Древесные материалы
К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид, запах, показатели макроструктуры, влажность и связанные с ней изменения (усушка, разбухание, растрескивание, коробление), плотность, электро‑, звуко– и теплопроводность.
Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.
Цвет древесины – зрительное ощущение, соответствующее спектральному составу отраженного древесиной светового потока.
Цвет древесине придают находящиеся в полостях клеток дубильные, смолистые и красящие вещества. Меняется окраска древесины и в результате поражения ее различными видами грибов. У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у старых. Устойчивым цветом обладают дуб, груша, акация, каштан.
Основное вещество, из которого состоит древесина, – целлюлоза – почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков древесины придают ей вещества, заключенные в полостях клеток или пропитывающие их стенки: красящие и дубильные, смолы и продукты их окисления. Древесина пород тропического пояса имеет очень яркую окраску, умеренного пояса окрашена бледно, однако в теплых зонах окраска древесины довольно интенсивная (фисташка, бархатное дерево, груша, орех, тис, шелковица, белая акация, дуб). Интенсивность окраски повышается с возрастом дерева, что особенно заметно у ядровых пород. При оптимальных условиях роста окраска бывает более яркой.
Древесина многих пород изменяет цвет под воздействием воздуха и света, при поражении грибами, под влиянием различных физических и химических воздействий при хранении, транспортировке и обработке. Так, в речной воде древесина дуба сильно темнеет в результате соединения дубильных веществ с солями железа. По этой же причине на поверхности пиломатериалов появляются черные полосы и пятна при распиловке сырой древесины дуба.
Заболонь сосны при сплаве иногда приобретает желтую окраску, а древесина березы – оранжевую.
При пропаривании древесины бука она довольно равномерно окрашивается в красноватый цвет. При высокотемпературной сушке появляется буроватая окраска у древесины хвойных пород. Тем не менее, для многих пород характерен определенный цвет, что служит для их распознавания.
Цвет является одной из важнейших характеристик внешнего вида древесины, которую учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовления мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок, спортивного инвентаря и т. д.
Блеск – способность направленно отражать световой поток с поверхности в определенном направлении.
Строго направленное отражение и, следовательно, наибольший блеск наблюдаются при освещении зеркальных, гладких поверхностей. Даже самым тщательным образом обработанные поверхности древесины имеют однородные неровности и отражают световой поток диффузионно равномерно во все стороны. Пока еще не удалось получить полный количественный показатель блеска древесины, точно соответствующий зрительному восприятию. Поэтому блеск древесины оценивают по белизне – коэффициенту диффузного отражения.
Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей, которые направленно отражают световые лучи, за счет чего и образуется блеск на радиальном разрезе. Так, светлая и более плотная древесина обладает большим блеском, что придает ее текстуре особую красоту.
Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана, белой акации, дуба. Шелковистый блеск свойствен древесине бархатного дерева. Древесина осины, липы, тополя с очень узкими сердцевинными лучами и сравнительно тонкими стенками клеток механических тканей имеет матовую поверхность. Блеск придает древесине красивый вид и может быть усилен полированием, лакированием, вощением или оклейкой прозрачными пленками из искусственных смол.
Текстура древесины (от лат. textura – строение) – естественный рисунок на тангенциальном и радиальном разрезах древесины, образованный годичными слоями и анатомическими элементами. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче ее текстура. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины и направления разреза. Она определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске ранней и поздней древесины, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, неправильным расположением волокон (волнистым или паутинным).
Так, хвойные породы на тангенциальном разрезе из‑за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины имеют красивую текстуру. Древесина хвойных пород состоит в основном из упорядоченных трахеид. Текстура однообразная, определяется преимущественно шириной годичных колец и разницей окраски ранней и поздней древесины. Извилистые очертания годичных слоев образуют более интересный рисунок, особенно у лиственницы и тиса на тангенциальном разрезе.
Лиственные породы с ярко выраженными годичными слоями и развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, клен, карагач, ильм, платан) имеют очень красивую текстуру радиального и тангенциального разрезов. Особенно красивый рисунок на разрезах древесины с направленным и путаным (свилеватым) расположением волокон (капы, наросты), а также со следами спящих почек (глазки). Ценится текстура клена «птичий глаз», которую создают неразвившиеся в побег спящие почки.
У древесины хвойных и мягких лиственных пород более простой и менее разнообразный рисунок, чем у древесины твердых лиственных пород.
Декоративные породы – орех, красное дерево, дуб – обладают красивыми текстурой и цветом, а также блеском. Красивую текстуру имеет древесина карельской березы. Интересную текстуру получают из дубовых кряжей, распиливая их в радиальном или тангенциальном направлении для получения ножевой фанеры или текстурной дощечки. У бука, клена, дуба выразительная текстура при радиальном разрезе, у хвойных пород – при тангенциальном разрезе.
Текстура, так же как и цвет, обеспечивает ценность древесины как декоративного материала. В результате прозрачной отделки древесины проявляется ее текстура. Лаковое покрытие, имеющее коэффициент преломления света, близкий к аналогичному коэффициенту древесины, увеличивает прозрачность поверхностных слоев, при этом повышается зрительное восприятие глубины текстуры.
Запах древесине придают находящиеся в ней смолы, эфирные масла, дубильные и другие вещества. Характерный запах скипидара у хвойных пород – сосны, ели. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. По запаху древесины можно определить ее породу. Так, у хвойных пород более сильный запах, чем у древесины лиственных пород.
Усушка древесины – это уменьшение ее объемных размеров при сушке в результате испарения гигроскопической влажности.
По величине коэффициента объемной усушки древесные породы делятся на три группы:
●малоусыхающие – ели сибирская и обыкновенная, можжевельник, пихта сибирская, платан восточный, тис ягодный, ивы белая и ломкая, корейский кедр, тополь белый, фисташка (ядро), хурма, черешня;
●среднеусыхающие – бук восточный, вяз, груша, дзельква, дуб, липа мелколистная, ольха черная, орех грецкий, осина, пихты белокорая, кавказская и маньчжурская, рябина, тополь черный, ясень;
●сильноусыхающие – акация белая, березы бородавчатая и пушистая, бук восточный, граб, железное дерево, кизил, саксаул, лиственницы сибирская и даурская, клен остролистный, яблоня лесная.
Высыхание деревянного элемента и развитие деформаций усушки происходят неравномерно от поверхности к центру. Этот факт, а также разница величин радиальной и тангенциальной усушки приводят к возникновению значительных остаточных напряжений растяжения в наружных и сжатия во внутренних частях элемента поперек волокон и в результате к короблению и растрескиванию древесины.
Коробление древесины – результат неравномерной усушки, вызывающий внутренние напряжения и трещины. Усушка досок в наружных слоях больше, чем во внутренних, что вызывает коробление. Доски из сердцевинной части ствола менее подвержены короблению.
Коробление бывает продольным и поперечным. Поперечное выражается в изменении формы сечения доски. Поперечное коробление проявляется в форме превращения квадратного сечения бруса в прямоугольное или ромбическое. Прямоугольное сечение доски – превращение квадратного сечения бруса в желобчатое, изогнутое в сторону наружных годовых колец.
Сердцевинная доска уменьшает свои размеры к кромкам: чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление.
Продольное коробление проявляется в форме выгиба досок по длине, а наличие наклона волокон по длине приводит к тому, что доска принимает винтообразную форму (крыловатость). Правильная укладка, сушка и хранение пиломатериалов предупреждают появление коробления.
Для предупреждения коробления влажность в момент изготовления изделий должна соответствовать эксплуатационной влажности. При этом соблюдают конструктивные требования: столярные плиты склеивают из узких реек, уложенных с различно или взаимно перпендикулярно направленными волокнами древесины. Рейки не только склеивают, но и закрепляют рамой или наконечниками.
Растрескивание древесины происходит в случае, когда внутренние напряжения превосходят малый предел прочности на растяжение поперек волокон и появляются наружные и внутренние трещины радиального направления.
Для сравнения показателей прочности и жесткости древесины независимо от ее влажности установлено значение стандартной влажности, равное 12 %.
Разбухание древесины – это увеличение линейных размеров и объема (явление, обратное усушке) при насыщенности древесины водой до границы гигроскопичности. Разбухание, как и усушка, неодинаково в различных направлениях. Как правило, разбухание – отрицательное свойство. Иногда оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках, деревянных трубах и судах.
Из‑за усушки и разбухания деревянные конструкции деформируются и могут стать полностью непригодными для использовании, именно по этой причине их и изготовляют из стандартно сухой древесины.
Напряжения древесины , возникающие без участия внешних сил, называют внутренними. Первая причина образования напряжений при сушке древесины – неравномерность распределения влаги. Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, могут возникнуть трещины.
Причем в начале процесса сушки они возникают на поверхности сортимента, а в конце – внутри (свищи). Внутренние напряжения иногда сохраняются в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.
Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемое в г/см3 или кг/м3. Различают относительную и абсолютную плотность древесины, определяемую в лабораторных условиях.
По объемной массе древесину делят на следующие группы:
●очень легкая (0,45 г/см3);
●легкая (0,45–0,60 г/см3);
●среднетяжелая (0,61–0,75 г/см3);
●тяжелая (0,76–0,90 г/см3);
●очень тяжелая (более 0,90 г/см3).
Древесину высокой плотности (самшит, граб, бук, клен, груша и многие другие) особенно ценят на производстве за прочность и хорошую обрабатываемость.
Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность: ранняя часть годичного слоя у нее пористая, поздняя – более плотная. Такая древесина труднее поддается лакированию, но хорошо гнется.
Древесина хвойных пород имеет малую плотность, тогда как рассеянно‑сосудистых лиственных пород – значительную абсолютную и высокую относительную плотность, поэтому она хорошо лакируется и полируется.
Древесина малой абсолютной и высокой относительной плотности хорошо обрабатывается.
Звукопроводность – свойство материала проводить звук. Она характеризуется скоростью распространения звука в материале. Качество древесины определяется звукопроводностью. Хорошее распространение звука после удара по комлевой части растущего или срубленного ствола свидетельствует о высоком качестве древесины.
Электропроводность древесины характеризуется ее сопротивлением прохождению электрического тока. Она зависит от породы, температуры, направления волокон и влажности древесины. Электропроводность сухой древесины незначительна, что позволяет применять ее в качестве изоляционного материала (розетки под штепсели и выключатели).
Теплопроводность – способность толщи древесины проводить тепло от одной поверхности к противоположной. Для древесины характерен низкий коэффициент теплопроводности, зависящий от породы, плотности, влажности и направления разреза. Сухая древесина – плохой проводник тепла.
Коррозионная стойкость древесины – это ее способность сопротивляться действию агрессивной среды. Древесина не подвержена воздействию слабых растворов щелочей, солей, различных органических и минеральных кислот. Хвойные породы более стойки к коррозии, чем лиственные.