Древесина

ДРЕВЕСИНА, вторичная ксилема многолетних растений; в растущих деревьях и кустарниках составляет основную массу стволов, ветвей, корней и выполняет в них проводящие, запасающие и механические функции. Различают древесины хвойных (сосна, ель и др.) и лиственных (дуб, берёза и др.) пород.

Строение. Древесину  изучают на трёх разрезах ствола: поперечном и двух продольных - радиальном и тангенциальном (рис. 1). В древесине различают заболонь (периферическую светлую зону) и ядро (центральную зону), имеющее более тёмную окраску у так называемой ядровой древесины или мало отличающееся по цвету от заболони у безъядровой древесины. Среди безъядровых пород (ель, пихта, бук и др.) выделяют спелодревесные, у которых центральная зона древесины в свежесрубленном состоянии менее влажная, чем периферическая, и заболонные (берёза, клён) - с равномерной влажностью по сечению ствола. Годичные слои (ежегодные приросты древесины) на поперечном разрезе имеют вид концентрических окружностей, на радиальном и тангенциальном - соответственно прямых и изогнутых полос; у многих пород в каждом слое заметны менее плотная светлая (так называемые ранняя) и более плотная тёмная (поздняя) древесина. У кольцесосудистых лиственных пород (например, дуб, ясень) крупные сосуды расположены только в ранней древесине, а у рассеянно-сосудистых (берёза, осина) крупные и мелкие сосуды равномерно распределены по годичному слою. У некоторых лиственных пород на поперечном разрезе видны светлые радиальные полоски (лучи), на радиальном - блестящие тёмные или светлые поперечные полоски, а на тангенциальном - веретеновидные узкие полоски. У некоторых хвойных пород (сосна, кедр и др.) в поздней зоне годичных слоёв на поперечном разрезе заметны светлые пятнышки - смоляные ходы.

Наблюдаемая с помощью оптического и электронного микроскопов структура древесины срубленного дерева включает растительные клетки с отмершим протопластом (так называемая мезоструктура). Клеточные стенки (микроструктура) состоят в основном из целлюлозных микрофибрилл (наноструктура). В тонкой первичной и толстой трёхслойной вторичной оболочке клеточной стенки микрофибриллы имеют различную ориентацию; в наиболее мощном внутреннем слое вторичной оболочки микрофибриллы расположены под небольшим углом наклона (5-15°) к длинной оси клетки. Такая преимущественная ориентация микрофибрилл - одна из основных причин анизотропии древесины. Со стороны полости клетки стенку покрывает тонкий бородавчатый слой. В стенках клеток имеются простые или окаймлённые поры. В промежутках между микрофибриллами находится лигнин, вызывающий одревеснение клеточных стенок, а также гемицеллюлозы и вода.

Древесина  хвойных пород в основном состоит из удлинённых прозенхимных клеток - трахеид (рис. 2). Расположенные в ранней зоне годичного слоя крупнополостные трахеиды выполняют главным образом проводящую функцию, поздние толстостенные трахеиды - механическую, а паренхимные клетки, образующие лучи и участвующие в структуре вертикальных смоляных ходов, - запасающую. Горизонтальные ходы в некоторых лучах пересекаются с вертикальными, составляя единую смолоносную систему. В древесине лиственных пород (рис. 3) проводящую функцию выполняют сосуды, сосудистые и волокнистые трахеиды; механическую - волокна либриформа и/или волокнистые трахеиды; запасающую - паренхимные клетки в виде горизонтальных однорядных и многорядных лучей, а также вертикальной осевой паренхимы.

Состав и свойства. Химический состав древесины всех пород практически одинаков (49-50% углерода, 43-44% кислорода, 6% водорода и 0,1-0,3% азота). В древесине эти элементы образуют органические вещества: целлюлозу (31-50%), лигнин (20-30%) и гемицеллюлозы (19-35%), включающие пентозаны (5-29%) и гексозаны (6-13%). Хвойные породы содержат несколько больше целлюлозы, лиственные - значительно больше пентозанов. В состав древесины  входят  также  экстрактивные вещества (таннины, смолы, камеди, эфирные масла и др.). Минеральные вещества при сжигании древесины образуют золу (0,1-1%). Массовая теплота сгорания древесины не зависит от породы и составляет 19,6-21,4 МДж/кг; объёмная теплота сгорания (МДж/м³) зависит от плотности древесины.

Физические свойства. Внешний вид древесины характеризуется цветом, блеском и текстурой, которые служат для идентификации древесных пород, а также определяют ценность древесины как декоративного материала. Многообразие цвета древесины разных пород зависит от состава и содержания экстрактивных веществ. Цвет изменяется при воздействии на древесины воздуха, света, температуры, химических агентов, а также в результате пропаривания, длительной выдержки в воде, при грибных поражениях. Блеск древесины определяется в основном наличием лучей на продольных разрезах. Текстура древесины (рисунок, образующийся в результате перерезания анатомических элементов) зависит не только от породы дерева, но и от направления разреза ствола. Особенно эффектна текстура у некоторых лиственных пород из-за перерезанных сосудов (например, дуб, ясень), лучей (бук, клён) и пороков строения (карельская берёза).

Влажность древесины (W) определяется как отношение содержащейся в ней массы воды к массе абсолютно сухой древесины. Связанная вода содержится в клеточных стенках, свободная - в полостях клеток и межклеточных пространствах. Влажность ядра свежесрубленных хвойных деревьев составляет 35-37%, заболони - в 2-3 раза больше; у лиственных пород это различие незначительно. По высоте ствола влажность распределена неравномерно; она также подвержена сезонным и суточным  колебаниям.  Свойства  древесины  резко меняются при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок W_п.н., равного в среднем 30% (определяется при увлажнении в воде). Древесина  обладает способностью поглощать влагу из воздуха (в виде связанной воды), при этом максимальная влажность древесины достигает предела гигроскопичности, равного W_п.н при комнатной температуре. При вымачивании древесина поглощает воду как в свободном, так и связанном виде, при этом наибольшая влажность составляет 100-270%. По степени влажности древесину разделяют: на мокрую, длительное время находившуюся в воде (влажность более 100%); свежесрубленную, сохранившую влажность растущего дерева (50-100%); древесину атмосферной сушки, или воздушносухую, выдержанную на открытом воздухе (15-20%); камерной сушки, или комнатносухую, высушенную в камере или выдержанную в отапливаемом помещении (8-12%); абсолютно сухую, высушенную при температуре около 103 °С (0%). При выдерживании на воздухе при постоянных температуре и относительной влажности древесина приобретает соответствующую и одинаковую для всех пород равновесную влажность; при кондиционировании (температура воздуха 20 °С и влажность 65%) влажность древесины называется нормализованной и составляет 12%. Уменьшение содержания связанной воды приводит к усушке древесины При полном удалении связанной воды сокращаются линейные размеры древесины (на 8-10% в тангенциальном направлении, 3-7% в радиальном, 0,1-0,3% вдоль волокон) и объём (на 11-17%). Увеличение содержания связанной воды (при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде) вызывает разбухание древесины. Из-за различий усушки и разбухания по разным направлениям происходит коробление древесины. Неравномерное удаление связанной воды из древесины вследствие стеснённой усушки и неоднородных остаточных деформаций вызывает напряжения, приводящие к растрескиванию материала в процессе сушки или изменению заданной формы деталей при механической обработке высушенной древесины. Растрескивание древесины (например, крупных брусьев и брёвен) происходит также из-за напряжений, обусловленных различием тангенциальной и радиальной усушек.

Плотность материала клеточных стенок (древесинного вещества) не зависит от породы и составляет 1530 кг/м³. Плотность древесины в сухом состоянии из-за наличия в ней пустот зависит от породы и изменяется в пределах от 100 кг/м³ (бальзовое дерево) до 1300 кг/м³ (бакаут). Плотность древесины для наиболее распространённых отечественных пород при нормализованной влажности составляет 400-700 кг/м³. С увеличением влажности (выше W_п.н) плотность древесины возрастает. Древесина  обладает способностью пропускать под давлением жидкости и газы (водо- и газопроницаемость). Проницаемость древесины лиственных пород выше, чем хвойных, у заболони больше, чем у ядра, вдоль волокон больше, чем поперёк волокон.

Удельная теплоёмкость абсолютно сухой древесины одинакова у всех пород - 1,55 кДж/(кг °С); возрастает с повышением влажности и температуры. Теплопроводность древесины также возрастает с увеличением плотности, влажности и температуры; вдоль волокон она в два раза выше, чем поперёк волокон. Тепловое расширение древесины мало. Сухая древесина имеет очень высокое электрическое сопротивление (является диэлектриком), которое резко снижается (в миллионы раз) с повышением влажности до W_п.н, а при дальнейшем увлажнении - лишь в сотни или десятки раз. Древесина  обладает невысокой электрической прочностью; для повышения сопротивления пробою её пропитывают минеральными маслами. Диэлектрическая проницаемость сухой древесины составляет 2-5 и увеличивается с повышением влажности и температуры. Под действием механических нагрузок в сухой древесине возникают электрические заряды. Пьезоэлектрические свойства древесины обусловлены наличием ориентированного компонента - целлюлозы; в сухой древесине они наиболее заметны, с увеличением влажности уменьшаются и при влажности 6-8% практически исчезают. В древесине скорость распространения звука вдоль волокон составляет 5000 м/с, поперёк волокон - в 3-4 раза меньше и уменьшается с увеличением влажности и температуры древесины. Удельное акустическое сопротивление древесины, равное произведению её плотности на скорость звука, около 3·10⁶ Па·с/м. Декремент затухания звука в древесине зависит от частоты колебаний, влажности, температуры и составляет (2-4)·10^-2 Нп. Древесина  обладает относительно низким звукопоглощением и высокой резонансной способностью, что обусловило широкое применение древесины (особенно ели, пихты) для изготовления дек музыкальных инструментов.

Воздействие на древесину электромагнитных колебаний зависит от их частоты: ИК-излучение прогревает поверхностные слои в древесине (применяется для сушки шпона и других тонких сортиментов); видимый свет обладает большой проникающей способностью (для дефектоскопии древесины); световое лазерное излучение прожигает древесину (в качестве своеобразного «режущего» инструмента для фигурного раскроя изделий из древесины, гравёрных работ и др.); УФ-излучение вызывает люминесценцию древесины (для контроля качества обработки древесины). Рентгеновские и ядерные излучения, проходя через древесину, ослабляются в зависимости от толщины, плотности и влажности сортимента; их также применяют для дефектоскопии древесины.

Механические свойства. Древесина  характеризуется прочностью и деформативностью (способностью изменять размеры и форму). Прочность образцов древесины определяют при испытаниях на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и (реже) на кручение. Показатели механических свойств древесины вдоль волокон значительно выше, чем поперёк волокон. У наиболее распространённых отечественных пород пределы прочности древесины (для образцов без пороков, с влажностью 12%) составляют: при сжатии вдоль волокон 40-73 МПа; при растяжении вдоль волокон 66-171 МПа, поперёк волокон в радиальном направлении 4-13,3 МПа, в  тангенциальном - 2,8-9,2 МПа; при изгибе 68-148 МПа. Повышение влажности древесины до W_п.н снижает пределы прочности при сжатии вдоль волокон в 2-2,5 раза; увеличение размеров образцов и наличие пороков древесины также уменьшает её прочность. При кратковременных и сравнительно небольших нагрузках древесина деформируется как упругий материал; модуль упругости древесины вдоль волокон составляет 12-18 ГПа, поперёк волокон в 15-30 раз меньше. Реологические свойства древесины (характеризующие её повышенную способность деформироваться под нагрузкой во времени) возрастают с увеличением содержания в ней связанной воды и температуры. При снижении влажности и температуры нагруженной древесины значительная часть упругих деформаций перерождается в «замороженные» деформации, которые проявляются в процессах сушки, прессования, гнутья древесины. Замороженные деформации обусловливают «память» древесины на температурно-влажностные воздействия. Прочность древесины при длительном воздействии нагрузки может снизиться в 2 раза. Многократное изменение нагрузки приводит к снижению прочности - усталости древесины; циклические изменение влажности нагруженной древесины вызывает гигроусталость, т. е. снижение прочности и повышенную деформацию. При проектировании деревянных конструкций используют расчётные сопротивления, которые в несколько раз меньше пределов прочности, что позволяет учесть влияние длительности нагрузки, влажности, температуры, пороков и других факторов. Ударная вязкость древесины характеризует её способность поглощать работу при ударе без разрушения; у лиственных пород этот показатель в 2 раза выше, чем у хвойных. Твёрдость древесины зависит от её плотности, причём торцовая твёрдость больше боковой.

Пороки. Недостатки, изменяющие внешний вид древесины, целостность тканей, правильность строения и др., снижают качество древесины и ограничивают возможности её практического использования. Возникают как в растущем дереве, так и в срубленной древесине во время её хранения и переработки. К ним относятся: сучки; трещины (метиковые, морозные, отлупные), возникающие в растущем дереве и при сушке; пороки формы ствола - сбежистость (аномальное уменьшение диаметра по длине ствола), закомелистость (резкое увеличение диаметра в нижней части ствола), а также кривизна, наросты; пороки строения - наклон волокон, свилеватость (извилистое и беспорядочное расположение волокон), завиток (местное искривление годичных слоёв), крень (реактивная древесина у хвойных пород), ложное ядро и внутренняя заболонь у лиственных пород, пасынок (крупный сучок); раны - сухобокость (наружное омертвление ствола) и прорость (зарастающая рана, содержащая кору и омертвелую древесину), засмолок и кармашек (отложения смолы), водослой (переувлажнённые участки ядра или спелой древесины) и др. К порокам древесины также относятся: изменения естественной окраски древесины (например, продубина и желтизна); грибные поражения в виде синевы, плесени, гнили; биологические повреждения насекомыми и птицами (например, червоточины от личинок); механические повреждения стволов и дефекты обработки лесоматериалов, инородные включения (камни, металлические осколки и др.), обугленность, покоробленность. Некоторые пороки древесины могут рассматриваться как её достоинства, например наросты с красивой текстурой.

Применение. Древесина  как конструкционный материал получила широкое распространение в строительстве, судостроении, на железнодорожном транспорте и др.; применяется в виде лесоматериалов, пиломатериалов, древесных материалов. Древесина  используется в производстве бумаги, картона, древесноволокнистых плит. Как химическое сырьё древесину используют для получения различных органических соединений, например целлюлозы, этанола, кормовых дрожжей, ксилита, сорбита, древесного угля, смолы, метанола, уксусной кислоты, ацетона и других растворителей, горючих и негорючих газов (при пиролизе древесины). Древесина  сохраняет своё значение и как топливо.

Древесиноведение - научная дисциплина, изучающая строение и свойства древесины и коры методами биологии, химии, физики и других наук. Для определения качества древесины проводят испытания, в том числе неразрушающие, основанные на использовании ИК-, светового, УФ-, рентгеновского и ядерных излучений, звуковых и ультразвуковых колебаний. Разрабатываются новые методы исследований древесины, а также способы улучшения её свойств (модифицирование древесины прессованием, введением синтетических полимеров и других веществ; пропитывание антисептиками и антипиренами для защиты от гниения и огня).

Лит.: Ванин С. И. Древесиноведение. М.; Л., 1949; Перелыгин Л. М. Древесиноведение. 4-е изд. М., 1971; Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М., 2001.