение массы древесины к массе вытесняемой ею воды.
Плотность древесинного вещества рдв, т.е. масса единицы объема древесины, образующего клеточные стенки, примерно одинакова для древесины различных пород. Это обусловлено схожестью элементного состава, незначительной разницей плотности основных компонентов клеточной стенки и низкой зольностью древесины. При определении плотности древесинного вещества его массу определяют взвешиванием, а объем рассчитывают по разнице объема образца древесины и объема жидкости, заполнившей пустоты в этом образце. Среднее значение рдв для всех пород принято равным 1530 кг/м3. Следует отметить, что это значение получено при определении объема в воде. При использовании жидкостей, не вызывающих набухания клеточных стенок древесины, значение рдв снижается до 1440... 1460 кг/м3.
Плотность древесины, определяемая отношением массы образца древесины к его объему, зависит от ее пористости. Пористость древесины выражает относительный объем пустот в ненабухшей древесине, т.е. в древесине, не содержащей воды.
Для отечественных древесных пород пористость лежит в пределах от 40 до 77%. Пористость древесины обусловлена наличием в ее структуре полостей клеток, межклетников и неутолщившихся участков клеточных стенок (мембраны пор), пронизанных мельчайшими отверстиями. Сформировавшаяся клеточная стенка в ненабухшем состоянии имеет низкую пористость (<5%). Следовательно, при почти постоянном значении плотности клеточных стенок для разных пород плотность древесины будет связана с толщиной клеточных стенок. Для древесины хвойных пород она зависит также от соотношения ранней и поздней древесины. У древесины лиственных пород кроме толщины клеточных стенок важную роль играет относительный объем сосудов.
На плотность древесины также сильно влияет содержащаяся в ней вода. Во-первых, она увеличиваетмассу образца, а во-вторых, набухание клеточных стенок в воде вызывает изменение объема образца. Поэтому плотность древесины определяют либо при отсутствии воды, либо при ее определенной массовой доле в древесине. Полностью высушенные образцы активно поглощают пары воды из окружающего воздуха и в ряде случаев более удобно обращаться с образцами древесины, содержащими известное количество воды и находящимися в относительном равновесии с окружающей атмосферой. В технологических расчетах иногда используют базисную плотность древесины, представляющую собой отношение массы абсолютно сухого образца древесины к его объему в максимально набухшем состоянии. Такое состояние характерно для свежесрубленной древесины и древесины, находившейся длительное время в контакте с водой. В этом случае фактически определяют базисную относительную плотность; однако приравнивая 1 г вытесненной воды к объему 1 см3, превращают ее из безразмерной величины в величину, имеющую размерность.
Древесные породы характеризуются определенными значениями плотности древесины, на которые влияют условия произрастания. В зависимости от ботанического вида плотность древесины меняется в широких пределах. Например, для распространенных в России древесных пород плотность абсолютно сухой древесины изменяется от 350 кг/м3 у пихты сибирской до 920 кг/м3 у березы железной.
По плотности древесины при влажности 12% все отечественные породы делят на три группы: с малой плотностью (540 кг/м3 и меньше) — ель, пихта, сосна, сосна кедровая, тополь, осина, ива, липа, ольха; средней плотности (550...740 кг/м3) — лиственница, береза, бук, дуб, вяз, клен, ясень; высокой плотности (750 кг/м3 и более) — акация, граб, отдельные виды березы, дуба, ясеня. Необходимо отметить, что древесина хвойных пород, за исключением лиственницы и некоторых видов сосны, имеет низкую плотность.
Со структурой древесины тесно связано и такое свойство, как проницаемость жидкостями и газами. Проницаемость древесины характеризует ее способность пропускать жидкость или газы под давлением, что очень важно для процессов переработки древесины. Проницаемость древесины обусловлена существованием в древесине системы сообщающихся через поры полостей клеток и межклетников. Сухая клеточная стенка, как уже отмечалось, имеет низкую пористость, а ее компоненты или входят в кристаллические участки, или находятся в стеклообразном состоянии, что делает клеточную стенку практически непроницаемой для неполярных сред. В полярных жидкостях клеточные стенки сильно набухают и пористость их увеличивается. Для технологических целей наиболее важны водопроницаемость и газопроницаемость. Поскольку между этими характеристиками имеется хорошая корреляция, а испытания древесины на газопроницаемость требуют значительно меньше времени, то на практике для оценки проницаемости древесины часто определяют ее газопроницаемость.
Проницаемость древесины, оцениваемая массовой или объемной скоростью прохождения потока жидкости или газа через единицу площади поверхности образца древесины, максимальна в аксиальном направлении, т.е. вдоль волокон. У древесины лиственных пород она в несколько раз выше, чем у хвойных, так как совпадает с направлением сосудов. Проницаемость поперек волокон значительно меньше и на нее большое влияние оказывают сердцевинные лучи. Образование спелой и в особенности ядровой древесины снижает проницаемость, а у отдельных пород ядровая древесина становится водонепроницаемой.
Загрузка ...