Древесина является эластичным, ограниченно набухающим гелем Предел набухания, определяется максимальным количеством поглощен ной жидкости, вызывающей набухание. Древесина поглощает, увеличи­вая свой объем, далеко не все жидкости, а лишь полярные и среднеполяр ные: воду, спирты, кислоты, кетоны. Удаление этих жидкостей из набух­шей в них древесины приводит к сокращению объема древесины — усушке.

Причина набухания древесины и ее компонентов в воде объясняется следующим образом.

Макромолекулы целлюлозы и ее сну гников взаимно удерживаются, кроме химических связей, электрическими силами притяжения (водо­родная связь, силы Ван-дер-Ваальса) и поддерживаются в равновесном состоянии силами отталкивания неэлектрической природы, по величине равными силам притяжения F1]. При внесении древесины в среды с ди­электрической постоянной больше единицы происходит ослабление сил притяжения. Силы отталкивания при этом сохраняются, вследствие чего новое равновесие наступает на некотором большем расстоянии макро­молекул друг от друга, т. е. происходит набухание, как это видно из табл. 177, поясняющей зависимость тангенциального набухания древе­сины березы от диэлектрической постоянной жидкости, вызывающей набухание [2].

Поглощение воды древесиной может происходить двумя путями:

В виде водяных паров из влажного воздуха («гигроскопичность») и

В виде капельно-жидкой воды, путем непосредственного вымачивания древесины погружением в воду (водопоглощение).

Поглощение древесиной водяных паров из влажного воздуха происхо­дит за счет адсорбции и капиллярной конденсации. Адсорбция является результатом притяжения диполей воды отрицательно заряженной поверх­ностью молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, что связано с наличием на их поверхности ненасыщенных валентностей гидро­ксилов.

Количество адсорбируемой влаги при 20° С и 100%-й влажности воз­духа за счет заряда поверхности древесины составляет 5—6% [3]. При этом гидроксилы, блокиро­ванные водородной связью в ориентированных участках пучков молекулярных цепей целлюлозы, в поглощении воды не участвуют. Они активируются и начинают адсорбировать воду лишь после разрыва водородной связи, например, в результате мерсеризации [4]. Капилляр­ная конденсация является результатом наличия в дре­весных волокнах огромного количества тонких капилля­ров и объясняется понижен­ной упругостью водяных паров в этих капиллярах по сравнению с плоской поверхностью. Количество капиллярно-конденсированной воды, по­глощаемой еловой древесной массой при 100%-й влажности воздуха и 20° С составляет 25 весовых процентов. Суммарное количество адсор­бированной и капиллярно-конденсированной воды (т. е. гигроскопиче­ской воды), поглощаемой древесиной в вышеуказанных условиях, дости­гает 30%. Из компонентов древесины наиболее активно адсорбирующим воду является ксилан, затем клетчатка и наименее гигроскопичным — лигнин. Это видно из данных табл. 178, полученных при 20° С и 96%-й отно­сительной влажности воздуха за 60 суток [5].

Эти данные относятся к составным частям древесины, выделенным в чистом виде. Для других древесных пород гигроскопичность колеблется от 32-35% до 22-24% [6].

Поглощение воды древесиной сверх 30% гигроскопической влаги из воздуха невозможно и может произойти лишь при погружении ее в воду за счет капиллярного и осмотического впитывания. Капиллярное впитывание воды древесиной происходит под действием сил поверхностного натяжения. Скорость его растет с увеличением диаметра капилляров, а величина капиллярного впитывания увеличивается с уменьшением их диаметра.

Осмотическое впитывание объясняется разностью концентраций ме­жду раствором, в который погружена древесина, и растворимыми ком­понентами древесных клеток, находящимися внутри клеточных обо­
лочек. Последние в данном случае являются полупроницаемой мемб­раной.

Количество воды, поглощаемой древесиной при ее вымачивании, доходит до 200% и более в зависимости от объемной плотности древе­сины Я, показывающей вес свободной от воды древесины в связанном, не подвергшемся усушке пространстве [7]. Эта величина вычисляется по формуле

100 — av

R = VV loo 1

Где Av — объемная усушка древесины от свежесрубленного до абсолютно сухого состояния, A V0 — объемный вес абсолютно сухой древесины (г/см3). Так, например, для сосны, имеющей R=0.420, при делении на 1.5 (удельный вес древесного вещества) получаем объем, занимаемый клеточ­ными стенками в сухом состоянии: 0.420 : 1.5=0.280 см3; разницу по срав­нению с первоначальным 1—0.280 см3=0.720 см3 дает объем, занимаемый свободной и связанной водой.

Максимально возможное содержание воды для данного образца сосновой древесины WMaKC. Будет равно

0.720 ■ 100 ^макс. = 0.420

Поглощение различных форм воды древесиной не равноценно влияет на ее набухание. Наиболее сильные деформации вызывает поглощение первых порций гигроскопической влаги за счет сил адсорбции, способных преодолевать слабые межмолекулярные связи между макромолекулами целлюлозы и притягивающих молекулы воды к гидроксилам неориентиро­ванных участков: это вызывает раздвигание молекул и соответствующие линейные деформации. Поглощение осмотической влаги также способно вызвать деформации отдельных клеток древесины, но менее значительные, чем поглощение адсорбированной воды. Древесина при поглощении воды и сушке изменяет свои размеры неодинаково в различных направлениях: более всего в тангенциальном направлении — на 1/3 менее — в радиаль­ном. Изменения в направлении оси ствола незначительны и составляют десятые доли процента. Причиной этого является различие в строении кле­ток и их взаимном расположении в древесине.

Объемное набухание различных древесных пород в воде и их усушка при высыхании тем больше, чем больше их объемный вес. Это вызвано тем, что с увеличением объемного веса увеличивается прежде всего величина вторичной оболочки и вместе с ней — давление набухания, оказываемое ею на другие части клеточной стенки. Полная усушка наших главнейших древесных пород от свежесрубленного до абсолютно сухого состояния составляет: в радиальном направлении 4—5%, в тангенциальном направ­лении 8—10% и объемная усушка — 12.5—15%. Усушка обычно харак­теризуется коэффициентом усушки, выражающим в процентах величину деформаций, происходящих у древесины при уменьшении ее влажности на 1 %. Коэффициент объемной усушки для различных древесных пород колеблется от 0.35 до 0.63, коэффициент радиальной усушки составляст от 0.13 до 0.24 и коэффициент тангенциальной усушки равен 0.18—0.43.

Из вышеизложенного ясно, что носителем гидрофильных свойств дре­весины и ее компонентов являются гидроксильные группы, расположенные на поверхности волокон и в неориентированных участках макромолекул.

Следовательно, для придания древесине гидрофобных свойств необходимо тем или иным способом блокировать эти гидроксилы, устранив тем самым возможность их взаимодействия с водяными парами и с капельно-ншд — кой водой. Однако полная блокировка гидроксилов изменяет в нежела­тельном направлении другие свойства древесины как материала, кроме того, технически трудно выполнима и экономически нецелесообразна. Поэтому практически нашли применение методы неполной блокировки, обеспечивающие лишь частичную защиту древесины от поглощения воды и набухания в ней. Эти методы могут обеспечить гидрофобность древе­сины либо временно, на сравнительно короткие отрезки времени, либо дают постоянную во времени защиту от воды. К методам временной за­щиты относятся: метод механического заполнения капилляров древесины, например, пропиткой расплавленным парафином или другим гидрофоб­ным материалом, стойким к воде [8]. При этом парафин является чисто механическим барьером, способным замедлить поглощение древесиной водяных паров и воды. Однако с течением времени вода проникает к гидро — ксилам древесины через трещины, имеющиеся на поверхности частиц парафина, либо постепенно просачивается между парафином и волок­нами благодаря явлению смачивания и адсорбции и наступает процесс набухания, запаздывающий во времени по сравнению с непронитанной древесиной.

В случае проклейки древесно-волокнистых материалов различными гидрофобными эмульсиями, из которых на поверхность волокон осаждаются частицы канифоли или парафина, можно путем добавки глинозема эффект гидрофобного действия парафина как механического барьера несколько повысить за счет частичного уменьшения заряда поверхности волокон в результате адсорбции ею частиц гидроокиси алюминия и клеевых ча­стиц, имеющих заряд, противоположный по знаку заряду древесины (имеющей, как известно, отрицательный заряд). При этом можно добиться некоторой постоянной водостойкости за счет уменьшения заряда поверх­ности древесины. Методы, воздействующие на величину осмотического впитывания — пропитка глюкозой с последующей карамелизацией ее внутри древесины — дают кратковременный эффект нри погружении пропитанной древесины в воду. При работе пропитанной древесины в про­точной воде, эффект исчезает, так как карамели хорошо набухают в воде и частично в ней растворимы.

В качестве методов, позволяющих добиться постоянной во времени водостойкости древесины, можно назвать блокировку гидроксилов валентно-химической связью (этерификации) и блокировку гидроксилов водородной связью.

Этерификация древесины дает постоянную во времени водостойкость, но совершенно изменяет свойства древесины, как материала, и по эконо­мическим соображениям неприемлема.

Блокировку гидроксилов водородной связью осуществляют: либо обработкой древесины термореактивными смолами, либо термической обработкой. Для достижения эффекта необходимо, чтобы смола обладала функциональными группами, способными к образованию водородной связи. У фенольно — и мочевино-формальдегидных смол такими группами являются метилольные группы.

Для облегчения пропитки массивной древесины смоляными раство­рами пользуются мало вязкими продуктами начальной конденсации, в случае фенольных смол — фенолоспиртами. Эффект действия феноло — спирта на водостойкость древесины сосны показан в табл. 179 [8]. Как
видно из табл. 179, снижение линейных деформаций в 2 раза достигается введением в древесину 10% смолы от ее веса. Повышение водостойкости древесины при этой пропитке сопровождается увеличением прочности на статический изгиб и сжатие.

При термической обработке древесины и древесно-волокнпстых ма­териалов в интервале температур 100—200° С вследствие колебательного движения молекул возникают водородные связи, способные защитит!, гидроксилы древесины от поглощения воды. Это иллюстрируется табл. 180, в которой приведены данные по гигроскопичности, полученные на модель­ных веществах, компонентах древесины.

Таблица 180

Влияние термообработки иа гигроскопичность компонентов древесины

Условии термо­обработки

Исходный материал

Время, в час.

Целлюлоза (хлопок стандартный) {

I

Лигнип Фрейденберга еловый j

Лигнин Фрейденберга березовый j

Ксилан Сальковского, инклюдированный ацето — j ном и эфиром

Из табл. 180 видно, что эффект термообработки получается весьма существенный — гигроскопичность клетчатки и лигпина снижается. Гигроскопичность ксилана несколько повышается из-за образования

Более гидрофильных продуктов гидролиза. Этот метод, примененный к древесно-волокнистым плитам, дал следующие результаты, приведен­ные в табл. 181.

Таблица 181

При термообработке наряду с повышением водостойкости в первый период повышается и механическая прочность древесины, обусловленная созданием новых поперечных межволоконных связей. В дальнейшем, однако, из-за гидролиза углеводов под действием выделяющихся ле­тучих кислот прочность древесины начинает снижаться.

Скандинавские исследователи Энгельштадт I11] и Эгланд [12], проводя подобную обработку, также получили повышение прочности и гидрофоб — ности твердых плит.

Аналогичный эффект повышения водостойкости и механической проч­ности наблюдается и при термической обработке древесно-стружечных плит, как это видно из результатов исследований проблемной лабора­тории древесно-волокнистых пластиков Лесотехнической академии, при­веденных в табл. 182.

Таблица 182

Влияние термической обработки на водостойкость и механическую прочность

Древеспо-стружечных плит

Длительность «закалки», часы

Водопоглощение, % за 24 часа («закал

Ка» при 170°)……………………………………………………

Набухание, % за 24 часа………………………………………………..

Водопоглощение, % за 24 часа («закалка»

При 160°)………………………………………………………

Набухание, % за 24 часа………………………………………………..

Сопротивление статическому изгибу

Кг/см2 («закалка» при 170°)…………………………………………

Сопротивление статическому изгибу кг/см2 («закалка» при 160°)………………………

Интересно отметить полную аналогию закономерностей измене водостойкости и механической прочности древесно-волокпистых и дре — весио-стружечных плит, полученных в разное время и на материал" различного происхождения.