Физические свойства древесины

Древесина характеризуется цветом, блеском, текстурой, запахом. Цвет – зрительное восприятие, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока. Наука о цветовых измерениях – колориметрия – характеризует количественную характеристику цвета тремя показателями – цветовым тоном, чистой и светлой. Цвет древесины можно установить, пользуясь атласом цветов или колориметром. Он варьируется от белого до черного и зависит от породы, климата, условий произрастания, возраста. Первоначальный цвет древесины меняется под воздействием солнца, воздуха, окисления, соединения с солями металлов, поражения грибами и загнивания. При производстве изделий иногда специально меняют цвет древесины, отбеливая ее или окрашивая в более темные или яркие цвета.

У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у старых. Устойчивым цветом обладают дуб, груша, белая акация, самшит, каштан, яблоня.

Условная классификация пород по цвету древесины.

Белый – береза, клен, осина, липа, граб, ель, пихта;

Серый – грецкий орех, хурма, ясень, белая акация (ядро);

Черный – эбеновое дерево, макасар;

Коричневый:

Светлый – орех, каштан, карагач, дуб, груша;

Темный – полисандр, абрикос, тик;

Красный – маклюра, падуб, махагони, ольха;

Красно-фиолетовый – амарант;

Бурый – дуб, карагач, лиственница, кедр, орех, тис, бук, махагони;

Розовый – груша, бук, ольха, чинара, яблоня;

Желтый – лимонное дерево, самшит, белая акация (заболонь), карельская береза, сосна, барбарис.

Блеск древесины проявляется при отражении падающего света. Такой способностью обладают сердцевинные лучи, остальная поверхность заметно выраженного блеска не имеет. Поскольку в большинстве случаев изделия из древесины покрывают лакокрасочными материалами, естественный блеск древесины перекрывается зеркальной, матовой или кроющей поверхностью отделочного слоя.

Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана, белой акации, дуба. Шелковистый блеск свойственен древесине бархатного дерева. Древесина осины, тополя, липы с очень узкими сердцевинными лучами и сравнительно тонкими стенками клеток имеет матовую поверхность.

Текстура древесины – это рисунок, образующийся на поверхности вследствие перерезания элементов древесины (сосудов, годичных слоев, сердцевинных лучей и др.). Текстура зависит от породы древесины (у хвойных более простая и однообразная, у лиственных более сложная и разнообразная), плоскости разреза (радиальная, тангентальная, торцевая), волнистости, свиливатости, от различия в окраске отдельных элементов. Хвойные породы на тангентальном и торцевом разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины имеют красивую текстуру. Лиственные породы с ярко выраженными годичными слоями и развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, клен, карагач, ильм, платан) имеют очень красивую текстуру радиального и тангентального разрезов. Особенно красивый рисунок на разрезах древесины с направленным и путаным (свилеватым) расположением волокон (капы, наросты), а также со следами спящих почек (глазки).

Текстурой характеризуется декоративная ценность изделия из древесины.

Запах древесины зависит от присутствия в ней пахучих и ароматических веществ – эфирных масел, смол, дубильных веществ. Наиболее сильный запах у свежесрубленных хвойных пород. С фактором запаха считаются при изготовлении тары для хранения и перевозки различных изделий. Так, тару под мед следует изготавливать из липы, масло лучше упаковывать в буковую тару, для вина использовать дубовые бочки, а шерстяные вещи отлично хранятся и не портятся молью в кедровых сундуках, комодах. Характерный запах скипидара у хвойных пород – сосны, ели. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. По характерному запаху древесины можно определить породу.

Макроструктура характеризуется шириной годичных слоев, определяемой числом годичных слоев на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Древесина хвойных пород имеет более высокие физико-механические показатели, если в одном см не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуба, ясеня) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость. У древесины лиственных рассеянно-сосудистых пород (березы, бука) нет четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев. По образцам древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины в процентах. Чем выше содержание поздней древесины в процентах, тем больше ее плотность и, следовательно, лучше механические свойства.

Макроструктуру можно исследовать невооруженным глазом или с помощью лупы. Главными макроскопическими признаками древесины являются заболонь и ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сердцевинные повторения, сосуды и смоляные ходы.

Влажность характеризует количественную оценку содержания влаги в древесине.

Абсолютная влажность – это процентное отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины:

,

где m – масса влажной древесины, г;

m_c – масса абсолютно сухой древесины, г.

Древесина влажностью более 100 % считается мокрой, в интервале 100…50 % - свежесрубленной, в интервале 20…15 % - воздушно-сухой, в интервале 12…8 % - комнатно-сухой и около нуля – абсолютно сухой. Влажность 20…22 % называется транспортной, в период эксплуатации изделий из древесины – эксплуатационной, в процессе изготовления деталей и узлов – производственной (обычно меньше на 1…2 % эксплуатационной). Значения эксплуатационной влажности, %, пиломатериалов и деревянных деталей:

Пиломатериалы 20…22

Детали и заготовки:

- для обозостроения 10…12

- автомобильные 12…15

- сельскохозяйственных машин 12

- товарных вагонов 18

- пассажирских внутренних 10

- пассажирских наружных 15

- оконных переплетов и дверных

полотен 12

- коробок наружных дверей и окон 18

- коробок внутренних дверей и фрамуг 15

Шканты и нагели 7

Паркет 8

Плинтуса, галтели, поручни и

внутренние наличники 12

Доски чистого пола и наружные

наличники 15

Влажность растущей древесины в зависимости от породы и элемента (ядро, заболонь) составляет от 30 до 120 %. В срубленной древесине различают два вида влаги – свободную и связанную. Свободная – это влага, заполняющая полости клеток и сосудов. Связанная – это влага, находящаяся в стенках клеток. Состояние древесины, при котором количество связанной влаги максимально возможное, а свободной влаги нет, называется пределом насыщения, для большинства пород он равен примерно 30 %. При влажности выше предела насыщения волокна в полостях клеток начинает появляться свободная влага. Максимальное количество свободной влаги, которое может быть в древесине, зависит от ее строения и может доходить до 250 %. Древесина, содержащая только связанную влагу, называется влажной; древесину, содержащую связанную и свободную влагу сырой.

Влажность, к которой стремится влажность древесины при длительной выдержке на воздухе постоянного состояния, называется равновесной.

Величина фактической влажности, которой достигает древесина, стремясь к равновесной, называется устойчивой влажностью. Для массивной древесины (длиной более 100 мм и толщиной более 15 мм) устойчивая влажность примерно на 1,25 % больше или меньше равновесной. Для измельченной древесины (опилки, стружка, щепа) устойчивая влажность мало отличается (±0,15 %) от равновесной.

Влагопоглощение – способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха. Это отрицательное свойство древесины (для большинства случаев). Для уменьшения его влияния древесину покрывают лаками, пропитывают различными составами.

Водопоглощение – способность древесины впитывать капельножидкую влагу. Она имеет значение при сплаве древесины, получении целлюлозы и т.д.

Влагопроводность – способность древесины пропускать влагу из зон повышенной влажности в зоны с пониженной влажностью. Она имеет важное значение при гидротермической обработке древесины. Влагопроводность характеризуется коэффициентом влагопроводности, величина которого зависит от температуры, породы, плотности, местоположения древесины в стволе, направления тока влаги относительно волокон древесины.

Усушка и разбухание – явления, связанные с уменьшением или увеличением содержания влаги в древесине и заключающиеся в уменьшении или увеличении ее линейных размеров и объема. Они наблюдаются при изменении влажности древесины в пределах от 0 до 30 %. Полная усушка – уменьшение линейных размеров или объема древесины при изменении влажности от точки насыщения волокон до удаления всей связанной влаги. Величина линейной усушки не одинакова в различных направлениях относительно направления волокон. Наибольшая полная усушка наблюдается в тангенциальном направлении 6-10 %; в радиальном – 3-5 %; вдоль волокон – 0,1-0,3 %; полная объемная усушка составляет 12-15 %.

Внутренние напряжения в древесине возникают при удалении связанной влаги в результате усушки. Причины возникновения напряжений следующие: неравномерное удаление влаги по сечению и различная величина усушки в различных (радиальном и тангенциальном) направлениях.

В пиломатериалах (досках, брусках) неоднородность усушки влечет за собой изменение формы поперечного сечения материала, т.е. поперечную покоробленность древесины. Продольная покоробленность древесины может быть следствием различной величины усушки вдоль волокон различных зон (например, ядровой, заболонной). Крыловатость – это спиральная покоробленность, являющаяся следствием наклона волокон.

Плотность, кг/м³ или г/см³, - масса единицы объема материала. Для характеристики плотности древесины используют несколько показателей.

Плотность древесного вещества – масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки.

Плотность абсолютно сухой древесины – масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды.

Относительная плотность древесинного вещества определяется отношением плотности клеточной оболочки к плотности воды при 3,98 ⁰С и составляет в среднем 1,54, т.е. древесинное вещество в 1,54 раза тяжелее воды.

Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. Для того чтобы результаты измерений были сравнимы, принято плотность исчислять при стандартной влажности древесины, равной 12 %.

Значение плотности тогда вычисляется по формуле:

,

где m₁₂ – масса образца древесины при влажности 12 %;

V₁₂ – объем образца древесины при влажности 12 %.

Проницаемость древесины – способность древесинного вещества пропускать жидкости и газы. Это свойство следует учитывать при разработке режимов пропитки и сушки древесины, в случаях использования ее для изготовления бочек, трубопроводов, деревянных судов, а также при дезинфекции древесины, зараженной насекомыми или грибами. Проницаемость зависит от направления волокон, породы, положения в стволе (ядро, заболонь). Существенное влияние на проницаемость поперек волокон оказывают сердцевинные лучи. Водопроницаемость оценивают количеством воды, см³, прошедшей через образец диаметром 47 мм и высотой 20 мм при давлении 0,01 мПа за 24 часа при установившемся движении воды, и конечной влажностью образца по ГОСТ 16483.15 "Древесина. Метод определения водопроницаемости".

Газопроницаемость оценивают количеством воздуха, м³, прошедшего через поверхность образца площадью 12,6´10^{-4 м2} за определенное время при заданном (0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 мПа) давлении по ГОСТ 16483.34 "Древесина. Метод определения газопроницаемости".