Последние новости
Thursday, 29 June 2017
Главная arrow Статьи arrow Физические свойства
 
Главная
Поиск
Статьи
Форум
Разделы сайта
Our Sponsors
порт новороссийск
Физические свойства Версия для печати

В древесине содержатся три вида влаги: связанная (гигроскопическая), свободная (капиллярная) и химически связанная.
Древесина обладает свойством гигроскопичности — способностью изменять свою влажность в зависимости от температуры и влажности окружающей ее среды. Влагу из воздуха могут поглощать только клеточные стенки — микрофибриллы, поэтому связанная (гигроскопическая) влага находится в оболочках клеток. Максимальное количество связанной влаги, которое может находиться в клеточных стенках, называется пределом насыщения волокон древесины или пределом гигроскопичности. Предел гигроскопичности практически не зависит от породы древесины и при комнатной температуре (20°С) составляет 30%. При повышении температуры воздуха предел гигроскопичности понижается. При этом часть влаги, которая содержится в стенках клеток, перемещается в полости клеток и превращается в свободную влагу.

Для древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют процентное содержание поздней древесины. Для этого измеряют ширину годового слоя и ширину поздней древесины и вычисляют процентное содержание поздней древесины. Чем больше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность и лучше механические свойства. Содержание поздней древесины в древесине, предназначенной для изготовления строительных конструкций, должно быть не менее 20%.

Степень равнослойности определяется разницей в числе годовых слоев на двух соседних участках длиной по 1 см. Этот показатель используют для характеристики резонансной способности древесины ели и пихты при изготовлении музыкальных инструментов.

В результате обработки древесины режущими инструментами происходит перерезание анатомических структур, имеющих полости (сосуды), и на поверхности древесины образуются неровности, которые называются структурными неровностями. Большой величиной структурных неровностей характеризуются такие породы как ясень, дуб, грецкий орех. Так как древесина этих ценных пород используется для отделки изделий, то перед полированием необходимо уменьшить величину этих неровностей. Уменьшение неровностей достигается проведением специальной операции, которая называется порозаполнением.
Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

В древесине содержатся три вида влаги: связанная (гигроскопическая), свободная (капиллярная) и химически связанная.
Древесина обладает свойством гигроскопичности — способностью изменять свою влажность в зависимости от температуры и влажности окружающей ее среды. Влагу из воздуха могут поглощать только клеточные стенки — микрофибриллы, поэтому связанная (гигроскопическая) влага находится в оболочках клеток. Максимальное количество связанной влаги, которое может находиться в клеточных стенках, называется пределом насыщения волокон древесины или пределом гигроскопичности. Предел гигроскопичности практически не зависит от породы древесины и при комнатной температуре (20°С) составляет 30%. При повышении температуры воздуха предел гигроскопичности понижается. При этом часть влаги, которая содержится в стенках клеток, перемещается в полости клеток и превращается в свободную влагу.

Свободная влага находится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Предельное количество свободной влаги, которое может содержаться в древесине, зависит от того, как велик объем пустот, который может быть заполнен водой, то есть от плотности древесины.
Химически связанная влага входит в химический состав древесины. Ее количество невелико и составляет 2—3%. Химически связанная влага может быть удалена из древесины только при ее глубокой (химической) переработке.

Таким образом, общее количество влаги, которое имеет значение при деревообработке, складывается из связанной и свободной влаги.
Влажность древесины — это отношение содержащейся в ней свободной и связанной влаги к массе древесины в абсолютно сухом состоянии, выраженное процентах.

Влажность древесины измеряют весовым методом или с помощью электровлагомера (электрический метод определения влажности).
Наиболее распространенным и точным является весовой метод определения влажности древесины. Для определения влажности выпиливают из лесоматериалов образцы призматической формы с размерами 20x20x30 мм, очищают их от опилок и заусенцев, после чего сразу же взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Образцы помещают в сушильный шкаф, в котором автоматически поддерживается температура 100—105°С. Температура не должна превышать 105°С, так как при большей температуре происходит выделение смолы (из древесины хвойных пород) и начинается химическое разложение древесины. Первый раз взвешивают образцы через определенное время после начала высушивания: образцы из древесины всех пород кроме ясеня и дуба — через 6 часов, а из ясеня и дуба — через 10 часов. Второе и последующие взвешивания проводят через каждые 2 часа. Образцы высушивают до постоянной массы, то есть до тех пор, пока последующее взвешивание не даст тот же результат, что и предыдущее (в пределах точности взвешивания).
Влажность W, определенную весовым методом, вычисляют по формуле

mat9.gif

где тн — масса образца до высушивания; тс — масса абсолютно сухого образца.

Достоинствами весового метода определения влажности древесины являются: большая точность при любом значении начальной влажности; относительная простота при наличии необходимого оборудования. Недостатком метода является большая продолжительность сушки образцов (от 12 до 24 ч).
Метод измерения влажности с помощью электровлагомера основан на зависимости сопротивления древесины от ее влажности; чем больше влажность древесины, тем меньше ее электрическое сопротивление. Рабочей частью наиболее распространенного электровлагомера является датчик, представляющий собой ручку с тремя металлическими иглами и с подведенными к ним электропроводами, которые соединены с прибором. Иглы датчика вдавливают в древесину до упора рукоятки в поверхность древесины (на глубину 8 мм у электровлагомера ЭВ-2К), и включают прибор, который на шкале показывает влажность древесины в процентах.
Достоинства измерения влажности электровлагомером: оперативность и быстрота определения влажности и возможность про- верки влажности лесоматериала или изделия из древесины любого размера. Недостатками являются: определение влажности только в месте контакта датчика с древесиной и очень невысокая точность измерения. При влажности до 30% погрешность измерения составляет 1—1,5%, а при влажности более 30—10%. Существуют и другие типы электровлагомеров.
Удаление влаги из древесины называется сушкой. При сушке древесины сначала с ее поверхности испаряется свободная влага, а затем гигроскопическая. При увлажнении древесины влагой, содержащейся в воздухе, влажность древесины не может превысить предела гигроскопичности, поскольку увлажняются только клеточные стенки — микрофибриллы. Появление свободной влаги при этом невозможно, даже если воздух будет максимально насыщен водяными парами. При постоянных температуре и влажности воздуха влажность древесины будет стремиться к определенной величине, которая называется устойчивой влажностью. Устойчивая влажность может быть получена в результате высыхания древесины (десорбция) или в результате поглощения древесиной влаги из воздуха (сорбция).
Устойчивую влажность, практически одинаковую при сорбции и десорбции, называют равновесной влажностью. Разность устойчивой влажности при сорбции и десорбции для пиломатериалов не превышает 2,5%, а для древесного шпона составляет всего лишь 0,2%.
Величину равновесной влажности древесины при различных значениях температуры и влажности воздуха можно определить по диаграмме, разработанной П.С. Серговским на основе результатов экспериментальных исследований. На диаграмме по вертикали показана относительная влажность воздуха (степень насыщения воздуха водяными парами), а по горизонтали — температура воздуха. Например, при температуре воздуха 20°С и влажности воздуха 40% равновесная влажность древесины составляет 8%.
Увеличение влажности древесины выше предела гигроскопичности, т. е. заполнение влагой полостей клеток и межклеточных пространств, возможно только при непосредственном контакте древесины с водой (дождь, конденсационное увлажнение, вымачивание, пропаривание, сплав).
Существуют следующие степени влажности древесины: мокрая, находящаяся в воде длительное время (влажность более 100%), свежесрубленная (табл. 1) — влажность 50—100%; воздушно-сухая, долгое время находящаяся на воздухе — влажность 15—20% (в зависимости от климатических условий и времени года); комнатно-сухая — влажность 8-12% и абсолютно сухая — влажность 0% (удалена вся свободная и связанная влага).

Содержание влаги в стволе растущего дерева непостоянно по длине ствола и его диаметру и зависит от многих факторов, в том числе от времени года. Влажность ядра или спелой древесины меньше влажности заболони. Влажность ядра сосны в три раза меньше влажности заболони.

Влажность свежесрубленной древесины
 Порода древесины
 Влажность, %
ядра или спелой
древесины
заболони
средняя
Сосна, ель
Лиственница
Береза
Дуб
30-40
40-50
-
50-80
100-120
100-120
70-90
70-80
60-100
50-70
70-90
60-80

У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное, чем у хвойных пород. По высоте ствола у хвойных пород влажность заболони увеличивается от комля к вершине, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород от комля к вершине влажность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.

Колебания влажности в течение года больше, а влажность выше у молодых деревьев, чем у старых. Минимальное количество влаги содержится в деревьях в летние месяцы (июль — август), а максимальное - в зимний период (ноябрь — февраль). Содержание влаги в деревьях изменяется в течение суток: днем влажность меньше, чем утром и вечером.

Уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании называется усушкой. Усушка начинается после удаления всей свободной влаги и с начала удаления связанной (гигроскопической) влаги.

Усушка древесины по разным направлениям разная. Микрофибриллы в клеточной оболочке расположены преимущественно вдоль оси клетки, а связанная влага заполняет промежутки между микрофибриллами. При удалении связанной влаги из древесины больше изменяются поперечные размеры в радиальном и тангенциальном направлениях. В тангенциальном направлении усушка в 1,5—2 раза больше, чем в радиальном. Усушка в продольном направлении значительно меньше поперечной усушки, и ей обычно пренебрегают.

Максимальная усушка при удалении всей гигроскопической влаги называется полной. Полная усушка происходит при уменьшении влажности древесины от предела гигроскопичности до абсолютно сухого состояния (до 0%). Полная усушка древесины в продольном направлении составляет 0,1—0,3%, в радиальном — 3—5% и в тангенциальном направлении 6—10%. Величина усушки пропорциональна плотности - чем выше содержание клеточных стенок в единице объема, тем больше усушка, т.е. чем больше плотность древесины, тем больше усушка.

При усушке уменьшаются все линейные размеры древесины, а значит уменьшается и ее объем. Уменьшение объема древесины при испарении связанной влаги называется объемной усушкой.

Для определения полной усушки образцы помещают в воду и по достижении древесиной предела гигроскопичности, измеряют размеры штангенциркулем или микрометром. Образцы помещают в сушильный шкаф и высушивают до абсолютно сухого состояния. После высушивания вновь измеряют линейные размеры и вычисляют величину усушки в процентах. Усушку вдоль волокон не учитывают из-за ее малой величины.

При распиловке бревен на доски предусматривают припуски на усушку для того, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели требуемые размеры.

По величине коэффициента объемной усушки древесные породы, которые растут в России, делятся на три группы:

  • малоусыхающие (коэффициент объемной усушки не более 0,4%): ель сибирская и обыкновенная, кедры сибирский и корейский, пихта сибирская, тополь белый;
  • среднеусыхающие (коэффициент объемной усушки от 0,4 до 0,47%): вяз, дуб, бук восточный, липа мелколистная, осина, ольха черная, пихта белокорая, кавказская и маньчжурская, ясень, тополь черный;
  • сильноусыхающие (коэффициент объемной усушки 0,47% и более): бук восточный, березы плакучая и белая, граб, лиственницы сибирская и даурская, клен остролистный.

При сушке древесины происходит неравномерное распределение влаги по толщине пиломатериалов. Это вызывает неравномерную усушку и приводит к появлению внутренних напряжений. Напряжения, возникающие без участия внешних сил, называются внутренними. В начале сушки уменьшается влажность на поверхности древесины. После снижения влажности поверхностных слоев до предела гигроскопичности древесина начинает усыхать. Внутренние слои, влажность которых выше предела гигроскопичности, не усыхают и препятствуют полной усушке поверхностных слоев. В результате неравномерной усушки в начале сушки появляются напряжения, которые растягивают древесину в поверхностных слоях и сжимают во внутренних зонах. После того как влажность внутри древесины станет меньше предела гигроскопичности, начнется ее усушка во внутренних зонах. Растягивающие напряжения в поверхностных зонах уменьшаются. В конце процесса сушки во внутренней зоне древесины появятся напряжения растяжения, а поверхностные слои будут сжаты.

Если напряжения растяжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут появиться трещины: в начале процесса сушки на поверхности древесины (рис. 9, а, б), а в конце – внутри материала (рис. 9, в).

Если древесина неправильно высушена, то в ней остаются большие внутренние напряжения, которые служат причиной изменения формы и размеров деталей при их механической обработке.

Величину внутренних напряжений определяют в процессе сушки древесины и после ее окончания.

Измерение внутренних напряжений производится с помощью силовых секций (рис. 9, г). На расстоянии 0,5 м от торца доски вырезают секцию длиной 10—15 мм, из которой изготавливают силовую секцию. После вырезания силовой секции равновесие напряжений нарушается и происходят деформации зубцов секции.

Если зубцы секции сразу после ее изготовления останутся параллельными, это означает, что внутренних напряжений в древесине нет; если зубцы секций разойдутся, то в наружных слоях действуют растягивающие, а во внутренних — сжимающие напряжения; если зубцы секций сойдутся, то в наружных слоях действуют сжимающие, а во внутренних — растягивающие напряжения.

Величину остаточных внутренних напряжений можно уменьшить, если древесину сушить правильно, строго соблюдая технологию сушки и проводя в процессе сушки термовлагообработку древесины (увлажнение поверхности древесины после окончания сушки водой или паром).

При изменении влажности древесины от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности и наоборот происходит изменение формы поперечного сечения пиломатериалов. Изменение формы пиломатериалов называется короблением. Коробление бывает поперечным или продольным. Поперечное коробление (рис. 10, а, в) выражается в изменении формы поперечного сечения доски. Поперечное коробление является результатом разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях. У сердцевинной доски (рис. 10, б) при усушке уменьшаются размеры к кромкам; доска, у которой внешняя часть ближе к тангенциальному направлению, коробится больше, чем внутренняя, имеющая радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление.

Доски могут изгибаться по длине, приобретая дугообразную форму (рис. 10, г) или принимать форму винтообразной поверхности — крыловатости (рис. 10, д). Дугообразная форма продольного коробления бывает у досок, которые содержат часть ядра и заболони, так как усушка ядра и заболони вдоль волокон несколько отличаются. Крыловатость наблюдается у досок с косослоем, т.е. отклонением направления волокон от прямолинейного (вдоль доски). Соблюдение правил сушки, хранения и укладки пиломатериалов позволяет избежать коробления

Увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной влаги от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности называется разбуханием. Оно происходит при увеличении влажности древесины в указанных пределах и представляет собой явление обратное усушке. Увеличение влажности выше предела гигроскопичности не вызывает дальнейшего разбухания древесины. Наибольшее разбухание (сравните с усушкой) происходит в тангенциальном направлении, меньше — в радиальном направлении и наименьшее, которое можно не учитывать, вдоль волокон древесины.

И усушка и разбухание являются отрицательными свойствами древесины. Однако усушка, как правило, опаснее разбухания, так как при усушке появляются трещины, щели (например, в дощатых полах), а при разбухании происходит уплотнение стыков. Это свойство в ряде случаев играет положительную роль, обеспечивая плотность соединений досок в судах, лодках, деревянных трубах, бочках.

Чтобы избежать явлений усушки и разбухания в период эксплуатации, влажность деталей бытовой мебели из древесины и древесных материалов должна быть близкой к равновесной и составлять 6— 10%, а влажность соединительных деталей из древесины твердых лиственных пород, березы и фанеры должна быть такой, чтобы заведомо не происходила их усушка (которая приводит к расстройству соединений), и должна быть не более 6%.

Способность древесины, имеющей пористое строение, поглощать капельно-жидкую влагу называется водопоглощением. Древесина поглощает воду при непосредственном контакте с ней. В древесине сначала увеличивается количество связанной, а затем, при достижении предела гигроскопичности, и свободной влаги.

Водопоглощение зависит от породы древесины, начальной влажности, температуры, размеров и формы древесины. Чем меньше плотность древесины, т.е. чем больше объем полостей, которые могут быть заполнены водой (свободной влагой), тем больше водопоглощение. Чем больше плотность древесины, тем меньше водопоглощение. Водопоглощение ядра меньше, чем заболони, поэтому ядро суше заболони.

Плотность древесины

Если бы удалось спрессовать древесину таким образом, чтобы исчезли все имеющиеся в ней пустоты (сосуды, полости клеток, межклеточные пространства), то получили бы сплошное вещество древесины. Плотность такого вещества называется истинной плотностью и в среднем составляет 1550 кг/м3. Вследствие пористости древесины и наличия в ней пустот плотность намного меньше истинной плотности.

В лабораторных условиях плотность древесины определяют на образцах прямоугольного сечения размером 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм (ГОСТ 16483. 1-84). Массу образца определяют взвешиванием на достаточно точных весах с погрешностью не более 0,001 г, линейные размеры определяют микрометром или штангенциркулем с погрешностью не более 0,1 мм. Объем вычисляют как произведение трех размеров и выражают в долях кубического метра. Размерность плотности кг/м3.

Чтобы можно было сравнивать плотность древесины различных пород, ее значения приводят к единой влажности. В соответствии с требованиями стандартов все показатели физико-механических свойств древесины приводятся к стандартной влажности 12%.

Для расчета иногда используют плотность древесины в абсолютно сухом состоянии: объем и массу древесины определяют после высушивания образца до влажности, равной нулю.

Иногда удобно пользоваться величиной, которая называется условной плотностью. Условная плотность определяется как отношение массы образца в абсолютно сухом состоянии к объему образца при влажности, равной пределу гигроскопичности (30%). Условная плотность древесины не зависит от влажности.

С увеличением влажности древесины увеличивается и ее плотность. Например, плотность древесины бука при влажности 12% составляет 670 кг/м3, а при влажности 25% — 710 кг/м3. Плотность ранней и поздней древесины в годовом слое различна: плотность поздней древесины в 2—3 раза больше, чем ранней. Чем больше содержание поздней древесины, тем больше её плотность. Существует строгая зависимость между плотностью и прочностью древесины. Более плотная древесина имеет и большую прочность. Плотность древесины колеблется в очень широких пределах (табл. 2).

Наибольшую плотность имеют древесина бакаута (1280 кг/м3), самшита (960 кг/м3), саксаула (1040 кг/м3), наименьшую — бальса

Таблица 2

Плотность древесины при влажности 12%

Порода
Плотность, кг/м3

Бальса
Пихта
Ель
Осина
Сосна
Липа
Береза
Лиственница
Бук
Дуб
Махагони (красное дерево)
Ясень
Самшит
Бакаут

150
375
450
510
520
530
650
660 
670
690
700
750
960
1280

По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы:

  • породы с малой плотностю (510 кг/м3 и менее): ель, сосна, пихта, кедр, тополь, ива, ольха, каштан посевной, орех маньчжурский, бархатное дерево;
  • породы средней плотности (511—740 кг/м3): лиственница, тис, липа, береза, бук, груша, вяз, ильм, дуб, карагач, платан, клен, рябина, ясень, яблоня;
  • породы с высокой плотностью (741 кг/м3 и более): акация белая, граб, береза железная, саксаул, самшит, фисташка, кизил.

Плотность древесины имеет большое значение. Ценность древесины с высокой плотностью заключается в ее прочности и хорошей обрабатываемости. К таким породам относятся: самшит, бук, клен, граб, груша. Плотность различных пород древесины имеет свои особенности. Например, ранняя древесина годового слоя лиственных кольцесосудистых пород пористая, поздняя более плотная. Такая древесина плохо полируется и лакируется, но хорошо гнется. Древесина хвойных пород имеет, как правило, малую плотность, плохо полируется, а древесина рассеянно-сосудистых лиственных пород высокую плотность, поэтому чисто обрабатывается, хорошо полируется и лакируется.

Теплопроводность, звукопроводность и электропроводность древесины

Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло через свою толщу от одной поверхности к другой.
Трубчато-волокнистое строение древесины делает ее плохим проводником тепла. Теплопроводность сухой древесины незначительна и составляет 0,17—0,28 Вт/(м • °С). Воздух, заполняющий межклеточные и внутриклеточные пространства, плохой проводник тепла. Широкое распространение получила древесина как стеновой материал (бревенчатые и брусчатые стены) благодаря своей низкой теплопроводности.

Теплопроводность древесины зависит от ее породы, плотности, направления волокон и влажности. Менее плотная древесина хуже проводит тепло, чем более плотная. Поскольку плотность древесины является характерным признаком породы — породы с меньшей плотностью имеют меньшую теплопроводность. Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в два раза больше, чем поперек. При повышении влажности древесины увеличивается ее теплопроводность, так как вода лучше проводит тепло, чем воздух.

Свойство материала проводить звук называется звукопроводностью и характеризуется скоростью распространения звука в материале. В различных направлениях звук распространяется по разному: быстрее всего он распространяется вдоль волокон, медленнее в радиальном направлении и очень медленно в тангенциальном. Звукопроводность древесины вдоль волокон в 16 раз, а поперек волокон в 3—4 раза больше, чем воздуха. При устройстве деревянных полов, потолков, перегородок для улучшения звукоизоляции приходится применять звукоизолирующие материалы. Повышение влажности древесины понижает ее звукопроводность.

Звукопроводность древесины и способность резонировать (усиливать звук без искажения тона) делают ее материалом незаменимым для изготовления музыкальных инструментов. Наилучшей древесиной для музыкальных инструментов считаются: ель, сибирский кедр и кавказская пихта.

Электропроводность древесины характеризуется ее сопротивлением прохождению электрического тока. Электропроводность древесины зависит от породы, температуры, направления волокон и влажности древесины. Сухая древесина практически не проводит электрический ток и может служить изоляционным материалом. Однако при увеличении влажности сопротивление резко падает. При увеличении влажности от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности (от 0 до 30%) сопротивление падает в миллионы раз, а выше предела гигроскопичности — в десять раз. Зависимость сопротивления древесины от ее влажности используется при измерении с помощью электровлагомера.

Из приведенных зависимостей ясно, почему погрешность измерения электровлагомером влажности выше предела гигроскопичности резко увеличивается. Электрическое сопротивление древесины поперек волокон в несколько раз больше, чем вдоль волокон. При повышении температуры древесины ее сопротивление уменьшится примерно в 2 раза.

Последнее обновление ( Saturday, 16 September 2006 )
 
 
© 2017 Древесина - Информационный портал