Материал: Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини

Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини

Курсова робота

з дисципліни: «Фізико-хімічні методи дослідження сировини і матеріалів»

на тему: «Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини»

Вінниця 2014

ЗМІСТ

Вступ

.        Огляд літератури

1.1    Значення деревини в народному господарстві

.2      Будова деревини

.3      Породи деревини

.4      Вади деревини

2.      Фізичні та хімічні властивості деревини

2.1    Фізичні властивості деревини

.2      Хімічні властивості деревини

3.      Фізико-хімічні методи дослідження деревини

3.1    Термогравіметричний метод вимірювання вологості деревини

.2      Метод дослідження на міцність при стиску

.3      Метод ІЧ-спектроскопії

.4      Метод термохімічної спектроскопії

.5      Калориметричний метод

Висновки і пропозиції

Список використаних джерел

ВСТУП

Відомо, що деревина є важливим ресурсом для життєдіяльності людини. Її використовують у багатьох сферах життя: як сировина для будівництва, виготовлення меблів, виробництва паперової пульпи тощо. Деревину застосовували ще з давніх часів для різних потреб: вона сприяла освоєнню вогню, розвитку писемності, судноплавства, будівництва, з неї виготовляли предмети побуту та культури.

Деревина - це внутрішня частина дерева, що знаходиться під корою. Являється відновлюваним ресурсом. До складу деревини входить низка складних органічних сполук. Повний хімічний аналіз показує, що вона містить близько 50% вуглецю, 6% водню і 44% кисню. Стінка клітини має сітчасту структуру із взаємопов'язаних ланцюгових молекул целюлози, наповнену іншими вуглеводнями (геміцелюлозами), а також лігніном і різними екстрактивними речовинами. Цементуючою міжклітинною речовиною є в основному кальцію і магнію, а в клітинних порожнинах, особливо в деревині листяних порід, накопичуються смоли, камеді, жири, таніни, пігменти і мінеральні речовини. До складу деревини входить 45-60% целюлози, 15-35% лігніну і 15-25% геміцелюлози. Кількість чужорідних, екстрактивних речовин значною мірою залежить від породи і є неоднаковим в заболоні і ядрі деревини. Вміст мінеральних речовин (зольність) деревини зазвичай значно менший за 1%. В сучасному світі дерево є необхідним матеріалом для виготовлення різноманітних товарів. Тому важливо знати фізико-хімічні характеристики, які основними факторами в доцільності використання деревини. Основними її властивостями є:

§  Механіко-технологічні: міцність, твердість, питома в'язкість, експлуатаційні характеристики, технологічні характеристики, зносостійкість, здатність утримувати кріплення, гнучкість;

§  Фізичні: зовнішній вигляд (текстура, блиск, колір), вологість (усушка, жолоблення, водопоглинення, гігроскопічність, щільність), теплові (теплопровідність, теплоємність), звукові (акустичний опір, звукопровідність), електричні (діелектричні властивості, електропровідність, електрична міцність);

§  Хімічні властивості.

На даний момент тема курсової роботи є актуальною, тому що в світі завжди постає проблема ефективного та доцільного використання ресурсів, зокрема деревини.

Метою даної курсової роботи є вивчення та обґрунтування фізико-хімічних методів дослідження якості деревини та її властивостей.

В даній курсовій роботі описані такі фізико-хімічні методи дослідження: термогравіметричний метод вимірювання вологості деревини, метод дослідження на міцність при стиску, метод ІЧ-спектроскопії, метод термохімічної спектроскопії, калориметричний метод. Також описані фізичні та хімічні властивості деревини, які безпосередньо впливають на подальше застосування матеріалу.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

.1 Значення деревини в народному господарстві

Деревина є дуже цінним будівельним матеріалом, який використовують у житловому і промисловому виробництві та залізничному транспорті, в суднобудуванні в сільському господарстві, для виробництва предметів широкого вжитку тощо. За універсальністю застосування з деревиною не може порівнятися жоден інший матеріал. За допомогою хімічної технології з дерева одержують деревний спирт, скипидар, оцет, смоли, дубителі, кислоти, ліки, вітаміни, штучний шовк, папір - загалом близько двадцяти тисяч різноманітних виробів і речовин. Перевагами деревини, порівняно з іншими матеріалами, є порівняно проста й легка обробка, добра формоутворюваність, невелика вартість, відносна міцність і легкість, низька теплопровідність, гарний зовнішній вигляд обробленої поверхні [4, с. 51]. Недоліками деревини є схильність до загнивання, займистість, гігроскопічність, розбухання, усихання тощо, проте за допомогою спеціальної обробки, натурального і штучного сушіння, просочування антисептиками їм можна запобігти [3, c. 23].

.2 Будова деревини

Деревина складається з елементарних клітин, різноманітних за розмірами та формою, міцно зв'язаних між собою. Вона має шарово-волокнисту будову. Уявлення про неї можна скласти, розглянувши три головні розрізи стовбура: поперечний, чи торцевий - площина розрізу перпендикулярна осі стовбура; радіальний - вздовж стовбура через середину; тангентальний - вздовж стовбура на деякій відстані від серцевини.

Рис. 1.1. Поперечний розріз стовбура: 1 - серцевина, 2 - серцевинні промені, 3 - ядро, 4 - зовнішній шар, 5 - луб, 6 - заболонь, 7 - камбій, 8 - річний шар

На поперечному розрізі (Рис. 1.1) серцевина має вигляд темної (чи іншого кольору) плями діаметром 2-5 мм. Вона складається з м'яких розрихлених тканин і швидко загниває. На радіальному розрізі серцевина має вигляд прямої чи вигнутої вузької стяжки. Кора вкриває дерево і складається із зовнішнього шару і внутрішнього шару - лубу, який проводить воду з органічними речовинами, виробленими в листках, вниз стовбуром. Кора охороняє дерево від механічних пошкоджень, різких змін температури та інших шкідливих впливів довкілля. Між корою та деревиною знаходиться дуже тонкий, не видимий неозброєним оком, шар - камбій. Він складається з живих клітин, які протягом усього періоду росту відкладають елементи (клітини) в бік деревини та кори. Завдяки цьому дерево росте [16, с. 41].

Деревина місцевого походження має, переважно, світлий колір. При цьому в одних порід уся маса деревини - одного кольору (вільха, береза, граб тощо), у інших центральна частина має темніший відтінок (дуб, модрина, сосна тощо). Темна частина стовбура називається ядром, а світла периферійна - заболонню. У деяких порід центральна частина стовбура дерева, що росте, відрізняється від периферійної меншим вмістом води. Така деревина зветься зрілою. Породи, що мають ядро, звуться ядровими. Усі інші, що не мають відмінностей між центральною та периферійною частинами стовбура ні за кольором, ні за вмістом води, звуться заболонними (без’ядровими) [2, с. 44].

На поперечному розрізі стовбура знаходяться концентричні шари, вони розміщені навколо серцевини. Ці утворення називаються річними шарами. Вони - щорічний приріст деревини. На радіальному розрізі річні шари мають вигляд поздовжніх стяжок, на тангентальному - звивистих конусоподібних ліній. Річний шар складається з ранньої та пізньої деревини. Відмінність між ранньою та пізньою деревиною чітко виражена у хвойних та деяких листяних породах (дуба, ясеня, карачага). Від кількості пізньої деревини залежить густина й механічні властивості [14-15].

На поперечному розрізі деяких порід неозброєним оком можна помітити світлі, часто блискучі, спрямовані від серцевини до кори, лінії - серцевинні промені. Вони характерні для усіх порід, але найкраще помітні у ду6а, бука, платана. На радіальному розрізі серцевинні промені мають вигляд блискучих широких чи вузьких, коротких чи довгих стяжок або рисочок; на тангентальному вони схожі на чечевички чи мають веретеноподібну форму. Серцевинні промені на радіальному розрізі утворюють гарний візерунок, що має практичне значення при виборі деревини [5, с. 36].

1.3 Породи деревини

Породи дерев поділяються на хвойні і листяні. Хвойні дерева становлять переважну частину лісових багатств нашої країни. Найпоширенішими хвойними породами є сосна, ялина, модрина, кедр і ялиця. Деревина сосни завдяки її фізичним, механічним і технічним властивостям широко застосовується в будівництві та меблевій промисловості.

Ялина менш поширена і займає після сосни друге місце. Своїми якостями поступається перед сосною; з неї виготовляють маловідповідальні вироби. Деревина модрини червоно-бурого кольору, стійка проти загнивання, довговічна, але має схильність до розтріскування. У віці 150-160 років сягає 40 м висоти і 40-50 см у діаметрі. Застосовують її у відповідальних спорудах, в місцях, де вона росте, - і в житловому будівництві [23, с. 130].

Деревина кедра досить міцна, порівняно легка, м'яка, має гарний колір і текстуру, добре обробляється. Найкращий вік для використання 200-250 років. Застосовується в столярно-будівельному і меблевому виробництвах, а в місцях зростання і як домобудівний матеріал.

Деревина ялиці білого кольору з слабким кремовим відтінком. У ній немає смоляних ходів і смолистих речовин, тому вона малостійка проти загнивання, порівняно швидко втрачає свою, міцність і малопридатна як будівельний матеріал. З неї виготовляють ящики, продуктову тару, виробляють папір тощо. Найкращий вік для використання 100-120 років [25, с. 40].

Своїми якостями, особливостями і різноманітністю застосування деревина листяних порід значно перевищує деревину хвойних порід. До листяних порід, що застосовуються в столярно-будівельному і меблевому виробництві, належать дуб, бук, береза, вільха, осика, липа, тополя. Деревина дуба відзначається великою міцністю, твердістю і стійкістю проти загнивання, має гарну текстуру і колір. Застосовують її для відповідальних деталей споруд, у меблевому виробництві тощо. Найкращий вік дуба для використання - 80-100 років. Деревина бука має білий колір з жовтувато-червоним відтінком, високу міцність, гарну текстуру, добре піддається гнуттю й обробці. Застосовується в меблевому виробництві, в машино- і приладобудуванні, у виробництві паркету, шевських колодок, креслярського приладдя та іншому. Кращий вік для використання - 100-150 років [24, с. 61].

Береза має білу з блідо-рожевим відтінком деревину, досить однорідну і міцну, яка добре піддається обробці та оздобленню під цінні породи. Істотний недолік берези - швидке загнивання у вологому середовищі. Застосовується для виготовлення фанери, токарних виробів, спортивного приладдя. Для художніх виробів використовують карельську березу. Найкращий вік для використання - 50-70 років [20, с. 180].

У вільхи деревина біла (вона швидко червоніє на повітрі), м'яка й легка, стійка проти вологи. З неї виробляють тару, фанеру тощо. Промисловий вік - 50 років.

Деревина осики білого кольору з зеленуватим відтінком, легка і м'яка, швидко загниває в вологому середовищі. Застосовується у виробництві сірників, фанери, тари, драні тощо. Промисловий вік - 40-60 років.

Деревина липи білого кольору з легким блідо-рожевим відтінком, м'яка, легка, однорідної будови. Добре розколюється, ріжеться, майже не тріскається і не жолобиться. Йде на виготовлення тари під харчові продукти, ливарних моделей, креслярських дощок, олівців, дитячих іграшок і багатьох інших виробів. Промисловий вік - 40-50 років, сягає віку 300-400 років і більше. Тополя має заболонь білого кольору, а ядро ясно-буре, іноді з жовтуватим відливом. Деревина м'яка, легка, мало усихає і мало жолобиться. Найбільше промислове значення має чорна тополя - осокір і біла - срібляста. Деревину осокора застосовують у меблевому виробництві під фанерування, а сріблястої - у меблевому виробництві як у масиві, так і у вигляді облицювальної фанери. Після обробки срібляста тополя набуває гарного сріблясто-переливчастого кольору

Серед великої кількості деревних порід, крім промислових, розрізняють ще такі цінні, як горіх, червоне дерево, амарант, палісандр та ін., що йдуть на виготовлення художніх виробів, музичних інструментів і оздоблення високоякісних меблів [8, с. 94].

1.4 Вади деревини

Вади деревини - недоліки окремих її ділянок, що знижують якість і обмежують можливість використання. Розрізняють їх по групах, видах та різновидах.

Для оцінки якості деревини всі її вади підлягають точному обліку і кількісному вимірюванню.

Сучки - частини гілок, замкнені в деревині стовбура. Затрудняють обробку матеріалу, викликають затуплення і пошкодження інструменту.

Тріщини - розриви деревини вздовж волокон. Порушують цілісність деревини, знижують її. Тріщини розрізняють по положенні в сортименті (бокові, торцеві); по глибині (не скрізні, скрізні); по ширині (замкнуті, розходженні).

Вади форми стовбура являють собою різні відхилення розмірів стовбура (зменшення або збільшення діаметру, викривлення по довжині, різке місцеве потовщення та ін.). Вони збільшують кількість відходів при обробці деревини, затрудняють використання по призначенню круглих лісоматеріалів [26, с. 140].

Вади структури деревини являють собою різні відхилення в напрямку волокон від повздовжньої осі матеріалів, у зміні річних шарів, заростаючі рани, заглиблення, накопичення смоли та ін. Грибкові пошкодження являють собою ненормальну забарвлення ділянки деревини. Плями, забарвлення та буруватість підвищують водопроникність деревини, гнилі та дупла роблять її технічно непридатною. Біологічні пошкодження являють собою отвори і ходи, що виникають в результаті життєдіяльності комах, паразитуючих рослин, птахів. По здутті можна визначити наявність у деревині інородних включень (дроту, цвяхів та ін.). У випадку їх наявності вони можуть бути причиною аварії [29, с. 20].

2. ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДЕРЕВИНИ

.1 Фізичні властивості деревини

Властивості деревини, що виявляються при дослідженнях, що не приводять до зміни хімічного складу, називаються фізичними.

Зовнішній вигляд деревини. Він характеризується наступними властивостями: кольором, блиском, текстурою і макроструктурою [19, с. 12].

Під кольором деревини розуміють визначене зорове відчуття, що залежить, в основному, від спектрального складу відбитого нею світлового потоку. Колір - одна з найважливіших характеристик зовнішнього вигляду деревини. Його враховують при виборі порід для внутрішньої обробки приміщень, виготовленні меблів, музичних інструментів, художніх виробів і т.д.

Забарвлення деревини залежить від породи, віку дерева, клімату району виростання. Деревина може змінювати колір при витримці під впливом повітря і світла, при поразці грибами, а так само при тривалому перебуванні під водою. Проте, колір багатьох порід настільки характерний, що може служити одним з ознак при їхньому розпізнаванні [30, с. 23].

Блиск - це здатність деревини направлено відбивати світловий потік. Найбільшим блиском з вітчизняних порід відрізняється деревина дуба, бука, білої акації, оксамитного дерева; з іноземних - деревина атласного дерева і махагони (червоного дерева).

Текстурою називається малюнок, що утвориться на поверхні деревини внаслідок перерізання анатомічних елементів (річних шарів, серцевинних променів, судин). Для оцінки якості деревини по зовнішньому вигляді використовують такі характеристики, як ширина річних шарів і зміст пізньої деревини. Ширина річних шарів - число шарів, що приходяться на 1 см відрізка, відміряного по радіальному напрямку на торцевій поверхні зразка.