ДРЕВЕСИНА КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Глава. I.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Древесина обладает некоторыми важными физическими свойствами, пред­ставляющими непосредственный интерес с точки зрения се использования в химической промышленности. Сначала необходимо обсудить микроскопическое строение древесины для того, чтобы можно было истолковать разнообразие лих физических свойств, а кроме того нам необходимы некоторые сведения по данному предмету для уяснения известных моментов чисто химического характера. Способ­ность древесины впитывать жидкости является не только важным физическим свойством, но оно также непосредственно связано с некоторыми химическими осо­бенностями. Мы вкратце остановимся на этих вопросах, хотя, строго говоря, они не входят в химию древесины.

Строение древесины. Древесина не является однородной ни в отношении структуры, ни в отношении химических свойств, в связи с чем мы приведем краткое описание ее структурных особенностей, но только в такой мере, чтобы дать общее представление о сложности структуры и о влиянии ее на свойства древесины. Под микроскопом подробности строения различных сортов древесины предста­вляются настолько разнообразным», что опытный исследователь может определить вид или по крайней мере группу, к которой принадлежит дерево. Разбор этих под­робностей не входит однако в задачу настоящей книги, и поэтому мы коснемся только главных особенностей структуры.

Чтобы показать общее строение древесины, лучше всего будет прибегнуть к помощи схематизированного и сильно увеличенного изображения куска дерева, в роде показанного на рис. 16 и 17. Микрофотографии дадут вероятно более полную и точную картину, но они обладают тем недостатком, что требуют некоторой опыт­ности для своего истолкования. На рис. 16 изображен куб древесины белой сосны (Pinus strobus) с ребром приблизительно в 2[19]/$ Вертикальное направление в этом куске совпадает с вертикальный направлением в том дереве, из которого был взят кусок. Ввиду того, что большая часть структурных элементов проходит именно в этом направлении, оно обычно называется «продольным». Линия.4R атт от центра дерева к поверхности и называется радиальным направлением. Треп е направление ТТ, перпендикулярное двум другим, называется «тангенциальным

На рисунке видно, что’главная часть древесины состоит из стенок продоль­ных (вертикальных) клеток. Они называются волокнами или, в более теспом смыс. м> слова, трахеидами TR.

Конец одного ряда трахеид и начало другого видны на левой стороне поверх­ности RR. Смежные трахевды обладают общим средним слоем, средней пластин;,ой

ML, которая щадимому служит скрепляющим сло»М. Другие цилиндрические продольные пространства, больших размеров по сравнению с пустотами трахеиды, это вертикальные смоляные каналы (иногда называемые смоляными ходами) VRD. Они окружены клетками специальною назначения, более короткими, чем трахеиды, и способными выделить смолу.

Радиальные структурные нлелепты иногда иазн каются древесными лучами MR, а иногда сердцевинными лучами. Клетки, составляющие древесные лучи, много короче трахеид и нпзыБаютш лучевыми клетка ли. Некоторые из этих радиаль­ных полос содержат горизонтальные смолимые каналы II 1(1), которые непосредст-

ДРЕВЕСИНА КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Рг. с. lfi. Изио^ажони" oui. no увеличенного куска ^реасги вы Oejoii спеим.

Венно сообщаются с вертикальным смол;; мим каналом. как эти видно около нижнего правого угла куска дерева. изображенного па рисунке; Ни один из’главных струк­турных элементов не идет в тэнгенщшьнол направлении, однако средством сооо — щения между трахеща?.ш в ‘-nrn направлении служат окаймленные поры BP: трахеиды сообщаются также и с древесными лучами. Это осуществляется с помощью небольших пор, обведенных двойиьш окаймлением, а частью с помощью похожих На окна углублений 81 с очень узкой каймой и широкой пленкой, которая пред­ставляет собой не что иное, как местное утонение стенок лучевой клетки и тра — хеид.

Следует обратить внимание на то, что одни трахеиды больше в поперечном разрезе и имеют более тонкие стенки, чем другие. Эти более крупные трахеиды Образуются втечение весеннего периода роста дерева и образуют весеннюю древе­сину S. Трахеи, ды более позднею сезона имеют более толстые стенки и образуют Детнюю_ древесину SM. 11з весенней и летней древесины составляется годичное кольцо AR. Эти полосы роста обычно можно видеть невооруженным глазок на шперсчпом разрезе куска дерева.

Общая структура других хвойных пород очень похожа на структуру белой соды. У некоторых пород смоляные каналы шире дли уже. у других они совсем отсутствуют, но кроме этого значительных различий не’ наблюдается.

Класс же лиственных пород в целом обладает некоторыми основными отличи­тельными чертами. Это показано на рис. 17. который ]ииб|южает куб из листвен­ной древесины, такой же величины. j;.ai; куб на рис. 56. Кроме волокнистой ткани

ДРЕВЕСИНА КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Рпе. 17. ilaoiipaiNi-niii! cii. ii. itn ук1чич’":цр:ч1 куска.!л■L’ 1 it-п ■;.ipiji.’ сит-.

KOTojiasr. гюдобяо у с. ч^ии-т ViVitiJi№cj;yiLi ‘i.Hi;it№. днет-

В»НЯНС породы «7MTif iMJi i TpуTJTVpПT.:Mjf ЯИ’МИтРП;-

Сосудлми. пли ;глн;!л;Ш!. ( ocr. i’i yni!](■.■ нТ^;.;;^? структурны-1

Ялемепть;. состоящее сеге^т-^ su:; лметм:. ] л-.п. иО’КНмш вертикальным;! рщачн. Сосудистые ге-ммш,; с.-..и>че и Га. дыф — дни. чиил!. чем " г; локте. м пустоты их сиедннены друг с друпга от^’стцяъч ><‘ на к-итах. !’,. ищ. не лиственных обычно короче и уже, чем трахенды!!■>:",[ нолоьтмх у. пкгтвдншх значительна

Меньше и’ следовательно не так игр. н’ш:. ?,-at; норм а трахни, г-; у хвойных. нодобноТпоследния. or:и еда/’,;;. ,;н гайкой. за j.’ri.-.Tjoi,-.,,.;;^, ^ндагчагшп толпи — ■сгекных^волокоа. Пор;.:. сосииттпг сосуды с. дрсвепши лучами, являются лишь наполовину ол’йЙ. ул^ илыми пли сивеем и? жишленньш;. а те. которыесоедг няюг смежные сосуды, обычно < ■■"йсдены тЫгпы-ч окаih:л.-ииг и. Оба вида пор 0(" значены^ на рисушге буквип Р.

У лиственных, так же как у хвойных, волокнистая ткань весенней древесины крупнее и имеет более тонкие стенки, чем волокнистая ткань летней древесины. На ряду с этим весенняя древесина хвойных характеризуется наличием значительно более крупных лор, чем поры летней древесины. Древесные лучи Мй, хотя и более значительные по размерам, средняя пластинка ML и годичные кольца AR листвен­ных в общем сходны с хвойными.

Схемы, изображенные на рис, 16 и 17. применимы как к сердцевине, так и к заболони. Название заболонь применяется к наружной части древесного цилиндра, который принимает участие в процессах жизнедеятельности дерева. При добавлении новых клеток к внешнему слою заболони во время роста дерева некоторые внутрен­ние клетки отмирают к превращаются в мертвую сердцевину.

Ввиду того, что клетки полностью вырастают п одревесневают, все еще нахо­дясь в заболони, при превращении их в сердцевину не происходит заметной пере­мены в структуре. Отчетливое различие по виду между сердцевнной и заболонью некоторых пород вызвано вероятно изменениями в количестве; присутствующих Посторонних веществ. Толщина слоя заболони различна для каждого отдельною дерева данного вида, в связи с условиями его роста. Соотношение между сердце­виной и заболонью может т&к же меняться в различные периоды роста одною и того же дерева.

Различия в химическом составе между сердцевиной и заболонью весенней и летней древесины уже были нами обсуждены в главе VI части III, поэтому мы приведем здесь лишь краткие сведения относительно распределения некоторых химических составных частей в микроскопической структуре древесины. Смола обычно находится только в смоляных каналах, но б древесине с повышенным содер­жанием смолы, как например у «легкой древесины» белой американской сосны, значительное количество ее может быть распределено также и в остальной части древесины. Другое посторонне вещество^сторакс, встречающееся в. красном камед­ном дереве1, расположено в специальных клетках и каналах, в которых он выде­ляется и транспортируется. Другие растворимые в воде экстрактивные вещества, как например дубильные, распределены, по видимому, по всем стенкам различных эле­ментов древгаты. Однако, если твердый материал присутствует в очень больших количествах, он может находиться и я меточных пустотах. Крахмал и другие резервные питательные вещества, а реже некоторые посторонние соединения с неизвестным составом, находятся в больших количествах в древесных лучах н в некоторых специальных клетках, которые остаются живыми в заболони и расположены параллельно с волокнами дерева —в продольной дре­весной паренхиме. Единственные данные, которые мы имеем по во­просу расположения целлюлозы и лигнина в отдельных древесных элементах им стенках, взяты из работы Р и т т е р а по распределению лигнина2. Он нашел, "что средняя нлагтшшч, вероятно полностью состоит из лигнина н что значи­тельные количества лигшша распределены также в остальной части меточной стенки (вторичные слои).

Кроме этого мы не имеем никаких данных о расположении главных хими­ческих составных частей древесины. У нае нет доказательства того, что лигнин, не находящийся в средней пластинке, нентозары иди легко гидролиаующиеся Части целлюлозы Кросса я Б и в е н а сконцентрированы в одной части вторичной клеточной стевки3 в большей мере, чем в другой. Мы не можем сказать с уверенностью, что состав клеточных стенок древесного луча одинаков с составом волокон шщ пор. В общих чертах они обладают одинаковым составом в том смысле, чзд состоят главным образом вз целлюлозы и лигнина, во каким образом это может отзываться на свойствах древесины или на ее составе, этого мы не знаем. Сущест­вуют однако данные, показывающие, что вторичная клеточная стенка4 состоит из равномерной смеси всех входящих в нее составных частей. Молекулы или другие небольшие аггрегаты чистой целлюлозы имеют правильное расположение, так "как целлюлоза пропускает поляризованный свет между скрещенными призмами Ни — i;оля. Химические древесные массы и целлюлоза Кросса и Бивена также пропускают поляризованный свет, так что все составные части, которые отличают их от чистой целлюлозы, расположены вероятно в том же порядке, как и отдельные аггрегаты в чистой целлюлозе. Это весьма нетрудно понять, так как другие состав­ные части очень сходны в химическом отношении с чистой целлюлозой Вторичная клеточная стенка в том виде, как она встречается в древесине, также пропускает поляризованный сгет, в связи с чем вышеописанное представление получает дйль — Hefiinee. развитие в отношении аналогичного расположения молекул и аггрегатов лигнина. Ни лиги ни средней пластинки, ни лигнин, изолированный из древесины химическими методами, не пропускают поляризованного света, и если бы величина аггрегатов лигшша во вторичной клеточной стенке находилась в пределах микри — скопинеской видимости, то между призмами Ни ко ля они были бы похожи на темные пятна на светлой поверхности клеточной стенки.

Эти выводы можно подтвердить или опровергнуть изучением других опти­ческих свойств. Чистая целлюлоза подвергалась подробному изучению с помощью рентгеновских лучей, чего нельзя сказать про ее различные смеси, в роде упомяну­тых выше; такое изучение могло бы пролить свет из расположение составных частей древесины. По наблюдениям Герцога6 хлопковая целлюлоза п дре­весная масса (состав не указан) дают одни и те же рентгенограммы и невидимому идентичны. Однако, он не изучал более сложные формы целлюлозы Кросса и Б и в е н а из древесины, или самые древесные волокна. Возможно, что с усовер­шенствованием методов будут получены более полные данные, которые смогут сказать большую услугу химии древесины.

Механическая прочность древесины. Мы здесь коснемся только вскользь допроса о механической прочности древесины. Специальную литературу по этому и опросу можно найти в различных изданиях Лесного управления7. Многие физи­ческие свойства древесины различаются между собой в большей степени, чем ее химические свойства, и среди таких физических свойств следует упомянуть о различиях в прочности. Действительно, для того чтобы вывести заключение на основе таких колеблющихся данных, какие были получены при техническом испыта­нии лесных материалов, химику нужно быть в большей степени математикой, 1ем обычно, для получения правильных средних значений. Удельный вес, быстрота роста, относительные количества весенней п летней древеспны. попе­речное волокно, спиральное волокно, узлы, трещины, затвердения сосудов, часть дерева, из которой взят образец —все эти моменты являются перемен­ными факторами, влияющими на механическую прочность древесины. Кривы* на рис. 19 показывают, как содержание влажности влияет на механическую проч кость. Довольно разумно, следовательно, что инженеры осторожно подходят i сравнительной механической оценке различных образцов, отказываясь выводить заключения на основе небольшого числа испытаний, и применяют высокий коэ — фпциент безопасности при использовании лесных материалов в строительном д»ле.

Как и можно предполагать на основе структуры, древесина обнаруживает в различных направлениях различные механические свойства. Ее сопротивление раскалыванию меньше в продольном направлении, а сопротивление на излом и сопротивление па разрыв в этом направления выше, далее, опа раскалывается гораздо легче в радиальном направлении, чем в тангенциальном.

Различные коэфицяенты сопротивления также подвергаются влиянии некото­рых факторов, которые могут мало влиять на другие свойства древесины. Самое начало гниения, которое можно открыть толы;о при помощи микроскопического исследования, может уже значительно ослабит?, прочность древесины. Темпера­туры немного ниже 100s, в роде тех. которые применяются в сушилках, при дли­тельном непрерывном действии заметно влияют на прочнопъ древесины. а тем­пература от 110 до 150° может оказать быстрый и :taVi)n>irt эффект.

Пластичность древесины при обычной температуре и>тьм;| незначительна, на что указывает тот факт, что из опилок мошю сделать тг^рдый брикет лишь подвергая их высокому давлению. При темнивдури Юн в при^угпшш пара не­которые породы приобретают такую гибкость, что их можт> л< гк1> согнуть! i после остывания они сохраняют согнутую ф,.риу.

Проницаемость. Интересно обратить вннмашс ни легкость, с которой можт заставить жидкость проникать в древесину; это ei;e, iicmi имеет кекпие значен^’ в связи с предохранительными обработками дерпш или химическими реакциями, вроде процесса получения масс, где желательно ио’шести реагент л пшрикосни — вение со всеми частями щепки. Большая часть относящихся сюда данных была получена при экспериментах с обработкой древесины кпеоаогои каменноугольного дегтя. Между легкостью пропитывания и структурой существует, вер-октяо. слабая зависимость и для объяснения того, каким образок креозот или другие жидкости проходят сквозь древесин}’ под давлением, созданы противоречивые теории. Поэтому ыы остановимся только на главнейших фактах по вопросу об обработке древесины креозотом и оставим в стороне теоретическую часть л подробности экспериментов, отсылай читателя к специально!’! литературе*.

Легкость, с которой креозот проникнет г, древесину под давлением, в npf- долиим направлении значительно больше, чем в каким-.шбо другом; дажду ра­диальные и тангенциальным на прав лени лай в этом отношении существует обычно небольшая разница, Заболонь поддается обработке обычно легче, чем сердис — ifiui. i. Проницаемость летней древесины, j;ai; правило, выш*. чем весенней, особеш!" у воЯ!::,;х пород. Высохшая или частично высохшая дпееегнна обрнбатызаетса легче, чем свежая. Различия между легкостью обработки ма. ишимл образ ц<>’е 041-НЬ ье. шкн,

>1<жду легкостью пропитывания и < ipyi:rypoft д^итши гущееж. ег од! и наглядное соотношение. Красный дуб. например, очень леп.-и пропитывает м в л^аольшт направлении ч — pes Поры’, между гем как <1>.ш,1 дуб, с весьма ешм стсу. чтурой, пропитывается чрезвычайно трудно. Ьзши;а эта обменяется тем. что поры белого дуба загорожены специальными тс:11;оет.-;!;тмми разращенной ьм-)ыв;|1-чмиц тилозаш; (не покачни на и>. i; лревгенн*-. ффы которой № aniiasj-iif, r r;i.’i;:jaiHi. жидкость при продольном прошныгаини проходит через поры, прибей надо сказать. что в лиственныч породах. с загражденными порам;; путь /жидкости еще не выяснен. Разног лае ил с;эдяте:( к вопросу о том. имеются ли сквозные отверстия в пленках окаймленных пор, через которые жидкость может проникать из одной трахеиты в другую, или же таких отверстий не имеется.

Очевидно, механизм прохождения жидкости через дрпмину требует ease дальнейшего разъяснения. В значительной степени этот вопрос можно быясшгь При помощи чисто структурного хнкгюскозического изучения, вопрос же о пере­мещении жидкости, поглощенной клеточной стенкой, также требует дальнейшей проработки с физической или физико-химической точек зрения.

ТАБЛИЦА 43.

Обычнее в бетавитоское

Место нропзра-

Уде львы ft вес (висущ. в суш пл. шкафу) на основе:

Оя&тне врв qj-aiEe см* лей кревсекпы в сушидь-

Вон i-na [.у, п ‘» от рэд — ЫСр! СВе&еЗ Д^’ВРГНИЫ

Название

Етанля

Обьеага об-ьеча

I дрездеили, свежйи ‘ вмсушен, ! в cymii. ibu, др*веыитц |

ПОб

Адьвое

Rt. lCl’l’

ПЕШ-

Ьое

1

А

A f 4

5

6 _

7 _

Вашингтон

0,37

0,43

12,6

4,4

I 7,3

Дичи гая и Бясковсав

0,46

] 0,53

15,2

5,0

73

Мвссурп л Лу1г5лав1

1 0,61

12,5

4,С

7,1

Вискоисов

0,36

J 0,42

11,1

3,3

6,9

Исрслльдошха, L>;J(■ к•>::- cud

Наддана, Невсялыяаяия

0,33

0,5*

| 0,40

; 0,66

[

15,8 i 56,2

6,6 4,9

3,3 10,8

Ледсямьвания, Bhcsoil — clei.

Мсряленд, Тепессп

А, н

0,40

0,66 0,46

16,8 11,6

7,4 3,4

9,0 6.T

Ыхссурв

0,37

0,4»

14,1

3,9

Васвонспв, ПоИС.1Д — с. гип:’

0,44

0^4

14,4

4,2

Миссури Миссисипи. 1′ *rui — j

0,44 0,62

0,53

1S.0 IS, 2

5,3 7,6

E, e

12,6

Мисспсапн, Пеи- евльваннд, Западная Тартания

0,06

IT,9

7 Л

I us

Нпдаааа, П пен п>|: :п

Висконгнп Аркак:^’, .1,0 . }1ал. нава

0,58

О, во

0,71 x в 0

14.S 15,8 ki a tr

4,»

J,»

E

9,2 9,0

Орегон

0,41

0.47

10,?

5,2

Й.1

Вашнвггсл, Мовтдоа

0.31

0.34

8,1

2,5

5,1

Луаэван&, Миссури

0,41

0,47

To.*

3,8

6,0

В^птя^гтаи. Орегон

0.45

0.S3

12,6

6,0

7,9

Вцскоиспн

0,34

0,41

10,8

S.8

6,fi

Teuec^u, ^ кг не:’, ir

0,38

0,44

10,4 j

3.0

6,4

Флорйда. т Лущвапг, Y HIT ;i una

0,55

0,64

11.3

5,3

‘7,S

Ka^DpaAQ. Моптазд, П ■ ^Utrrun,

КалыфорпНА

0,38 0,36

0,41

0,39

10,0

7,9

3.9

2,2

6,4 5,9

Hn-Xwiuaiip, Внскоа-

Cill

0.36

0,43

14,8

5,7

7,S

Клез сахарный (steer sac — ckarua))

Дуб белый (Quercus ♦

Лист D с п и и С

Т$а:га canadensis — . . — . Сосна белая аэкфнк&аская (Pjftus patostris) , ♦ . .

Сося а эъплл. Л*лт — (Pin us poitii^rosa) » „ . ♦ . . ,

-Сосна бела* fPinus strobas)♦ й*лад (PLcta. canaden — *1я) » ………………

Сдельный вес и коэфнцибнт сжатия некоторых тиаачяых диервы&дох древесных

Пород-

Ольха красная (AInns оте — gtfnaj

Яссиь (Fraslhus

Ni^ra) ♦ Ясень a^j^Khiii (Tra-TitiLis

(artcooi&fa) Осипа. (Populus trpmiiloi’

<tt»s>………………..

Л una. д^рдоа искал <Ti! ia ат^пслпа)

Бук ‘Fagas atroptwJcsa) , , Ксрсзл желтел (Beta la. lu-

Каштаст (Castan^a dictate) ♦

Тон см ь bu prjuiCKULE (,F»pu — Lus <M<oides) . , « , ,

Вяз би-зып (LTIams &m«ri* сапа)

Красное кздедязе дерево (Liquidambar slyгасi — flua>

Орешник firitoria laciuiosai.

Opi’iuoBK (flieor)a

Glabra)

Кед[» (Cbftmftfcjpftris lawso — л’шнз) — — .

Кедр ззппд краен. (Thuja

Iuj: парттс {Тахо (I i urn distt — сЬсШ) , . . ♦ v,

Дугласл&а сссхта (PseuJol — аа^а tatiroila) * . ♦ . ♦

Пихта бальзамея» ^Abies bal — saiaeaj

225

15 Хмш’яревнязд

Теплоемкость. Iio определению теплоемкости древесины была проделана только одна серия опытов. Дэн леи 9 нашел, что теплоемкость различных образцов древесины от 0 до 106° равняется 0,327. Как н можно было предполагать на основе наших сведений о незначительном разнообразия химического состава клеточных стенок различных образцов, он нашел весьма незначительные колебания теплоемкости и поэтому указывает коэфнцнепт 0,327 для всех образцов древесины. Это вероятно довольно падежное среднее значение для всех образцов за исключе­нием тех, которые могут содержать ненормально высокие количества экстрактив­ных веществ.

Удельный вес. Равным образом можпо предположить, что действительный удельный вес вещества древесины в различных образцах обнаружит лишь незначи­тельные колебания. Д э н л е п 10, производи определение при 30s, нашел изме­нения в различных образцах от 1,50 до 1,57. При этих определениях образцы плавали в растворе азотнокислого кальция такой концентрации, что мельчайшие частицы древесины не всплывали и не погружались, при чем определялась плот­ность раствора. Этот метод дал действительный удельный вес древесины, содер­жащей такое количество поглощенной воды, которую она могла бы удержать, находясь в равновесии е раствором азотнокислого кальция применяемой концен­трации’ удельный вес сухого древесного вещества определен не был. Вследствие набухания древесины при поглощении воды трудно даже решить, будут ли эти величины слишком высокими или слишком низкими. Возможно также, что раз­личия, замеченные между отдельными образцами, объяснялись не изменениями удельного веса сухой древесины, а скорее изменениями количества поглощенной воды или степенью набухания древесины.

Интересно заметить, "что одно определение производилось при 35° и удельный вес оказался выше удельного веса того же самого образца при 30°. В виду того что при низких температурах поглощается больше воды (см. последний раздел настоящей главы), это различие указывает на то, что при поглощении воды проис­ходит уменьшение удельного веса н что вышеприведенные значения ниже, чем для сухой древесины. 0 другой стороны, некоторые новейшие определения удель­ного веса были произведены 11 над древесиной, находящейся в соприкосновении с бензолом и четыреххлорнстым углеродом, в предположении, что она погло­щаются меньше, чем вода; результаты, полученные при этом, были близки к Нельзя принять, что эти жидкости не поглощаются совсем, и поэтому цифра ЛЪ не является подлинным удельным весом вещества древесины, хотя она повидимомт гораздо ближе к пстпппой величине, чем цифры 1,50 — 1,57, найденные Дэнлепом. Возмо;кпо также, что повышение удельного веса при высокой температуре, о котором сообщает Д э и л е п, зависит от ошибок в экспериментах.

Кажущийся удельный вес древесины (т. е. удельный вес древесины в целом) колеблется в широких пределах, гак это и следовало предполагать в связи с ее клеточным строением. Отношение объема пространств, наполненных воздухом, к количеству древесного вещества является причиной большей части изменений кажущегося удельного веса древесины; посторонние вещества, как находящиеся в клеточных пустотах, так и поглощенные клеточными стенками, также могут увеличивать зкшущийся удельный вес древесины. Таблица 4. показывает колебания кажущегося удельного веса для некоторых наиболее важ­ных американских пород 12. Тропические породы обнаруживают значительно большие колебания.

Теплопроводность. Некоторые данные относительно теплопроводности дре­весины приведены в таблице’49, взятой из Физических таблиц Смихсона. Иер-
вые шесть значений относятся к древесине, высушенной в сушилке, при чем "они не сопровождаются никаким указанием на действительное содержание влажности или на направление в дереве, в котором производились определения. Возможно однако, что эти условия были одинаковы для всех образцов; в. этой случае цифры дают удовлетворительное сравнение нескольких образцов с различной плотностью. Как и следовало ожидать, в связи с клеточной структурой древееппы, теплопро­водность уменьшается с увеличением объема воздушных пространств (с уменьше­нием удельного веса). Приблизительно то же соотношение между плотностью и теплопроводностью наблюдается на следующих шести значениях, полученных другим исследователем. И в этом случае не приводятся ни содержание влажности, ни направленпе в древесине. Теплопроводность повышается с повышением тем­пературы почти во всех образцах. Единственные данные, которыми мы распола­гаем по вопросу неодинаковой теплопроводности в различных направлениях, получены Форбусом13 (см. в таблицах у Ландольта и Бэрнштейна) и Бар ратом14 (сл. Koehler «Properties and Uses of Wood»).

ТАБЛИЦА 40.

Теплопровод вдеть древесины.

<I? грамм^юлорилх 9 секунду 1 яри г:о-гиихе t J с л. Сля температуры л! J.


УдельрыЗ | вес i: слре — ] — реев ни |

Те п допровйдпоеть

Dps 100"

Древесина

При 20»

0,46

0,00023

0,50

0,00027

0,55

0,00031

0,55

0,00033

0,61

0,00035

0,71

0,00038

0,90

0,00036

0,00041

1,08

0,00112

0,00110

1,16

0,00060

0,00072

0Д5

0.000.) 1

0,00060

0,65

0,0<J058

O. fuxiei

0,58

О. ооо-i 1 !

0,00045

Первый из них дает значение для сосны в радиаяьпом и тангенциальном направлениях соответственно 0ЖЮ88 и 0,00030. Второй определял теплопро­водность красного камедного дерева в направлениях «поперек волокна» и «вдоль волокпа» и нашел нх равными соответственно 0,00016 и 0,00044, причем он не упоминает, было ли первое направление радиальным или тангенциальным.

Вполне очевидно, что вопрос этот требует большой экспериментальной про­работки и что содержание влажности в древесине, а таете направление, в котором производилось измерение, должны быть известны для того, чтобы полученные результаты были удовлетворительными.

Кицарпе…………….

Белая сосна. . ■ Крис нос дерево. . Виргинская сосна.

Дуб……………………

Тиердии клен. . Америка некая л вне Greenhwrt …. Lignum Yitae . . . ICpucuoe дерево. .

Дуй…………………..

EiJoe дерево . . .

15*

227

В столь же неудовлетворительном состоянии находятся дапные относительно электропроводности 1S. Сухая древесина невидимому очень плохой проводник электричества, но уже самое незначительное количество поглощенной воды весьма значительно повышает ее электропроводность. Все имеющиеся в этом отношении цифровые данные не обладают достаточной достоверностью, так как они получены с древесиной с неизвестным содержанием влаги, различна в которой вызывают,
вероятно, широкие колебания. Однако, на основании этих цифр можно предпо­ложить, что электропроводность, лодобно теплопроводности, значительно выше в продольном направлении, чем во всех других направлениях.

Т л Б. т п ц Л 50.

КоэФПциент лаиЕЙного расширения дрепесинм.

{IfjMSH^Mie eo^wuitbi длины ttpit няг^мсжиы tta ‘ .1.

Цроюльное Радиальное Тангенциальное

Красный д-чб………………. 3.6 — Ю-о 2Й,3 • I0-f 41.9 • 10-[20]

Желтая береза……………… 2,5 ■ 10-в 27,-J • Ш-в 30,0 ■ ю-6

Желтый тополь…………….. 1,7 • 1U-* 24,2 ■ L<)-« 26,7 10 ®

TOC o "1-3" h z Белая сосна…………………….. 3,8 ■ 10—* — —

Желтая сосна………………….. 3.4 • Ю-4 — —■

Червый орешник…. 3,2 • Ю-® —

Тепловое расширение. При первой работе по изучению теплового расширения древесины 10 пользовались теми же аппаратами, которые применялись при изуче­нии расширения металлов, и исследователь не имел в виду контролировать содер­жание влажности во время опытов. Вместе с тел он сознавал важность этого обстоя­тельства и понимал, что результаты его неточны. Расширение также измерялось только в двух направлениях: вдоль волокон и поперек волокон, без определения характера последнего направления (тангенциальное или радиальное). Работы эта определенно указывают на то, что расширение в направлении поперек волокна гораздо значительнее, чем в направлении параллельно волокну.

В таблице 50 приведены данные более поздней работы 17, которая производи­лась при тщательном контроле условий влажности. Результаты ее, показывая значительную разницу между отдельными образцами, позволяют вывести общее заключение, что расширение в продольном направлении гораздо меньше, чем в тангенциальном. Здесь имеет место такое же общее соотношение, какое наблю­дается при набухании в воде.

Поглощение воды. Г1о этому вопросу ми располагаем также весьма незначи­тельным количеством экспериментальных данных, хоти поглощение древесиной воды имеет огромное практическое значение в связи с высушиванием, сжатием и набуханием древесины, также ttaK в связи с вопросом об ее прочности. Все наши представления об отношении древесины к воде основываются на трех эксперимен­тально изученных данных: 1) определении общего количества тепла, выделяв­шегося при поглощении воды древесиной в присутствии избытка воды; 2) опре­делении содержания влажности в древесине, находящейся в равновесии с воздухом различных влажностей при различных температурах; 3) установлении, что проч­ность древесины уменьшается с повышением содержания влажности, нош не будет достигнут известный максимум, выше которого влажность уже не оказывает влияния на прочность. Большое число разнообразных наблюдений, накопленных в этой области, могло бы послужить материалом при выработке общей теории этого явления, однако все же чувствуется недостаток многих данных, которые требуются для получения полной картины этого явления.

Одна из трудностей, с которой приходится встречаться с самого начала — это сложность строения древесины, благодаря которой она обладает различными Свойствами в различных направлениях. Другая трудность состоит в том, что большая часть экспериментальной работы была проделана па кусках древесины различной величины, так что состояние равновесия на поверхности часто наруша­лось перемещением жидкостей внутри куска. Мы убеждены, что самый лучший

ДРЕВЕСИНА КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Способ научить этот волрос заключается в том, чтобы сначала обсудить с чисто теоретической точки зрения равновесие между веществом древесины и водой, а, затем попытаться согласовать, эти выводы со структурой древесины я с некото­рыми фактами относительно поглощения древесиной влажности.

При адсорбции древесиной воды выделяется тепло. Было определено только общее выделение тепла при действии избытка воды,, количество же тепла, выде­ляемое во время адсорбции различных небольших количеств воды, неизве­стно. Д э н л е п 18 нашел, что общее шло, выделявшееся при адсорбции при 0°, для различных пород равнялось от 16,6 до 19,6 калорий на грамм древесины. Еще слишком недостаточное число определений было произведено для того, чтобы можно было сделать какие-либо выводы относительно правильности колебаний между отдельными об­разцами, пли для того, чтобы определить действие различных условий на высушивание.

Можно было бы заранее предсказать, что при поглощения древесиной воды должно выде­ляться тшо на основании того, что древесина содержит влажность даже в состоянии равновесия с до­вольно сухим воздухом. Рис, 18 lt> иллюстрирует этот факт в коли­чественном отношении. Данные для двух разлитных температур были получены при различных исследованиях с применением раз­личных методов, и следовательно они не вполне сравнимы. Хотя крпеая il дана для 24°, но факти­чески она является результатом определений, произведенных при комнатной температуре с колебаниями в 5 — 6° в ту или иную сторону. Кривая В дает среднее значение из результатов для 5 образцов ври четырех или пяти степених влажности для каждого образца, однако данные эти не особенно удовлетворительны вслед­ствие весьма широких отклонений от средних значений, ООс кривые однако доста­точно пригодны для качественного сравнения. Кривая А показывает, что макси­мальное поглощение достигается при обычной температуре, когда содержание влажности в древесине доходит приблизительно до 33%. Данные относительно действия влажности на прочность древесины также указывают на сходный момент насыщения» при 21 — 34% влажности. На рис. 19 приведены некоторые типичные данные, иллюстрирующие это явление. Здесь мы имеем кривые, которые пересекают прямые линии в точках, указывающих на предел поглощения воды древесиной, поскольку оно влияет на прочность древесины.

Вследствие того что при поглощении воды древесиной выделяется тепло, можно предполагать, что при низких температурах количество поглощаемой воды больше. На это также указывают кривые на рис. 18, где кривая Л, полученная при более низкой температуре, прн прочих равных условиях, всегда показывает более высокое содержание влажности, чем кривая С, соответствующая более высокой температуре. У нас нет однако подтверждения этого явления со стороны изменений прочности, так как действие влажности при различных температурах вд: механическую прочность пока не определялось.

ДРЕВЕСИНА КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Рве. it>.*

Таким образом на основе этих немногочисленных данных ложно предполо­Жить, что поглощение воды древесипой сопровождается понижением давлении Пара и отдачей тепла до момента насыщения. Как и в других случаях поглощения летучш жидкостей твердыми телами, точный. механизм процесса неизвестен. Здесь может происходить или конденсация в тонких капиллярах, или поверх­ностное поглощение в чрезвычайно мелкой структуре, которой обладает древесина, Или же вода может образовывать твердый раствор с древесиной, проникая в кристал­лическое строение клеточной стенки; возможно также, что между этим механиз­Мами нет существенного различия, по крайней мере для дальнейшего обсуждения Не и^еет большого значения, какой тип поглощения мы примем.

Поглощение воды древесиной, невидимому, не вполне обратимо, хотя в неко­торых довольно широких пределах оно и может быть обратимым. Существуют подтверждения того, что древесина, один раз высушенная или же подвергнутая действию высокой температуры без полного высушивания, уже неспособна погло­щать воду с такой же скоростью и достигать при этом такого же максимального содержания влажности при той же влажности воздуха, как и раньше. По этому вопросу не существует ни количественных определений, ни даже данных, показы­вающих относительные результаты высушивания и действия высоких температур.

Теперь мы принуждены усложнить нашу довольно простую и наглядную картину поглощения воды древесиной, остановившись на вопросе о структуре древесины. Верхние части кривых на рис. 18 не так точны, как это можно было бы предположить. То равновесие, которое показывают эти кривые в случае сопри косновения древесины с насыщенным влагой воздухом (100% относительной влаж нош), является кажущимся, а не истинным равновесием. Определения относитель пой влажности, на основе которых были построены приведенные кривые, не осо­бенно точны, и поэтому они не могли дать точпого расположения кривых вблизи этого пункта; однако, существуют другие данные, говорящие о том, что кривые в действительности не достигают давления пара чистой воды, пока содержание влажности в древесине не превосходит значения в 32%. М е к е н з и 21 нашел, что кусок еловой древесины размером 21/» х 2[21]/а х с. к, помещенный в атмос­феру, насыщенную водяным паром при температуре 1Э°, поглотил в течение 79 дней 43.2% воды, при чем поглощение шло и дальше, хотя медленно. Скорость погло­щения в кусках такой величины зависит от перемещения влаги от поверхности внутрь куска, так что кривая поглощения не легко поддается истолкованию. Будет не лишним заметить, что в данном случае поглощение происходит в значи­тельно большем размере, чем было определено раньше. Если наши предыдущие заключения относительно точки насыщения вещества древесины правильны, то это добавочное поглощение можпо приписать влиянию структуры древесины.

Мы уже видели, что древесина состоит главным образом из пеболыних меток. Свободные пространства внутри этих клеток имеют размеры около 0,01 хк в дна метре, а к концам они вероятно еще уже. Они следовательно достаточно узки, чтобы действовать в качестве капилляров, удерживать воду и уменьшать давление пара.

В атмосфере, насыщенной влагой, эти капилляры должны поэтому конден­сировать воду, а следовательно такая структура древесины дает объяснение погло­щения выше точки насыщения вещества древесины. Однако, даже очень узкий капилляр диаметром в 0,001 мм понижает давление пара содержащейся в над воды т",!ько па 0,1% но сравнению с давлением пара свободной воды; уменьшение отно­сительной влажности на 0,1% — величина слишком незначительная, чтобы ее можно было нанести на график рис. 18. Это объясняет кажущееся равновесие между древесиной и па ев: щепным влагой воздухом, когда содержание влаги в дре­весине достигает приблизительно 30%. Конденсация воды в шщжтпитгж Капиллярах древесины, оказывающая лишь слабое влияние па давление пара, начинается именно с момента достижения этого кажущегося равновесия, когда уже почти закопчено поглощение воды веществом древесины, сильпо влияющее щ давление пара. Если бы было возможно получить древесину в гомогенном виде, без клеточной структуры, то положение равновесия с пасыщенпой влагой возду­хом соответствовало бы вероятно указанному на рис "18. Древесина, желатиниро­ванная по Шоргеру —у дает возможность произвести такой эксперимент. Эта желатинированная древесина, в которой волоипстая структура разрушена, «казалась только немного более гигроскопичной, чем обычная древесина, находя щаяся в соприкосновении с маловлажным воздухом. Этот факт подтверждает паше заключение о том, что волокнистое строение древесины не оказывает влиния на равновесие между древесиной и воздухом с низкой влажностью.

Мы не касаемся подробно вопроса о набухании и сжатии древесин» при поглощении и отдаче воды вне связи с вопросом о структуре древесины, как это было сделано в отношении действия нагревания и равновесия влажности, так как в нашем распоряжении нет никаких экспериментальных данных по этому предмету. Трудно получить данные относительно пабухашш в таких условиях, когда на него не оказывают влияния структурные особенности древесины, или, в случае набухания куска древесины при поглощении им влаги, разграничить действие микроскопического строения от действия субмикроеконическон структуры. В связи с этим следует лишь заметить, что набухание и сжатие древесины проис — . ходят только до точки насыщения древесины водой, что подтверждают резуль­таты действия влажности на прочность древесины и кажущееся равновесие между древесиной и насыщенным влагой воздухом. Другими слонами, вода, содержа­щаяся в микроскопических пустотах гаеткн, не вызывает набухания древесины.

Данные относительно сжатия древесины указывают па большое различие между размерами сжатия, происходящего одновременно в трех направлениях. Сжатие различных образцов прп высушивании свежей древесины до сухого состоя­ния изменяется от 5,1 до 12,6% в тангенциальном направлении и от 2,2 до 7,6% в радиальном 23. При этих опытах продольное сжатие не определялось, однако оно значительно меньше как радиального, так н тангенциального сжатия и обычно составляет от ОД до 0,3% общего сжатия до сухого состояния. Из этих цифр ста­новится очевидным, что результаты сжатия не могут быть вызваны особенностями строения древесины. Если бы вещество древесины сокращалось одинаково во всех направлениях, то такое сжатие не могло бы явиться причиной всех изменений, которые происходят при сжатии вещества древесины во всех трех направлениях. 1ши же однако принять, что каждая клетка волокон в древесине сжимается в по­перечном направлении больше, чем в продольном, то тогда наблюдаемые разли­чия легко объясняются особенностями строения древесины. Большая часть клеток древесины (волокна и сосуды) расположены своими длинными осями в продольной. направлении. Если, следовательно, mi клетки сокращаются главным образом в поперечном направлении, то общее сжатие куска древесины произойдет больше в радиальном и тангенциальном направлениях. Существуют однако другие клеточ­ные аггрегаты меньшей величины, древесные лучи’, в которых длинные оси клеток расположены в радиальном направлении. Если сжатие этих клеток в направлении их продольных осей также незначительно, то оно задерживает сжатие древесины в этом, т. е. радиальном, направлении. Структура древесины пиконм образом не противоречит следовательно принятию ориентированного в пространстве сжа­тия клеточных стенок и дает вполне удовлетворительное объяснение более значи­тельного сжатия в тангенциальном направлении по сравнению с радиальным, и также весьма незначительного сжатия в продольном направлении.

Это принятие ориентированного в пространстве сжатия не лишено значения н в других отношениях. Мы уже видели, что молекулы, или другие небольшие аггрегаты целлюлозы в клеточной стенке, имеют правильное расположение; воз­можно также, что к другие составные части клеточной стенки расположены по тому же самому плану. Мы уже высказывали предположение,, что вода проникает внутрь расположения молекул (стр.231) или других аггрегатов и при этом раздвигает их в радиальном или тангенциальном направлениях по отношению к оси волокна, результатом чего является, как мы уже привяли, ориентированное в пространстве

Набухание. Изучение дифракции рентгеновских лучей, произведенное в связи — с этим вопросом, может принести большую пользу технологии древесины; кроме того, всякому изучающему область этих явлений необходимо помнить, что содер­жание влажности в древесном материале должно оказывать сильное влияние на результаты его исследований.

Увеличение площади поперечного сечения является линейной функцией от количества поглощенной влаги между нолевым содержанием влаги и точкой насыщения 31. Другую картину мы получили бы, если бы сделали предположение, что уменьшение давления пара поглощенной воды происходит по кривой, имеющей отчетливую форму буквы S. Таким образом очевидно, что. между уменьшением давления пара в размерами набухания, являющегося следствием поглощения воды, нет непосредственного соотношения. Выло бы интересно иметь возможность по­лучить графическое изображение соотношения между количеством поглощенной воды и теплом, выделяющимся при поглощении.

Обратимость сжатия и набухания при изменениях влажности не получила еще полного подтверждения, В бюллетене А"» 122 Лесного департамента говорится, что повторное поглощение 8% воды, после высушивания при 100е вызывало только немного пониженное набухание по сравнению с 8% содержанием воды перед высу­шиванием. С другой стороны, оказалось 25, что обработка древесины паром иод давлением в 2 атм. в течение 20 часов понижает набухание приблизительно лишь наполовину по сравнению сдревесиной, необработанной паром, когда оба образна были подвергнуты действию одинаковой атмосферной влажности. По достижении равновесия в древесине, обработанной паром, присутствовало меньшее количе­ство влага, причем разница в набухании частично объяснялась разницей в коли­честве поглощенной влаги, а частично изменением зависимости между содержа­нием влаги и набуханием. Химическое различие, вызванное гидролизом, также могло бы послужить объяснением этих изменений в набухании и поглощении влаги.

В предыдущем обсуждении мы уже вжались. вопроса о давлении пара, набу­хании и действии тепла при поглощении воды древесиной; можно было бы думать, что это все, что требуется для обсуждения вопроса о ишлтттш древесины. Однако, здесь опять доминирующим фактором является структура древесины. При одинаковых условиях температуры и влажности окружающего воздуха древесина высыхает быстрее на поперечной поверхности, чем па тангенциальной, а па тангенциальной — быстрее, чем на радиальной. Эти объясняется не разли­чиями в давлении водяного пара на этих поверхностях, а тем, что вида на самол поверхности удаляется весьма быстро, скорость же дальнейшего высушивания зависит от скорости перемещения воды в древесине, другими словами, вода пе|[22]Е- мешается в продольном направлении быстрее, чем в радиальном, а в радиальном — быстрее, чем в тангенциальном. Это опять соответствует соотношению расположе­ния клеточных осей в этих трех направоеппях, однако у нас. нет прясло доказа­тельства того, что перемещение воды в клеточных стенках в каком-нибудь одном направлении происходит быстрее, чем в другом. Прохождение волы в видг iiiipa через клеточные пустоты также может служить объяснением более быстрого движе­ния воды в продольном и радиальном направлениях. Дело в том, что у пас пет доста­точного количества данных для создания ясного представления о подробностях прохождения воды г. древесине ю облает с высоким содержанием влажности в область с низким содержанием ее. Единственная опора такого представления, выработанного с чисто теоретической топки зрения, заключается в том, что движе­ние воды в древесине от высокого до низкого содержания влаж н ист л можно опре­делить только при содержании влажности ниже точки насыщения. Ьыше этой топки

Разница в давлении водяного пара между областями с различным содержанием влажаости оказалась очень незначительной, п колебания давления иара являются, по краййей мере, мерою различий в потенциалах, которые вызывают перемеще­ние жидкости внутри клеточной стенки, даже если они к не представляют действи­тельной движущей силы, как должно было быть в случае испарения в клеточные пустоты и движения воды в виде пара.

В связи с промышленной сушкой древесины возникает большое количество важных и интересных проблем, которых мы не будем здесь касаться, так как это не входит в задачу настоящей книги. Обсуждение этих проблем читатель найдет в специальной литературе 26. После предварительного рассмотрения вопроса о сложности структуры древесины и об изменениях в различных направлениях таких важных свойств, как сжатие и перемещение влажности, можно легко предста­вить себе все трудности промышленной сушки древесины.

У нас нет достаточных данных для решения вопроса о том, существует ли зна­чительное и постоянное различие в количестве поглощенной воды в различных образцах древесины. Кривые для различных образцов, составляющие среднюю кривую В на рис. 16, лишь незначительно отличаются одна от другой, за исключе­нием верхнего конца, где, как мы уже видели, трудно точно определить пункт, соответствующий 100%-ной влажности воздуха. Даже здесь наибольшее колеба­ние между 7 образцами для точки насыщения находится между 30 и 37%. С дру­гой стороны, кривые аа ряс. 17 показывают изменения в содержании воды при точке насыщения от 21 до 34%, что было определено при изучении влияния влаж­ности на крепость древесины. В обеих сериях опытов применялся только один образец древесины белой американской сосны; он показал точку насыщения в 21% по методу насыщения и 36% по методу прочности древесины. Возможно, что причиной этого различия могут явиться колебания между отдельными образ­цами одной и той же породы, дли, вернее, объяснение лежит в условиях обработки или хранения. Нерационально продолжать обсуждение, располагая такими скуд­ными и противоречивыми данными.

Вода поицтаоиу гораздо сильнее поглощается древесиной, чем другие летучие жидкости, однако по этому вопросу мы располагаем слишком иедостаточ — шл! ИчЭ1;епертшсптальннмн данными. В лаборатории Вископстшского универси­тета 47 производилось сравнение количества летучих жидкостей, поглощенных опилками из воздуха, насыщенного парами воды, ксилола и керосина. Скорость поглощения в случае воды была иного выше, и кажущийся максимум равнялся приблизительно 30%, вместо 5% для ксилола и керосина. Было также показано, что вода большею частью вытесняет ксилол из насыщенной им древесины, пра применении воздуха, насыщенного парами обеих жидкостей. Д э н л е п 28 определил также, что количество тепла," выделяемого древесиной при поглощеняи каменноугольного креозота и скипидара, равнялось соответственно 5,0 и 2,3 кало­риям на грамм древесины. У нас отсутствуют дальнейшие данные относительно поглощения древесиной других летучих жидкостей, кроме виды, и относительно родственных вопросов о набухании древесины и перемещении жидкости.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв