ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ
ВПО КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИКАДРЕВЕСИНЫ
Учебное пособие Кострома
2
УДК
674.03:620.1 Рецензенты
С
.А. Бородий, профессор КСХА, доктор сельскохозяйственных наук
Научно
-технический совет филиала ФГУ ВНИИЛМ Костромская лесная опытная станция. Физика древесины учебное пособие – Кострома : Изд-во КГТУ,
2009. – 75 с. В учебном пособии рассмотрен комплекс вопросов, связанных с физическими свойствами древесины, строением древесины как растительной конструкции, анизотропией древесины изложены сведения о физических основах сушки и пропитки древесины. Впервые систематизирован учебный материал по дисциплине Физика древесины. Учебное пособие предназначено для студентов специальности
250301 Лесоинженерное дело и 2504032 Механическая технология древесины. Составители
Н
.В. Рыжова – кандидат биологических наук, доцент кафедры лесоинженерного дела КГТУ;
В
.В. Шутов – доктор биологических наук, профессор кафедры лесоинженерного дела КГТУ.
ISBN
© Костромской государственный технологический университет, 2009
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
5 Глава 1
. Строениедревесины
6
1.1. Ствол дерева как растительная конструкция 1.2. Формирование элементов древесины 1.3. Строение древесины Глава 2. Плотностьдревесины
15
2.1. Общие сведения о плотности древесины
15 2.2. Влияние различных факторов на плотность древесины
16 2.3. Распределение плотности внутри ствола
18 2.3.1. Изменчивость плотности ствола в поперечном направлении 19 2.3.2. Изменчивость плотности ствола в продольном направлении 19 2.4. Влияние плотности на физико-механические свойства древесины. Влияние плотности на физические свойства древесины
20 2.4.2. Влияние плотности на механические свойства древесины
21 Глава 3. Влажностьдревесины
23
3.1. Классификация влажных тел. Состояние воды в древесине
23 3.2. Гигроскопичность и равновесная влажность древесины
25 3.3. Усушка и разбухание древесины
27 Глава 4. Сушкадревесины
30
4.1. Виды и способы сушки древесины
30 4.2. Влажностные деформации пиломатериалов при сушке
31 4.3. Предупреждение влажностных деформаций пиломатериалов и заготовок
34 4.4. Динамика сушки
37 4.5. Брак сушки 40 Глава 5. Физическиеосновыпропиткидревесины
42
5.1. Физические явления в процессах пропитки древесины
42 5.2. Движение жидкости в древесине под воздействием капиллярных сил
42 5.3. Движение жидкости в древесине под действием избыточного давления 5.4. Диффузия пропитывающих веществ в древесину Глава 6. Резонансныесвойствадревесины
52
6.1. Основные требованияк свойствам резонансной древесины
52 6.1.1. Общее понятие о резонансной древесине
52 6.1.2. Параметры резонансной древесины
52 6.2. Строение резонансной древесины
56 6.2.1. Макростроение древесины
56 6.2.2. Микростроение древесины
57 6.3. Изменчивость резонансных свойств древесины внутри ствола 59 6.4. Диагностика резонансной древесины
61
4 6.4.1. Косвенные способы диагностики
61 6.4.2. Прямые способы диагностики
64 Глава 7. Анизотропиядревесины
67
7.1. Оптимизация опорных конструкций живых систем в процессе эволюции 7.2. Анизотропия древесины как следствие ее макро- и микро- строения Заключение Список использованной литературы
75
5
ВВЕДЕНИЕ
Одним из самых первых материалов, которые стал использовать человек, является древесина. Нет ни одной отрасли промышленности, где не используется древесина или получаемые из нее продукты. Можно смело сказать, что древесина – самый распространенный природный материал в жизни человека. Однако древесина имеет ряд недостатков анизотропное строение, повышенная влажность, наличие пороков, способность к гниению, короблению, горению и т.д. Часть их можно устранить. Качественная сушка снижает влажность и не вызывает деформаций древесины. Пропитка защищает древесину от поражения насекомыми, бактериями и грибами, а также снижает способность к горению. Сушка и пропитка позволяют использовать древесину в большем количестве отраслей промышленности Некоторые особенности древесного материала необходимо учитывать при переработке, т. к. устранить их невозможно. Нельзя изменить макро
- и микростроение древесины, а значит, анизотропия всегда будет присутствовать в древесном материале. Анизотропное строение древесины обусловливает изменчивость физико-механических свойств пора- диусу и по высоте ствола зависимость этих свойств от породы, возраста, условий местопроизрастания и т.д. Нельзя вырастить дерево полностью без пороков например, сучки (важный сортообразущий порок) являются основаниями ветвей, без которых древесное растение не может существовать
В
тоже время древесина обладает рядом достоинств, которых нету искусственных материалов. Изделия из нее экологически безопасны, их поверхность имеет особую текстуру, они обладают природным теплом и эстетической красотой. Нельзя также забывать, что древесина – это возобновляемый материал на месте спиленного дерева может появиться новое, которое через десятилетия станет источником природного материала
Знание свойств древесного природного материала важно для более качественной его переработки.
6 Глава 1. Строениедревесины
1.1.
Стволдеревакакрастительнаяконструкция
Прочность древесины тесно связана с жизнью дерева. Ствол выполняет множество функций поддерживает ветви с листьями, проводит органические и минеральные вещества в виде растворов, является хранилищем запасных питательных веществ в зимний период, сопротивляется давлению ветра и температурным воздействиям. На ствол дерева давит крона и иногда возникает дополнительная нагрузка в виде атмосферных осадков. Кроме того необходимо учитывать и собственный вес ствола, достигающий у крупных деревьев 10 т и более
Возникающие в стволе дерева напряжения достигают значительной степени, причем они переменны как по величине, таки по знаку. Если учесть, что ствол дерева служит сотню и более лета у некоторых пород несколько тысяч лет, то становится понятным, каким рациональным строением должна обладать древесина и какой уникальной природной конструкцией является ствол дерева. Данные о строении стебля растения, ив частности ствола дерева, стали основой для конструирования инженерных сооружений. Уже давно обращали внимание на то, что строение стебля растения представляет собой своеобразную инженерную конструкцию. Рассматривая стебель, Галилей в 1638 г. пришел к выводу, что трубчатые балки лучше сопротивляются изгибанию, чем балки сплошные, и наглядно продемонстрировал это явление на примере соломинки. Подробнее развил эту идею Неемия Грю в 1657 г. Специальные исследования строения ствола растений как инженерной конструкции проведены крупным ботаником Швенденером (1874). Наблюдая за устройством разного рода инженерных конструкций (железных мостов, зданий вокзалов с большим числом балок, он пришел к выводу, что и скелет растения основан на тех же принципах. Согласно учению
Швенденера
, органы растений, включая и стебель, представляют собою балки, построенные так, чтобы при наименьшей затрате материала достигалась наибольшая жесткость на изгиб. В конце XIX в. лесоводами было выдвинуто несколько гипотез о строении ствола дерева. По теории П. Д. Козицына ствол дерева представляет собою брус равного сопротивления, который при наименьшей затрате материала оказывает наибольшее противодействие изгибающей силе ветра. При однородном строении круглого бруса диаметры d
1
,
d
2
, d
3
, взятые на разном расстоянии от точки приложения изгибающей силы l
1
, l
2
, l
3
, находятся в следующем соотношении
d
1
3
:d
2
3
:d
3
3
= l
1
:l
2
:l
3
(1.1)
7 П. Д. Козицын считал, что поэтому закону построены лишь стволы, не имеющие ядра, а стволы с ядром построены по законам полого бруса равного сопротивления, в котором диаметры, взятые на разном расстоянии от точки приложения силы, находятся между собой в соотношении
d
1
4.5
:d
2
4.5
:d
3
4.5
= l
1
:l
2
:l
3
. (Однако во многих случаях теоретически вычисленные по настоящей гипотезе диаметры полного совпадения с действительными не дают В XX в. над растением как инженерной конструкцией работал профессор В. Ф. Раздорский. Он считал органы растений в строительно- механическом отношении балками-пружинами и балками-колоннами- пружинами. По его мнению, растительные конструкции по своему внутреннему строению близки к комплексным сооружениям, представляющим собою железобетонные конструкции.
Раздорский считал, что конструкция растений может быть объяснена сточки зрения учения о приспособлении их к сопротивлению механическим воздействиям лишь притом условии, если принять во внимание противоположные принципы, лежащие в основе растительных сооружений. С одной стороны, органы растений подвергаются статической нагрузке, с другой
–
растение выдерживает динамические воздействия. Поскольку органы работают в качестве балок и колонн, статической нагрузке отвечает удаление сопротивляющегося материала к периферии и возможно малая длина органов. Приспособлению к работе деформаций при динамической нагрузке отвечает концентрация сопротивляющегося материала к продольной оси и увеличение балки-пружины. С этими двумя противоположными принципами находится в конфликте конструктивное требование, отвечающее комплексному характеру растительных сооружений. Для монолитности их требуется раздробленность стереомного каркаса (совокупность механических тканей) и распределение его по всему рабочему сечению. Конструкция данного органа растения в определенный момент развития отражает борьбу этих принципов, с перевесом того или другого. Однако следует заметить, что ни одна из гипотез не учитывает неодинаковой прочности древесины по диаметру и высоте ствола, а также напряженности отдельных элементов его, вызванной биологическими процессами при жизни дерева. Ствол дерева как растительную конструкцию можно рассматривать как консоль, находящуюся под действием силы ветра, и как стержень, работающий на продольный изгиб под действием собственного веса и веса кроны. При несимметричной кроне действием ветра вызывается и кручение ствола. Эти силы характеризуются как объемные (собственный вес, как равномернораспределенные (сила давления ветра на ствол) и, наконец, как распределенные по определенному закону в зоне кроны дерева.
8 Только в местах прикрепления отдельных ветвей к стволу силы, воспринимаемые каждой ветвью, передаются стволу сосредоточенно. Ветер является одним из решающих факторов формирования ствола и распределения качества древесины по его высоте. Прочность древесины ствола изменяется по диаметру и по высоте его. Наибольшая прочность древесины наблюдается в комлевой части по направлению к кроне прочность уменьшается. Степень уменьшения прочности зависит от сбега; с увеличением сбега разница в прочности древесины между комлевой и вершинной частями ствола увеличивается. Чем больше ветровая нагрузка, тем больше сбег ствола. Дерево, выросшее в густом насаждении и получившее свободу после того, как окружавшие его деревья были вырублены, даже при незначительном ветре теряет устойчивость и изгибается. Древесина, как основной материал ствола дерева, все время находится в напряженном состоянии, причем величина и характер напряжений непрерывно изменяются. Под действием силы ветра, а также собственного веса и веса кроны древесина ствола испытывает напряжения на сжатие, растяжение и скалывание вдоль волокон и, кроме того, при несимметричной кроне – на кручение. Напряжения на сжатие и растяжение вдоль волокон являются решающими. Под воздействием этих напряжений ствол дерева, в результате многовекового приспособления к окружающей среде, принял наиболее рациональную форму с рациональным изменением механических свойств по диаметру и высоте. В дереве форма ствола и качество древесины тесным образом связаны между собою. В сечениях наибольшей концентрации силовых факторов диаметр ствола и прочность древесины максимальны. В местах размещения ветвей ствол получает местное утолщение и местное увеличение прочности древесины на скалывание и смятие. Сопротивляемость ствола дерева скалывающим усилиями кручению достигается главным образом за счет сучковатости и отчасти за счет свилеватости древесины. На устойчивость ствола дерева оказывает большое влияние ажурное строение древесины. При рассмотрении ствола дерева как растительной конструкции нельзя не учитывать и напряженности элементов древесины в растущем дереве
В
живых элементах ствола дерева, а именно в периферийных годовых слоях, прилегающих к камбию, ив сердцевинных лучах на значительной их протяженности, – клетки находятся в растянутом состоянии, выполняя роль напряженной арматуры. Мертвые элементы в стволе дерева при этом находятся в сжатом состоянии. Таким образом, большая прочность и устойчивость ствола обеспечиваются рациональной его формой, рациональным распределением древесины разного качества по его высоте и ажурностью внутренней
9 структуры древесины и, наконец, соответствующим расположением напряженной арматуры в поперечном сечении и по контуру ствола.
1.2.
Формированиеэлементовдревесины
Древесина состоит из разнообразных элементов, неодинаково скомбинированных в различных древесных породах и по-разному приспособленных к выполнению тех или иных функций жизни дерева. Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных простотой и однообразием строения. Весной из клеток камбия образуются тонкостенные трахеиды с большими полостями, во второй половине вегетационного периода – толстостенные трахеиды с малыми полостями Камбий – однорядный слой клеток, находящихся в стадии дифференциации и лежащий между вполне развитой ксилемой и флоэмой. Камбиальной зоной называют слой камбия вместе с молодыми, еще не дифференцированными элементами древесины. Примыкающие к этой зоне клетки, находящиеся в стадии дифференциации, условно называют прикамбиальной зоной. Среди удлиненных, очень сильно вытянутых вдоль оси ствола клеток камбия разбросаны группы мелких паренхимных клеток, из которых развиваются сердцевинные лучи. Деление клеток камбия в сторону древесины происходит разв чаще, чем в сторону луба. У древесных пород оно обычно происходит в тангенциальной плоскости. Ось плоскости деления расположена косо, те. под углом к длинной оси клетки. Образование клеточной оболочки идет соответственно наклонному положению веретена деления. У большинства пород камбиальные клетки имеют разную длину и не образуют правильных горизонтальных рядов. Они достигают определенной длины, затем делятся наклонными перегородками на две половинки, которые в свою очередь разрастаются в длину и вновь делятся. Поэтому длина камбиальных клеток сильно различается. Радиальные стенки камбиальных клеток отличаются от тангенциальных своим строением и свойствами. Они больше склонны к разбуханию и несколько толще, чем тангенциальные. Тангенциальные стенки являются более устойчивыми соединениями, несмотря на их малую толщину. Срединные слои – наиболее плотная, трудно разделяемая часть оболочки, особенно в тангенциальной стенке. Первичные оболочки клеточных стенок состоят из целлюлозы, ге- мицеллюлозы и полиуронидов. По мере созревания клеток в первичных оболочках ив срединном слое откладывается много лигнина. Две первичных оболочки соседних клеток и один срединный слой между ними образуют кажущуюся однородной срединную пластинку. Первичная оболочка мало анизотропна и плохо растворима.
10 Впервой фазе развития трахеиды поздней и ранней частей годичного слоя одинаковы. Те и другие тонкостенны, заполнены протоплазмой. Второй фазой развития является расширение клетки, увеличение ее размеров. Первичные оболочки вместе со срединным слоем утончаются, и очертания их изменяются. Ткани древесины оказывают одна на другую значительное давление, поэтому у зрелой клетки очертания иные, чему молодой. Клетки, проводящие в дереве питательные вещества, удлиняются в направлении потока. Это наблюдается в сердцевинных лучах, где клетки удлиняются радиально. Толщина вторичной оболочки одних типов клеток сильно отличается от толщины других. В клетках с проводящими и механическими функциями вторичные стенки обыкновенно толще, чем в клетках, преимущественно предназначенных для запасния веществ. Утолщение оболочки клетки происходит последовательным образованием слоев (теория наложения. Слои откладываются снаружи к центру клетки, так что самым старым слоем оказывается наружная часть клеточной стенки – первичная оболочка, а самым молодым – внутренний слой клеточной стенки, непосредственно прилегающий к протоплазме
В
поздней части годичного слоя радиальный диаметр трахеид меньше, чем в ранней клеточная стенка значительно толще. Образование ранних трахеид у сосны Московской области заканчивается, в зависимости от погоды, количества осадков и пр, – в июне–июле, и толщина их оболочек больше не меняется. Затем начинают образовываться поздние трахеиды, отличающиеся от ранних более толстыми стенками и меньшими полостями. Образование трахеид сосны прекращается в первых числах сентября. Толщина клеточных стенок поздних трахеид изменяется неравномерно две рядом лежащие клетки могут различаться по толщине стенок. Образование трахеид, также как и утолщение их оболочек, происходит неравномерно. Каждая клетка проходит свои фазы развития – в зависимости от ее положения в данной системе, от водоснабжения и температуры, доступа питательных веществ и от деятельности протоплазмы в разное время вегетационного периода. Камбий, откладывающий древесину, работает с различной интенсивностью в разных частях дерева, деятельность его зависит и от внешних условий. Конечной стадией развития оболочки является ее одревеснение. Этот процесс протекает от центра к периферии, от ранее отложившихся зрелых клеток к более молодым, приближающимся к камбию. Неодре- весневшими являются прилегающие к камбиальному слою два-три ряда молодых трахеид. Иногда в пределах одной клетки одревесневает более старая часть клеточной оболочки, обращенная к центру ствола, а более молодая, обращенная к камбию, остается неодревесневшей. Одревеснение оболочки незначительно нарушает жизненные функции клеток. В клетках древесины также накапливаются крахмал,
11 белки и другие вещества. Одревесневшие клетки могут даже иногда делиться. Рост одревесневших клеток прекращается. Одревесневшие оболочки устойчивее целлюлозных против разрушительного действия различных микроорганизмов и грибов, особенно в ядровой части древесины. Однако одревесневшая оболочка может разрушиться и полностью раствориться при действии ферментов, возникающих в самом растении.
Процесс образования древесины у лиственных пород протекает быстрее, чему хвойных. Если у хвойных пород на поперечном срезе можно проследить динамику утолщения клеточной оболочки, то у лиственных это сделать трудно. После двух-трех рядов тонкостенных клеток камбиальной зоны располагаются толстостенные клетки либриформа, затем сосуды и другие ткани, характерные для лиственных пород. Переход между тонкостенными камбиальными клетками и толстостенными элементами древесины так резок, что обычно при взятии образца, кора в зоне камбия отрывается от древесины. Утолщения на стенках сосудов могут быть самого различного характера кольчатое, спиральное, сетчатое. С одревеснением связано изменение не только химического состава, но и физико-механических свойств оболочек увеличивается их прочность, уменьшаются гигроскопичность и набухание. В процессе образования клеточной оболочки различия между ее частями выявляются более резко. В окончательно сформировавшейся оболочке эти различия обнаружить труднее.
1 2 3 4 5 6 7 8
1.3.
Строениедревесины
Древесина состоит из проводящих, механических и запасающих тканей
Проводящимитканями в древесине являются трахеальные элементы сосуды и трахеиды. Построению они приспособлены для проведения растворов. Сосуды представляют собой трубки длиной около 2 см, а вот- дельных случаях до 10 см и более. Диаметр сосудов 0,02–0,50 мм. Очень широкие сосуды у дуба – диаметром 0,40 мм, тогда как у бересклета всего 0,05 мм. Сосуды образуются из ряда члеников путем растворения их перегородок. Эти участки называются перфорационной пластинкой У наиболее широких сосудов перфорационные пластинки расположены горизонтально, у более узких – наклонно и часто не находятся на концах члеников сосудов, а сильно сдвинуты на вертикальные стенки. Перфорации бывают простые – если образуется одно округлое или овальное отверстие с остающейся лишь по краю каймой, и лестничные
– со многими удлиненными параллельными отверстиями и остающимися между ними перегородками. Реже встречаются сетчатые перфорации Тот или иной тип перфорации является постоянным, характерным признаком родов и семейств и служит для распознавания пород. Не исключена возможность, что тип перфорации оказывает влияние на водопроницаемость древесины, ее пропитку различными растворами. На механические свойства древесины тип перфорации не оказывает влияния Перфорации отличаются большой стойкостью. Так, после 1000 лет пребывания древесины в земле в самых различных условиях, встречаются хорошо сохранившиеся лестничные перфорации даже тогда, когда стенки сосудов разрушились. Лиственные породы можно разделить на две группы кольце- сосудистые и рассеянно-сосудистые. У кольцесосудистых пород в ранней части годичного слоя имеется кольцо крупнопросветных сосудов, диаметр которых значительно больше, чем диаметр сосудов поздней части. Примерами кольцесосудистой древесины могут служить ясень и дуб. Рассеянно -сосудистыми называются породы, у которых сосуды имеют почти одинаковый размер как в ранней, таки в поздней древесине и равномерно распределены по годичному слою. Типичными примерами рассеянно- сосудистых пород могут служить береза и осина. Расположение сосудов, их группировка в томили ином направлении может оказывать влияние на физико-механические свойства древесины. Между типичными кольце- и рассеянно-сосудистыми группами существуют переходные формы с самым разнообразным распределением сосудов в ранней и поздней древесине. Трахеиды – это прозенхимные клетки, не имеющие отверстий вместе соединения друг с другом. У трахеид, как и у сосудов, имеются окаймленные поры и иногда спиральные утолщения. Концы трахеид заострены. Трахеиды у лиственных пород бывают двух родов сосудистые со слабо утолщенными стенками при сравнительно широкой полости с многочисленными, довольно крупными окаймленными порами и волокнистые, приближающиеся по форме к либриформу. Волокнистые трахеиды толсто- стенны
, с узкой полостью стенки их имеют немногочисленные мелкие поры со щелевидными каналами и узким окаймлением. У хвойных пород трахеиды выполняют не только свойственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя, обладающие тонкими стенками и большими полостями, служат проводящей тканью трахеиды же поздней части, имеющие толстые стенки и малые полости, выполняют механические функции. Между поздней древесиной одного года и ранней древесиной следующего года резко выражена линия раздела, поэтому годичные слои ясно различимы. Резкость перехода между ранней и поздней древесиной в пределах одного годичного слоя неодинакова у разных представителей хвойных. Так, уели и пихты переход постепенный, у лиственницы – резкий, у сосны – менее резкий, чему лиственницы, и более резкий, чему ели. Но даже при таком резком переходе от ранней древесины к поздней, как у лиственницы, заметны промежуточные ряды клеток, которые нельзя отнести по их форме ник ранней, ник поздней древесине. В химическом составе ранней и поздней древесины имеются различия. В ранней древесине больше лигнина и меньше целлюлозы, чем в поздней. Целлюлоза поздней древесины отличается от целлюлозы ранней. Смоляные ходы расположены, в основном, в поздней части слоя, содержание же смолистых веществ значительно больше в ранней древесине Ранняя древесина в основном образуется за счет запасных веществ прошлого года образование же поздней древесины происходит в конце вегетационного периода за счет веществ, отложившихся в текущем году. Деятельность протоплазмы в разное время вегетационного периода различна. Различие в строении, а также в химическом составе трахеид ранней и поздней частей годичного слоя хвойных пород сказывается и на показателях физико-механических свойств. Так, у сосны предел прочности поздней древесины при растяжении вдоль волокон в 2,7 раза больше, чем ранней (1925 против 706 кг/см
2
). Усушка поздней древесины значительно превышает усушку ранней, особенно у древесины лиственницы У лиственных пород прочность древесине придает механическая ткань – либриформ, или древесные волокна, длиной 0,3–1,5 мм. Ранняя и поздняя части годичного слоя иногда различаются несущественно. Различия меньше у рассеянно-сосудистых породу которых нет большой разницы в строении ранней и поздней частей годичного слоя, и очень заметны у кольцесосудистых пород. Древесина дуба усыхает сильно, но более равномерно, чем древесина лиственницы. К запасающимтканям древесины относится паренхима, клетки которой входят в состав сердцевинных лучей и тяжевой паренхимы. У хвойных древесная паренхима встречается в небольшом количестве. У лиственных тяжевая паренхима различно распределяется по годичному кольцу ив зависимости от характера распределения выделяют четыре типа паренхимы
1) диффузная – одиночные клетки или группы клеток между другими элементами древесины
2) терминальная – полоски у границы годичного слоя
3) метатрахеальная тангенциальные слои, несвязанные с сосудами) паратрахеальная – скопление, связанное с сосудами и трахеидами Процентное содержание паренхимы и ее распределение может оказывать влияние на физико-механические свойства древесины.
14 Сердцевинных лучей в древесине много, тыс. ед см у сосны
2,8–3,2; у кедра и пихты 3,0–5,2; у туи 5,0–6,1; у можжевельника 7,4–
10,0. Клетки сердцевинных лучей соединяются одна с другой неплотно. Вдоль луча расположены межклетники, через которые в древесину проникает воздух. Сердцевинные лучи в мертвой древесине оказывают большое влияние на проницаемость, пропитку ее различными жидкостями По химическому составу клеточные оболочки сердцевинных лучей отличаются от оболочек других элементов древесины. В сердцевинных лучах дуба содержится больше лигнина и меньше целлюлозы, чем в древесине. Свойства сердцевинных лучей хвойных пород, особенно со смоляными ходами, несколько отличаются от свойств сердцевинных лучей лиственных пород. Присутствие смолы обуславливает повышение твердости и приобретение других, характерных для смолы свойств (например, малая водо- и газопроницаемость. При механических воздействиях различие между сердцевинными лучами и другими элементами древесины сказывается еще больше, т. к. расположение, строение и химический состав различен. Волокна около лучей часто бывают изогнуты под различными углами в зависимости от ширины лучей.
Контрольныевопросы:
1. Какие нагрузки действуют на ствол дерева. С какими конструкциями сравнивали ствол дерева различные ученые 3. Как меняется прочность древесины по радиусу и высоте В чем причины таких изменений 4. Какие существуют особенности строения древесины хвойных и лиственных пород 5. Как происходит формирование древесных элементов 6. Каково строение клеток проводящей ткани у хвойных и лиственных пород В чем особенности строения древесины лиственных кольцесосудитых и рассеянно- сосудистых пород 7. Каково строение клеток механических и запасающих тканей
15 Глава 2. Плотностьдревесины
2.1.
Общиесведенияоплотности
Понятие
плотность древесины стали использовать для характеристики свойств древесных материалов уже на заре самой науки одре- весине
. В XVIII в. Бюффон и Дюхаме дю Монсо – ученые, положившие начало систематическим исследованиям древесины, – предложили способы определения плотности древесины и приступили к изучению на отдельных древесных породах. Интерес к проблемам исследования плотности древесины объясняется стремлением разработать универсальные критерии качества древесины. Понятие качество древесины тесно связано с промышленным использованием древесных материалов. В связи с чем трудно найти такой показатель, который один давал бы достаточно полную и прямую характеристику качества древесины. Т. к. нельзя найти прямой показатель качества, необходимо искать косвенный способ его выражения пороки древесины, ширина годичных слоев, процентное содержание поздней древесины, плотность древесины. Пороки древесины не могут быть универсальным показателем качества древесины из-за нерегулярности своего возникновения, а также из
-за того что они не характеризуют качество бездефектной древесины. Ширина годичного кольца проста в определении невооруженным глазом, значение ее колеблется в широком диапазоне. Однако сама по себе она не может быть достаточным показателем качества древесины даже хвойных пород. Для рассеянно-сосудистых древесных пород значимость этого показателя еще меньше. Процентное содержание поздней древесины является более надежным, чем ширина годичного слоя, показателем как весовых, таки. прочностных свойств древесины, поэтому используется для отбора специальных сортиментов, а также для сортировки пиломатериалов по прочности в ряде зарубежных стран. Например, в Финляндии пиломатериалы сосны и ели го класса прочности должны иметь не менее 24% поздней древесины, а го класса – не менее 17%. В Австралии для получения целлюлозы высокого сорта содержание поздней древесины в сырье должно быть в пределе 15–50%. Содержание поздней древесины не только влияет на прочность пиломатериалов, количественный и качественный выход целлюлозы, но также определяет вес древесного сырья, его внешний вид и обрабатываемость. Однако процентный критерий неприменим к лиственным породам Плотность древесины как показатель качества древесины имеет преимущества перед всеми другими показателями
16 1. Плотность дает весовую характеристику древесины, которая сама по себе уже является фактором качества древесных материалов. На основе плотности можно рассчитать содержание сухого вещества в древесине и определить весовую продуктивность древостоев; оценить эффективность лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение производительности насаждений.
2. Плотность древесины влияет на многие физические свойства, а также дает представление о механических свойствах древесины. Так, плотность финских и шведских конструкционных пиломатериалов го класса для сосны должна быть при влажности 15% не менее 500 и ели –
470 кг/м
3
, а для го класса соответственно – 450 и 420 кг/м
3
. Показатель плотности можно использовать при отборе высокосортных свай, столбов линий электропередачи других изделий, где основным фактором является высокая прочность.
3. Плотность древесины влияет на качество многих продуктов, получаемых из нее, – бумаги непример. В целлюлозном производстве плотностью определяется важнейший экономический показатель – выход целлюлозы. Главным образом от плотности древесины зависит качество сырья, используемого в производстве ДСтП.
4. Плотность определяет топливные свойства древесного сырья объемную теплотворную способность древесины. Плотность является важнейшей качественной характеристикой древесного сырья, которую необходимо учитывать как в процессе использования древесины, таки при лесовыращивании.
2.2.
Влияниеразличныхфакторовнаплотностьдревесины
Колебание значений плотности древесины является результатом очень сложных зависимостей между условиями роста, оказывающими непосредственное влияние на формирование древесины на образование и дифференциацию клеток, на их структуру и химический состав, на процентное соотношение отдельных тканей, ив частности, соотношение ранней и поздней древесины хвойных, на ширину годичного слоя. Анатомическое строение и соотношение ранней и поздней древесины. Малые диаметр и длина волокон, тонкие стенки, низкое содержание поздней древесины, как правило, связаны с малой плотностью древесины. Напротив, большие диаметр и длина волокон, толстые стенки, большое содержание поздней древесины дают древесину высокой плотности. Однако данная связь не является очень прочной ив природе встречается целый ряд возможных комбинаций, отличающихся от приведенной. Например, можно найти образцы древесины с малым диаметром волокон, тонкими стенками, высоким содержанием поздней древесины и средней плотностью.
17 У хвойных, как правило, обнаруживается сильная взаимосвязь между содержанием поздней древесины и ее плотностью. У кольцесосуди- стых пород – дуба и ясеня установлена тесная корреляция между процентом сосудов и механической ткани – и плотностью. Ширина годичного слоя. Плотность хвойных пород с увеличением ширины годичного слоя падает, ас уменьшением, напротив, возрастает. У лиственных кольцесосудистых наблюдается противоположная картина. У рассеянно-сосудистых не установлено четкой связи между данными показателями. Возраст. В процессе роста дерева возраст, в котором образуется древесина, влияет на ее плотность весьма своеобразно. Древесина располагающаяся у сердцевины, составляющая центральный цилиндр ствола, очень часто бывает широкослойной и без резкого контраста между ранней и поздней частями. У этой молодой древесины, как правило, невысокая плотность. У хвойных в более старшем возрастном периоде совершенно независимо от изменений ширины годичного слоя образуется более тяжелая, ау лиственных пород – более легкая древесина. Таким образом, связь между шириной годичного слоя и плотностью древесины с возрастом изменяется. В целом можно сказать, что плотность древесины хвойных и коль- цесосудистых около сердцевины преимущественно определяется образованием так называемой ювенильной (молодой) древесины (исключение составляет молодая древесина угнетенных деревьев в виде очень узких годичных слоев. В древесине, возникающей в более позднее время, четко проявляется связь между шириной годичного слоя и плотностью. Однако эта связь находится под возрастающим влиянием возраста.
Ядрообразовательный процесс. Притоком веществ, которые в процессе ядрообразования превращаются в составляющие ядровой древесины, производится дальнейшее увеличение плотности, независимое от ранее рассмотренных факторов. Поэтому ядро и заболонь отличаются по своей плотности – и тем сильнее, чем больше они отличаются по своему химическому составу. В связи с этим у заболонной и спелой древесины ели и пихты не имеется различий в плотности, точно также, как у спелодревесных пород бука и осины. Однако у таких ядровых пород, как сосна, лиственница и дуб, плотность древесины заболони ниже плотности древесины ядра того же возраста. Экстрактивные вещества своим содержание увеличивают плотность древесины. Влажность оказывает наиболее сильное влияние на плотность древесины. С увеличением влажности плотность увеличивается – у пород, плотность которых менее 1,1 г/см
3
; у более плотных пород плотность сначала уменьшается и только после перехода через предел гигроскопичности снова возрастает. Плотность древесины сучков и корней. Плотность сучковой древесины как хвойных, таки лиственных пород больше плотности окружающей древесины ствола. Причиной этого являются различия в ширине годичных слоев ив анатомическом строении, повышенное (в отдельных случаях до 35–40%) содержание смолистых и ядровых вещества также образование реактивной – креневой и тяговой – древесины. Повышенная плотность распространяется на некоторый объем окружающей стволовой древесины. Плотность ветвей у хвойных пород наиболее велика в нижней их части у лиственных пород наблюдается обратная картина. Плотность снижается в направлении к вершине ветви. Плотность ветвей всегда меньше плотности соответствующей им сучковой древесины. Средняя плотность древесины ветвей выше, чем плотность стволовой древесины. Чем больше диаметр ветви, тем больше плотность. Плотность древесины корней, как правило, меньше плотности ствола. Она уменьшается с удалением от шейки корня. Плотность тонких корней, находящихся на расстоянии 4–5 мот ствола, в 1,5–2 раза меньше плотности корней в околоствольной части. Плотность креневой и тяговой древесины. Креневая древесина тяжелее, чем нормальная древесина того же ствола. В зависимости от интенсивности развития крени ее плотность превосходит плотность нормальной древесины на 13–40%. Повышенная плотность креневой древесины объясняется большим процентным содержанием поздней древесины и тем, что клетки ранней древесины имеют более толстые стенки по сравнению с нормальной древесиной. Различия в плотности тяговой и нормальной древесины значительно меньше. Плотность тяговой древесины может превосходить плотность нормальной древесины на 3–12%.
2.3.
Распределениеплотностидревесинывнутриствола
Данные о распределении плотности в стволе дерева необходимы для практики, т. к. сих помощью можно, например, рассчитать содержание сухого вещества древесины в различных частях ствола дерева, получить предварительное представление о механических свойствах древесины. Различия плотности древесины внутри ствола является важным фактором его качества. Резкие различия плотности древесины ствола в поперечном или продольном направлении являются нежелательными для многих сортиментов. Напротив, большая равномерность плотности древесины ствола должна оцениваться как несомненное его достоинство.
Изменчивостьплотностистволавпоперечномнаправлении
Увеличение плотности от сердцевины к камбию характерно для большинства хвойных. Оно было установлено как для обыкновенной сосны, таки для сосен других видов. Плотность сформированной древесины напрямую зависит от процентного содержания летней древесины и от возраста дерева. Средняя плотность ствола сосны достигает максимума, когда возраст дерева становится больше 80 лет. Плотность древесины ели в направлении от сердцевины к камбию изменяется менее регулярно. Довольно часто она относительно велика в непосредственной близости к сердцевине, как правило, больше, чему сосны. Плотность ели (в отличии от сосны) сначала уменьшается, но через несколько слоев начинает снова увеличиваться. Плотность древесины ели имеет свой минимум в м годичном слое от сердцевины. В древесине ситхинской ели минимум в м слое, считая от сердцевины Плотность березы регулярно увеличивается, но при этом изменение плотности менее значительно, чему сосны. Плотность осины, как правило, изменяется довольно плавно. В комлевой части наблюдается некоторое возрастание плотности. Средняя (по высоте) часть ствола осины отличается максимальной выравненностью плотности в поперечном направлении. В зоне кроны плотность древесины ствола увеличивается в направлении от коры к сердцевине.
Изменчивостьплотностиствола впродольномнаправлении
Изменения плотности в продольном направлении зависят от длины ствола. Наибольшие по абсолютному значению различия наблюдаются в длинных стволах, однако короткие стволы обнаруживают наиболее резкие (в расчете на единицу длины) изменения плотности. У хвойных уменьшение плотности особенно хорошо выражено между комлем и срединной частью дерева. При дальнейшем движении к вершине картина изменения плотности у разных пород может сильно различаться. Одни породы, например ель, обнаруживают лишь небольшие различия в плотности другие – напротив, довольно значительные. У лиственных пород различия изменения плотности вдоль ствола выражены сильнее, чему хвойных. У различных кольцесосудистых пород, например у дуба, плотность изменяется вдоль ствола незначительно, в то время как у одних рассеянно-сосудистых пород плотность сначала резко падает, затем к вершине снова возрастает, ау других пород этого класса монотонно уменьшается или увеличивается по направлению к вершине.
20 Из анализа особенностей распределения плотности древесины в продольном направлении ствола сосны, ели, березы и осины можно сделать выводы
1. Сосна и береза характеризуются довольно резким уменьшением плотности в направлении от комля к вершине, те. отличаются значительно большими, чем ель и осина, изменениями плотности по высоте ствола. Уели и осины плотность в верхней части ствола не меньше, а иногда и больше, чем середине ив комле. Объяснение закономерностей распределения плотности у четырех названных пород следует искать прежде всего в особенностях строения их кроны и характера очищения ствола от сучьев. Сосна и береза относятся к породам, у которых процесс очищения от сучьев происходит быстро, тогда как ель и осина характеризуются замедленным протеканием этого процесса. В результате таких различий сосна и береза образуют стволы с высоко поднятой кроной напротив, уели и осины живая крона опускается значительно ниже. Обычно в пределах кроны невелико содержание поздней древесины. Напротив, годичные слои, формирующиеся на значительном удалении от живой кроны, имеют довольно большое содержание поздней древесины и, как следствие, большую плотность
Другим немаловажным фактором является действие ветра. Ветровая нагрузка значительно больше нате деревья, у которых кроны развиты в большей степени. Для создания необходимой прочности у таких деревьев должна формироваться древесина с повышенной плотностью, что и наблюдается уели и осины в верхней части ствола. Крона дерева, оказывающая большое влияние на плотность древесины ствола, сама находится под воздействием ряда факторов. Развитие кроны зависит от положения дерева в насаждении, условий ме- стопроизрастания
(включая географический фактор, наследственной предрасположенности
Все названные факторы, таким образом, могут оказывать косвенное влияние на плотность древесины ив частности, на ее распределение в продольном направлении ствола.
1 2 3 4 5 6 7 8
2.4.
Влияниеплотностинафизико-механическиесвойства древесины.
Влияниеплотностинафизическиесвойствадревесины
Влажностные свойства (предел гигроскопичности и разбухание. С увеличением плотности предел гигроскопичности сильно понижается, и для ρ
0
=1,51 г/см
3
(плотность практически равная плотности древесинного вещества) W
п
.г.
=16%. Предел гигроскопичности одной из самых легких пород – бальзы составляет 54%. С увеличением плотности древесины увеличивается ее разбухание Максимальная влажность, непосредственно зависящая от объема полостей клеточной структуры, определяется плотностью. Водопроницаемость зависит от плотности с увеличением плотности водопроницаемость снижается. Тепловые свойства. Теплоемкость древесины, которая рассчитывается на единицу ее массы, не зависит от плотности. Это соответствует известному положению теплофизики, о том что теплоемкость составных веществ не зависит от степени уплотнения отдельных компонентов. Следует также учесть, что удельные теплоемкости целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз, из которых состоит древесина, различаются очень незначительно Плотность оказывает значительное влияние на теплопроводность, т. к. при изменении плотности – это изменение весового соотно- шениея между отдельными компонентами (древесинное вещество, вода и воздух, образующими древесину. С увеличением плотности теплопроводность увеличивается. Легкая древесина нагревается быстрее тяжелой. Это свидетельствует о зависимости температуропроводности древесины от ее плотности Электрические свойства. Плотность оказывает некоторое влияние на электропроводность, однако оно полностью перекрывается трудно исключаемым влиянием влажности. Поэтому связь плотности с электропроводностью, по-видимому, не имеет практического значения. Тоже самое справедливо ив отношении ряда других электрических свойств древесины
Звуковые свойства в значительной степени определяются плотностью. Это особенно относится к звукопроводности и резонансной способности древесины. Таким образом, можно сделать вывод, что значительная часть физических свойств древесины зависит от плотности.
2.4.2.
Влияниеплотностинамеханическиесвойствадревесины
Существует различная степень связи показателей прочностных и деформативных свойств древесины с ее плотностью. Наиболее тесной является связь с пределом прочности при сжатии вдоль волокон и при статическом изгибе. Связь плотности с прочностью на сдвиги с модулем упругости относительно тесная, ас прочностью на растяжение и ударный изгиб – весьма слабая.
22 Связь между механическими свойствами древесины и ее плотностью очевидна, однако практически не очень значима из-за влияния влажности, того или иного направления силы и особенно из-за наличия пороков
Контрольныевопросы:
1. Какие показатели рассматривались как возможные критерии качества древесины Почему предложенные показатели не могут использоваться для определения сортности древесины. Каковы преимущества плотности древесины перед другими показателями качества 3. Как изменяется плотность древесины по высоте ствола (в поперечном направлении 4. Как изменяется плотность древесины по радиусу ствола (в продольном направлении 5. Как плотность влияет на влажностные и звуковые свойства древесины 6. Как плотность влияет на электрические и тепловые свойства древесины 7. Как плотность влияет на механические свойства древесины
23 Глава 3. Влажностьдревесины
3.1.
Классификациявлажныхтел. Состояниеводывдревесине
По характеру взаимосвязи с водой влажные материалы (тела) делятся натри основных вида коллоидные, капиллярно-пористые и ка- пиллярно
-пористые коллоидные. Коллоидные тела (эластичные гели) при изменении содержания воды заметно меняют свои размеры, но сохраняют свойство эластичности. Типичным их представителем является желатин. По характеру набухания в жидкой среде они бывают неограниченно набухающие, те. способные переходить в коллоидный раствори ограниченно набухающие тела (хрупкие гели) при изменении содержания воды мало изменяют свои размеры, но становятся при высыхании хрупкими (керамические материалы, древесный уголь и др.
Капиллярно
-пористые коллоидные тела имеют капиллярно-пористое строение, а стенки их капилляров обладают свойствами эластичных ограниченно набухающих гелей (кожа, ткани, торф, древесина. Содержание воды в древесине характеризуется отношением массы воды к массе самой древесины. Это отношение, выраженное в процентах, называют влажностью. Влажность может определяться либо по отношению к массе абсолютно сухой древесины, либо по отношению к общей массе влажной древесины. В древесиноведении и технологии деревообработки принято исчислять абсолютную влажность абс, % по первому способу
,
100 100 в в
абс
m
m
m
m
m
W
−
=
=
(3.1) где в – масса воды в
образце
, г
m
0
– масса образца абсолютно сухой древесины, г
m
– общая масса образца влажной древесины, г
Иногда для расчетов удобнее вычислять содержание воды не в
процентах
, а
безразмерным отношением, которое называют влагосо-
держанием и
древесины
:
100 в (3.2) Древесина, как известно, состоит из разнообразных растительных клеток, преимущественно удлиненной формы – волокон
Основными типами клеток являются трахеиды (у хвойных пород, волокна либри
- форма и
сосуды
(у лиственных. Кроме того, в
древесине содержатся клетки сердцевинных лучей ив небольшом количестве клетки древесной паренхимы
24 Полости клеток, имеющие сравнительно крупные поперечные размеры мкм тем, соединены между собой порами и
образуют в
древесине капиллярную систему, обладающую сравнительно хорошей проницаемостью для жидкостей и
газов в
направлении вдоль волокон и
значительно меньшей – поперек волокон
Клеточные стенки имеют слоистую структуру из микрофибрилл
, переплетенных под разными углами наклона
В
слоях выделяются более крупные структурные образования – макрофибриллы
, имеющие поперечные размеры 300–500 нм
Между макрофибриллами и
внутри них имеются в
небольшом количестве пространства, заполненные водой (а в
сухой древесине частично воздухом. Они вместе с
межмикрофибрильными прослойками воды формируют в
клеточных стенках свою капиллярную систему, более тонкую, чем система клеточных полостей
Капилляры принято делить по их размерам на макрокапилляры с
условным радиусом r >100 нм (см) и
микрокапилляры с r <100 нм
Из двух капиллярных систем в
древесине система полостей клеток является макрокапиллярной
, а
система сообщающихся пространств в
стенках клеток – микрокапиллярной
Вода в
древесине имеет свободную и
связанную формы
Свободная
, или макрокапиллярная
, вода находится в
полостях клеток и
удерживается в
них механически
Силы капиллярного взаимодействия между этой водой и
древесинным веществом очень малы
Связанная
, или гигроскопическая, вода содержится в
стенках клеток Она в
свою очередь разделяется на адсорбционную и
микрокапил
- лярную
Адсорбционной называют воду, сорбированную поверхностью элементарных фибрилл и
микрофибрилл
, образующую межмикрофиб
- рильные прослойки и
связанную с
веществом древесины физико- химическими силами поверхностного взаимодействия
Микрокапилляр
- ная вода, связанная с
древесиной силами капиллярного взаимодействия, находится частично в
свободных от древесинного вещества пространствах стенок клеток, а
в основном заполняет микронеровности и
углубления на поверхности их полостей
Древесину
, содержащую только связанную воду, называют влажной, а
древесину
, содержащую кроме связанной еще и
свободную воду,
– сырой
Древесинное вещество является ограниченно набухающим
Поэтому содержание связанной воды, те влажность собственно клеточных стенок, не может превышать некоторого максимума
Этот максимум, достигаемый при длительном контакте древесины с
жидкой
(
свободной
) водой, называется пределомнасыщенияклеточныхсте-
нок
W
п.н
Величина
W
п
.н характеризует равновесную со свободной водой влажность стенок клеток сырой (свежесрубленной или увлажненной вводе) древесины
Предел насыщения клеточных стенок древесины разных пород
25 различен
Для мягких пород он несколько выше (за счет большего содержания микрокапиллярной воды, чем для твердых
Однако для отечественных древесных пород, применяемых в
промышленности
, колебания
W
п
.н сравнительно невелики
В
практических расчетах их можно неучи- тывать и
пользоваться средним, установленным экспериментально значением предела насыщения клеточных стенок W
п
.н
= 30%. Когда общая влажность древесины выше предела насыщения клеточных стенок, в
ней
, кроме связанной, содержится и
свободная вода
Максимальное содержание свободной воды, зависящее от объема полостей клеток и
межклеточных пространств, для древесины разных пород от 60–70 до 200–250 % по отношению к
массе сухого вещества
В
растущем и
свежесрубленном дереве древесина всегда сырая
Влажность ее изменяется в
довольно широких пределах в
зависимости от породы, времени года, местоположения в
стволе
(табл. Таблица 3.1 Средняя влажность свежесрубленной древесины
Порода
Спелая древесина или ядро
Заболонь
Средняя влажность Сосна, ель 100–120 60– 00 Лиственница 100–120 50–70 Береза
70–90 70–90 Осина
80–100 80–100 Ясень 35–40 35–40 Дуб 70–80 60–80 Кедр 140–200 80–110
3.2.
Гигроскопичностьиравновеснаявлажностьдревесины
Древесина
– гигроскопический материал, способный изменять свою влажность при изменении состояния окружающего воздуха
Влаж
- ность
, к
которой стремится древесина при выдерживании ее в
воздухе определенного состояния, называется устойчивойвлажностью
Древесина может достичь устойчивой влажности, либо поглощая водяной пар из воздуха (сорбция) либо выделяя его в
воздух
(десорбция. Эти процессы не вполне обратимы
В
одинаковых условиях устойчивая влажность при сорбции
W
у.с меньше, чем при десорбции
W
у.д
Разность между ними = W
у.д
– ус принято называть показателем гистерезисасорбции
Водяной пар из воздуха поглощают только стенки клеток
Конден
- сации пара в
свободную воду практически нет даже в
насыщенном воздухе Однако если стабильно соблюдается условие = 1 в
течение очень длительного времени, незначительная конденсация в
полостях возможна, но она немедленно прекращается при 0,995.
26 Максимальная устойчивая влажность, приобретаемая сухой древесиной при ее длительном выдерживании в
воздухе
, состояние которого близко к
насыщенному
(
φ
≈
0,995), называется пределом гигроскопичности – это такая влажность древесины, при которой она поглотила путем сорбции максимально возможное количество связанной воды, ноне содержит свободной
Это состояние характеризуется при температуре 15–20°
С
средней влажностью около 30 %, как и
предел насыщения клеточных стенок
Однако в
отличие от предела насыщения, который не зависит от температуры,
W
п.г с
ростом температуры уменьшается
При
Сон составляет, например, 19–20%. Устойчивая влажность древесины определяется только состоянием воздуха (t и. При 1 устойчивая влажность равна пределу гигроскопичности При 0 устойчивая влажность сорбции ус стремится к
нулю
Устойчивая же влажность десорбции W
у
.д в
этом случае оказывается немного больше нуля, т
к часть адсорбционной воды находится в
очень прочной связи с
древесиной и
не удаляется из нее испарением даже в
аб
- солютно сухом воздухе
Лишь при температуре выше 100°
С
устойчивая влажность десорбции в
абсолютно сухом воздухе может считаться без большой погрешности практически равной нулю
Гистерезис сорбции зависит отчасти от состояния воздуха, но главным образом от размеров исследуемого образца древесины
Для очень мелких древесных частиц (древесная мука, тонкая стружка) гистерезис невелик (0,2–0,3%). При увеличении размеров образцов показатель гистерезиса увеличивается
Для образцов толщиной более 15 мм и
длиной более 100 мм он достигает постоянной величины, равной в
среднем
2,5 % влажности
Среднюю
(при сорбции и
десорбции
) устойчивую влажность называют равновеснойвлажностью W
р
Таким образом, р близка к
влаж
- ности
, которую приобретает измельченная древесина при длительном выдерживании ее в
воздухе определенного состояния
Устойчивая влажность при сорбции или десорбции для конкретных образцов и
сортиментов устанавливается по диаграмме равновесной влажности с
учетом показателя гистерезиса р сур д
у
∆
+
=
(3.4) Необходимо иметь ввиду, что эти выражения справедливы лишь для древесины атмосферной сушки, не подвергавшейся длительному воздействию повышенной (более С) температуры. Для древесины камерной сушки, имеющей несколько пониженную гигроскопичность, нужно пользоваться приближенными выражениями
27 р сур д
у
W
W
=
(3.5) или для сортиментов промышленного размера р сур д
у
W
W
=
(3.6)
3.3.
Усушкаиразбуханиедревесины
Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны и изменяются при изменении температуры и влажности. Температурные деформации древесины сравнительно невелики. Коэффициенты ее термического расширения – такого же порядка, как и у металлов. Влажностные деформации древесины значительно больше температурных
Уменьшение линейных размеров или объема древесины, наблюдаемое при снижении ее влажности, принято называть усушкой, а увеличение размеров или объема при повышении влажности – разбухани-
ем
Усушка и разбухание древесины объясняются особенностями ее строения и взаимодействия с водой. Поглощение молекул водяного пара поверхностью элементарных фибрилл вызывает утолщение адсорбционных прослоек воды и, следовательно, увеличение размеров (разбухание) клеточных стенок. Обратный процесс – удаления адсорбционной воды вызывает усушку. Разбухание сухой древесины в воздухе или паре прекращается при достижении ею W
п
.г
, а вводе W
п
.н
Усушка сырой древесины начинается только от W
п
.н
. Изменение содержания свободной воды не вызывает изменения размеров древесины. Исчисление ведется по отношению к размерам или объему образца (сортимента, %: усушки – в сыром состоянии разбухания в абсолютно сухом. Усушка и разбухание – процессы обратимые. При повышении или понижении влажности в заданном диапазоне (до ± 30%) изменения размеров одного итого же образца одинаковы. Поэтому рассмотрим только усушку. Величина усушки зависит от структурного направления измеряемого линейного размера, от диапазона изменения влажности и от породы древесины. Влияние структурного направления определяется строением древесины. Наибольшая линейная усушка наблюдается в тангенциальном направлении, те. в направлении окружности годичных колец (табл. 3.2). Усушка в радиальном направлении, те. в направлении радиуса ствола, в 1,5–2 раза меньше. В направлении оси ствола вдоль волокон) усушка ничтожна и обычно не принимается во внимание На анизотропию усушки влияют также сердцевинные лучи (особенно у лиственных пород. В стенках паренхимных клеток сердцевинных лучей микрофибриллы направлены под сравнительно малым углом
28 к длине. Поэтому продольная усушка сердцевинных лучей по крайней мере в два раза меньше поперечной. Сердцевинные лучи сдерживают усушку древесины в радиальном направлении. С увеличением содержания сердцевинных лучей радиальная усушка древесины уменьшается Таблица 3.2 Тангенциальная усушка ранней и поздней зон годичного слоя древесины, %
Порода
Ранняя зона Поздняя зона Лиственница 9,4 Сосна 7,5 Ель 7,4 Дуб 9,8 Бук 11,8 Береза 9,3 Тополь 10,6 Ива 6,9 Примечание Для рассеянно-сосудистых пород под ранней зоной годичного слоя подразумевается его первая половина, обращенная к сердцевине, а под поздней – вторая половина, обращенная к коре. При прочих равных условиях усушка приблизительно пропорциональна изменению (до 30%) влажности древесины. Наибольшую усушку имеют образцы, высыхающие от W
п
.н до абсолютно сухого состояния. Такую усушку называют максимальной, или полной. Под максимальной, или полной, усушкой У
mах понимают уменьшение линейных размеров или объема древесины при удалении всего количества связанной воды. Следовательно, для установления У
mах влажность древесины должна быть снижена от W
п
.н до нуля. Замеренное при этом уменьшение размеров или объема образца относится к размеру или объему образца при W
п
.н
Формула для вычисления полной усушки, %:
%,
100
max min max max а
а а
У
−
=
(3.7) где а – размер или объем образца при влажности равной или выше W
п
.н
, мм или мм
a
min
– размер или объем образца в абсолютно сухом состоянии, мм или мм
3
Для определения частичной усушки, при высыхании древесины до нормализованной влажности (12%), используют формулу
%.
100
max
12
max max а
а а
У
−
=
(3.8) Усушка при снижении влажности образца до заданной влажности
29
(
)
(
)
,
30
max
W
k
W
W
W
У
У
у н
п н
п
W
−
=
−
=
(3.9) где k
y
– коэффициент, характеризующий величину усушки при изменении влажности клеточных стенок на 1%, k
у
=
У
max
/30
Коэффициенты усушки зависят от породы древесины, а в пределах одной породы – от базисной плотности. Базисная плотность древесины б характеризует массу сухого древесинного вещества в единице объема сырой (те. при W ≥ W
п
.н
) древесины Для большинства древесных пород полную объемную усушку можно приближенно определять
,
028 0
max б
V
У
ρ
=
(3.10) а
полную линейную усушку в
тангенциальном и
радиальном направлениях соответственно по формулам
;
018
,
0
max б
tg
У
ρ
=
(3.11)
01
,
0
max б
r
У
ρ
=
(3.12) Зная породу древесины, ее базисную плотность и
влажность
, легко рассчитать величину ожидаемой усушки
Для отдельных пород эти выражения дают некоторую погрешность
Поэтому для точных расчетов усушки следует пользоваться экспериментально установленными коэффициентами, приводимыми в
руководствах по древесиноведению
Рассмотренные закономерности усушки справедливы, строго говоря, лишь при равномерном изменении влажности образца
При промышленной сушке древесины, когда влажность по ее объему распределена неравномерно и
процесс усложнен дополнительными явлениями (в частности, внутренними напряжениями, изменение размеров сортимента может начаться при средней его влажности выше 30%, а
величина этого изменения может отличаться от величины, обусловленной чистой усушкой
Такое изменение размеров, в
отличие от чистой усушки, определяется термином усадка
Контрольныевопросы100>
1 2 3 4 5 6 7 8
:
1. Приведите классификацию влажных тел. 2. Что такое влажность и
влагосодержание
? Приведите формулы для их определения. 3.
В
каких состояниях находится влага в
древесине
?
4. Что такое предел насыщения клеточных стенок Отчего зависит его значение 5. Дайте определения следующим терминам устойчивая влажность, гистерезис сорбции, равновесная влажность, предел гигроскопичности. Объясните формулы определения гистерезиса сорбции и
устойчивой влажности. 7. Дайте определения следующим терминам усушка, разбухание, полная и
частичная усушка, усадка. 8. Объясните формулы определения усушки
От чего зависит величина усушки
30 Глава 4. Сушкадревесины
4.1.
Видыиспособысушкидревесины
Сушка древесины – очень сложный процесс, состоящий из одновременно протекающих физических явлений
1. теплообмен – поглощение тепла поверхностью материала
2. теплопроводность – перемещение тепла по материалу
3. влагоперенос
– перемещение влаги по материалу
4. влагообмен
– испарение влаги с
поверхности материала
Классификация видов и
способов сушки древесины основывается на особенностях передачи тепла высушиваемому материалу (табл. 4). Таблица 4 Классификация видов и
способов сушки
Вид сушки
Сушиль
- ные агенты
Способ сушки
Основные особенности способа сушки
На корню
Использование сосущей силы кроны живого дерева
Конвективно
- атмосферная
Воздух
Атмос
- ферная
На открытых складах или под навесами
Газопаро
- вая
В
нагретой газовой среде при атмосферном давлении
Ротаци
- онная
Газопаровая в
дополнении с
центробежным эффектом
Воздух
, топочный газ
,
водяной пари их смеси
Вакуумная
Газопаровая при давлении среды ниже атмосферного
Конвективно
- тепловая
Жидкости
В
жидко
- стях
Использование нагретых жидких сушильных агентов
Кондуктивная
Воздух
Кондуктив
- ная
Передача тепла материалу посредством теплопроводности при контакте с
нагретыми поверхностями Радиационная То же
Радиаци
- онная
То же излучением
Электриче
- ская
Диэлек
- трическая
То же в
электромагнитном поле
ТВЧ
, за счет диэлектрических потерь
То же
Индукци
- онная
То же в
электромагнитном поле промышленной частоты от размещаемых внутри штабеля ферромагнитных прокладок, нагреваемых индуктивными токами Существуют также комбинированные способы сушки, в
которых одновременно используются различные агенты, видовые и
пр особенности промышленности подвергается сушке главным образом древесина в
виде пиломатериалов (доски, заготовки, а
в некоторых отраслях деревообработки (производство фанеры и
плит
)
– в
виде лущеного или строганого шпона и
мелких частиц (стружка, щепа и
т п. Атмосферная сушка, известная еще с
древности
, не потеряла значения до настоящего времени
Для всех древесных материалов преимущественно используется газопаровая сушка
Для пиломатериалов, высушиваемых в
сушильных камерах, этот способ получил в
промыш
- ленности наименование камерной сушки
Сушка на корню – кольцевым подрубом деревьев, или выдержкой сваленных хлыстов с
живой кроной на лесосеке, позволяет снизить влажность на 15–20%; иногда применяется как операция подготовки к
сплаву древесины некоторых пород, имеющих большую плотность
Радиационная сушка для обезвоживания древесины не применяется Она иногда используется в
технологии отделки для обработки лакокрасочных покрытий
Этот перечень способов сушки – отражение современного уровня технологии деревообработки, истечением времени в
нем происходят изменения.
Влажностныедеформациипиломатериаловприсушке
Закономерностиусушкидосок. Одним из главных требований к
технологии сушки пиломатериалов является получение их прямоугольной (ортогональной) в
сухом состоянии формы
Желательно заранее учитывать ожидаемую усушку древесины ив цех деревообработки подавать материал заданного сечения
Рассмот
- рим закономерности усушки и
вызываемые ею деформации пиломатериалов (рис. Например, в
сыром бревне сделаны пропилы (риса слева. Плоские доски, полученные из левой половины бревна, в
результате неодинаковой усушки древесины обеих пластей приобретут покороб
- ленность
(желобчатую форму у
левой пласти каждой доски и
выпуклую
– управой. Причина такой деформации у
центральной доски 1– 2– 4– 3 заключается в
том
, что пласть
1– 2, как радиальная, усохнет по ширине доски меньше, чем пласть
3– 4 (имеющая в
середине тангенциальный и
полурадиальный участки пропила.
У
остальных досок левая пласть
(
тангециальной выпиловки
) усохнет больше, чем правая, поэтому стянет и
искривит доску в
поперечном направлении
В
этом заключается исходная причина определенного коробления досок вовремя сушки
32 Рис. 4.1. Поперечное деформирование сортиментов древесины из- за различной ее усушки а – вырезанных в
разных зонах бревна б – досок в
разных зонах постава в, г
– при свободном деформировании боковой и
центральных досок в
поставе
; д – в
зажатом плоском состоянии центральной доски е – сердцевинной доски без растрескивания (тонкой ж – с
образова
- нием трещины (у толстой з – крыловидной формы и, к – растрескивание сердцевинных сортиментов (бруса, бревна л – метод укладки в
строительную конструкцию сердцевинных сортиментов с
намеченным пропилом – направлением растрескивания м – разбухание при увлажнении пересушенных сортиментов прямоугольной формы
33
Деформациясеченийквадратныхбрусковикруглыхстержней
(
рис
. 4.1 а
справа
). По причине неодинаковой усушки по направлениям годичных слоев и
радиальному
, сечения брусков в
результате просыхания древесины деформируются
В
частности
, нижний брусок с
диагона
- лями по годичным слоям, а
также в
радиальном направлении окажется ромбовидным стержень круглого сечения приобретет овальное, точнее яйцевидное, сечение
Разнотолщинностьдосокизпостава
На рис. 4.1 б
показана деформация одинаковых до сушки досок, выпиленных из прямоугольного сырого бруса и
затем высушенных зажатыми между прокладок
При этом из- за различной усушки сердцевинная доска 0–0 окажется самой широкой (радиальное направление годичных слоев по ее ширине) и
од
- новременно самой тонкой – у
обеих кромок
Самые крайние боковые доски будут наиболее узкими из бруса, но наиболее толстыми
Однако все сухие доски этого постава будут одинакового сечения – сохранится начальная масса древесинного вещества (имеется ввиду одинаковая конечная их влажность.
Разрывсердцевинныхсортиментов.
Сердцевинный брус после высушивания (рис. 4.1 и) потеряет плоскостность граней и
приобретет клиновидную трещину с
ее вершиной в
сердцевине бруса
Раскрытие трещиныН
легко выявляется с
учетом изменения радиусов и
длин вписанных в
квадрат бруса окружностей дои после усушки
Деревянные массивные стены (рис. 4.1 л) выполняют из заранее надрезанных продольно бревен (на глубину
≈⅔
радиуса
), что предопределяет направление будущих клиновидных трещин
Положительные особенности такой конструкции стен предотвращение проникновения атмосферных и
иных вод внутрь стен и, следовательно, предотвращение гниения сохранение механической прочности стен, имеющих лишь вертикальные надрезы, создание утепленной конструкции с
полостями внутри стены, скрытие дефекта (трещин, гарантия от появления других радиальных трещин в
элементах стен
У
брусьев надрезают самую близкую к
сердцевине пласть
, если смотреть сих торцов
Стрелапокоробленности.
Величина свободной поперечной поко
- робленности досок характеризуется стрелою их прогиба, мм, определяемой для наиболее изогнутой в
поперечном направлении центральной доски (см риса) по формуле акад
А
В
Гадолина
(
)
,
4
r
tg
У
У
Ш
f
−
=
π
(4.1) где
Ш
– ширина доски, мм
Например
, при
Ш
= 200 мм разности усушек для сосны
У
tg
– У =
0,31 - 0,18; значении = 0,785 определим = 0,785 · 200 ⋅ (0,31 – 0,18) = 20,41 мм
При увлажнении сухих досок они деформируются в
противополож
- ном направлении (рис. 4.1 м
,
е
).
34 Доски, выпиленные в
поставе дальше от центральной, меньше коробятся Минимально коробится на одинаковой ширине боковая доска постава
Это следует из учета разнотолщинности всех досок, изображенных на риса, поскольку у
кромок они тоньше, а
по середине своей ширины – толще (здесь проходит радиальное, с
наименьшей усушкой, направление в
досках
– горизонталь из сердцевины
С
).
Качествосердцевинныхдосок.
Эти доски (рисе, ж) считаются низкокачественными
Однако если вырезать сердцевину, будут получены две высококачественные узкие доски радиальной распиловки, почти не подвергающиеся короблению и
растрескиванию вовремя сушки Такая высококачественная пилопродукция используется для изготовления музыкальных инструментов, паркета, бочек для жидкостей и
т п
Сушкасердцевинныхсортиментов.
Существенным дефектом крупных сортиментов, содержащих сердцевину, является неизбежное радиальное их растрескивание вовремя сушки (рис. 4.1 ж, и. Причина тому, как и
короблению пиломатериалов, – повышенная тангенциальная усушка по сравнению с
радиальной
Вследствие этого возникает дефицит влаги во внешней зоне сечения материала (по направлению годичных слоев) с
избытком влаги в
середине сортимента, распирающей внешнюю зону
С
учетом вязкости древесины, при повышенной ее температуре вовремя сушки тонкие сердцевинные доски удается высушивать без растрескивания, если замедлить сушильный процесс (те удлинить время релаксации напряжений, возникающих в
высушиваемой древесине.
4.3.
Предупреждениевлажностныхдеформацийпиломатериалови заготовок
Продольноекороблениепиломатериаловизаготовок.
Вслед
- ствие анизотропного строения древесной ткани, крайне неравномерной ее структуры (сучков, завитков, крени и
т па также из- за перерезания волокон древесины – при продольной распиловке нецилиндрических бревен и
бревен с
наклоном волокон – возникает многообразная продольная покоробленность пиломатериалов и
заготовок
(рис. Используя явление вязкости и
пластичности древесины в
нагретом состоянии, можно предотвратить все эти деформации, если выдерживать материал вовремя сушки в
плоском хорошо зажатом состоянии
В
этих целях необходимо правильно укладывать материал в
штабель и
прижимать сверху высушиваемую древесину
Для предупреждения коробления пиломатериала применяют в
верхних рядах штабеля, кроме того, механические прижимы, грузы и
другие приемы
35 Рис. Продольная покоробленность пиломатериалов а – по пласти
; б – сложная покоробленность
; в – по кромке г – крыловатость
Короблениедеталейвщитах.
При сезонных, погодных и
других отклонениях насыщенности пара
φ
в окружающей среде происходит изменение влажности, а
следовательно
, и
поперечных размеров заготовок и
даже деталей в
изготовленных изделиях, находящихся в
такой изменившейся атмосфере
Щит
, собранный из досок (или брусков) с
односторонним ориентированием внешних пластей
Деформация возникает при досушке деталей в
щите
; в
случае их увлажнения щит будет деформироваться в
про
- тивоположном направлении
Если щит собирать с
разносторонней ориентацией пластей смежных деталей, в
нем возникнет небольшое коробление отдельных его деталей однако во всех случаях при отклонениях влажности будет изменяться размер щита по ширине
Кардинальным мероприятием для предотвращения деформирования деталей в
изделиях будет хорошая просушка древесины и
стабиль
- ность состояния воздуха в
условиях ее эксплуатации
Ослаблениешиповыхсоединенийвизделиях.
Наиболее опасно применение недосушенной древесины в
зоне зарезки шипов
В
таких
36 случаях древесина медленно досыхает в
готовом изделии, клеевая прослойка нарушается и
шиповое соединение теряет прочность (рис. абвг
Рис
. 4.3. Деформация шиповых соединений
В
случае небольшой пересушки древесины шипа (рис б) происходит его упрочнение из- за постепенного разбухания древесины в
гнез
- де
Однако при деформациях обеих сопрягаемых деталей (рис в, г) вероятно разрушение клеевой прослойки и
всего соединения наиболее часто наблюдается выход концевого участка сквозного шипа из гнезда
(
рис
.4.3 в. При недосушке древесины не достигается полной надежности соединения, даже с
применением двойного шипа
Поэтому необходимо высушивать древесину до заданной ее конечной влажности желательна пересушка на 3 – 4% концевых участков заготовок, предназначенных для зарезки шипов
Нарушениеусовыхсоединений.
При недосушке обеих деталей они в
условиях эксплуатации будут усыхать, сужаться по ширине, образуя щель у
внутреннего угла соединения (риса, и, наоборот, при пересушке детали будут увлажняться, разбухать и
щель возникнет у
на
- ружного угла (рис. 4.4 б. Ширина такой щели
f
составит
1,4
У
мм
Так
, если ширина деталей по 100 мм и
усушка каждой составляет 4 %, т
е
У
=0,04 ⋅ 100 = 4 мм, то ширина щели = 1,4 ⋅ 4 = 5,6 мм аб
Рис
.4.4. Деформация усового соединения
Ослаблениешкантовых, нагельных (деревянныйгвоздь) и другихподобныхсоединений.
Чтобы такие соединения не ослаблялись, а
упрочнялись в
процессе эксплуатации изделий, они должны разбухать в
конструкции
, уплотняя и
упрочняя связь сопрягаемых деталей
37
В
этих целях они должны плотно вставляться в
гнездо
(наклею) в
пере
- сушенном состоянии, создавая затем дополнительный влажностный на- тяг
Изделия
, изготовленные с
применением недосушенных вставных шипов, недолговечны
Деформациипоперечныхотверстийвдеталях.
Так как в
про
- дольном к
волокнам направлении древесина практически не усыхает, то размер отверстия по длине волокон древесины неизменен дои после сушки а
б в
Рис
4.5. Деформации поперечных отверстий в
деталях
Существенное значение приобретает сохранение размеров отверстий (риса, в
некоторых условиях возможно небольшое их уменьшение для упрочнения соединений
На рис. 4.5 б
показаны отверстия в
детали
, досыхающей после их выборки
При этом круглое отверстие превратится в
суженное овальное, квадратное – в
прямоугольное и
т д
Критерием для правильного ответа на вопрос о
характере деформации отверстия является изменение поперечного размера древесины по ширине детали у
торцевой кромки рассматриваемого отверстия
На рис. 4.5 в
изображен пересушенный, те разбухающий вдаль- нейшем
, образец материала с
отверстиями
4.4.
Динамикасушки (движениевлагивдревесине)
Потоквлагивдревесине.
При влажности выше 30% (предел гигроскопичности) влага перемещается в
древесине в
основном в
виде жидкости
В
гигроскопической же области, те при влажности ниже 30
%, она мигрирует также в
виде пара – и
тем больше, чем суше и
более нагрета древесина
Именно поэтому постоянная во времени температура в
центре высушиваемого сортимента будет пониженной здесь происходит образование пара, те возникает расход тепла фазового перехода Движущими силами перемещения влаги могут быть ускорение силы тяжести, осмотическое давление, капиллярное давление, диффузия, термодиффузия, давление пара в
древесине и
др
Свойство материала перемещать внутри себя влагу называется влагопроводностью
В
древесине различается влагопроводность молярная, капиллярная и
диффузионная
Молярная
(поточная) влагопро
- водность проявляется при высокой влажности древесины (например, влага вытекает из очень влажной, вертикально установленной нагретой доски. Капиллярная влагопроводность
(основная) наблюдается при влажности в
диапазоне
110–25%. Диффузионная влагопроводность проявляется вовремя сушки древесины при ее локальной (местной) влажности ниже 25%. Для расчета процессов высыхания древесины необходимо располагать данными о
величине коэффициента влагопроводности
, от которого зависит интенсивность изотермического переноса связанной воды Коэффициент влагопроводности определяется опытным путем
Его размерность аналогична размерности коэффициента температуропроводности (мс или см
2
/
с
), а
величина зависит от температуры, породы древесины, местоположения образца в
стволе
, направления тока влаги относительно волокон, от плотности древесины
Некоторое влияние на него оказывает влажность, но это влияние невелико
Температура относится к
факторам
, влияние которых на коэффициент влагопроводности наиболее существенно
При повышении температуры оно заметно возрастает
Это объясняется увеличением коэффициента диффузии водяного пара и
снижением вязкости жидкой влаги в
капиллярах
Порода древесины также существенно влияет на коэффициент влагопроводности
Объясняется это особенностями строения клеток, а
также тем, что древесина разных пород имеет различную плотность, при повышении которой интенсивность влагопереноса уменьшается из- за уменьшения относительного объема капилляров
Местоположение образца в
стволе имеет значение для древесины ядровых и
спелодревесных пород
Коэффициент влагопроводности ядра и
спелой древесины ниже, чем заболони, что объясняется закупоркой пор тиллами и
смолами
Анизотропное строение древесины определяет ее разную влаго
- проводность в
различных направлениях относительно волокон
Наи
- большую величину имеет коэффициент влагопроводности вдоль волокон Поперек волокон он значительно меньше, причем радиальная вла
- гопроводность несколько превышает тангенциальную вследствие влияния сердцевинных лучей
У
пород с
широкими лучами (бук, дуб) отношение коэффициентов влагопроводности в
указанных направлениях составляет соответственно 1,7 и 1,5; ау сосны с
ее очень узкими
39 лучами, – только 1,15. Коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон враз больше, чем в
тангенциальном направлении поперек волокон, т
к влага перемещается по направлению ее основного тока в
растущем дереве
Кривыевлажностидревесины
1 2 3 4 5 6 7 8
.
Кривые распределения влажности по толщине материала вовремя сушки называют кривыми влажности (рис. 4.6). Они показывают, что вначале процесса сушки влага испаряется с
поверхностной зоны материала здесь влажность древесины быстро снижается до предела гигроскопичности (в нагретом состоянии примерно 25%), а
затем еще нижете начинается усушка
Рис
. 4.6. Распределение влажности древесины по толщине материала вовремя сушки
1-5
– кривые влажности в
последовательные периоды сушки материала р – горизонталь равновесной влажности древесины
W
п
.г
– горизонталь предела гигроскопичности н – т W'
н
–
зона молярной влагопроводности
Подсушенная поверхностная зона постепенно углубляется, одновременно у
ряда древесных пород происходит молярное перетекание части свободной влаги из центра к
поверхности материала, как это показано пунктирной горизонталью kd (вместо кривой kwd). На рис. 4.6 нанесены кривые влажности последовательного, например ежесуточного, снижения содержания влаги (
стрелки
А
— направление ее потока) по сечению плоского материала (вид с
торца
, без кромки. Форма этих кривых различна выше горизонтальной линии
W
п
.г
40 предел гигроскопичности) перемещается свободная влага, а
ниже нее – гигроскопическая
Для диффузионного потока влаги, те ниже
W
п
.г
, коэффициент влагопроводности принимают постоянным, независящим от ее влажности При этих условиях, в
стадии регулярного режима кривые влажности и
5
имеют вид снижающихся кр парабол и
скорость сушки продолжает снижаться.
Браксушки
В
процессе высушивания пиломатериалов происходит коробление и
растрескивание
И
причины возникновения, и
меры предупреждения этих видов брака различны
Коробление происходит вследствие анизотропного строения древесины (см рис. 4.2). Радикальная мера предупреждения коробления – надежное зажатие досок и
заготовок в
штабеле
, стем чтобы они высыхали в
хорошо зажатом плоском состоянии
Таким образом, коробление появляется при неправильной укладке материала в
штабель
, те предопределяется на погрузочной площадке
Растрескивание наблюдается при неудовлетворительных ведении и
контроле процесса сушки, когда в
поверхностной зоне материала возникают чрезмерные упругие деформации
Трещины бывают торцовые и
пластевые
Они всегда направлены по радиусу, те перпендикулярно к
годичным слоями образуются на торцах и
на наружной пласти доски (риса. Рис. 4.7. Растрескивание пиломатериалов при сушке ан ару ж н ы е трещины б – заглубление наружных трещин и
п ере ходи х врак овин ы враз личная деформация клеток и
с осу до в древесины все ч е ни и доски г
–
у толще ни ед осоку кромок де образование раковину б рус ко в ж–
п р икр ом очные раковины в
д ос ка х з
–
п р и торцовые раковины Торцовые трещины возникают в
самом начале сушки на свеже
- оторцованных поверхностях
Способ предупреждения замедление испарения влаги с
торцов
, например закрыванием торцов заготовок (укладка смежных заготовок впритык по длине, прикрытие торцов щитами, замазками и
т пи даже специальное увлажнение торцов
41
Пластевые трещины образуются вовремя первой стадии сушки толстых досок, и
тем более твердых пород
Необходимо тщательно наблюдать за появлением трещин и
не допускать развития (см риса) сначала первой стадии процесса сушки
Раковины
, те внутренние пустоты, часто образуются при сушке дубовых и
буковых сортиментов средних и
тем более значительных толщин
Они возникают во второй стадии сушки и
даже в
высушенной древесине, при выравнивании влажности по сечению материала
Чем больше накопится остаточных деформаций растяжения в
наружной зоне и
чем больше упрессуется внутренняя зона впервой стадии сушки, тем значительнее опасность возникновения раковин и
тем большей будет их величина во второй стадии процесса
Практические выводы
– рекомендуется медленное и
осторожное подсушивание в
каме
- рах
(при пониженных температурах) толстых сортиментов, особенно твердых пород
– желательна форсированная сушка тонких, не растрескивающихся сортиментов, у
которых в
таких режимных условиях будут как меньше покоробленность и
усадка
Контрольныевопросы:
1. Какие физические явления включает в
себя процесс сушки 2. По каким принципам классифицируются способы сушки Какие виды сушки существуют 3. Какие влажностные деформации возникают в
процессе сушки древесины 4. Что такое стрела поко
- робленности
? Как определяется ее значение Что влияет на ее величину. Как можно предупредить влажностные деформации пиломатериалов и
заготовок
? 6. Что такое влагопроводность
? Виды влагопроводно
- сти
. 7. Что такоекоэффициент влагопроводности
? Как он находится Отчего зависит его значение 8. Что такое кривые влажности Как влажность распределена по толщине материала вовремя сушки 9. Какие существуют виды брака сушки
42 Глава 5. Физическиеосновыпропиткидревесины
5.1.
Физическиеявлениявпроцессахпропиткидревесины
Пропитка
– это процесс введения в
древесину веществ, которые изменяют ее свойства (повышают биостойкость и
огнестойкость
, снижают электропроводность, гигроскопичность, увеличивают прочность и
т д. Пропитывающие вещества чрезвычайно разнообразны по свойствами характеру их взаимодействия с
древесиной
Они могут проникать в
древесину чисто механическим путем, адсорбироваться ее веществом, вступать с
ним в
химическую реакцию
Характер физико- химических явлений, сопровождающих пропитку, очень сложен, и
они еще не вполне изучены
В
большинстве случаев пропитывающие вещества не вступают в
химическую реакцию с
древесиной и
ею не адсорбируются
Поэтому процессы пропитки древесины можно рассматривать как совокупность следующих физических явлений
1) движение жидкости в
древесине под действием капиллярного давления
2) движение жидкости в
древесине под действием избыточного давления
3) диффузионное перемещение молекул или ионов пропитывающих веществ в
древесине по полостям клеток, заполненным водой
Производственные процессы пропитки протекают обычно в
усло
- виях совместного действия всех указанных явлений, но относительная эффективность того или иного из них может быть различной при разных способах пропитки
По сравнительной проницаемости для жидкостей древесина различных пород может быть условно разделена натри группы легкопро
- питываемая
, умеренно пропитываемая и
труднопропитываемая
К
пер
- вой группе относится древесина рассеянно- сосудистых пород (березы, бука, а
также заболони сосны к
труднопропитываемой
– древесина ели, лиственницы, пихты, ядровая древесина сосны, дуба и
ясеня
Древесина других пород занимает промежуточное положение и
относится куме- ренно пропитываемой.
Движениежидкостивдревесинеподвоздействием капиллярныхсил
Известно
, что равнодействующая молекулярных сил в
поверхност
- ном слое жидкости направлена внутрь этой жидкости и
ее действие аналогично образованию на границе раздела жидкость – газ растянутой упругой пленки
Сила натяжения этой пленки, отнесенная к
единице длины, называется коэффициентомповерхностногонатяжения (σ
п
)
На изогнутой
43 поверхности жидкости поверхностное натяжение является причиной появления добавочного (капиллярного) давления – положительного для выпуклой и
отрицательного для вогнутой поверхности
На границе соприкосновения жидкости с
твердым телом ее поверхность образует (риса) определенный угол (острый у
смачи
- вающих и
тупой у
не смачивающих данное тело жидкостей, называемый краевым углом, или углом смачивания
При соприкосновении капилляра достаточно малого диаметра с
жидкостью
(рис. 5.1 б) в
ней образуется мениск
Положительное капиллярное давление мениска (не- смачивающая жидкость) вызывает снижение уровня жидкости в
капил
- ляре
, а
отрицательное давление, называемое также капиллярным натяжением (смачивающая жидкость, – повышение этого уровня
Пропи
- тывающие жидкости по отношению к
древесине являются, как правило, смачивающими
Рис
. 5.1. Схемы образования менисков в
капиллярах
Капиллярное давление в
цилиндрическом капилляре определяется выражением к (5.1) где – радиус капилляра
44
Механизмдвиженияжидкостивдревесинеподдействием капиллярныхсил
1. Образец древесины одним концом опущен в
смачивающую жидкость, его ось ориентирована в
направлении вдоль волокон, влажность не превышает предела насыщения клеточных стенок
В
образце древесины условно выделим один ряд проводящих клеток (сосудов или трахеид, который можно представить в
виде переходящих друг в
друга макро
- и
микрокапилляров
, имеющих радиусы
r
1
и
r
2
(рис. 5.2). Рис. Упрощенная схема капилляров в
древесине
Под действием капиллярных сил жидкость будет заполнять полости макрокапилляров
К
какому
- то моменту времени
τ
жидкость в
капил
- ляре находится в
положении
, показанном на схеме
Перепад давления, вызывающий движение жидкости вверх, обусловленный капиллярным давлениемр к, давлением силы тяжести
p
g
и давлением, вызываемым сопротивлением вытесняемого воздуха р
в в
g
к
p
p
p
p
−
−
=
∆
(5.2) Интенсивность движения жидкости по капилляру, выражаемая ее объемной скоростью, м, определяется уравнением
Пуазейля
,
8 4
p
l
r
d
dV
∆
=
µ
π
τ
(5.3) где, l
– радиус капилляра, его длина
µ – вязкость жидкости
45 Экспериментальные и
практические данные показывают, что скорость движения жидкости по капиллярам древесины колеблется вдоль волокон 30–150 мм, поперек волокон 0,2–3,0 мм в
сутки
Подъем жидкости в
капилляре прекращается, когда капиллярное давление становится равным по абсолютной величине давлению силы тяжести
Максимальную высоту подъема жидкости можно рассчитать последующей формуле (5.4) где – плотность жидкости
g
– ускорение свободного падения. В древесине, как показывают расчеты, эта высота не превышает 1 м. При полном погружении сортимента в жидкость ее перемещение по капиллярам происходит одновременно со всех сторон сортимента. Давление силы тяжести в этом случае практически не оказывает влияния на скорость перемещения. Однако капиллярному давлению будет противодействовать давление защемленного внутри древесины воздуха. В этом случае перепад давления, вызывающий движение жидкости, характеризуется следующим выражением в кр р
р р (5.5) где р – давление окружающей древесину среды. Величина воздушного давления р в
зависит от толщины пропитанной зоны и от формы образца. Она определяется выражениями для неограниченной пластины толщиной S = 2R р р
в
(5.6) для цилиндра радиусом R
(
)
,
2 р р
в
(5.7) где δ – толщина пропитанной зоны
При равенстве капиллярного давления и
давления защемленного воздуха перемещение жидкости прекратится, а
глубина проникновения δ будет максимальной
Расчеты показывают, что эта глубина может быть равной 2–5 % толщины сортимента
Дальнейшее проникновение жидкости в
древеси
- ну возможно только по мере растворения воздуха вводе и
диффузии его молекул через капиллярные каналы в
окружающую среду
Этот процесс чрезвычайно медленный и
может длиться годами
46 3. Капиллярное движение жидкости в
сырой древесине, полости клеток которой полностью или почти полностью заняты свободной водой.
В
сырых сортиментах длиной болеем, погруженных в
жид
- кость одним торцом и
установленных вертикально, движение жидкости, очевидно, невозможно.
В
более коротких сортиментах или сортиментах, имеющих горизонтальное положение, жидкость будет перемещаться только по мере ее испарения с
открытого торца
При этом не исключено, что интенсивность испарения будет больше интенсивности капиллярного подсоса
, – и
тогда значительная по длине часть сортиментов, примыкающая кот- крытому торцу, будет высыхать, несмотря на то что второй торец остается в
контакте с
жидкостью
В
сырой древесине, таким образом, капиллярное движение жидкости с
торца не может иметь сколько- нибудь существенной интенсивности Всырой же древесине, полностью погруженной в
жидкость
, возможность капиллярного движения вообще исключена в
связи с
отсутст
- вием по объему сортимента разности капиллярных давлений
Вывод:
капиллярное движение жидкости в
древесине без дополнительного внешнего давления на практике используется только для пропитки сухих или подсушенных сортиментов на очень небольшую глубину путем их полного погружения в
жидкость
Жидкости должны быть маловязкие
, хорошо смачивающие древесину, и
подогретые
, поскольку с
повышением температуры снижается их вязкость и повышается скорость проникновения в
древесину
Возможно также использование капиллярного движения жидкости в
древесине
– для пропитки ее на корню
В
стволе растущего дерева подрубают заболонь и
к месту подруба подают водный раствор пропитывающего вещества
За счет способности кроны к
транспирации
, влага поднимается по стволу и
испаряется
, а
ее место в
стволе занимает пропитывающий раствор
Такая пропитка очень сложна в
организации и
не
- равномерна
5.3.
Движениежидкостивдревесинеподдействием избыточногодавления
Создание при пропитке избыточного давления (по отношению к
давлению внутри древесины) возможно разными методами
Промыш
- ленное значение имеют метод выдержки предварительно нагретой древесины в
холодной ванне и
автоклавный метод. Пропитка в
ваннах с
предварительным нагревом древесины отличается простотой технологических приемов
Древесину первоначально выдерживают некоторое время в
горячей жидкости или нагревают другим способом, а
затем помещают в
ванну с
холодной жидкостью, где и
происходит собственно пропитка
47 При нагревании возрастает давление паровоздушной смеси в
по
- лостях клеток за счет температурного расширения и
роста парциального давления пара
Вследствие газопроницаемости древесины паровоздушная смесь из нее частично удаляется и
давление устанавливается близким к
атмосферному
, причем основную долю составляет парциальное давление водяного пара, соответствующее температуре и
степени насыщения пара в
полостях клеток
При последующем охлаждении древесины, полностью погруженной в
жидкость
, давление в
полостях клеток снижается как в
результате температурного эффекта, таки за счет конденсации водяного пара
(
давление насыщения водяного пара резко уменьшается с
понижением температуры. Давление жидкости в
ванне
, равное атмосферному, становится избыточным по отношению к
древесине
Под действием образовавшегося перепада давления и
происходит поглощение древесиной пропитывающей жидкости
Перепад давления определяется выражением 2
1 2
−
+
−
=
∆
Т
Т
р р
р р
р пана) где р
а
– атмосферное, или барометрическое, давление р
н
2
– давление насыщения водяного пара в
полостях клеток охлажденной древесины, соответствующее температуре холодной ванны р
п
1
– парциальное давление водяного пара в
полостях клеток нагретой древесины Т – средняя абсолютная температура нагретой древесины Т – тоже охлажденной древесины
Если пропитке подвергается древесина влажностью выше предела насыщения клеточных стенок, парциальное давление р
п
1
равно давлению насыщения р
н
1
при соответствующей температуре
Если же влажность древесины ниже предела насыщения, это давление определяется произведением н пр р (5.9) где φ – равновесная степень насыщенности пара в
полостях клеток, соответствующая фактической влажности древесины
Перепад давления р по существу зависит от разности давлений р
п
1
и р
н
1
, которая в
свою очередь зависит от влажности древесины, разности ее температур в
нагретом и
охлажденном состояниях ив значительной степени, от уровня температуры нагретой древесины
При повышении этого уровня р существенно возрастает, даже если указанная разность температур остается такой же
Во всех случаях при пропитке в
ваннах с
предварительным нагревом перепад р не может быть больше барометрического давления
48 2. Автоклавный метод создания избыточного давления обеспечивает более значительный перепад давления (до 1,5 МПа. Древесину загружают в
герметичный автоклав, который заполняют пропитывающей жидкостью, и
ее давление поднимают до требуемого уровня с
помощью жидкостного насоса или компрессора
Плотность потока жидкости в
древесине под действием избыточного давления пропорциональна градиенту давления dp/dδ:
,
δ
d
dp
K
i
−
=
(5.10) где К – коэффициент проводимости древесины
Коэффициент проводимости, кг
/(
м
⋅
с
⋅
Па
), характеризует массу жидкости, проходящей в
единицу времени через древесный образец площадью м
2
при градиенте давления 1
Па
/
м
Он зависит от породы и
ме
- стоположения древесины в
стволе
, ее температурно
- влажност
- ного состояния, направления потока жидкости относительно волокон и
от свойств пропитывающей жидкости
Численные значения этого коэффициента устанавливаются экспериментально
Пример
: эмпирическая формула коэффициента проводимости заболонной древесины сосны поперек волокон для водных растворов солей р (5.11) где W – влажность древесины, %;
ω
– концентрация раствора, %; р – давление жидкости,
МПа
Формула справедлива в
диапазоне влажности 8–50%, температуре раствора до Сего концентрации допри давлении 0,1–0,5
МПа
Вывод
1 2 3 4 5 6 7 8