Тема 2 Физическое состояние древесины

8. Физические и физико-химические свойства древесины
8.1. Гетерокапиллярная структура
Древесина
представляет
собой
гетерокапиллярную
систему.
Капиллярные пространства бывают 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 породы древесины.
К капиллярным пространствам второго порядка относятся
пространства между фибрилами, микрофибрилами и внутри микрофибрил.
Их линейные размеры колеблются от 10 до 100 А и зависят от многих
факторов: условий произрастания, возраста древесины, ее влажности и т.д.
Капиллярных пространств первого порядка 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.
8.2. Плотность и пористость
Различают два показателя плотности: истинную плотность
древесного вещества и плотность 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 древесины меньше плотности древесинного вещества, так
как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства,
заполненые воздухом). Относительный объём полостей, заполненных
воздухом, характеризует пористость древесины. Пористость древесины С
показывает относительное содержание внутренних пустот в древесине в
процентах от объема абсолютно сухой древесины и вычисляется по формуле:

C  100(1  ) ,
d
где
ρ – плотность древесины;
d – истинная плотность древесного вещества.
Пористость древесины колеблется в пределах от 50 до 80 %.
-1-
Плотность древесины зависит от: породы, пористости, влажности,
возраста дерева, местонахождения образца, от соотношения поздней и
ранней древесины и т.д.
Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности
W < Wпредела насыщения волокон клеточных стенок плотность изменяется незначительно, а
при увеличении влажности выше Wпредела насыщения клеточных стенок наблюдается
значительный рост плотности древесины.
Плотность абсолютно сухой древесины ρ0 равна:
ρ0 =
где
m0 – масса древесины при W=0 %;
V0 – объём древесины при W=0%.
Плотность влажной древесины:
ρw =
где
, кг/м3
, кг/м3
mw – масса древесины при влажности W %;
Vw – объём древесины при влажности W %.
Базисная плотность древесины ρb:
, кг/м3
ρb =
где
m0 – масса абсолютно сухого образца древесины при W=0 %, кг;
Vmax – объём древесины при влажности, равной или выше предела
насыщения клеточных стенок, м3.
Этот основной показатель плотности, который не зависит от
влажности, широко используется для оценки качества сырья в
деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других
случаях.
Так как объем внутренних пустот в древесине составляет от 50 до 80 %,
то плотность древесины не превышает 1000 кг/м3. По величине плотности
древесины отечественные породы можно разделить на 3 группы (при 12 %
влажности):
1. Породы малой плотности - менее 540 кг/м3 (ель, сосна, кедр, пихта,
осина, ива, липа, тополь).
2. Породы средней плотности - от 540 до 740 кг/м3 (лиственница, тис,
береза, бук, дуб, клен).
3. Породы высокой плотности - более 740 кг/м3 (самшит, акация, граб).
-2-
Плотность ветвей выше, чем древесины ствола, а плотность корней
ниже, это характерно для лиственной древесины вследствие большого
количества сосудов. Средняя плотность коры выше плотности
соответствующей древесины, что связано с высокой плотностью луба по
сравнению с плотностью корки.
8. 3. Электрические свойства
Электропроводность древесины характеризуется ее сопротивлением
прохождению электрического тока. Электропроводность древесины зависит
от породы, температуры, направления волокон и ее влажности.
Электропроводность
сухой
древесины
незначительна.
Удельное
сопротивление абсолютно сухой древесины сосны вдоль волокон составляет
1,8·1015 Ом·см, поперек -2,3·1015 Ом·см. С увеличением влажности
электропроводность древесины возрастает.
Электрическое сопротивление древесины вдоль волокон меньше в
несколько раз, чем поперек волокон. Повышение температуры древесины
приводит к уменьшению ее сопротивления до величины примерно в два раза.
Электропроводность древесины хвойных пород выше, чем лиственных,
вследствие содержания экстрактивных веществ, являющихся электролитами
(смоляные кислоты).
8.5. 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 гигроскопичным материалом и для нее
различают два показателя:
• относительная влажность (влажность) - содержание воды в
древесине, отнесенное к массе влажной древесины.
• абсолютная влажность (влагосодержание) - содержание воды в
древесине, отнесенное к массе абсолютно сухой древесины.
Условно приняты следующие степени влагосодержания древесины:
1. Абсолютно-сухая – 0 % (достигается высушиванием при 105°С до
постоянной массы).
2. Комнатно-сухая - 8-12 %.
3. Воздушно-сухая -15-20 % (зависит от влажности воздуха).
-3-
4. Свежесрубленная - 35-100 % (зависит от породы, времени рубки,
условий произрастания и т.д.).
5. 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.
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 приходится 20-25 % влагосодержания.
2. Образование водородных связей за счет гидроксилов целлюлозы и
гемицеллюлоз
с
образованием
моноили
полимолекулярных
ориентированных слоев молекул воды. Эта влага удаляется трудно и
влагосодержание равное нулю не достигается даже сушкой древесины в
вакууме. На долю этого фактора относят остальные 5 % влагосодержания.
Способность древесины впитывать капельно-жидкую влагу называют
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.
-4-
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. Что обусловлено процессами конденсации
компонентов древесины при интенсивном нагреве с их гидрофобизацией.
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 определяют прямыми и косвенными методами.
Прямыми методами являются:
• высушивание при температуре 105 °С до постоянной массы.
• отгонка воды с неполярным органическим растворителем.
• титрование реактивом Фишера.
Косвенные методы основаны на измерении показателей, связанных с
влажностью. Одним из таких показателей является электропроводность.
Проницаемость древесины для воды и водных растворов называется
водопроницаемостью. Этот показатель сильно зависит от породы древесины
-5-
и направления движения воды. Водопроницаемость вдоль волокон для
лиственных пород в 3-10 раз превышает этот показатель для хвойных, в связи
с наличием в лиственных породах большого количества водопро-водящих
элементов - сосудов. Поперек волокон водопроницаемость в десятки раз
меньше чем вдоль. Водопроницаемость древесины заболони выше чем у
ядровой древесины.
Под газопроницаемостью понимается способность прохождения газов через древесину при избыточном давлении, под газопоглощением – при
атмосферном. Зависимость этих показателей от внешних условий аналогична
зависимостям, описанным для водонепроницаемости.
-6-