8. Физические и физико-химические свойства древесины 8.1. Гетерокапиллярная структура Древесина представляет собой гетерокапиллярную систему. Капиллярные пространства бывают первого и второго порядка. К капиллярным пространствам первого порядка относятся: межклеточные пространства, полости внутри клеток и пор в стенках клеток. Их линейные размеры зависят от особенностей строения породы древесины. К капиллярным пространствам второго порядка относятся пространства между фибрилами, микрофибрилами и внутри микрофибрил. Их линейные размеры колеблются от 10 до 100 А и зависят от многих факторов: условий произрастания, возраста древесины, ее влажности и т.д. Капиллярных пространств первого порядка в древесине значительно меньше, чем капиллярных пространств второго порядка и площадь внутренней поверхности вторых значительно больше чем первых. Так, для насыщенной водой древесины ели площадь внутренней поверхности капиллярных пространств первого порядка составляет 0,2 м2/г, а капиллярных пространств второго порядка достигает 300 м2/г. 8.2. Плотность и пористость Различают два показателя плотности: истинную плотность древесного вещества и плотность древесины определенной древесной породы. Истинная плотность древесного вещества – материала, из которого построена клеточная стенка древесной клетки, является величиной постоянной и в среднем составляет 1540 кг/м3. Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненые воздухом). Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины. Пористость древесины С показывает относительное содержание внутренних пустот в древесине в процентах от объема абсолютно сухой древесины и вычисляется по формуле: C 100(1 ) , d где ρ – плотность древесины; d – истинная плотность древесного вещества. Пористость древесины колеблется в пределах от 50 до 80 %. -1- Плотность древесины зависит от: породы, пористости, влажности, возраста дерева, местонахождения образца, от соотношения поздней и ранней древесины и т.д. Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности W < Wпредела насыщения волокон клеточных стенок плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше Wпредела насыщения клеточных стенок наблюдается значительный рост плотности древесины. Плотность абсолютно сухой древесины ρ0 равна: ρ0 = где m0 – масса древесины при W=0 %; V0 – объём древесины при W=0%. Плотность влажной древесины: ρw = где , кг/м3 , кг/м3 mw – масса древесины при влажности W %; Vw – объём древесины при влажности W %. Базисная плотность древесины ρb: , кг/м3 ρb = где m0 – масса абсолютно сухого образца древесины при W=0 %, кг; Vmax – объём древесины при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, м3. Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях. Так как объем внутренних пустот в древесине составляет от 50 до 80 %, то плотность древесины не превышает 1000 кг/м3. По величине плотности древесины отечественные породы можно разделить на 3 группы (при 12 % влажности): 1. Породы малой плотности - менее 540 кг/м3 (ель, сосна, кедр, пихта, осина, ива, липа, тополь). 2. Породы средней плотности - от 540 до 740 кг/м3 (лиственница, тис, береза, бук, дуб, клен). 3. Породы высокой плотности - более 740 кг/м3 (самшит, акация, граб). -2- Плотность ветвей выше, чем древесины ствола, а плотность корней ниже, это характерно для лиственной древесины вследствие большого количества сосудов. Средняя плотность коры выше плотности соответствующей древесины, что связано с высокой плотностью луба по сравнению с плотностью корки. 8. 3. Электрические свойства Электропроводность древесины характеризуется ее сопротивлением прохождению электрического тока. Электропроводность древесины зависит от породы, температуры, направления волокон и ее влажности. Электропроводность сухой древесины незначительна. Удельное сопротивление абсолютно сухой древесины сосны вдоль волокон составляет 1,8·1015 Ом·см, поперек -2,3·1015 Ом·см. С увеличением влажности электропроводность древесины возрастает. Электрическое сопротивление древесины вдоль волокон меньше в несколько раз, чем поперек волокон. Повышение температуры древесины приводит к уменьшению ее сопротивления до величины примерно в два раза. Электропроводность древесины хвойных пород выше, чем лиственных, вследствие содержания экстрактивных веществ, являющихся электролитами (смоляные кислоты). 8.5. Отношение к жидкостям и газам Естественное существование, эксплуатация, многие виды механической и химической переработки древесины связаны с водой и водными растворами, поэтому вопрос об отношении древесины к воде является важным. Древесина является гигроскопичным материалом и для нее различают два показателя: • относительная влажность (влажность) - содержание воды в древесине, отнесенное к массе влажной древесины. • абсолютная влажность (влагосодержание) - содержание воды в древесине, отнесенное к массе абсолютно сухой древесины. Условно приняты следующие степени влагосодержания древесины: 1. Абсолютно-сухая – 0 % (достигается высушиванием при 105°С до постоянной массы). 2. Комнатно-сухая - 8-12 %. 3. Воздушно-сухая -15-20 % (зависит от влажности воздуха). -3- 4. Свежесрубленная - 35-100 % (зависит от породы, времени рубки, условий произрастания и т.д.). 5. Мокрая > 100% (после длительного пребывания в воде или соприкосновения с ней). Распределение влаги в древесине неравномерно. Больше всего ее содержится в корнях, ветвях и древесной зелени. По высоте ствола ее больше в комлевой части, по сечению ствола: для хвойных пород в заболони больше чем в ядре, в связи с наличием в ядре экстрактивных веществ гидрофобного характера, для лиственных - распределение влаги является сравнительно равномерным. Характер взаимодействия древесного вещества с водой сложен и многообразен. Различают два вида влаги в древесине: • связанную (гигроскопическую), содержащуюся в капиллярных пространствах второго порядка. • свободную или избыточную (капиллярную), содержащуюся в капиллярных пространствах первого порядка. Гигроскопическая влага физико-химически связана с древесным веществом и, удаляясь, с большим трудом составляет 25-30 % от массы абсолютно сухой древесины. Предполагают, что прочное связывание воды с древесиной обусловлено двумя факторами. 1. Понижением упругости водяного пара в капиллярных пространствах второго порядка и как следствие капиллярной конденсацией. На долю этого фактора приходится 20-25 % влагосодержания. 2. Образование водородных связей за счет гидроксилов целлюлозы и гемицеллюлоз с образованием моноили полимолекулярных ориентированных слоев молекул воды. Эта влага удаляется трудно и влагосодержание равное нулю не достигается даже сушкой древесины в вакууме. На долю этого фактора относят остальные 5 % влагосодержания. Способность древесины впитывать капельно-жидкую влагу называют водопоглощением, а способность поглощать влагу из воздуха - влагопоглощением или гигроскопичностью. При относительной влажности воздуха 100 % происходит полное насыщение древесины гигроскопической влагой и достигается предел гигроскопичности - точка насыщения волокна. Это состояние при комнатной температуре соответствует 30 % влагосодержания древесины. -4- Дальнейшее увеличение влагосодержания не сказывается существенно на изменении физических и механических свойств древесины. Сорбционная способность древесины складывается из сорбционной способности ее компонентов. Если принять сорбционную способность древесины в целом за 1,0, то она составит: для гемицеллюлоз - 1,56, холоцеллюлозы -1,09, целлюлозы - 0,94, лигнина - 0,6. Из этого видно, что наиболее гидрофобным компонентом древесины является лигнин. Увлажнение и высушивание древесины процесс не вполне обратимый. Древесина искусственной сушки поглощает из воздуха на 2 % меньше влаги по сравнению с древесиной естественной сушки. Это явление носит название гистерезиса десорбции. Что обусловлено процессами конденсации компонентов древесины при интенсивном нагреве с их гидрофобизацией. При поглощении влаги древесина набухает, при этом изменение линейных размеров составляет 6…13 %. В случае невозможности изменения линейных размеров развиваются давления от 100 до 400 МПа. Древесные волокна неодинаково набухают по длине и толщине. В длину при этом изменение линейных размеров составляет 1…2 %, а в толщину 20…30 %. Это объясняется спиральной структурой волокна. Более интенсивное набухание наблюдается в растворах щелочей. Так, при концентрации NaOH 17…18 % оно достигает 70 % по толщине, при этом наблюдается образование вздутий на поверхности волокна («четок»), связанное со сдерживающим действием слоев Р и S1. Если искусственно удалить эти слои, то набухание становится равномерным по толщине волокна. При снижении влажности за предел гигроскопичности начинается усушка древесины, сопровождаемая короблением. Влажность древесины определяют прямыми и косвенными методами. Прямыми методами являются: • высушивание при температуре 105 °С до постоянной массы. • отгонка воды с неполярным органическим растворителем. • титрование реактивом Фишера. Косвенные методы основаны на измерении показателей, связанных с влажностью. Одним из таких показателей является электропроводность. Проницаемость древесины для воды и водных растворов называется водопроницаемостью. Этот показатель сильно зависит от породы древесины -5- и направления движения воды. Водопроницаемость вдоль волокон для лиственных пород в 3-10 раз превышает этот показатель для хвойных, в связи с наличием в лиственных породах большого количества водопро-водящих элементов - сосудов. Поперек волокон водопроницаемость в десятки раз меньше чем вдоль. Водопроницаемость древесины заболони выше чем у ядровой древесины. Под газопроницаемостью понимается способность прохождения газов через древесину при избыточном давлении, под газопоглощением – при атмосферном. Зависимость этих показателей от внешних условий аналогична зависимостям, описанным для водонепроницаемости. -6-