Физические свойства древесины

Различные свойства древесины напрямую зависят от строения древесины.

Внешний вид 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.

Влажность древесины, свойства связанные с ее изменением. Влажность характеризует количественную оценку содержания влаги в древесине.

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

, (3.1)

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 дверныхполотен 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 клеточных стенок, 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; древесина, содержащая 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 древесины. 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 температуре 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, кг/м³:

, (3.2)

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 в 1 см² за 1 секунду ГОСТ 16483.34 "Древесина. Метод определения газопроницаемости".

Тепловые свойства древесиныК основным тепловым свойствам древесины относятся: теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость С, Дж/(кг×град.), - это количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг массы древесного вещества на 1 ⁰С. Чем больше С, тем большее количество тепла можно аккумулировать в единице объема.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности l Вт/(м´град) – это количество тепла, проходящего в единицу времени через стенку из данного материала толщиной в 1 м, площадью 1 м², при разности температур на противоположных сторонах стенки 1 ⁰С. Значения теплопроводности и теплоемкости древесины необходимы при выполнении расчетов процессов гидротермической обработки древесины, при использовании древесины в строительстве и изготовлении древесной посуды.

Температуропроводность характеризуется коэффициентом температуропроводности a, м²/с (скорость распространения тепла) – это способность древесины выравнивать температуру по сечению. У абсолютно сухой древесины с уменьшением плотности коэффициент температуропроводности возрастает, так как температуропроводность воздуха в 100 раз больше чем у древесинного вещества, и примерно в 150 раз больше чем у воды.

Тепловое расширение древесины характеризуется коэффициентом линейного теплового расширения a, 1/град, - это изменение единицы длины тела при нагревании его на 1 ⁰С. В практике обычно не считаются с этим свойством, т.к. линейное расширение вдоль волокон в 3-10 раз меньше, чем металлов, и им можно пренебречь, а расширение поперек волокон (при влажности меньше 30 %), вызванное повышением температуры, гораздо меньше, чем расширение влажностное, происшедшее вследствие повышения температуры.

Звуковые свойства древесины. Эти свойства характеризуются способностью древесины проводить, поглощать, отражать, резонировать звук.

Звукопроводность характеризуется скоростью распространения звука:

, (3.3)

где С – звукопроводность. м/с;

l – длина образца, м;

f – резонансная частота, с^-1;

t - время распространения упругой волны, с.

Значение С вдоль волокон древесины в зависимости от ее породы составляет 4700-5600 м/с, поперек волокон в 3-4 раза меньше. По изменению скорости распространения ультразвука в древесине можно контролировать ее качественные показатели.

Звукопроницаемость древесины оценивается разницей уровней звукового давления (дБ – децибел) перед и за перегородкой из древесины. Звукопоглощение оценивается коэффициентом звукопоглощения – отношением звуковой энергии, теряемой в материале, к величине подводимой энергии.

Резонансная способность – это свойство древесины усиливать и излучать звук, еще называемое резонансным. В деревянных музыкальных инструментах колебания струны передаются деке, а она излучает их в воздух. Деку изготавливают из специальных сортов древесины, называемой резонансной древесиной. Это прежде всего ель, кедр, пихта.

Электрические свойства древесины. Электропроводность – способность древесины проводить электрический ток – находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух составляющих: объемного (сквозь толщу образца) и поверхностного сопротивлений. Удельное объемное сопротивление, Ом´см, равно сопротивлению прохождения тока через образец древесины размером 1´1´1 см; удельное поверхностное сопротивление, Ом, равно сопротивлению квадратного участка поверхности образца при подведении тока к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата. Испытания для измерения электрического сопротивления древесины проводят по ГОСТ 18408 "Древесина. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении". Удельное сопротивление древесины имеет практическое значение, если древесина используется для столбов связи и линий электропередачи, при измерении влажности древесины, нанесение лаков в электрическом поле.

Электрическая прочность характеризуется отношением напряжения, при котором наступил пробой материала к толщине материала:

, (3.4)

где Е_пр. – электрическая прочность, кВ/мм;

U_пр – напряжение пробоя, кВт;

h – толщина материала, мм.

Этот показатель имеет значение при оценке древесины как электроизолирующего материала.

Диэлектрические свойства древесины оцениваются двумя показателями: диэлектрической проницаемостью e и тангенсом угла диэлектрических потерь tg d. Первый показатель численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости того же конденсатора с воздушным зазором. Второй показатель характеризуется углом потерь d. Это угол между двумя векторами тока, один из которых опережает вектор напряжения на угол 90⁰, если нет потерь, второй опережает вектор напряжения на угол меньший, чем 90⁰ вследствие диэлектрических потерь в древесине. Значение e для воздуха 1, древесины 2-4, клея 25, tg d для древесины 0,07; клея 0,6. Эти свойства зависят от плотности древесины и учитывают при расчете процессов нагрева материала в поле токов высокой частоты во время сушки, а также склеивания и гнутья древесины.

Свойства древесины, проявляющиеся при воздействии излучений. Инфракрасное (ИК) излучение. Способность древесины пропускать, поглощать и отражать инфракрасные лучи, зависит от длины волны подающего излучения (их диапазон длин волн от 1000 до 0,77 мкм). Эта способность дает возможность измерять влажность поверхностных зон массивной древесины, измерять влажность древесных частиц в производстве древесностружечных плит. Поглощение ИК-лучей вызывает нагревание материала, что позволяет их использовать для сушки шпона, щепы, стружки, нагревания древесины при склеивании, а также для ее стерилизации. ИК-лучи довольно широко используются для сушки лакокрасочных покрытий.

Световое излучение охватывает часть спектра с длинами волн от 0,76 до 0,44 мкм. Эти лучи обладают большей проникающей способностью, чем ИК-лучи, и используются для обнаружения скрытых дефектов внутри древесины или изделий из нее. В последнее время успешно развивается лазерная технология. Лазер используется для фигурного раскроя листовых древесных материалов, резьбы, граверных работ.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение. Эти лучи имеют длину волн от 0,38 мкм до 10 нм. УФ-излучение вызывает свечение – люминесценцию некоторых веществ. Цвет и интенсивность свечения зависит от породы и состояния древесины (влажности, температуры, шероховатости поверхности и т.д.). Это позволяет использовать люминесценцию для обнаружения пороков, контроля качества обработки и др.

Рентгеновское излучение охватывает часть спектра с длиной волн от 5 нм до 0,6 пм. Рентгеновские лучи могут быть использованы для обнаружения в древесине скрытых пороков, для определения влажности и характера ее распределения, для изучения плотности древесины и тонкого строения клеточной стенки.

Ионизирующие излучения возникают при распаде радиоактивных веществ, делении атомов тяжелых ядер, ядерных реакциях. Данные излучения применяют для измерения плотности древесины, ее влажности, для контроля размеров деталей, для обнаружения скрытых дефектов.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 801; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!