Древесные материалы.

Древесина– ярко выраженный анизотропный волокнистый материал. Механические характеристики у всех пород вдоль и поперек волокон значительно отличаются.

Древесина находит широкое применение в промышленности и быту. Она недефицитна, дешева, легко обрабатывается и сочетает в себе небольшую плотность с достаточно высокой плотностью.

Основная структурная единица древесины любых пород – клетка, в начальной стадии развития имеющая достаточно эластичную и легко проницаемую для воды и водных растворов оболочку. С возрастом прочность оболочки резко повышается, а проницаемость снижается вследствие превращения ее в высокомолекулярные органические соединения: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

Различают клетки механические, проводящие (сосуды) и запасающие.

Породы деревьев, у которых крупные полости (сосуды) расположены в ранней зоне годичных слоев и образуют сплошное кольцо на поперечном срезе, относятся к кольцесосудистым (клен, ясень и др.), а породы, у которых сосуды расположены по годичному слою равномерно, - к рассеянно-сосудистым (береза, осина, ольха, граб и т.п.). Наибольший интерес для создания машиностроительных материалов представляет древесина рассеяно-сосудистых лиственных пород вследствие возможности равномерного распределения модификатора по всему объему при наполнении.

По химическому составу древесина различных пород практически одинакова и содержит: углерода – 50,9 %, кислорода - 43 %, водорода – 6,4 %, азота – 0,1 %.

Сосна обладает хорошими физико-механическими свойствами при относительно небольшой объемной массе, сравнительно малым количеством сучков и содержит много смолистых веществ, оказывающих консервирующее воздействие на деревянные детали. Сосна хорошо поддается обработке режущими инструментами.

Ель по физико-механическим свойствам и стойкости против гниения только немного уступает сосне, но имеет значительно больше сучков, затрудняющих механическую обработку еловой древесины. Условия переменной влажности способствуют загниванию древесины.

Лиственница - одна из самых твердых и прочных пород деревьев. Древесина лиственницы устойчива против воздействия воды и влажного воздуха.

Дубобладает высокой твердостью и прочностью, стойкостью против гниения и способностью к загибу. При низких температурах дубовая древесина сравнительно хрупка и склонна к растрескиванию.

Береза отличается хорошей упругостью, вязкостью и достаточной твердостью. В условиях переменной влажности березовые материалы, особенно тонкие, склонны к короблению. Береза является основным материалом для производства фанеры.

Физико-механические свойства древесины. Влажность – количество содержащейся в древесине воды, выраженное в процентах от массы абсолютно сухой древесины.

Воздушно-сухое состояние древесины, достигнутое при сушке на воздухе в течение летних месяцев, соответствует 15-18 %, комнатно-сухое – 8-9 %.

Испарение из древесины воды вызывает изменение ее размеров (усушку). Усушка вызывает растрескивание древесины обычно в радиальном направлении, а также ее коробление.

Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях приложения деформирующей силы и зависят от породы деревьев, их возраста, наличия пороков, влажности и температуры. С увлажнением механическая прочность древесины снижается.

Наибольшей прочностью древесина обладает при растяжении вдоль волокон (110-130 МПа при влажности 15 % ), а наименьшей – при скалывании в том же направлении (7-10 МПа при той же влажности). Приведенные цифры относятся к древесине, не имеющей сучков, трещин и других пороков, а так же не пораженной заболеваниями, вызывающими появление трухлявости, изменения цвета и тд. Разрушение древесных материалов и изделий из них вследствие гниения и других поражений усиливается при высокой влажности и отсутствии вентиляции. К наиболее доступным средствам защиты древесины от заболеваний относятся пропитка антисептиками (растворами хлористого цинка, фтористого натрия, каменноугольное креозотовое масло и битумная паста), антипиринами (в качестве антипиринов используют красочные огнезащитные составы на основе жидкого стекла, содержащие пигменты и наполнители, соли различных металлов, разлагающиеся при повышенной температуре с образованием бескислородной газовой среды) и поддерживание в ней по возможности нормальной влажности.

При наполнении древесины синтетическими смолами с последующей их полимеризацией увеличиваются ее стойкость к гниению, сопротивление сжатию, твердость.

Эффективным приемом улучшения физико-механических характеристик древесины является ее механическое уплотнение с помощью различных устройств. Уплотненная древесина – лигностон («каменное дерево») – находит применение в машиностроении.

В промышленности широко используются как заготовки на основе натуральной древесины (лесоматериалы), так и древесные материалы на основе дисперсных и слоистых композиций.

К заготовкам на основе натуральной древесины можно отнести бревно, под которым понимают очищенную от сучьев часть ствола дерева диаметром по наименьшему сечению не менее 150 мм. При распиливании бревна вдоль его оси получают пластины, четвертины и пиломатериалы. К последним относятся брусья (ширина и толщина более 100 мм), бруски (с отношением ширины к толщине не более 2) и доски, у которых ширина более двойной толщины (Рис.68.).

Клееная фанера.

Клееной фанерой называется древесный слоистый материал, получаемый склеиванием по толщине трех и более слоев лущеного шпона при взаимно перпендикулярном расположении волокон древесины.

Лущеным шпоном называют тонкий слой древесины (от 0,1 до 3,5 мм), получаемый срезанием слоя с вращающегося обрезка ствола дерева (чурки).

Наружные слои шпона на фанере называют рубашками, а внутренние – серединками. Волокна в рубашках должны быть в одном направлении (ГОСТ 3916-69).

По водостойкости фанера подразделяется на фанеру повышенной водостойкости ФСФ, склеенную фенолформальдегидными клеями, средней водостойкости ФК, полученную склеиванием шпона карбамидными клеями, и ФБА, склеенную альбуминоказеиновыми клеями.

По качеству обработки рубашек различают фанеру шлифованную и нешлифованную.

Абсолютная влажность фанеры сортов ФСФ и ФК при поставке потребителям должна быть в пределах 5-10 %, а сорта ФБА – 6-15 %.

Предел прочности при скалывании по клеевому шву должен быть не менее: для березовой фанеры 12 кгс/см², а для фанеры из других пород 6-10 кгс/см².

Бакелизированная фанера.

Бакелизированная фанера (ГОСТ 11539-83) представляет собой клееную фанеру из березового шпона, склеенного фенолформальдегидными смолами, придающими материалу повышенную водостойкость. Бакелизированная фанера подразделяется на марки: ФБС и ФБС₁, склеенные спирторастворимыми смолами; ФБВ и ФБВ₁, склеенные водорастворимыми смолами; ФБС-А и ФБС₁-А на спирторастворимых смолах, используемые для изготовления внутренних конструкций автомобиля.

Предел прочности бакелизированной фанеры разных марок должен быть не менее: при скалывании по клеевому шву – 15 кгс/см², при растяжении вдоль волокон рубашки – 600-900 кгс/см², а при статическом изгибе вдоль волокон рубашки – 800-1200 кгс/см².

Древопластики.

На основе древесины создаются антифрикционные материалы, совмещающие функции конструкционного и смазочного материала. Капиллярно-пористое строение древесины определяет широкие возможности для придания ей свойств самосмазывания вследствие выделения в зону контакта смазочного материала из однократно или периодически заполняемых им пор и сосудов.

Опыт применения в качестве подшипниковых материалов уплотненной древесины (березы, ясеня) при смазке водой и жидкими маслами показывает, что она обеспечивает стабильный режим работы узла трения, более стойка к истиранию, чем чугун, бронза, текстолит, и нерастворима в обычных органических растворителях.

Величина коэффициента трения при внешней смазке моторными маслами примерно составляет 0,02-0,08, а в режиме самосмазки – 0,06-0,12. Допускаемые при этом скорости скольжения и нагрузки ограничиваются температурой трения, которая в среднем не должна превышать 80º С.

На основе древесины создаются и используются древесно-слоистые пластики (ДСП), древесно-прессовочные массы на основе крупнодисперсных частиц и пресс-порошки на основе мелкодисперсных частиц. Основное достоинство древопластиков и других композиционных материалов – достаточно высокая прочность и жесткость, приходящаяся на единицу массы.