Физические свойства древесины

Лекция 4.

- Внешний вид

- Влажность древесины

- Усушка древесины

- Плотность древесины

- Проницаемость древесины жидкостями и газами

- Тепловые свойства

Цвет. Древесина поглощает падающее световое излучение избирательно. От спектрального состава отраженного ею светового потока зависит определенное зрительное ощущение, называемое цветом.

Обычно для характеристики цвета древесины используют весные описания, в основе которых лежат зрительные образы или символические понятия. Однако этому свойству древесины можно дать количественную оценку, используя методы колориметри (от лат. color — цвет) — науки о цветовых измерениях. Достаточна установить численные значения трех показателей: цветового тона, чистоты и светлоты.

Цветовой тон определяется длиной волны X чистого спектрального цвета. Обычно цвета окружающих нас предметов бол< или менее блеклые, так как чистые спектральные цвета разбавлены белым. Чистота цвета Р, которая выражает степень это разбавления, может изменяться от нуля до 100%. Светлота растеризуется коэффициентом отражения р. Для белых поверхно- стей, отражающих максимальное количество световой энергией коэффициент отражения близок к единице, для черных — приближается к нулю.

С помощью атласа цветов автором были определены колориметрические характеристики 30 пород из коллекции МЛТИ. Исследования показали, что выдержанная в течение 5...20 лет Древесина большинства отечественных пород очень мало отличается по цветовому тону. Длина волны X колеблется в пределах 578... 585 нм, что соответствует желтому участку спектра. Вместе с тем наблюдается большое разнообразие значений чистоты цвета Р, которые изменяются в пределах от 30 до 60 %. Светлота (коэффициент отражения р) изменяется в еще больших пределах (20...70 %).

Целлюлоза — основное вещество, из которого состоит древесина, — почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков древесины придают ей вещества, заключенные в полостях клеток или пропитывающие их стенки — красящие и дубильные вещества, смолы и продукты их окисления.

Древесина пород умеренного пояса окрашена бледно, а древесина пород тропического пояса имеет очень яркую окраску, интенсивность которой увеличивается с возрастом, что особенно заметно для ядровых пород. В оптимальных условиях роста для данной породы ее окраска бывает более яркой.

Древесина многих пород изменяет цвет при выдержке под влиянием воздуха и света. Тем не менее цвет многих пород настолько характерен, что может служить одним из признаков при их распознавании. Изменение цвета древесины чаще всего указывает на поражение ее грибами.

В речной воде древесина дуба сильно темнеет в результате соединения дубильных веществ с солями железа. Этой же причиной объясняется и появление на поверхности дубовых пиломатериалов черных полос и пятен при распиловке сырой древесины. Заболонь сосны после сплава иногда приобретает желтую окраску, а древесина березы — оранжевую. При пропаривании древесина бука довольно равномерно окрашивается в красноватый цвет. После высокотемпературной сушки у древесины хвойных пород появляется буроватая окраска.

Цвет — одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины. Его учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовления мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок, спортивного инвентаря и т.д.

Блеск. Под блеском древесины понимают ее способность направленно отражать световой поток. Наибольший блеск наблюдается при освещении зеркальных, т.е. почти идеально гладких поверхностей. В отличие от них матовые поверхности, имеющие однородные неровности, отражают световой поток диффузно, т. е. равномерно во все стороны. Поверхности даже самым тщательным образом обработанной древесины приближаются к матовым и могут характеризоваться коэффициентом диффузного отражения (белизной).

Если на продольных разрезах древесины встречаются участки со сравнительно небольшими структурными неровностями, то появляются блики, отсветы. Такой способностью обладают сердцевинные лучи на радиальных разрезах (расколах) древесины клена, платана, бука, ильма, дуба, кизила, белой акации. Шелковистый блеск свойствен древесине бархатного дерева. Из иноземных] пород особенно заметным блеском отличается древесина атлас- ного дерева и махагони (красное дерево).

Исследования, проведенные ранее автором и позднее Б. М. Рыбиным (МЛТИ) с помощью блескомера ФБ-2, свидетельствуют о том, что на показания этого прибора оказывают влияние колон риметрические характеристики древесины и ее белизна. Пока еще нет полной количественной характеристики блеска древесины, точно соответствующей нашим зрительным восприятиям.

Текстура. Текстурой называют рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче текстура. В строении древесины хвойных пород принимает участие сравнительно неболышое число типов упорядоченно расположенных анатомических элементов, которые создают однообразную текстуру.

У хвойных пород текстура зависит в основном от разницы окраске ранней и поздней древесины, а также от ширины годичных слоев. Извилистые очертания годичных слоев образуют более интересный рисунок на тангенциальном разрезе, особенно у лиственницы и тиса.

Для древесины лиственных пород со сложным строением характерно наличие видимых невооруженным глазом крупных сосудов (ясень, бархатное дерево, дуб и др.), сердцевинных лучей обычно окрашенных темнее, чем окружающая древесина (ильм, платан и др.), неправильно расположенных волокон и т.д. Это создает более богатую текстуру.

Выбор направления разреза древесины определяет характер текстуры. Из отечественных лиственных пород на радиальном резе красивую текстуру, обусловленную наличием сердцевинных лучей, имеют бук, платан, клен, явор, дуб, карагач, илы. Три последние кольцесосудистые породы ценятся свое! текстурой и на тангенциальном разрезе.

Помимо этих пород на тангенциальном разрезе красивую текстуру, образованную в основном перерезанными сосудами, имеют ясень, грецкий орех, бархатное дерево, каштан съедобный вяз. Путаное расположение волокон (свилеватость) создает отличающуюся высокими декоративными свойствами текстуру древесины капов (наростов) на стволах деревьев лиственных пород. Так называемая узорчатая древесина наблюдается у карельской березы. Очень ценится текстура клена «птичий глаз» — аномальная древесина белого клена. Выразительно волнистая текстура ясеня маньчжурского. Своеобраную текстуру можно получить при неравномерном прессований древесины, лущении ее ножом с волнистым лезвием, а также при лущении древесины под углом к направлению волокон. Текстура и цвет определяют ценность древесины как декоративного материала. Прозрачная отделка древесины лаками проявляет ее текстуру. Лаковое покрытие, имеющее близкий к древесине коэффициент преломления света, увеличивает прозрачность поверхностных слоев и способствует зрительному восприятию глубины текстуры.

Влажность древесины

Влажность древесины измеряют прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины. Воду можно отделить путем высушивания и определить влажность с заданной степенью точности. Согласно ГОСТ 16483.7—71 с погрешностью до 0,1 % можно определить влажность проб из образцов, подвергавшихся физико-механическим испытаниям. Очищенные от заусенцев и опилок пробы помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Бюксы используют для того, чтобы масса пробы не изменялась во время взвешивания. Масса бюксы определяется заранее на тех же весах. Пробы находятся в бюксах (но со снятыми крышками) и во время высушивания в сушильных шкафах с электрическими нагревателями воздуха и автоматическими регуляторами температуры. Сушка проводится при температуре воздуха (103±2)°С. Первое взвешивание бюкс с образцами проводят через 6... 10 ч, а далее через каждые 2 ч. Если разница в массе при двух взвешиваниях с Указанным интервалом окажется менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Пробы из смолистой древесины хвойных пород не должны находиться в сушильном шкафу более 20 ч.

Влажность древесины с большей погрешностью (до 1 %) определяют по образцам размерами 20 х 20 х 30 мм, взвешивая их бюкс на технических весах с точностью до 0,01 г. После начального взвешивания образцы помещают в сушильный шкаф, в котором они находятся до тех пор, пока по результатам двух последних контрольных взвешиваний (разница должна быть не бол< 0,02 г) не будет установлено достижение постоянной массы Влажность образца вычисляют по формуле.

Описанный простой и надежный метод определения влажности путем высушивания нашел широкое применение. Значительно реже для древесины используется другой прямой метод, основанный на отгонке воды с парами толуола.

Основной недостаток прямых методов заключается в том, продолжительность процедуры очень велика. Этого недоста1 лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержан] воды в древесине.

Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. У таких приборов иголки датчика вдавливаются через боковую поверхность доски (заготовки) в древесину на глубину 10 мм. В современных приборах вводят данные о породе, также температуре воздуха и сразу считывают значения влажности древесины в процентах. Абсолютная погрешность измерений влажности древесины в области ниже 30 % составляет ±1,5 %, а области более 30 % погрешность значительно выше. Методом высушивания влажность измеряется более точно, чем с помощь электровлагомеров. Последние дают значения влажности древесины только в месте введения игольчатых контактов. При неравно-1 мерном распределении влажности по объему доски или заготовки! это может быть причиной дополнительных погрешностей в оценке общей влажности пиломатериала.

В растущем дереве у хвойных пород влажность заболони 3... 4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у COCHI и ели из Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась соответственно 112 и 122 %, влажность ядра и спелой древесины — 33 и 38 %. В пределах ядра (спелой древесины) влажность сосны, ели и лиственницы из Восточной Сибири распределена равномерно. В то же время у пихты и кедра влажность центральной зоны спелой древесины или ядра намного выше, чем периферической.

У лиственных пород, как ядровых (дуб, ясень, вяз, ильм), так я безъядровых (береза, осина, липа), распределение влажности по сечению ствола более или менее равномерно. Влажность ядровой древесины у некоторых лиственных пород (дуб, вяз и др.) может быть значительно выше, чем у хвойных. Она достигает 70...80 %, а иногда и больше.

Высыхание древесины. При высыхании внутренняя зона сортимента (доски, бруса, бревна) имеет большую влажность, чем периферические зоны. Тангенс угла наклона кривой, отражающей распределение влажности по толщине, ширине или длине сортимента, называется градиентом влажности.

При влажности ниже Wn H скорость передвижения связанной воды пропорциональна градиенту влажности и коэффициенту влагопроводности. Влагопроводность определяет способность древесины проводить связанную воду. Вода перемещается древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом и микрокапилляров в клеточных стенках. По макрокапиллярам влага перемещается в виде пара, а по микрокапиллярам преимущественно в виде жидкости.

С уменьшением плотности древесины коэффициент влагопроводности возрастает. У сосны при температуре 20 °С коэффициент влагопроводности поперек волокон равен 2,5 • 10"10 м²/с, а у лиственницы — 1-Ю"10 м2/с Меньшая влагопроводность ядровой (спелой) древесины по сравнению с заболонной при одинаковой плотности объясняется разной проницаемостью клеточных стенок.

В радиальном направлении влагопроводность несколько больше, чем в тангенциальном. У пород с широкими лучами (бук, дуб) отношение коэффициентов влагопроводности в указанных направлениях составляет соответственно 1,7 и 1,5, а у сосны с очень узкими лучами — только 1,15.

Коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон в 15...20 раз больше, чем в тангенциальном направлении поперек волокон.

Влагопроводность значительно увеличивается при повышении температуры вследствие возрастания коэффициента диффузии пара и снижения вязкости воды.

Среди промышленных способов сушки наибольшее распространение имеют атмосферная и камерная. При атмосферной сушке пиломатериалов в штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки исчисляется месяцами. В камерах при повышенной температуре пиломатериалы можно высушить до более низкой влажности и значительно быстрее. Продолжительность сушки досок толщиной 40 мм влажностью 60 % до влажности 12 % составляет 3...4 сут.

Усушка.

Усушка. Уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной воды называется усушкой. Усушку вызывает удаление адсорбционной воды, находящейся внутри клеточной стенки между микрофибриллами. Однако одновременно с адсорбционной водой происходит испарение микрокапиллярной воды, поэтому усушка наблюдается при любой температуре сразу же после снижения влажности за предел насыщения клеточных стенок. Вначале удаляется преимущественно микрокапиллярная вода и сравнительно небольшое количество адсорбционной воды, поэтому усушка происходит довольно медленно. После удаления всей микрокапиллярной воды наблюдается значительно более интенсивная усушка.

Поскольку микрофибриллы в основном ориентированы по направлению продольной оси клетки, удаление адсорбционной воды приводит к уменьшению толщины клеточных стенок и поперечных размеров клетки. Анатомические элементы вытянуты преимущественно вдоль оси ствола, поэтому продольная усушка древесины в десятки раз меньше, чем поперечная.

Под полной, или максимальной, усушкой понимают уменьшение линейных размеров или объема древесины при удалении всего количества связанной воды.

Плотность

Плотность представляет собой массу единицы объема материала и имеет размерность кг/м³ или г/см³.

Плотность древесинного вещества, г/см³, т. е. плотность материала клеточных стенок.

Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см³, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

Плотность абсолютно сухой древесины, г/см³ или кг/м³,

Плотность влажной и сырой древесины, г/см³ или кг/м³,

До наступления предела насыщения клеточных стенок плотность древесины изменяется мало, а при дальнейшем увлажнении резко возрастает.

Плотность древесины при нормализованной влажности р12 представляет собой отношение массы образца при влажности, равной 12 %, к его объему при той же влажности.

Парциальная плотность древесины, г/см3 или кг/м3, характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объема влажной древесины:

Зная плотность древесины при данной влажности W, можно определить по формуле

Базисная плотность древесины рб, г/см³ или кг/м³, представляет собой отношение массы абсолютно сухого образца к его объему при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок:

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом).

На каждом образце можно определить следующие показатели плотность древесины при влажности в момент испытаний плотность абсолютно сухой древесины р₀; парциальную плотность р_п базисную плотность древесины р_б. При этом целесообразно ocуществлять процедуру испытаний в следующем порядке. Вначале измеряют фактические размеры поперечного сечения и вычисляют по осям симметрии образцов с точностью до 0,1 мм. Произведение полученных данных равняется объему образца Vw, который выражают в кубических метрах. Взвешиванием образцов с плотностью до 0,01 г определяют массу m_W и выражают ее в килограммах.

Плотность древесины по образцам произвольной формы можно определять, используя для измерения объема (с соблюдением необходимых правил безопасности) ртутные объемомеры. Действие этих приборов основано на определении объема не смачивающей образец жидкости (ртути), вытесненной погруженным в нее образцом.

В справочниках приводят значения плотности при нормализованной (стандартной) влажности. До 1970 г. стандартной влажностью принято было считать 15 %, однако теперь показатели физико-механических свойств древесины определяются при влажности 12 % или пересчитываются на эту новую стандартную влажность.

Проницаемость древесины жидкостями и газами.

Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением. При испытаниях используют из жидкостей воду, а из газов — воздух или азот. Водопроницаемость определяют по методу, разработанному В. А. Баженовым (ГОСТ 16483.15 — 72), устанавливая количество воды, см3, прошедшее в сутки через образец диаметром 47 мм и высотой 20 мм под действием гидростатического давления 0,01 МПа. Вдоль волокон водопроницаемость древесины значительно выше, чем поперек волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных. В радиальном направлении водопроницаемость намного больше, чем в тангенциальном. У хвойных пород это объясняется, по мнению В. Н. Ермолина, наличием лучевых трахеид. Заболонь имеет намного боль-Шую водопроницаемость, чем содержащее смолистые и другие экстрактивные вещества ядро (спелая древесина), которое у некоторых пород вообще не пропускает воду.

Газопроницаемость определяют на несколько оборудованном приборе для испытания на водопроницаем воздухопроницаемость древесины (объем воздуха, прохода рез единицу площади образца в единицу времени) вдоль в десятки раз больше, чем поперек волокон. В радиальном сечении поперек волокон этот показатель больше, чем в тангенсальном направлении. По ГОСТ 16483.34—77 определяют коэффициент газопроницаемости, учитывающий высоту of1 давление газа. Согласно данным наибольшие значения коэффициента азотопроницаемость диагонельного направления поперек волокон обнаружены у 2 сосны, несколько меньший коэффициент у кедра и лиственницы, совсем малый у ели и пихты. У всех пород (кроме азотопроницаемость заболони намного выше, чем ядра древесины).

Тепловые свойства

Теплоемкость. Показателем способности древесины аккумулировать теплоту является удельная теплоемкость с, представляют собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы 1 кг материала на 1 К (или на 1 °С). Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг · °С).

Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от и при температуре 0 °С для абсолютно сухой древесины 1,55 кДж/(кг · °С). С повышением температуры удельная кость древесины несколько возрастает по линейному закону 100 °С увеличивается примерно на 25 %.

Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Так, увеличение влажности древесины от 0 до Г' водит к повышению теплоемкости примерно в 2 раза.

Теплопроводность. Показателем интенсивности перемещение теплоты в материале является коэффициент теплопроводности X, который численно равен количеству теплоты входящей в единицу времени через стенку из древесины плотностью 1 м² и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м • °С).

Дата добавления: 2014-01-04