Материал: Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини

Рис. 2.1. Текстура деревини сосни на трьох розрізах: а - на поперечному; б - радіальному; у - тангентальному

Запах деревини залежить від кількості ефірних олій, смол і дубильних речовин. Деревина тільки що зрубаного чи дерева відразу після її механічної обробки має сильний запах, у хвойних порід більш сильний запах, чим у деревини листяних порід [17, c. 88].

Об'ємну масу порід деревини порівнюють між собою на зразках вологістю 15 % (стандартна вологість). Деревину по об'ємній масі поділяють на групи:

         дуже легка (0,45 г/см³);

         легка (0,45...0,60 г/см³);

         важка (0,76...0,90 г/см³);

-        дуже важка деревина (більш 0,90 г/см³).

Вологість деревини і властивості, зв'язані з її зміною. Для кількісної характеристики вмісту води в деревині використовують показник - вологість. Під вологістю деревини розуміють виражене у відсотках відношення маси води до маси сухої деревини:

,(2.1)

де m - початкова маса зразка деревини в грамах;₀ - маса зразка абсолютно сухої деревини в грамах.

Розрізняють дві форми води, що міститься в деревині: зв'язану і вільну. Зв'язана вода знаходитися в клітинних стінках, а вільна міститься в порожнинах кліток і міжклітинних просторів. Зв'язана вода утримується в основному фізико-хімічними зв'язками, зміна її змісту істотно відбивається на більшості властивостей деревини. Вільна вода, утримувана тільки механічними зв'язками, віддаляється легше, ніж зв'язана вода, і впливає на властивості деревини.

При дослідженнях з метою визначення показників фізико-механічних властивостей деревини її кондиціонують, приводячи до нормалізованої вологості. Якщо немає особливих приміток, то показник дорівнює 12%.

На практиці по ступені вологості розрізняють деревину:

-             мокру, W > 100%, тривалий час знаходилася у воді;

-             свіжезрублену, W = 50-100%, що зберегла вологість зростаючого дерева;

-             повітряно-суху, W = 15-20%, витриману на відкритому повітрі;

-             кімнатно-суху, W = 8-12%, довгий час знаходилася в опалювальному приміщенні;

-             абсолютну-суху, W = 0, висушену при температурі t=103±2°C.

Усушка. Зменшення лінійних розмірів і обсягу деревини при видаленні з її зв'язаної води називається усушкою. Видалення вільної води не викликає усушки. Чим більше клітинних стінок в одиниця об'єму деревини, тим більше в ній зв'язаної води і вище усушка.

Усушка деревини не однакова в різних напрямках: у тангенціальному напрямку в 1,5 - 2 рази більше, ніж у радіальному. Під повною усушкою, чи максимальною усушкою B_max розуміють зменшення лінійних розмірів і обсягу деревини при видаленні всієї кількості зв'язаної води [28, с. 134].

Формула для обчислення повної усушки у відсотках має вид:

(2.2)

де a_max - розмір (обсяг) зразка відповідно при вологості, рівної чи вище межі насичення клітинних стінок, мм³;_min - розмір (обсяг) зразка відповідно при вологості в абсолютному-сухому стані, мм³.

Повна лінійна усушка деревини найбільш розповсюджених вітчизняних порід у тангенціальному напрямку складає 8-10 %, у радіальному 3-7 %, а уздовж волокон 0,1-0,3 %. Повна об'ємна усушка знаходиться в межах 11-17 %. Усушка деревини враховується при розпилюванні колод на дошки (припуски на усадку), при сушінні пиломатеріалів і т.д.

Внутрішні напруження виникають у деревині без участі зовнішніх навантажень. Вони утворяться в результаті неоднакових змін обсягу тіла при сушінні - сушильні напруги, просоченню й у процесі росту дерева. Повні сушильні напруги зручно як сукупність двох складових - вологістні і залишкових напруг.

Вологістні напруги викликані неоднорідною усушкою матеріалу. У поверхневих зонах дошки, де вологість нижче, ніж у центрі, через стиснення вільної усушки виникають напруги, що розтягують, а усередині дошки - стискаючі. Залишкові напруги обумовлені появою в деревині неоднорідних залишкових деформацій. Залишкові напруги на відміну від вологістних не зникають при вирівнюванні вологості в дошці і спостерігаються як під час сушіння, так і після її повного завершення.

Якщо напруги, що розтягують, досягають межі міцності деревини на розтягання поперек волокон, з'являються тріщини. Так з'являються поверхневі тріщини на початку сушіння і внутрішні наприкінці сушіння.

Нерівномірна усушка деревини по різних напрямках викликає деформації і дефекти дерев'яних деталей і конструкцій. Через усушку і розбухання дерев'яні конструкції деформуються і можуть стати цілком непридатними. От чому дерев'яні конструкції виготовляють зі стандартно-сухої деревини [26, с. 78].

Рис. 2.2. Усушка деревини в різних частинах стовбура

Короблення. Зміна форми пиломатеріалів і заготовок при сушінні, а також випиловці і неправильному збереженні називається коробленням. Найчастіше короблення відбувається через розрізняння усушки по різних структурних напрямках. Розрізняють поперечну і подовжню покоробленність.

Рис. 2.3. Усушка і короблення граней: I - грані деревини, що не піддавалися сушінню; II - грані висушеної деревини; а, б, в, г - схеми усушки граней деревини в залежності від їх місця в стволі

Короблення може виникати при механічній обробці сухих пиломатеріалів: при несиметричному струганні, ребровому розподілі через порушення рівноваги залишкових напруг.

Вологовбирання. Здатність деревини внаслідок її гігроскопічності поглинати вологу (пари води) з навколишнього повітря називається вологовбиранням. Вологовбирання практично не залежить від породи. Здатність до поглинання вологи є негативною властивістю деревини. Суха деревина, поміщена в дуже вологе середовище, сильно воложиться, що погіршує її фізико-механічні характеристики, знижує біостійкість і т.д. Щоб захистити деревину від впливу вологого повітря, поверхні дерев'яних деталей і виробів покривають різними лакофарбовими і плівковими матеріалами.

Розбухання. Збільшення лінійних розмірів і обсягу деревини при підвищенні в ній вмісту зв'язаної води називається розбуханням. Розбухання відбувається при витримуванні деревини у вологому повітрі чи воді. Це - властивість, зворотна усушці, і підкоряється, в основному, тим же закономірностям. Так само, як і усушка, найбільше розбухання деревини спостерігається в тангенціальному напрямку поперек волокон, а найменше - уздовж волокон. Розбухання - негативна властивість деревини, але в деяких випадках воно приносить користь, забезпечуючи щільність з'єднань (у бочках, чанах, судах і т.д.) [11, с. 256].

Водопоглинення. Здатність деревини збільшувати свою вологість при безпосередньому контакті з капельнорідкою водою називається водопоглиненням. Максимальна вологість, який досягає занурена у воду деревина, складається з граничної кількості зв'язаної води і найбільшої кількості вільної води. Очевидно, що кількість вільної води залежить від обсягу порожнин у деревині, тому, чим більше щільність деревини. Тим менше її вологість, що характеризує максимальне водопоглинення.

Здатність деревини поглинати воду, а також інші рідини має значення в процесах варіння деревини для одержання целюлози, при просоченні її розчинами антисептиків і антипіринів, при сплаві лісоматеріалів і в інших випадках. Щільність. Ця властивість характеризується масою одиниця об'єму матеріалу, і має розмірність у кг/м³ чи г/см³. Густина деревинної речовини, тобто щільність матеріалу клітинних стінок, дорівнює для всіх порід 1,53 г/см³, оскільки однаковий хімічний склад клітинних стінок деревини.

Щільність деревини менше густини деревинної речовини, тому що вона включає порожнечі (порожнини кліток і міжклітинні простори, заповненні повітрям). Відносний обсяг порожнин, заповнених повітрям, характеризує пористість деревини. Пористість деревини коливається в межах від 40 до 80% і визначається за формулою:

(2.3)

де v₀ - обсяг зразка_д.р. - обсяг деревинної речовини

Базисна щільність деревини виражається відношенням маси абсолютно сухого зразка до його обсягу при вологості, рівної чи вище межі насичення клітинних стінок. Цей основний показник щільності, що не залежить від вологості, широко використовується для оцінки якості сировини в деревообробці, целюлозно-паперовій промисловості й в інших випадках.

Величина щільності деревини змінюється в дуже широких межах. Серед порід деревину з дуже малою щільністю має ялиця сибірська (345), верба біла (415), а найбільш щільну - самшит (1040), ядро фісташка (1100). Діапазон зміни щільності деревини іноземних порід ширше: від 100-130 (бальза) до 1300 (бакаут). Значення щільності тут і нижче дані в кілограмах на метр кубічний (кг/м³). По щільності деревини при 12% вологості породи поділяють на 3 групи: з малої (Р₁₂ < 540), середньої (550 < P₁₂ < 740) і високої (P₁₂ > 740) щільністю деревини [21, с. 50]. Проникність характеризує здатність деревини пропускати чи рідини гази під тиском. Водопроникність деревини уздовж волокон значно більше, ніж поперек волокон, при цьому в деревини листяних порід вона в кілька разів більше, ніж у хвойних. Теплові властивості. До теплових властивостей відносяться теплоємність, теплопровідність, температуропровідність і теплове розширення. Показником здатності деревини акумулювати тепло є питома теплоємність С, що представляє собою кількість теплоти, необхідна для того щоб нагріти 1 кг маси деревини на 1 С.

Теплопровідність - властивість, що характеризує інтенсивність переносу тепла в матеріалі. Температуропровідність характеризує здатність деревини вирівнювати температуру по обсягу. Теплове розширення - здатність деревини збільшувати лінійні розміри й обсяг при нагріванні. Коефіцієнт теплового розширення деревини в 3-10 разів менше, ніж у металу, бетону, скла.

Електричні властивості. Електропровідність - здатність деревини проводити електричний струм, що знаходиться в зворотній залежності від електричного опору.

Суха деревина відноситься до діелектриків. З підвищенням вологості деревини опір зменшується. Особливо різке зниження (у десятки мільйонів разів) опору спостерігається при збільшенні вмісту зв'язаної води. Подальше збільшення вологості викликає падіння опору лише в десятки чи сотні разів. Цим пояснюється зниження точності визначення вологості електровологомірами в області, вище W_пн.

Електрична міцність - здатність деревини протистояти пробою, тобто зниженню опору при великих напругах. Діелектричні властивості характеризують поводження деревини в перемінному електричному полі. Показники: діелектрична проникність і тангенс кута втрат.

Діелектрична проникність дорівнює відношенню ємності конденсатора з прокладкою з деревини до ємності конденсатора з повітряним зазором між електродами. Цей показник для сухої деревини дорівнює 2-3.

Тангенс кута діелектричних утрат характеризує частку підведеної потужності струму, що поглинається деревиною і перетворюється в тепло. П'єзоелектричні властивості виявляються в тім, що під дією механічних зусиль на поверхні деревини виникають електричні заряди.

Звукові властивості. Одне з цих властивостей - звукопровідність, показником якої є швидкість звуку. Інший важливий показник, що характеризує здатність деревини відбивати і проводити звук - акустичний опір.

Властивості деревини, що виявляються під впливом електромагнітних випромінювань. Поверхневі зони деревини можуть ефективно прогріватися за допомогою невидимих інфрачервоних променів. Значно глибше - до 10-15 см - проникають у деревину промені видимого світла. По характері відображення світлових променів можна оцінювати наявність видимих пороків деревини. Світлове лазерне випромінювання пропалює деревину й останнім часом успішно використовується для випалювання деталей складної конфігурації.

Ультрафіолетові промені проникають набагато гірше в деревину, але викликають світіння - люмінесценцію, що може бути використане для визначення якості деревини. Рентгенівські промені використовуються для визначення особливостей тонкої будівлі деревини, виявлення схованих пороків і в інших випадках.

З ядерних випромінювань можна відзначити бета-випромінювання, що використовуються при денсиметрії зростаючого дерева. Набагато ширше можуть застосуються гамма-випромінювання, що глибше проникають у деревину і використовуються при визначенні її щільності, виявленні гнилизни [22, с. 103].

.2 Хімічні властивості деревини

Деревина складається переважно з органічних речовин (99% загальної маси). Елементний хімічний склад деревини різних порід практично однаковий. Абсолютно суха деревина в середньому містить 49% вуглецю, 44% кисню, 6% водню, 0,1-0,3% азоту. При спалюванні деревини залишається її неорганічна частина - зола. До складу золи входять кальцій, калій, натрій, магній і інші елементи. Перераховані хімічні елементи утворюють основні органічні речовини: целюлозу, лігнін і геміцелюлози [7, c. 67].

Целюлоза - природний полімер, полісахарид з довгою ланцюговою молекулою. Формула целюлози (C₆H₁₀O₅)n, де n - ступінь полімеризації, рівна 6000-14000. Це дуже стійка речовина, нерозчинна у воді і звичайних органічних розчинниках (спирті, ефірі й ін.), білого кольору. Пучки макромолекул целюлози - найтонші волоконця називаються мікрофібрилами. Вони утворюють целюлозний каркас стінки клітки. Мікрофібрили орієнтовані переважно уздовж довгої осі клітки, між ними знаходиться лігнін, гемоцелюлози, а також вода.

Лігнін - полімер ароматичної природи (поліфенол) складної будови; містить більше вуглецю і менше кисню, чим целюлоза. Саме з цією речовиною зв'язаний процес одерев’яніння молодої клітинної стінки. Лігнін хімічно нестійкий, легко окисляється, взаємодіє з хлором, розчиняється при нагріванні в лугах, водяних розчинах сірчистої кислоти і її кислих солей.

Геміцелюлози - група полісахаридів, у яку входять пентозани (C₅H₈O₄)n і гексозани (C₆H₁₀O₅)n. Формула гексозанів на перший погляд ідентична формулі целюлози. Однак ступінь полімеризації у всіх геміцелюлоз набагато менша і складає 60-200. Це свідчить про більш короткі ланцюжки молекул і меншу стійкість цих речовин у порівнянні з целюлозою.

Крім основних органічних речовин, у деревині міститься порівняно невелика кількість екстрактивних речовин (таннідів, смол, камедей, пектинів, жирів і ін.), розчинних у воді, спирті чи ефірі [12, с. 97].

Як сировину деревину споживають три галузі хімічної промисловості: целюлозно-паперова, гідролізна і лісохімічна. Целюлозно-паперова промисловість виробляє целюлозу для виготовлення паперу, картону і цілого ряду целюлозних матеріалів (похідних целюлози), а також деревоволокнистих плит. Ґрунтуючись на високій хімічній стійкості целюлози, шляхом впливу різних агентів на деревину переводять у розчин супровідні її менш стійкі речовини. Розрізняють три групи способів промислового одержання целюлози: кислотні, лужні і нейтральні. Вибір того чи іншого способу залежить в основному від породного складу деревної сировини, що переробляється.

До групи кислотних способів відносяться сульфітний і бісульфітний. При сульфітному способі як сировина використовується деревина малосмолистих хвойних (ялини, ялиці) і ряду листяних порід. Бісульфітний спосіб дозволяє використовувати для одержання целюлози деревину практично будь-яких порід.

До групи лужних способів відносяться сульфатний і нейтральний. Найбільше поширення одержав сульфатний метод. Варіння тріски ведеться в розчині їдкого натру і сірчистого натрію. Сульфатний спосіб дозволяє одержувати більш міцні волокна. До достоїнств цього способу відноситься менша тривалість варкі, а також можливість здійснювати процес за замкнутою схемою (шляхом регенерації лугу), що зменшує небезпеку забруднення водойм. Цим способом одержують більш половини виробленої у світі целюлози, тому що він дозволяє використовувати деревину будь-яких порід [13, с. 40].