Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

СКЛАД, структурні елементи й властивості деревини

Деревина складається в основному з органічних речовин, до яких повністю застосовні закони органічної хімії. Вона є продуктом рослинного походження і як біологічний об'єкт складається з клітин. Стінки клітин деревини на 99% складені з органічних сполук, представлених у хвойних порід приблизно на 70% вуглеводами, а в листяних - на 80%. Вуглеводи, як відомо, представляють групу природних речовин, утворених трьома елементами: вуглецем, воднем і киснем. До великої групи цих речовин належить цукор, а прикладом порівняно простих вуглеводів може служити глюкоза (склад молекули якої виражається формулою СбНізОб), яку називають моносахаридом. Молекули простих цукрів здатні з'єднуватися в рослинах під впливом ферментів в крупніші утворення, наприклад дисахарид: 2 СбНігОб = С12Н22О11 + НДО, а при великій кількості молекул моносахариду - в полісахариди, наприклад з утворенням крохмалю (QH10O5) ,, або целюлози з тим же виразом молекули, але при більш високому значенні п, ніж у крохмалю.

У вуглеводну частину деревини входить целюлоза як її основний компонент за обсягом в стовбурі дерева і нецелюлозний полісахариди, іменовані геміцелюлозами. Всю вуглеводну частину в цілому називають холоцеллюлозой. Її можна виділити з деревини у вигляді волокнистого матеріалу обробкою окислювачами (кислотами).

Близько 30% деревини становлять речовини ароматичної природи, відомі під назвою лігніну.

Вуглеводи і лігнін - це високомолекулярні речовини, або полімери. На них поширюються закономірності, характерні для цих сполук, причому вони знаходяться в тісному взаємозв'язку і утворюють єдину високоорганізовану полімерну систему деревинної речовини.

До невеликої частини деревини (2-4%) відносяться екстрактивні речовини, які не є складовими клітинної стінки.

Вони здатні лише насичують стінки клітин, а в основному містяться в їх порожнинах і в міжклітинному просторі. На відміну від вуглеводів і лігніну, екстрактивні речовини - низькомолекулярні сполуки.

Слід трохи докладніше зупинитися на характеристиці головних структурних елементів деревини. Вони, в сукупності з порами, капілярами, контактними зонами і іншими елементами мікро- і макроструктури, зумовлюють основні властивості деревного матеріалу.

Целюлоза може бути виражена емпіричної формулою [СбНю0 5 ] "або в іншому вигляді [СБН? 02 (0Н) з] л , де п - ступінь полімеризації, яка у деревної целюлози досягає значень від 300 до 6000 і більше. Вона являє собою лінійний гетероцепні стереорегулярний [1] однорідний полімер, який має велике число гідроксильних груп ОН, що утворюють водневий зв'язок. Цей тип хімічного зв'язку між водневим атомом гідроксилу одного ланцюга і кисневим атомом гідроксилу сусідній ланцюга надає підвищену жорсткість полімеру, так як "стягуються", орієнтуються ланцюгові молекули в целюлозних волокнах.

Крім водневих зв'язків, для целюлози характерно також внутрішньо-і міжмолекулярної взаємодії (т. Е. Силами Ван-дер-Ваальса), що, навпаки, зменшує ступінь жорсткості, і молекули целюлози можуть приймати різні конформації (розташування). Будучи основною речовиною деревини, целюлоза утворює в структурному відношенні шарувату клітинну оболонку (стінку), здатну при механічній обробці розпадатися на тонкі целюлозні волокна-фібрили, а при хімічної - на мікрофібрили. Фібрила має кристалічну структуру, так як для неї типовим є регулярне розташування молекул, характерне для молекулярної кристалічної решітки. Мікрофібрили також в основному зберігають кристалічні (орієнтовані) області. Частина кристалічна фаза перемежовується з хаотичним (аморфним) розташуванням макромолекул, в ній відсутня чітко виражена орієнтація в Мікрофібрили, а ланцюга значно коротше. Цю частину називають геміцелюлозою. Ступінь полімеризації макромолекул геміцелюлози становить всього 100-200. Короткі ланцюга нерідко трапляються серед кристалічних ділянок целюлозного волокна, і тоді вони досить міцно зв'язуються з целюлозою, утворюючи целлюлозани, але залишаючись по суті геміцелюлозою (Ксилан, маннани).

Деревні целюлозні волокна мають спіральну структуру і містять приблизно 55-65% кристалічної і 25-35% аморфної (геміцеллюлозной) частини, причому у хвойних порід аморфної частини менше, у листяних порід - більше (28-35%). Відповідно до іншої теорії, зміст кристалічної фази в природному целюлозі значно більше, тоді як аморфної - не вище 5-10% і її відносять до дефектів впорядкованості. В цьому випадку вважають, що целюлоза є однофазним кристалічною речовиною. Так чи інакше, але головне, що необхідно враховувати, деревина - висококрісталліческое речовина, що має форму поздовжніх спіральних волокон, які в діловій деревині виконують роль своєрідного "армирующего" компонента, що підвищує міцність матеріалу на розтяг, чому сприяє також їх впорядковане розташування.

Лігнін як інший структурообразующий компонент деревини - теж природний полімер, являє собою високомолекулярну ароматичну частина, кількість якої в деревині хвойних порід становить 28-30%, а в деревині листяних пород.- 18-24%. У деревині він був відкритий більше 145 років тому, але його досить складну будову до цього часу залишається не повністю з'ясованим. Вважають, що це суміш нерегулярних розгалужених полімерів сітчастої структури. Присутність лігніну встановлюють по кольоровим реакціям. Від целюлози відрізняється підвищеним вмістом вуглецю - 60-65% в порівнянні з 44% в целюлозі, що обумовлено його ароматичної природою. З дев'яти атомів вуглецю, що становлять структурну одиницю (фенілпропановую) лігніну, шість належать ароматичного кільця. У хімічному відношенні лігнін - реакційно-здатний полімер. У порівнянні з целюлозою лігнін має меншу хімічну стійкість, легше окислюється.

Лігнін - аморфна речовина; їм збагачуються клітинні стінки з ефектом одревеснения. Він міститься в серединній пластинці клітинної стінки, але більша його частина знаходиться у вторинній стінці (шарі). Виявляється лігнін в цих двох шарах стінки по фарбуванню в червоний колір при впливі на клітинні стінки хімічним реагентом (солянокіслородним флороглюціаном). Електронна мікроскопія дозволила, проте, не тільки по кольоровій реакції, але і на знімках побачити, що лігнін заповнює також і міжклітинні простору. Своєю присутністю він надає деяку гідрофобність, але в цілому вона незначна, і деревина відноситься до гідрофільних матеріалами, особливо деревина листяних порід.

Обидва основні компоненти деревини - целюлоза і лігнін -; взаємодіють між собою. Характер їх взаємодії ще повністю не розкритий. Спочатку передбачалося наявність чисто механічного зв'язку лігніну з вуглеводами в стінках (шарах) клітини. Така теорія називалася інкрустаційний. Пізніше було встановлено, що неможливо ні витягати вуглеводи з деревини без одночасного часткового видалення лігніну, ні повністю видалити лігнін з деревини без видалення певної кількості вуглеводів. Очевидно, що це можливо тільки при їх хімічній взаємодії, тим більше що з деревини вдалося виділити лігноуглеводние комплекси. Більшість дослідників схиляється до припущення про існування хімічного зв'язку лігніну з геміцелюлозою (ксиланів, Маннанов і іншими полісахаридами), хоча підтримується думка також про можливу хімічного зв'язку лігніну з целюлозою. В цілому, однак, частина лігніну знаходиться в древрсіне у вільному стані.

Екстрактивні речовини на відміну від головних компонентів витягуються нейтральними розчинниками - водою, звичайними органічними розчинниками. Хоча їх небагато, але вони надають деревині колір, запах, смак, іноді токсичність, допомагають дереву чинити опір гниття, ураження грибами та ін. Серед екстрактивних речовин - смоли і смоляні кислоти, танніди (дубители), ефірні масла, барвники, камеді, фітостерини, білки та ін. Зміст смол в листяних породах до 1%, а в хвойних може бути до 20%. У кожній породі присутні тільки деякі екстрактивні речовини, по-різному розподіляючись всередині дерева, наприклад, фенольні речовини - в ядрового частини, а цукру, жири та ін. - В заболонної деревині. Є невелика частка і мінеральних речовин (до 1%), що надходять з грунту через кореневу систему і провідні тканини.

Таким чином, деревина складається з двох основних компонентів з присутністю невеликих кількостей інших речовин, мабуть, мало впливають на формування загальної структури.

Структура деревини в першому наближенні є конструкційну поєднання целюлози з лігніном. Волокна целюлози мають високу міцність на розрив, але легко згинаються (рис. 7.1). Лігнін об'єднує їх в єдине ціле за допомогою водневих і ван дер Ваальсових сил зв'язку та когезії, тому в сукупності деревина - по суті природний органічний матеріал з конгломератних типом структури, в якому є матрична просторова сітка з лігніну і кристалічний волокнистий наповнювач у вигляді целюлози . Ця структура добре, наприклад, видно на мікрознімки, отриманому американським вченим Е. Келлі для зрізу осики при збільшенні в 11000 разів (рис. 7.2). Темна смуга - лігнін, менш темна - стінка целюлозної клітини і світла область - порожнину клітини.

Подібно штучним конгломератам, деревина містить капіляри і пори різних розмірів; в період життя дерева вони мають велике значення для пересування води і поживних соків, їх накопичення та ін. Великі капіляри є порожнинами і

порами стінок, капіляри і пори тонкі і дрібні знаходяться між фибриллами, мікрофібрилами і всередині микрофибрилл. Якщо в великих капілярах і порах невелика питома площа внутрішньої поверхні, складаючи, наприклад, у ялини 0,2 м 2 / г, то у найдрібніших пір вона дуже велика, наприклад, у ялини при діаметрах капілярів 10 10 8 -10 ■ 10 ~ 7 см (від 10 до 100 А) питома площа їх поверхні становить до 300 м 2 / г. Така відмінність капілярів відбивається на характері контакту їх з водою. Великі капіляри можуть заповнюватися водою, яка мало впливає на стан деревини і її якість (механічні властивості) як будівельного матеріалу. Ця волога порівняно легко приходить в капіляри і пори, особливо при контакті дерева з водою, заповнює порожнини і може становити до 100-200% до маси абсолютно сухої деревини, але вона порівняно швидко і легко видаляється з них при сушінні. Тонкі пори і капіляри заповнюються не тільки при контакті з водою, але і в умовах вологого повітря в зв'язку з гигроскопичностью деревини і за законами капілярних судин. Гігроскопічна волога сорбується на стінках клітин, частково переходить в колоїдно-пов'язану з речовиною дерева. Граничне насичення деревини гигроскопической вологою становить 25-35% (в середньому 30%) до маси абсолютно сухої деревини, зване межею насичення. Насичення гигроскопической вологою до цієї граничної точки супроводжується набуханням деревини, зміною (погіршенням) її фізичних і механічних властивостей. Збільшення вологи понад 30% -ного її змісту на механічні властивості деревини майже не відбивається; не збільшується і обсяг її за рахунок набухання.

При сушінні деревини важко випаровується гігроскопічна (пов'язана) волога від клітинних стінок насичення волокон, причому обсяг деревини зменшується в зв'язку з усадкою і ущільненням клітинних оболонок. Особливо важко видаляються останні 4-6% гігроскопічної вологи, так як вона орієнтовано закріплена (адсорбувати) в монослое молекулами целюлози. Виникають водневі зв'язку між гидроксилами целюлози і водою, тоді як інша велика частина гігроскопічної вологи (20-25%) знаходиться під впливом капілярної конденсації. З наближенням при сушінні до температури 105 ° С маса деревини зберігає постійне значення, що і приймають за абсолютно сухий стан деревини. Абсолютно суха деревина складається з двох компонентів - деревинної речовини і повітря. Фактично близько 1% гігроскопічної вологи в абсолютно сухий деревині зберігається, але за рахунок відносно міцних водневих зв'язків вона не знижує її якісних показників. Подальше підвищення температури викликає більш-менш глибоке розкладання целюлози - деструкцію, особливо в присутності повітря і вологи. При помірному нагріванні (120-180 ° С) змінюється колір целюлози, знижується її міцність, а при більш високій температурі (230-240 ° С) протікають хімічні реакції зі зміною елементарного складу целюлози. При температурі, близькій до 300 ° С, структура переходить з кристалічною форми в аморфну, а при подальшому підвищенні температури утворяться целюлозний вугілля і рідкі продукти розпаду (оцтова кислота, ацетон, формальдегід, мурашина кислота і ін.). Лігнін більш стійкий до термолизом, ніж целюлоза, за рахунок його ароматичного будови. Однак і він до моменту обугливания целюлози схильний екзотермічного розпаду з втратою своїх первинних властивостей. Отже, при нагріванні вище 105-110 ° С безперервно протікають процеси деструкції, а деревина порівняно швидко втрачає свої високі фізико-механічні властивості, які вона мала в абсолютно сухому стані.

Кінетику зміни показників властивостей деревини в міру її висихання можна зобразити графічно в системі прямокутних координат. Для цього на паралельно розташованих осях ординат необхідно відкласти в відповідних масштабах різні показники властивостей (на малюнку умовно прийнята одна вісь ординати для всіх властивостей), а на осі абсцис - вологість, ще краще структурний параметр у вигляді, наприклад, відношення обсягу V вільної вологи, рівного MJp B або гигроскопической M T Jp e віднесених до сумарної площі стінок пір і капілярів, постійної для даної породи дерева. Очевидно, що відношення VIAcy M = 5, де 5 - усереднена товщина плівки вільної або гігроскопічної вологи; р "- щільність води.

У міру випаровування вільної вологи в свежесрубленной деревині, коли її вологість становить зазвичай від 40 до 100% і вище, показники властивостей залишаються постійними до межі насичення волокон. При поступовому висушуванні в межах змісту гігроскопічна вологи з утоньшение полімолекулярних шарів (5) води на розвиненій поверхні найтонших капілярів і пор показники властивостей безперервно поліпшуються.

Прояв закону створу в деревині при відсутності вологи

Мал. 7.3. Прояв закону створу в деревині при відсутності вологи:

R - міцність, т, - середня щільність, X - теплопровідність, з - електропровідність. б - товщина плівки води. П - пористість

До моменту висихання, коли вологість стає рівною 1% і менше, а гігроскопічна вода досить міцно хімічно пов'язана з целюлозою в монослоях, причому ставлення Г / Асум приймає мінімальне значення, близьке до нуля, тоді показники властивостей стають екстремальними: міцність, що виражає будь-які її значення (при стисканні, розтягненні і т. п.), - найбільшою: пружність - також найбільшою, тоді як пластичність і загальна деформація - найменшими, теплопровідність і електропровідність - найменшими (в сухому стані деревина є хорошим діелектриком); пористість (П), коефіцієнт дифузії при постійній температурі - найбільшими, щільність - найменшою і т. д. (рис.7.3). Числові значення цих екстремумів отримують експериментальним шляхом при випробуванні зразків або розрахунковим, застосовуючи деякі відомі залежності. У них значення вологості для отримання екстремальної величини приймається рівним нулю (W = 0).

На лівій гілці одержуваної екстремальної кривої показані значення властивостей в міру розвитку деструкційних процесів при подальшому підвищенні температури деревини (понад 105 ° С).

З графіка випливає, що при певному наборі структурних параметрів в абсолютно сухий деревині закономірно виникає комплекс екстремальних значень тих фізичних і механічних властивостей, які безпосередньо пов'язані зі структурою. Такий комплекс екстремумів відповідно до закону створу можливий тільки при оптимальній структурі. Отже, під впливом зовнішніх і внутрішніх детермінантів в період росту дерева відбувається поступова оптимізація структури деревини еволюційним шляхом. До зовнішніх, що впливав на зростаюче дерево, слід віднести: силові - від вітрового навантаження і маси крони, обтяженою атмосферними опадами; теплові - від змінної температури навколишнього середовища; вплив вологи, сонячного світла і ін. До внутрішніх детермінантів відносяться: переміщення вологи з растворен-

ними мінеральними речовинами з грунту; переміщення і створення запасу поживних речовин; процес фотосинтезу в кроні і ін. Реальні умови розвитку дерева не тільки сприяли його зростанню, а й викликали необхідність в пристосовності до механічних напруг, особливо деревних волокон.

Так, опірності вітрових навантажень сприяло: розвиток шаруватого будови деревини з правильним чергуванням прошарків м'якшою весняної і жорсткішою річної деревини; підвищення модуля пружності деревини стовбура від вершини до комля (основи) (рис. 7.4), стік товщини стовбура від окоренкові частини його до вершини при високій міцності на розтягнення коренів.

Результати експериментального визначення модуля пружності Е при вигині деревини сосни на зростаючому дереві (по Юлінену)

Мал. 7.4. Результати експериментального визначення модуля пружності Е при вигині деревини сосни на зростаючому дереві (по Юлінену): х - відстань від комля; / - Висота стовбура

Міцні зовнішні шари стовбура при меншій міцності серцевини забезпечують дереву надійну опірність великим вертикальним навантаженням від маси крони. В результаті нормального росту деревина хвойних і листяних порід набирає комплекс анатомічних елементів, загальним для яких є упорядкованість волокнистої структури і клітинної будови деревини, тоншають стінки-прошарку матричної частини з лігніну, настає в процесі значною кристалізації целюлози і, почасти, геміцелюлози загальна впорядкованість розташування молекул з анізотропією властивостей по головним структурним напрямками, формується оптимальна структура з відповідною закономірністю створу з комплексом екстремальних значенні властивостей. У цьому проявляється структурна детермінація розвитку рослин.

  • [1] В стереорегулярних полімери всі ланки розташовані в просторі в певному порядку.
 
<<   ЗМІСТ   >>