Из чего состоит древесина — познаем изначальное. Рассмотрен состав древесины и ее содержимое.
Рассмотрим подробнее, из чего состоит древесина. Древесина состоит из твердой части клеток, представляющих собой клетчатку такого состава: 49,5% углерода; 6,3% водорода; 44,2 % кислорода и азота (в том числе азота около 1%). В древесине имеются минеральные вещества, образующие после сжигания золу. Зола составляет 1-1,5% от веса древесины.
Составные части дерева и его строение
Древесина ядра отличается прочностью, плотностью и твердостью, а также большой сопротивляемостью к загниванию, чем заболонь, которая состоит из молодых клеток, отличающихся меньшей плотностью Древесины. Сокодвижение—перемещение воды с растворенными в ней питательными веществами — происходит по заболони. Толщина заболони зависит от породы дерева, его возраста и условий роста. Рост ядра с отмиранием клеток заболони превращается в Древесину ядра.У березы, бука, клена, осины и ольхи центр ствола имеет темную окраску, свидетельствующую о начальной стадии загнивания.
Эту часть ствола называют ложным ядром.Между заболонью и корой располагается тонкий слой живых клеток — камбий. В вегетационный период деление камбиальные клеток образует новые клетки древесины и коры. При этом дерево растет как в толщину, так и в длину. Кора состоит из наружного пробкового слоя и внутреннего лубяного.Наружный слой защищает дерево от атмосферных влияний и механических повреждений, внутренний передает вниз по стволу органические питательные вещества, выработанные в листьях кроны.У большинства хвойных пород в поперечном разрезе ствола различны годовые слои в виде концентрических окружностей. Ежегодно при нормальном росте образуется один годовой слой. Его толщина (в направлении радиуса) у разных древесных пород различна. Ранняя древесина годового слоя сердцевины отличается от поздней древесины, находящейся ближе к коре. Это объясняется ростом ранней древесины годового слоя весной и в начале лета. В это время в почве мало влаги и клетки ранней древесины рыхлые и светлые, обеспечивающие сокодвижение.
Поздняя древесина годового слоя растет в конце лета и осенью.
У лиственных пород клетки поздней древесины (годового слоя) состоят из опорных тканей, а у хвойных пород — из толстостенных трахеид, более темных по цвету и отличающихся плотностью и прочностью.
Ширина годовых слоев зависит от возраста дерева, от породы и условий роста. У молодых деревьев годовые слои обычно более широкие, кроме ивы, имеющей только узкие годовые слои. У сосны, растущей на севере, годовые слои более узкие, чем у сосны, растущей в южных широтах. Свойства древесины характеризует ширина годовых слоев. Хвойные породы с узкими годовыми слоями отличаются большей прочностью и смолистостью.
Сосна с узкими годовыми слоями красно-бурого цвета более ценна, чем с широкими годовыми слоями. Древесина хвойных пород, на торцевом разрезе которой в радиальном направлении в 1 см насчитывается не менее трех и не более 25 годичных слоев, считается лучшей. У лиственных древесных пород наоборот, чем шире годовые слои, тем плотнее, тверже и более прочная древесина.
Это характерно для дуба, каштана, ильма, ясеня, вяза. У этих пород в весенний период независимо от климатических, почвенных и других условий образуется 2…3 ряда крупной проводящей ткани (трахеид), а затем — поздняя древесина годового слоя, состоящая из механически прочных тканей.
У березы, бука, граба, клена, липы, ольхи, осины древесина не имеет ярко выраженных годовых слоев и ширина годового слоя не влияет на качество древесины.
Сердцевинные лучи располагаются в стволе в радиальном направлении. Различают первичные и вторичные лучи. Первичные сердцевинные лучи начинаются от сердцевины и доходят до коры, вторичные начинаются недалеко от сердцевины и продолжаются до коры. По сердцевинным лучам в горизонтальном направлении перемещаются вода, питательные вещества и воздух. На поперечном разрезе ствола крупные сердцевинные лучи различимы в виде блестящих полосок, на радиальном разрезе — в виде полосок или пятен, а на тангентальном разрезе — в виде точек или полосок. Древесина хорошо раскалывается по направлению сердцевинных лучей.
Сердцевинные лучи встречаются у большинства древесных пород, но их «размер, вид и количество зависят от породы и условий роста. У деревьев, выросших на солнце, больше сердцевинных лучей, чем у тех, что росли в тени.
Анатомическое строения древесины.
Как и всякое растение, дерево состоит из клеток. Каждая молодая клетка состоит из оболочки и находящейся в ней протоплазмы. Внутри протоплазмы обычно находится одно ядро (встречаются и многоядерные клетки). В процессе роста клетки протоплазма расходуется и в ней образуются полости (вакуоли) 4, которые заполняются клеточным соком. В дальнейшем отдельные вакуоли постепенно сливаются в одну общую и оттесняют протоплазму к оболочке клетки. Кроме протоплазмы, ядра и вакуолей с клеточным соком, в клетках находятся еще так называемые пластиды – бесцветные или окрашенные образования.
Протоплазма представляет собой зернистую, прозрачную, тягучую слизь (растительный белок). Ядро имеет обычно овальную форму, в нем находятся одно или несколько блестящих ядрышек и тонкие нитеобразные белковые вещества, которые называются хроматинами..jpg)
Ядро так же, как и протоплазма, состоит из сложного белкового соединения.
Пластиды в зависимости от окраски делятся на лейкопласты — бесцветные пластиды, хромопласты — с желтым и оранжевым пигментом и хлоропласты, содержащие зеленый пигмент, который называется хлорофиллом. Хлорофилловые зерна находятся преимущественно в листьях и под влиянием солнечных лучей превращают углекислый газ воздуха в соединении с веществами клеточного сока в различные органические соединения (углеводы, белки, жиры). Растения, лишенные хлорофилла, сами не могут вырабатывать необходимые для жизни растения органические соединения и поэтому вынуждены паразитировать.
Клеточный сок, заполняющий вакуоли, представляет собой водный раствор различных веществ: углеводов, пигментов, дубильных веществ и свободных органических кислот.
Оболочка в основном состоит из целлюлозы или клетчатки (С6Ню05). В клеточной оболочке наблюдается слоистость. Материал оболочки образуется за счет распада протоплазмы, поэтому по мере роста клетки количество протоплазмы в ней уменьшается.
Более старая оболочка клетки содержит больше минеральных веществ. По мере окончания роста клетки происходит постепенное утолщение оболочки за счет нарастания последующих слоев. Иногда утолщение бывает настолько велико, что внутри клетки оболочка имеет тонкие поры. Оболочка претерпевает различные изменения в строении и составе, в результате чего происходит ее одеревенение или опробкование, или ослизнение.
При одеревенении в оболочке клетки образуется особое вещество – лигнин, который содержит значительное количество углерода;
увеличивается также ее прочность и твердость, но уменьшается упругость, способность к разбуханию и пр. Одеревенение клеток происходит преимущественно в стволе.
Опробкование сопровождается образованием в оболочке клетки вещества более бедного кислородом, чем лигнин. В результате опробкования клетка хорошо противостоит гниению и становится непроницаемой для воды и газов. Опробкованию подвергаются обычно клетки на поверхности ствола и веток растения.
Ослизнение сопровождается превращением всей оболочки или части ее в камедь, или слизь, которая растворяется в воде.
Если ослизняется часть оболочки, создаются отверстия, которыми клетки соединяются между собой, образуя сосуды.
Хотя клетки плотно прилегают друг к другу и соединены между собой межклеточным веществом, но между ними образуются межклеточные пространства, заполняющиеся выделениями клеток (например, у хвойных пород – смолой). Кроме смоляных ходов, могут быть воздухоносные межклеточные ходы. По форме клетки делятся на паренхиматические, имеющие примерно одинаковую величину в трех измерениях, прозенхиматические, вытянутые в одном направлении, и таблицеоб разные, развитые в двух направлениях.
Древесные ткани.
Клетки в молодых растущих частях дерева сходны между собой, но по мере дальнейшего роста дерева они специализируются, причем группы одинаковых клеток объединяются в ткани. Ткани в зависимости от выполняемых ими в жизни дерева функций делятся на образовательные, кроющие, механические и проводящие.
Образовательные ткани находятся в точке роста стебля растения и состоят из тонкостенных (с большим количеством протоплазмы) паренхимных клеток.
Эта ткань служит в дальнейшем для образования других тканей.
Кроющие ткани молодых стеблей и листьев покрыты эпидермисом, клетки которого по мере роста сменяются кроющей пробковой тканью.
Механические ткани служат для придания элементу растения определенной механической прочности. Эта ткань состоит из одеревеневших клеток и служит для увеличения прочности только молодых еще растущих частей дерева. Клетки этой ткани обладают сравнительно высокой механической прочностью и сильно вытянуты, а поэтому и называются волокнами.
Проводящие ткани, имеют назначение проводить влагу с растворенными в ней минеральными и органическими соединениями. Эти ткани слагаются из сосудов и сосудовидных клеток. Трахеи образуются при слиянии в один общий сосуд вертикальных клеток, причем поперечные перегородки их полностью или частично исчезают. Сосуды характерны для древесины лиственных пород. Сосудовидные клетки представляют собой длинные клетки, полости которых ие соединяются между собой. Древесина хвойных пород состоит почти исключительно из сосудовидных клеток.
Проводящие ткани заполнены водой с растворенными в ней различными веществами и воздухом.
Ткани, проводящие органические вещества по растению, состоят из ситовидных трубок и млечных сосудов. Ситовидные трубки состоят из вытянутых клеток, перегородки между которыми имеют мелкие отверстия, как у сита. Проводящие ткани собраны в древесине в особые сосудисто-волокнистые пучки, в которых вокруг сосудов расположены механические элементы.
Состав древесины
Древесные клетки состоят из стенок клеток и водянистого содержимого, так называемого клетчатого сока (протоплазмы), который у свежей древесины может составлять больше половины древесной массы.
Древесина (ее материал) образуется деревянным каркасом стенок клеток. Она состоит у всех пород деревьев из одинакового количества химических элементов, из которых образуются различные соединения. Составляющие материала дре-весины — это целлюлоза и целлюлозоподобные материалы (семицеллюлозы), лигнин и вещества, содержащиеся в древесине, такие как смола, терпентин, жир, воск, красители и неорганические микроэлементы.
• Целлюлоза — образует каркас древесины.
• Лигнин — обеспечивает прочность на сжатие (одревление).
• Вещества, содержащиеся в клетках древесины, — влияют на окраску, запах, стойкость против насекомых и грибков.
Раскалываемость древесины
Есть у древесины свойство, которого нет у других природных материалов. Это раскалываемость, или расщепляемость. При раскалывании древесина не режется, а расщепляется вдоль волокон. Поэтому расколоть бревно можно даже деревянным клином. Хорошо раскалывается прямослойная упругая древесина хвойных пород сосны, кедра и лиственницы. Среди лиственных деревьев легко раскалываются дуб, осина и липа. Дуб хорошо раскалывается только в радиальном направлении. Раскалываемость зависит от состояния древесины. Слегка увлажненная или свежесрубленная древесина раскалывается лучше, чем пересохшая. Но слишком увлажненная, мокрая древесина раскалывается с трудом, так как становится слишком вязкой. Если вам приходилось рубить дрова, то вы, вероятно, замечали, как легко и споро колется мерзлая древесина.
Раскалываемость древесины имеет практическое значение. Раскалыванием древесины получают заготовки спичек, клепки для бондарной посуды, в обозном деле — заготовки для спиц и ободов, в строительстве — кровельную щепу, гонт и штукатурную дрань. Из тонких полос расщепленной сосны крестьянские умельцы плели корзины для грибов и белья, а между делом мастерили для ребятишек из щепы забавные фигурки оленей и коньков. Если лучинку из сухого дерева согнуть в дугу, а затем отпустить, она мгновенно распрямится.
Древесина — упругий материал. Но ее упругость во многом зависит от породы дерева, строения и влажности. Тяжелая и плотная древесина с высокой твердостью всегда более упруга, чем легкая и мягкая. Выбирая ветку для удилища, вы стараетесь подбирать такую, которая была бы не только прямой, тонкой и длинной, но и упругой. Вряд ли найдется такой рыболов, который пожелает сделать удилище из ветки ломкой бузины или крушины, а не из гибкой и упругой ветки рябины или орешника. Американские индейцы предпочитали делать удилища из упругих веток кедра.
Трудно себе представить историю человечества без древнего оружия — лука.
А ведь изобретение лука было бы невозможно, если бы у дерева отсутствовала упругость. Для лука требовалась очень прочная и упругая древесина, и чаще всего его делали из ясеня и дуба. Благодаря все той же упругости древесина применяется там, где нужно смягчить отдачу. С этой целью под наковальню подкладывали массивную деревянную колоду, из дерева делали рукоятку молота. Прошло не одно столетие со времени изобретения огнестрельного оружия.
Ушли в прошлое кремневые ружья и винтовки, оружие стало совершенным, но по-прежнему деревянными остались приклад и некоторые другие части. Где найдешь такой материал, который бы так надежно гасил отдачу при выстреле? Давно замечено, что прямослойная древесина более упругая, чем свилеватая. Даже древесина одного дерева в разных частях имеет различную упругость. Например, зрелая древесина ядра, расположенная ближе к сердцевине, более упруга, чем молодая, расположенная ближе к коре.
Но если древесину намочить или распарить, то упругость ее резко понизится. Согнутая полоска древесины после высыхания сохраняет полученную форму. Чем влажнее дерево, тем выше его пластичность и ниже упругость. Пластичность противоположна упругости.
Большое значение пластичность имеет в производстве гнутой и плетеной мебели, спортивного инвентаря, в корзиноплетении, обозном и бондарном деле. Высокую пластичность после вываривания в воде или пропарки приобретают вяз, ясень, дуб, клен, черемуха, рябина, липа, ива, осина и береза. На изготовление гнутой мебели идут заготовки из клена, ясеня, вяза и дуба и плетеной — из ивы и орешника. Из березы, вяза, черемухи, клена и рябины гнут упряжные дуги.
Дуги из этих деревьев получаются очень прочными, но если нужно, чтобы они были полегче, в дело идут ива и осина. Древесина хвойных деревьев имеет низкую пластичность, поэтому ее почти не применяют для гнутых или плетеных изделий. Исключение составляет сосна, тонкая щепа которой идет на плетение кузовков и лукошек, а также корни сосны, ели, кедра и лиственницы, идущие на плетение корневушек.
Насыщенная влагой древесина разбухает, увеличиваясь в объеме. Во многих изделиях из дерева разбухание — отрицательное явление.
Например, разбухший ящик письменного стола почти невозможно задвинуть или выдвинуть. С трудом закрываются после дождя створки открытого окна. Чтобы древесина не разбухала, деревянные изделия чаще всего покрывают защитным слоем краски или лака. С разбуханием древесины мастера постоянно ведут борьбу. Но для бондарной посуды это свойство оказалось положительным. Ведь при разбухании клепок — дощечек, из которых набирают бондарную посуду, щели между ними исчезают — посуда становится водонепроницаемой. Раньше, когда зимой суда становились на ремонт, их деревянную обшивку по традиции конопатили льняной или конопляной паклей.
Прежде всего расходилось очень много ценного сырья, к тому же в сильные морозы пакля становилась хрупкой и работать с ней было очень трудно. Вот тут-то на выручку пришла так называемая древесная шерсть — очень тонкие стружки. Древесной шерсти нипочем морозы, она легко заполняет все щели обшивки.
А когда судно спустят на воду, древесная шерсть разбухает и плотно закупоривает самые мельчайшие щели в обшивке.
Породы древесины определяют по их следующим характерным признакам: текстуре, запаху, твердости, цвету. Деревья, имеющие листву, называют лиственными, а имеющие хвою — хвойными. Лиственными породами являются береза, осина, дуб, ольха, липа и др., хвойными породами — сосна, ель, кедр, пихта, лиственница и др. Лиственницей называют дерево за то, что она, как и лиственные породы, на зиму сбрасывает хвою.
Рассмотрим подробнее, из чего состоит древесина. Древесина состоит из твердой части клеток, представляющих собой клетчатку такого состава: 49,5% углерода; 6,3% водорода; 44,2 % кислорода и азота (в том числе азота около 1%). В древесине имеются минеральные вещества, образующие после сжигания золу. Зола составляет 1-1,5% от веса древесины.
Физические свойства древесины. Свойства древесины зависят от ее влажности. Различают в древесине влагу свободную, или капиллярную, заполняющую полости клеток и межклеточное пространство; гигроскопическую, находящуюся в стенках клеток, и химически связанную.
В свежесрубленной древесине имеется свободная, гигроскопическая и химически связанная вода, в сухой древесине — гигроскопическая и химически связанная.
По степени влажности различают древесину мокрую, полностью насыщенную водой; свежесрубленную, содержащую воды 35% и более; воздушно-сухую влажностью 15-20%; комнатно-сухую влажностью 8-10%; абсолютно сухую, полученную в лаборатории высушиванием до постоянного веса при температуре 100-105° С. Условная стандартная влажность древесины 15%-При равномерном высыхании вначале испаряется свободная влага, затем гигроскопическая. Состояние древесины в момент отсутствия в ней свободной влаги называется точкой насыщения волокна. Она характеризуется влагосодержанием 25-35% к весу сухой древесины.
Сухая древесина способна поглощать из воздуха влагу и отдавать ее более сухому окружающему воздуху. Колебания влажности древесины вызывают в ней изменение объемного веса, размеров и прочности.
Звукоизоляция помещения очень важна, если Вы живете в шумном районе или занимаетесь музыкой.
Как правильно сделать звукоизоляцию читайте на сайте «Построй свой дом сам».
Процессы увлажнения или обезвоживания древесины на воздухе продолжаются до достижения состояния равновесной влажности, изменяющейся в зависимости от температуры и влажности воздуха. Продвижениевлаги в древесине неодинаково в разных направлениях. В продольном направлении влага продвигается быстрее, чем в поперечном. В радиальном направлении скорость продвижения влаги большая, чем в тангенциальном.
Плотность древесинного вещества, образующего клетки древесины, равна 1,55 г/см3. Объемная масса древесных пород 450- 900 кг/м3. Некоторые древесные породы (бакаут) имеют объемную массу более 1300 кг/м3.
При высушивании древесины до точки насыщения волокон не изменяются ее линейные размеры. При дальнейшем высыхании размеры древесины уменьшаются: вдоль волокон — на 0,1-0,4, в радиальном направлении — на 3-6, а тангенциальном — на 6- 12%. В конструкциях, защищенных от увлажнения, древесину следует применять с влажностью не более 18%.
Изменение формы древесины, вызванное неравномерной усушкой, называется короблением. При неправильном высушивании в древесине возникают напряжения, вызывающие наружные и внутренние трещины.
Ценным в древесине является ее текстура. Красивой текстурой обладает дуб, бук, орех, клен и другие породы. Каждая порода дерева имеет характерную окраску. Цвет древесины иногда вызывается поражением ее дереворазрушающимл грибами. Древесные породы, содержащие танин, изменяют окраску под действием солей железа, находящихся в воде.
Теплопроводность древесины зависит от направления волокон, влажности и породы. Так, при влажности дуба 15% коэффициент теплопроводности вдоль волокон равен 0,45, поперек волокон 0,22 вт/м o град; для сосны он равен соответственно 0,44 и 0,18 вт/м*град. Теплоемкость древесины равна в среднем для дуба 2,8*103, для сосны и ели 2,7*103 дж/кг*град.
Древесина хорошо проводит звук вдоль волокон, хуже — в радиальном направлении и плохо — в тангенциальном.
Например, сосна проводит звук вдоль волокон со скоростью 5030, в радиальном направлении 1450, в тангенциальном 850 м/сек.
Температурный коэффициент расширения древесины невелик и зависит от породы: для древесины вдоль волокон он равен 0,000002-0,00001, поперек волокон 0,00003-0,00006.
Кислоты и щелочи разрушают древесину при длительнОхМ воздействии. Слабощелочные растворы разрушают древесину незначительно. Кислоты начинают разрушать древесину при рН<2, т. е. она сопротивляется значительно лучше, чем бетон, который разрушается при рН = 5. Хвойные породы более стойки к действию кислот и щелочей, чем лиственные.
Механические свойства древесины зависят от направления волокон по отношению к действию усилий, от ее влажности,, строения, возраста и условий роста дерева, а также от наличия пороков. Предел прочности при сжатии хвойных пород поперек волокон в 10-12 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Для лиственных пород это отношение будет (1:5) -5т (1 :8).
липа, осина, ольха, каштан, платан и др.).
15. Химический состав древесных клеток. Строение целлюлозы.
Элементарный химический состав древесного вещества. Основная масса древесины состоит из органических веществ, содержащих углерод (С), водород (Н), кислород (О) и азот (N). Разница в содержании углерода, водорода и кислорода в древесине различных пород незначительная: абсолютно сухая древесина содержит в среднем 49,5% углерода, 6,3% водорода, 44,1% кислорода и 0,1 % азота.
В химический состав древесины входят также минеральные вещества, которые при сгорании образуют золу. В зависимости от породы дерева количество золы в древесине колеблется от 0,2 до 1,7%.
Органический состав древесной клетки
и ее полостей.
Входящие в химический состав древесины углерод, водород, кислород — образуют сложные органические вещества, часть которых входит в клеточные стенки, часть — в сами клетки. Клеточные стенки древесины состоят преимущественно из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, полости клеток — из дубильных и красящих веществ, смолы, камеди, эфирных масел и алкалоидов. Целлюлоза, гемицел-люлоза и лигнин составляют около 96% веса сухой древесины.
Целлюлоза является основным химическим веществом клеточных оболочек древесины и относится к полисахаридам. Строение ее волокнистое. В воде, спирте, эфире, ацетоне и других обычных органических растворителях не растворяется. Путем воздействия на целлюлозу различными кислотами и последующей химической обработки из нее получают бумагу, искусственный шелк, древесный кормовой сахар, винный спирт, лаки и др.
Лигнин по сравнению с целлюлозой
отличается меньшей стойкостью, легче
подвергается воздействию горячих
щелочей, окислителей и пр.
Под действием
сернистой кислоты или раствора едкого
натра лигнин переходит в раствор. На
этом свойстве основано получение из
древесины целлюлозы, которая освобождается
при этом от лигнина, образуя техническую
целлюлозу. При сухой перегонке дерева
из лигнина получается метиловый спирт.
Он тоже входит в химический состав
древесины.
Дубильные вещества обладают вяжущим вкусом, способностью растворяться в воде и спирте, в сочетании с солями железа придавать темно-синие и зеленоватые окраски растворам. Дубильные вещества применяют в кожевенном производстве для дубления шкур.
Красящие вещества встречаются обычно в полостях клеток. Химический состав древесины разнообразен поэтому красящие вещества бывают красного, желтого, синего и коричневого цвета. Краски, получающиеся из древесины некоторых пород, применяются для крашения материи, спиртовые растворы некоторых красок— для подкрашивания ликеров и кондитерских изделий.
Смолы содержатся в особых клетках
древесины или коры.
Камеди — прозрачная густая жидкость, выделяющаяся из растений, быстро застывающая и твердеющая на воздухе. Камеди используют для изготовления некоторых сортов клея, в спичечном производстве, текстильной промышленности, медицине, кондитерском производстве и др.
Из эфирных масел, содержащихся в химическом составе древесины, можно изготовить камфорное масло. Из него приготовляют камфару, используемую при изготовлении целлголоида и для медицинских целей.
Из алкалоидов, встречающихся в древесных
породах, следует отметить хинин, который
добывают главным образом из коры
некоторых видов деревьев. Употребляется
хинин в медицине как противомалярийное
средство.
Качество древесины, применяемой в виде сырья в отдельных химических производствах, определяется количественным содержанием необходимых химических веществ. Так, древесина ели, сосны, осины, тополя и др. является главнейшим сырьем для получения целлюлозы — основного полуфабриката для изготовления бумаги, вискозного шелка, нитроцеллюлозы и пр. Древесина сосны служит ценным сырьем в смоло — скипидарных производствах, древесина дуба и каштана — важным сырьем для получения дубильных веществ. Некоторые породы высоко ценятся из-за содержания красящих веществ: красное дерево или красный сандал (содержит красные красящие вещества), сумах, желтое дерево, маклюра (желтые красящие вещества), синий сандал (синее красящее вещество).
16. Влажность древесины. Влияние изменения влажности на размеры изделий из древесины (усушка). Роль связанной воды. Предел насыщения клеточных стенок водой. Нормализованная и эксплуатационная влажность.
Для количественной характеристики
содержания воды в древесине используют
показатель — влажность.
Под влажностью
древесины понимают выраженное в процентах
отношение массы воды к массе сухой
древесины: W = (m — m0) / m0 * 100, где m — начальная
масса образца древесины, г, а m0 — масса
образца абсолютно сухой древесины, г.
Измерение влажности осуществляется прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, например высушиванием. Эти методы простые, надёжные и точные, но имеют недостаток — довольно продолжительную процедуру. Этого недостатка лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержания воды в древесине. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. Однако и эти способы имеют свои недостатки: дают надёжные показания в диапазоне от 7 до 30% и лишь только в месте введения игольчатых контактов.
Различают две формы воды, содержащейся
в древесине: связанную и свободную.
Связанная вода находиться в клеточных
стенках, а свободная содержится в
полостях клеток и межклеточных
пространствах. Связанная вода удерживается
в основном физико-химическими связями,
изменение её содержания существенно
отражается на большинстве свойств
древесины. Свободная вода, удерживаемая
только механическим связями, удаляется
легче, чем связанная вода, и оказывает
меньшее влияние на свойства древесины.
При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины её кондиционируют, приводя к нормализованной влажности. Если нет особых примечаний, то показатель равен 12%.
На практике по степени влажности различают древесину:
мокрую, W > 100%, длительное время находившуюся в воде;
свежесрубленную, W = 50-100%, сохранившую влажность растущего дерева;
воздушно-сухую, W = 15-20%, выдержанную на открытом воздухе;
комнатно-сухую, W = 8-12%, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;
абсолютно-сухую, W = 0, высушенную при
температуре t=103±2°C.
Усушка. Уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды называется усушкой. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.
Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 — 2 раза больше, чем в радиальном.
Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении всего количества связанной воды.
Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид:
Bmax = (amax — amin) / amax * 100,
где amax и amin — размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм3).
Полная линейная усушка древесины
наиболее распространённых отечественных
пород в тангенциальном направлении
составляет 8-10 %, в радиальном 3-7 %, а вдоль
волокон 0,1-0,3 %.
Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.
Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке — сушильные напряжения, пропитке и в процессе роста дерева.
Полные сушильные напряжения удобно как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.
Влажностные напряжения вызваны
неоднородной усушкой материала. В
поверхностных зонах доски, где влажность
ниже, чем в центре, из-за стеснения
свободной усушки возникают растягивающие
напряжения, а внутри доски — сжимающие.
Остаточные напряжения обусловлены
появлением в древесине неоднородных
остаточных деформаций. Остаточные
напряжения в отличие от влажностных не
исчезают при выравнивании влажности в
доске и наблюдаются как во время сушки,
так и после её полного завершения.
Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.
Дерево | Encyclopedia.com
Ресурсы
Древесина — это твердое, жесткое, волокнистое вещество, находящееся под корой деревьев, кустарников и других подобных растений. Его основные физические свойства включают прочность, жесткость, твердость и плотность. Например, прочность древесины может варьироваться в зависимости от типа древесины, а также от таких факторов, как возраст, сухость, сжатие и направление волокон; в то время как плотность древесины указывает на степень ее твердости (где самые плотные породы дерева являются более твердыми).
Соединенные Штаты ежегодно импортируют более 1,5 млн тонн и экспортируют более 9,5 млн тонн древесины. Около одной трети территории США покрыто лесами (около 302 миллионов гектаров [746 миллионов акров]), поэтому Соединенные Штаты экспортируют гораздо больше древесины, чем импортируют.
По данным Министерства сельского хозяйства США (USDA), вырубка древесины (древесины) является крупнейшим использованием земли в Соединенных Штатах. На Аляске, в Калифорнии и Орегоне больше всего лесов в США. Однако в Джорджии, Орегоне и Монтане больше всего лесных угодий; то есть земля, которую можно использовать для производства деловой древесины. Семьдесят один процент всех лесных угодий находится в частной собственности, а остальные 29% находится в государственной собственности.
Древесина, также известная как вторичная ксилема, представляет собой соединение тканей деревьев. Вторичная ксилема состоит в основном из клеток, называемых сосудистыми элементами у покрытосеменных, или из немного отличающихся клеток у голосеменных растений, называемых трахеидами. Эти клетки вторичной ксилемы, наряду со специализированными клетками типа паренхимы, состоят из меристематической ткани, называемой сосудистым камбием. По мере образования новых клеток сосудистым камбием внутри него накапливается вторичная ксилема, и дерево увеличивается в диаметре.
Вновь изготовленные элементы сосудов и трахеиды являются проводниками воды от корней растений к их листьям. При первом формировании элементы сосудов и трахеиды живы, но как только они созревают и становятся функциональными, они умирают. Функциональные элементы сосудов или трахеиды встречаются в нескольких слоях клеток позади сосудистого камбия, в водопроводящей части вторичной ксилемы, известной как заболонь.
Паренхима образована сосудистым камбием вместе с сосудами или трахеидами и располагается в определенных точках по периметру сосудистого камбия. По мере роста дерева эти узкие столбцы клеток паренхимы, называемые лучами ксилемы, становятся длиннее и в конечном итоге простираются от сосудистого камбия почти до центра ствола дерева. Функция лучей ксилемы заключается в переносе водного вещества горизонтально по диаметру дерева, под прямым углом к току воды в элементах сосудов и трахеидах. Клетки паренхимы лучей ксилемы живы в своем зрелом, функциональном состоянии.
По мере создания новых элементов сосудов или трахеид старые погребаются под последовательными слоями недавно сформированной ксилемы. По мере того, как дерево становится все больше в диаметре, старые ткани вторичной ксилемы больше не проводят воду. После этого эти непроводящие клетки используются для хранения отходов, таких как смолы. Лучи ксилемы проводят отходы от активно функционирующих клеток вблизи сосудистого камбия к нефункционирующим клеткам ксилемы. Эта заполненная отходами вторичная ксилема называется сердцевиной. К тому времени, когда дерево становится больше примерно от 4 до 8 дюймов (от 10 до 20 см) в диаметре, большая часть его биомассы состоит из сердцевины. Новая заболонь создается в течение каждого вегетационного периода. Однако в течение двух-трех лет эти клетки становятся частью сердцевины. Это сердцевина деревьев, которую собирают для производства пиломатериалов и бумаги, используемых людьми.
Древесина разных пород различается по плотности и прочности из-за размера и плотности сосудистых элементов или трахеид во вторичной ксилеме.
Например, сердцевина бразильского железного дерева (Caesalpinia ferrea) имеет очень мелкие сосудистые элементы и чрезвычайно плотна. С другой стороны, сердцевина бальзы (Ochroma пирамидальная) имеет очень крупные сосуды и, соответственно, легкую плотность. Древесина типичных голосеменных обычно мягкая и легкая по плотности, потому что трахеиды не прилегают друг к другу так плотно, как элементы сосудов в ксилеме большинства покрытосеменных.
Размер трахеид и элементов сосудов также различается в пределах одного дерева в зависимости от времени года, когда они откладывались во время роста. Весной, когда температура воздуха прохладная, а почва обычно обильная, сосудистый камбий деревьев образует клетки ксилемы большого диаметра. По мере снижения влажности и повышения температуры летом сосудистый камбий образует клетки меньшего диаметра. Зимой новых ячеек не делают из-за низких температур. Этот цикл повторяется каждый год и делает видимыми годичные кольца на дереве (кроме тропиков).
Эти кольца очевидны, потому что весенняя древесина с ячейками большего диаметра имеет относительно темный вид, а летняя древесина светлее. Это ежегодное повторение разных размеров клеток в годичных кольцах полезно в экологических исследованиях с помощью дендрохронологии. Поскольку размер элементов сосудов или трахеид зависит как от температуры воздуха, так и от воды, дендрохронологи могут определить прошлые периоды засухи, наводнения и несезонного холода или жары, изучая изменения ширины годичных колец.
Элементы сосудов и трахеиды различаются по длине у покрытосеменных и голосеменных растений. Хотя длина отдельных клеток мало влияет на способность деревьев проводить воду, длина клеток имеет большое значение для бумажной промышленности. Длина этих ячеек соответствует длине волокна целлюлозы, которая превращается в бумагу, и влияет на качество производимой бумаги. Из коротких волокон получают бумагу тонкого качества, а из более длинных волокон получают бумагу более грубого качества.
Некоторая древесина может быть произведена очень быстро и, следовательно, обычно является дешевым и легко возобновляемым ресурсом. Из-за этой особенности он до сих пор широко используется в качестве топлива и строительного материала. Древесину можно разделить на два типа: твердую и мягкую. По данным Министерства сельского хозяйства США, около одной трети всей вывозимой древесины в США приходится на твердые породы, а остальные две трети — на хвойные. Каждый тип имеет различные физические свойства.
Лиственная древесина очень плотная и прочная, растет гораздо медленнее и, следовательно, дороже мягкой древесины. Твердые породы используются там, где требуется прочность. Например, большие деревянные корабли прошлого строились из твердой древесины, такой как дуб. Мягкая древесина, например, полученная из хвойных, может использоваться там, где требуется меньшая физическая сила. Их можно использовать при изготовлении небольших конструкций или, что более распространено, при производстве бумаги и целлюлозы.
Мягкая древесина, например, полученная из хвойных пород, очень быстро растет, поэтому она относительно дешева и легко возобновляема.
Древесина — универсальный натуральный продукт. Его можно использовать непосредственно в качестве строительного материала или топлива. При незначительной обработке можно производить бумагу и целлюлозу. При большей обработке можно получить ряд коммерчески важных соединений. Разные деревья производят древесину с разными физическими и химическими характеристиками.
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
Меристема — Группа сходных, недифференцированных дендрохронологических растительных клеток, которые производят клетки, которые дифференцируются и становятся зрелыми тканями.
Паренхима — Несосудистая ткань, состоящая из крупных тонкостенных клеток, которые могут различаться по размеру, форме и структуре клеточной стенки.
Трахеиды — Толстостенные одревесневшие элементы ксилемы, не имеющие отверстий на поперечных стенках соседних клеток.
Вместо этого вода перемещается между клетками трахеид через отверстия сбоку клеточных стенок, известные как окаймленные ямки.
Сосудистый камбий — Недифференцированная растительная ткань, дающая начало флоэме и ксилеме. Элементы сосудов — толстостенные одревесневшие элементы ксилемы с перфорированными или отсутствующими торцевыми стенками. Относительно большие отверстия в поперечных стенах между соседними ячейками обеспечивают непрерывную вертикальную транспортировку воды.
Xylem — Растительная ткань, транспортирующая воду и минеральные вещества вверх от корней.
КНИГИ
Бойер, Джим Л. Лесные товары и наука о древесине: введение. Эймс, ИА: Iowa State Press, 2003.
Эннос, Роланд. Деревья. Вашингтон, округ Колумбия: Smithsonian Institution Press, 2001.
Хаф, Ромейн Бек. Деревянная книга. Нью-Йорк: Ташен, 2002.
Пакенхэм, Томас. Замечательные деревья мира. Нью-Йорк: Нортон, 2002.
Тадж, Колин.
Дерево: естественная история того, что такое деревья, как они живут и почему они важны. New York: Crown Publishers, 2006.
Stephen R. Johnson
Часть 5 Характеристики разложения. Знакомство с пористыми грибами
Трутовики — это в основном грибы, обитающие в древесине и способные использовать компоненты клеточных стенок древесины в качестве основного источника энергии для роста. и воспроизведение.
Древесина состоит в основном из лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Целлюлоза представляет собой длинноцепочечный полимер из звеньев ангидрида глюкозы, соединенных ß 1-4 связями. Гемицеллюлоза состоит из подобных полимеров глюкозы, соединенных другими связями, или полимеров моносахаридов, отличных от глюкозы. Лигнин представляет собой сложный полимер фенольных звеньев. Древесина хвойных пород в целом имеет более высокое содержание лигнина (27‑35 %), чем древесина двудольных покрытосеменных или «лиственных пород» (19-24 %).
Грибы, вызывающие гниение древесины, можно разделить на две категории в соответствии с ферментными системами, которые они производят для гниения древесины.
Эти две группы называются грибами белой гнили и коричневой гнили.
Грибки белой гнили продуцируют ферментные системы целлюлазы и лигназы, позволяющие им разрушать все компоненты клеточных стенок древесины. Большинство из них, по-видимому, удаляют лигнин и полисахариды примерно с одинаковой скоростью, а древесина на промежуточных или поздних стадиях разложения содержит примерно те же пропорции этих компонентов, что и здоровая древесина (Kirk & Highley, 19).73).
Древесина, пораженная грибами белой гнили, постепенно теряет свои прочностные свойства и сохраняет волокнистую структуру на поздних стадиях. Гнилая древесина становится губчатой, волокнистой или слоистой, обычно белеет и имеет более бледный цвет, чем здоровая древесина. Грибы белой гнили со временем полностью разлагают древесину, а их остатки не являются устойчивыми компонентами лесных почв.
Грибы бурой гнили избирательно удаляют целлюлозу и гемицеллюлозу из древесины. Древесина, пораженная грибами бурой гнили, быстро теряет прочностные свойства, подвергается резкой усушке и растрескиванию поперек волокон.
На поздних стадиях древесина превращается в остаток аморфных, рассыпчатых, коричневых кубических кусков, состоящих в основном из слегка модифицированного лигнина. Остатки бурой гнили являются чрезвычайно устойчивыми и важными органическими компонентами лесных почв.
Только часть известных видов базидиомицетов, вызывающих гниение древесины, являются грибами бурой гнили. Численность базидиомицетов, вызывающих гниение древесины, в Европе никогда не подсчитывалась, но мы предполагаем, что грибы бурой гнили составляют менее 10% от общего числа. По-видимому, это случай параллельной эволюции, и ферментная система типа бурой гнили развилась независимо в ряде эволюционных линий и сама по себе не обязательно указывает на тесные отношения между видами.
Однако внутри каждого семейства роды, содержащие грибы бурой гнили, обычно имеют близкие отношения на основе морфологических признаков. Это, безусловно, верно для трутовиков. Общее впечатление состоит в том, что тип системы деградации древесины бурой гнили коррелирует с морфологией на уровне рода и является признаком, имеющим таксономическое значение.
Общее количество трутовиков, зарегистрированных в Европе и включенных в эту книгу, составляет 393 вида, из которых 99 или около 25% поражены бурой гнилью.
Из этих 99 видов бурой гнили около 60 или около 60 % встречаются исключительно или преимущественно на хвойных деревьях. Общие данные о географическом распространении грибов бурой гнили в мире подтверждают мнение о том, что трутовики бурой гнили встречаются преимущественно в экосистемах хвойных лесов. По географическому признаку грибы бурой гнили в основном распространены к северу от тропика Рака на 23 1/2 градуса северной широты. Самая большая концентрация на самом деле находится к северу от 35 градусов северной широты, и, таким образом, грибы бурой гнили в целом можно назвать бореальными по распространению. К югу от 35 градусов северной широты концентрации грибов бурой гнили встречаются на больших высотах в районах хвойных лесов, таких как южные Скалистые горы или Гималаи, или в районах сосновых лесов, таких как побережье Мексиканского залива в Соединенных Штатах или во Вьетнаме.
В тропиках и южной умеренной зоне грибы бурой гнили немногочисленны.
Надежные ископаемые данные указывают на то, что трутовики существовали около 300 миллионов лет назад, в каменноугольный период, когда началось развитие древесных голосеменных растений.
Существует вероятность того, что трутовики бурой гнили несколько раз эволюционировали из грибов белой гнили как поздняя специализация хвойных. Позднее, когда экосистемы хвойных лесов были вытеснены в умеренную и бореальную зоны, трутовики бурой гнили должны были развиваться параллельно или погибнуть.
Сегодня эти грибы играют важную экологическую роль в этих экосистемах. Остатки бурой гнили чрезвычайно устойчивы и остаются практически неизменными в почве в течение сотен лет. В экосистемах хвойных лесов они могут составлять до 30% объема почвы в верхних слоях (McFee & Stone, 1966).
Почвы с высоким содержанием остатков бурой гнили обладают значительно повышенной водоудерживающей способностью.