Микроструктура древесины

Древесные материалы и изделия из древесины

Древесиной называется очищенная от коры твёрдая ткань дерева. Её широко применяют в строительстве благодаря высокой прочности при небольшой средней плотности, упругости, малой теплопроводности, лёгкости обработки, простоте скрепления отдельных элементов, высокой морозостойкости, нерастворимости в воде и органических растворителях, декоративности.

Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков: анизотропия строения и свойств, наличие пороков, гигроскопичность и, как следствие, влажностные деформации, приводящие к изменению размеров, короблению и растрескиванию; склонность к загниванию и возгоранию.

В зависимости от степени переработки древесины различают:
- лесные материалы, получаемые только путем механической обработки ствола дерева (бревна, пиломатериалы); в этом случае сохраняются все положительные и отрицательные свойства древесины;
- готовые изделия и конструкции, изготавливаемые в заводских условиях (сборные дома и детали, клееные конструкции, фанера); свойства древесины используются более рационально;
- материалы, получаемые путем глубокой переработки древесины: а) отходы и неделовая древесина с применением вяжущих веществ (фибролит, древесно-стружечные плиты, арболит); б) химическая переработка (добавки для модифицирования бетонов на основе эфиров целлюлозы); в) физико-химическая обработка древесного сырья (картон, древесноволокнистые плиты);
- изделия из термостабилизированной древесины, получаемые при длительном воздействии температур 230 ...240 ^оС и давлении до 0,2 МПа без доступа кислорода с периодической подачей водяного пара.

Качество древесины зависит от породы дерева, условий его произрастания: типа почвы, затенённости, количества влаги, климатических условий и т.д.

Древесные породы подразделяютсяна хвойные и лиственные.
К хвойным породам, используемым в строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту, кедр, секвойю, кипарис, тую.
Лиственные породы применяются в строительстве значительно реже. Из них используют дуб, ясень, бук, липу, березу, осину. При отделке внутренних помещений используют лиственные породы твёрдых и ценных пород дерева (дуба, вишни, груши, клёна, карельской берёзы, красного дерева, оливы, американского ореха, платана, тика, венге, эвкалипта и др.).

Россия располагает примерно пятой частью мировых запасов древесины. В отличие от богатств земных недр лес восстанавливается до промышленной вырубки в течение 50 – 100 лет.

Строение и состав

Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, из которого получается от 60 до 90% деловой древесины.

Древесина представляет собой природный композиционный материал, армированный волокнами. Она является природным полимером и состоит из целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n. Невооруженным глазом различается макроструктура древесины, а с помощью оптической и электронной микроскопии видна микроструктура.

Макроструктуру(см. рисунок) можно рассматривать на трех основных разрезах ствола:

1- поперечный (торцовой),
2- радиальный,
3- тангенциальный

Рисунок– Основные разрезы ствола дерева

поперечный (торцовый) – срез, проходящий перпендикулярно к направлению волокон древесины;
радиальный – два продольных среза, проходящих перпендикулярно касательной к годичному слою в точке касания (срез, проходящий через ось ствола).
тангенциальный –продольный срез, проходящий по касательной к годичному слою (срез, проходящий по хорде вдоль ствола).

Основные части древесины хорошо различимы на поперечном разрезе. Строение ствола дерева представлено на рисунке.

1-кора (кожица, пробковая ткань, луб); 2- камбий; 3- заболонь;
4- ядро; 5- древесина; 6- сердцевина; 7- сердцевинные лучи
Рисунок – Строение ствола дерева

Кора состоит из кожицы (корки, наружная часть) и пробковой ткани и луба (внутренняя часть). Корка и пробковая ткань защищают дерево от механических повреждений и вредного влияния среды.
Луб служит для доставки питательных веществ, нужных для роста дерева. В нем откладываются запасы этих веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листочков.
Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий слой камбия, состоящего из живых клеток. В вегетативный период они размножаются делением: в сторону луба откладываются лубяные клетки, а к центру дерева – клетки древесины (в значительно большем объеме). Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому в поперечном разрезе древесина ствола (его часть от луба до сердцевины) состоит из ряда концентрических годичных колец, расположенных вокруг сердцевины

Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев. Клетки ранней (весенней) древесины образуются весной или в начале лета. Клетки поздней (летней) древесины образуются к концу лета. Ранняя древесина имеет светлый цвет и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина имеет более темный цвет, меньшую пористость и обладает большой прочностью. Она состоит из мелких клеток с толстыми стенками. Прочность древесины тем выше, чем больше процент поздней древесины.
Толстый наружный слой древесины, находящийся за камбием, называется заболонью. Она состоит из живых клеток, обеспечивающих перемещение питательных веществ от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, обладает большой усушкой и склонностью к короблению, относительно легко загнивает.
Следующий, за заболонью внутренний слой древесины, называется ядром. В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, структуру и цвет.

Ядросостоит из полностью отмерших клеток. Они не участвуют в жизнедеятельности дерева, не проводят по стволу влагу, имеют меньшую влажность, чем у заболони, более прочные, твердые и менее склонны к загниванию.
Сердцевинасостоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина вместе с древесной тканью первого года жизни дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева мало прочна и легко загнивает.
Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми(сосна, лиственница, дуб, кедр). Породы, центральная часть которых имеет только меньшую влажность, по сравнению с заболонью – спелодревесными (пихта, ель, липа, бук). Породы, не имеющие значительного различия между центральной и наружной частями стволовой древесины, называют заболонными(осина, ольха, клен, береза).
В древесине всех пород расположены сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении от луба к сердцевине и создания запаса этих веществ на зимнее время.

Микроструктура древесины

Микроструктура древесины сосны:I — смоляной ход; 2, 3 — соответственно поздние и ранние трахеиды; 4- сердцевинные лучи

Микроструктура древесины кольцесосудистых пород (дуб):1 — мелкие сосуды; 2 — крупные сосуды; 3 — либриформ; 4 — сердцевинные

лучи

Микроструктура древесины рассеянно-сосудистых пород (береза): 1 — сосуды; 2 — либриформ; 3 — сердцевинные лучи

Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток (клетки сердцевинных лучей) располагаются в горизонтальном направлении, поперек основных.
Клетки древесины классифицируют на клетки механической или опорной ткани, проводящие клетки и клетки запасающей ткани.
Главную роль в древесине, как строительном материале, играют клетки механической или опорной ткани. Они вытянуты в длину, имеют толстые стенки и узкие внутренние полости, наиболее прочны и стойки к загниванию. У хвойных пород это трахеиды поздней древесины. Они занимают примерно 90...95% общего объема.
Опорная ткань лиственных пород состоит из узких, вытянутых в длину клеток с заостренными концами, называемых «древесными волокнами». Они равномерно распределены по годичному слою. У большинства хвойных пород, преимущественно, в слоях поздней древесины, расположены смоляные ходы – межклеточные пространства, заполненные смолой.

Срубленная древесина состоит из одеревеневших клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами. Они компактно уложены и направлены по спиралям под разными углами к продольной оси клетки (как у каната). Это обеспечивает прочность материала при растяжении. Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С₆Н₁₀О₅)_n, где n > 2500, со сложным строением макромолекул. Макромолекулы целлюлозы имеют высокую прочность на растяжение, изгиб и вытянутую форму.
Между микрофибриллами содержатся органические вещества – лигнин и гемицеллюлоза. Есть небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочноземельных металлов. Наличие лигнина обеспечивает прочность древесины при сжатии.