Свойства древесины

К свойствам, характеризующим внешний вид древесины, относят цвет, блеск, текстуру и запах.

Цвem древесины как определенное зрительное ощущение зависит спектрального состава отраженного светового потока. Цвет различных древесных пород изменяется от белого до черного со всевозможными оттенками и определяется многими факторами, среди которых особое значение имеет область произрастания дерева. Чем ближе к экватору, тем ярче и интенсивнее окраска даже у деревьев одной породы. Например, заболонь становится светлее, а ядро темнее.

Окраску древесине придают экстрактивные, дубильные вещества и смолы. Молодые деревья имеют более светлую окраску, чем спелые. Это свойство существенно изменяют развивающиеся в материале грибы. Цвет древесины особо важное значение имеет при изготовлении мебели и отделке интерьеров.

Блеск древесины —- способность направленно отражать световой поток. Лучшим блеском обладают гладкие плотные материалы, древесина же характеризуется пористым строением и поэтому слабым матовым блеском. Более выраженный блеск имеют сердцевинные луч"и на радиальных разрезах, так как их клетки плотно прилегают друг к другу. Выраженным блеском обладают бархат амурский и осина.

Текстура — рисунок, образующийся на поверхности древесины при перерезании анатомических элементов. Текстуру формируют годичные слои с разной окраской, сердцевинные лучи, сосуды, капы или наросты. Капы — это почки, по разным причинам не давшие веток, а заросшие древесиной. Высоко ценится как отделочный материал древесина клена с капами, при перерезании которых образуется рисунок «птичий глаз». Текстура древесины, как и цвет, имеет большое значение при выборе материалов для производства мебели, отделки интерьеров и изготовления художественных поделок.

Более или менее выраженный специфический запах древесине придают находящиеся в ней эфирные масла и смолы. Часто запах служит признаком определения породы. Так, характерным запахом обладают сандаловое, розовое, земляничное дерево, хвойные породы и др. Некоторые деревья выделяют ядовитые вещества с неприятным запахом, раздражающие слизистые оболочки и кожу. Эфирное масло кедра отпугивает моль, поэтому шерстяную одежду хорошо хранить в шкафах из массива кедра.

Влажность — показатель содержания воды в древесине. В древесине может содержаться три вида влаги: химически связанная, связанная (гигроскопическая) и свободная.

Свободная влага содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах, она не оказывает влияния на прочность и изменение размеров древесины.

Связанная влага заполняет субмикрокапилляры в клеточных стенках. Максимальное содержание связанной влаги в клеточных стенках называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения. Влажность древесины, соответствующая пределу гигроскопичности, мало зависит от породы и в среднем принимается при температуре 20 °С равной 30%. При отклонении от температуры 20 °С величина влажности, соответствующая пределу гигроскопичности, изменяется. Например, в мерзлой древесине (температура —20 °С) или нагретой до температуры 100 °С предел гигроскопичности W соответствует 20%.

Изменение содержания связанной влаги ведет к изменению практически всех свойств древесины (прочности, усушки, разбухания).

Химически связанная влага входит в состав лигноцеллюлозно-го комплекса и выделяется только при химической переработке древесины.

Связанная влага удаляется из древесины труднее, чем свободная. Например, 50%-ная влажность означает, что 30% влаги — связанная вода, 20% — свободная. В пределах от 0 до 30% влажности происходит увеличение объема древесины, дальнейшее увеличение содержания влаги на размеры не влияет.

В зависимости от степени влажности различают древесину мокрую, длительное время пробывшую в воде (W > 100%), свеже-срубленную (W = 50...100%), воздушно сухую {W = 8...12%) и абсолютно сухую {W = 0). Максимально возможное количество свободной влаги зависит от плотности древесины: чем выше плотность, т.е. толще стенки клеток, тем меньше их полости и меньше содержание свободной влаги.

При длительной выдержке материала в воде, когда влага заполняет в нем практически все пустоты, древесина будет иметь максимальную влажность (у каждой породы она своя). Так, максимальная влажность лиственницы — 123%, сосны — 178, ели — 203, кедра — 208, пихты — 250, граба — 96, дуба — 119, березы — 131, осины — 180, тополя — 198%.

Влажность древесины измеряют прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на удалении воды из древесины, в частности, путем высушивания материала в сушильных шкафах. Этот метод длителен (6—8 ч), но дает высокую точность — до 0,1%. Распространенным экспресс-методом определения влажности служит измерение электропроводности древесины, зависящей от ее влажности, электровлагомером. Таким образом определяют влажность в пределах 7—60%.

Определяют абсолютную и относительную влажность древесины в процентах по формулам

Абсолютная влажность может быть более 100%, ее значение принимается во всех расчетах, связанных с характеристикой древесины. Относительная влажность всегда меньше 100%, она имеет значение при продаже дров.

Под усушкой древесины понимается уменьшение линейных размеров и объема древесины в результате удаления связанной влаги, заполняющей субмикрокапилляры. Поэтому при распиловке круглых лесоматериалов на пиломатериалы обязательно делают прибавку размеров на усушку. Усушка зависит от следующих факторов:

породы древесины (у разных пород она различна в связи с неодинаковым строением древесины);

плотности древесины (при большей плотности усушка больше);

количества удаленной влаги; при испарении максимального количества связанной влаги (от 30% до 0) происходит полная усушка, части влаги — частичная;

структурного направления; усушка по разным направлениям неодинакова; любая клетка в поперечном направлении усыхает больше, чем вдоль оси; это связано с тем, что размеры клетки в радиальном и тангентальном направлениях изменяются больше, чем вдоль волокон.

Усушка в тангентальном направлении в 1,5—2 раза больше, чем в радиальном. В среднем полная линейная усушка в тангентальном направлении составляет 6—10%, в радиальном — 3—5%, вдоль волокон — 0,1—0,3% и объемная — 12—15%. Рассчитывают усушку (Y) по формуле

Аналогично рассчитываются усушка радиальная и объемная.

Существует коэффициент усушки, который показывает величину усушки древесины при изменении влажности на 1%. Вследствие неравномерности усушки в разных структурных направлениях при резком изменении влажности древесины (несоблюдении режимов сушки) появляются трещины и коробление.

Разбухание древесины — явление, обратное усушке.

В любом деревообрабатывающем производстве и строительстве древесина подвергается сушке, в результате которой резко улучшаются многие свойства этого материала. С физической стороны процесс сушки выражается в воздействии на сырую древесину пара, нагретого сухого и влажного воздуха, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной влаги.

Существует несколько способов сушки. Наиболее распространены атмосферная (когда древесина высыхает в штабелях на открытом воздухе) и камерная сушка (когда древесина с целью ускорения процесса удаления влаги высушивается в особых камерах при температуре более высокой, чем температура окружающего воздуха). Правильно (при соответствующих режимах) проведенная камерная сушка дает древесину, вполне равноценную материалу, получаемому в результате атмосферной сушки, происходящей при наиболее благоприятных условиях. Однако если высушивать древесину в камере слишком быстро и при высокой температуре, это может привести не только к сильному растрескиванию и значительному внутреннему напряжениею, но и к нарушению строения и химическому изменению клеточных оболочек, а также механических свойств древесины.

Сушка древесины в поле токов высокой частоты не оказывает заметного влияния на физико-механические свойства материала.

Одна из основных характеристик древесины — плотность, она учитывается при выборе инструмента для обработки древесины, а также выборе грузоподъемности транспортных средств для перевозки лесо- и пиломатериалов. Характеризуется плотность массой в единице объема и обозначается буквой р, имеет размерность кг/м³ или г/см³ (1 кг/м³ = 1000 г/см³). Химический состав органических веществ, образующих клеточные стенки древесины разных пород, практически одинаков, поэтому плотность древесинного вещества (или плотность клеточных стенок) у всех пород равняется 1530 кг/м³. Вследствие пористого строения плотность древесины меньше плотности древесинного вещества.

По плотности древесины при 12%-ной влажности породы делят на три группы: малой плотности — до 540 кг/м³ (сосна, ель, кедр, пихта, ольха, осина, липа, тополь, ива), средней плотности — 550—740 кг/м³ (груша, дуб, клен, ясень, бук, вяз, береза, орех) и высокой плотности — 750 кг/м³ и более (граб, белая акация).

Среди иноземных пород встречаются древесные породы, плотность древесины которых около 100 кг/м³, например бальза, и с очень высокой плотностью — до 1300 кг/м³ (бакаут).

Между плотностью и влажностью существует прямая связь. С увеличением влажности древесины от 0 до 30% (связанная влага) плотность повышается незначительно, так как увеличиваются масса и объем (происходит разбухание), а может и несколько понижаться, если плотность больше 1000 кг/м³. При повышении влажности более чем на 30% плотность увеличивается значительнее.

На плотность древесины хвойных и лиственных кольцесосуди-стых пород оказывает влияние содержание поздней древесины в годичном слое. Так как плотность поздней древесины в 2,5 раза больше, чем ранней, следовательно, чем ее больше, тем выше плотность материала.

Плотность древесины может оцениваться несколькими показателями: плотностью в абсолютно сухом состоянии (р₀), во влажном (p_w), при стандартной (нормированной) влажности (р_!2) и базисной плотностью (рбаз). Рассчитывают значение плотности с точностью до 5 кг/м³.

Плотность влажной древесины (p_w) характеризуется отношением массы влажной древесины (m_w) к объему при той же влажности (Vw) и рассчитывается по формуле

Плотность древесины в абсолютно сухом состоянии (ро) характеризуется отношением массы абсолютно сухой древесины (то) к ее объему в абсолютно сухом состоянии (Ко) и находится по формуле

Увеличение содержания воды в древесине ведет к увеличению плотности материала. Поэтому для возможности сравнения показателей плотности принято определять их при стандартной влажности (W= 12%).

Прочность древесины характеризуется пределом прочности при растяжении, сжатии и изгибе, который определяют на образцах стандартной формы и размеров на специальных машинах. Наиболее прочная древесина сухая, здоровая, без дефектов, с большой объемной массой, у одной и той же породы прочность выше вдоль волокон.

Прочность древесины при изгибе уступает прочности при растяжении вдоль волокон, но выше прочности при сжатии вдоль волокон и находится в пределах от 56 до 113,5 МПа. Поэтому древесину широко используют в мебельном производстве в качестве опорных

элементов столов, стульев, шкафов и других видов изделий. Для хвойных пород прочность при изгибе в тангентальном направлении на 10—12% выше, чем в радиальном.

Прочность при скалывании вдоль волокон невелика и составляет примерно 20% прочности при сжатии вдоль волокон.

Прочность на скалывание поперек волокон в 2 раза ниже прочности вдоль волокон, что учитывают при изготовления шкантов и шпунтов, необходимых для соединения отдельных деталей мебели.

Способность древесины к загибу учитывают при изготовлении гнутой мебели, когда заготовке необходимо придать форму шаблона без разрушения волокон древесины и снижения механической прочности.

Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть для разных пород принята в среднем около 1000 кг/см². Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет выше примерно в 2 раза, а при растяжении вдоль волокон — в 2,6 раза. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 предела прочности.

Древесина — гигроскопичный материал, что приводит к изменению линейных размеров, повышению массы, уменьшению прочности изделий.

Она легко отдает влагу, поэтому ей присущи усушка и коробление. Из-за неравномерного удаления влаги возникают напряжения, которые вызывают растрескивание материала.

Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует так называемая устойчивая влажность древесины, практически одинаковая для всех пород.

Способность древесины к деформированию значительно выше, если она находится в нагретом и влажном состоянии. Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий.

Лучшей способностью к загибу характеризуются кольцесосу-дистые (дуб, ясень) и некоторые рассеяно-сосудистые породы с повышенной пластичностью (бук). Способность древесины к загибу повышается по мере увеличения ее влажности до точки насыщения, а также температуры. С повышением температуры происходит размягчение веществ, склеивающих волокна древесины, повышается ее пластичность, поэтому древесину перед изгибанием пропаривают. После высыхания пропаренный материал хорошо сохраняет свою форму. Древесина ели, сосны и других пород непригодна для изготовления гнутых изделий.

Твердость древесины характеризует ее способность сопротивляться внедрению тела определенной формы. В зависимости от скорости нагружения древесины при испытаниях различают статическую и ударную твердость.

Статическая твердость торцевой поверхности выше, чем боковых: для хвойной пород в среднем на 40%, а для лиственных на 30%. У большинства пород различия между твердостью радиальной и тангенциальной поверхности практически нет. Исключение составляют породы с хорошо развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, ильм), у которых твердость радиальной поверхности на 5—10% выше твердости тангенциальной поверхности.

Древесину отечественных пород по твердости торцевой поверхности при 12%-ной влажности можно подразделить на три группы:

мягкую (твердость — 400 кгс/см² и менее) — сосна, ель, пихта сибирская, кедр, осина, тополь, липа, ольха;

твердую (401—800 кгс/см²) — лиственница, груша, клен, дуб, бук, вяз, береза, ясень;

очень твердую (более 800 кгс/см²) — граб, акация белая, кизил, самшит, железное дерево, тис, фисташка, береза железная.

Износостойкость древесины характеризует способность ее поверхностных слоев противостоять износу, т.е. постепенному разрушению под действием механических факторов в процессе трения.

Истирание зависит от направления по отношению к волокнам (износ с боковой поверхности значительно больше, чем с торца), плотности и твердости (с повышением этих показателей износ уменьшается), а также от влажности, с увеличением которой износ возрастает.

Сопротивление древесины выдергиванию гвоздей зависит прежде всего от направления. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образцов из древесины дуба, сосны, осины, ольхи и ели, на 10—50% меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон; сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, практически одинаково.

Способность удерживать гвозди и шурупы зависит также от породы, плотности и влажности древесины. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается; так, вдавливание и выдергивание гвоздей из древесины граба (плотность — 730 кг/м³) требует усилий примерно в 4 раза больших, чем для древесины сосны (440 кг/м³).

Чем выше влажность древесины, тем легче вбивать гвозди. При высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается, так как упругие деформации переходят в остаточные, и трение, удерживающее гвоздь, становится меньше. Во влажной древесине железные гвозди ржавеют, и по мере их коррозии сила, удерживающая их, также ослабевает.

Усилия, необходимые для выдергивания шурупов, при прочих равных условиях больше, чем гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву. Для шурупов одинакового с гвоздями диаметра, но вдвое меньшей длины, это усилие оказывается в 2 раза больше.

Химическая стойкость древесины. Древесина под действием кислот и щелочей постепенно разрушается. Она обладает большей стойкостью по отношению к щелочам и меньшей — к кислотам. С увеличением концентрации щелочей и кислот химическая стойкость древесины снижается. Большей стойкостью характеризуется древесина хвойных пород, и прежде всего ее ядровая часть, меньшей — заболонная. Древесина лиственных пород отличается от хвойных меньшей стойкостью к кислотам, в первую очередь к минеральным. Их воздействие на древесину сопровождается изменением ее цвета — побурением, иногда происходит полное обугливание.

Свойства древесины, длительно находившейся в воде, практически не изменяются. Однако цвет древесины дуба вследствие взаимодействия солей железа с танидами изменяется от серовато-бурого до светло-коричневого и черного.

Биологическую стойкость древесины повышают путем обработки ее специальными химическими веществами — антисептиками. К ним относятся органические и минеральные вещества, которые имеют высокую токсичность к грибам и насекомым и сохраняют ее в течение длительного времени, безвредны для древесины, человека и животных, легко проникают в кору, недороги и просты в применении.

Антисептики подразделяются на водорастворимые и нерастворимые в воде (маслянистые). К водорастворимым относятся фтористый натрий, кремнефтористый натрий, хлористый цинк, кремнефтористый алюминий, препарат ГР-48 и др. Маслянистые антисептики представляют собой продукты сухой перегонки каменного угля, торфа и древесины, а также креозотовое, антраценовое, сланцевое масла и др.