Хвойные породы древесины обладают как горизонтальными, так и вертикальными диодами, что значительно влияет на их эксплуатационные характеристики. В частности, компоненты, содержащиеся в смоле, играют важную роль в защите древесины от гниения и снижают уровень ее водопоглощения. Эти смолистые вещества укрепляют древесину, сохраняя при этом ее эстетические и долговечные качества.
Строение дерева
Строение дерева можно представить как многослойную структуру, которая состоит из нескольких важных компонентов, включая корни, крону, ствол и кору. Однако каждая из этих частей имеет свои уникальные особенности и функции. Подробно рассмотрим каждую часть дерева.
Макроскопическая структура ствола дерева включает в себя характерные слои, которые могут быть исследованы невооруженным глазом, особенно если дерево было распилено или нарисовано. Эти слои тесно связаны с жизнедеятельностью растения.
Наиболее важные слои древесины, включая кору и сердцевину, можно увидеть на приведенном рисунке ниже.
Кора представляет собой внешнюю оболочку дерева и разделена на несколько частей: верхний слой коры, упругий слой камбия и ниже расположенная древесина. Камбий – это активный слой, который обеспечивает рост дерева, производя новые клетки, и работает преимущественно в весенние и летние месяцы, когда происходит активный рост.
Под корой располагается основная масса древесины. Древесина может быть ядровой, как, например, у дуба или ясеня, и неплодородной (такой как курчавая). Ядровая древесина отличается темнокоричневым оттенком в центре и более светлой периферией. Таким образом, ядро дерева состоит из мертвых клеток, заполненных смолой, что делает эту часть самой сложной и стабильной в структуре. Чаще всего оно окружено древесной частью, которая образуется вокруг ядра.
В случаях, когда древесина не имеет ядра, она будет обладать более однородной плотностью и цветом срезов. Годовые кольца на дереве служат индикатором его возраста и условий, в которых оно росло. Обычно, годовые кольца опознаются благодаря различиям в цвете: в начале года появляется более светлый слой древесины, тогда как к концу года он становится темнее. Ранние слои отвечают за транспортировку питательных веществ, а поздние – за защиту.
К тому же, древесина имеет специализированные структуры для переноса питательных веществ посредством древесных протоков, которые представляют собой белые линии на поперечном срезе, и по меньшим трубкам, которые обеспечивают транспортировку необходимых элементов.
Микроскопическое строение древесины
Исследование микроскопической структуры древесины позволяет понять, как именно построены клетки дерева и как они взаимодействуют. Клетки древесной ткани состоят из нескольких частей, таких как ядро, протопласт и клеточная оболочка. Однако, к клеточные оболочки включают в себя прочные углеводы (целлюлозу) и лигнин, которые и придают конструкции ее прочные характеристики. Сравнительная долговечность древесины может сопоставляться с прочностью железобетона.
Клетки древесины различаются по своей структуре и функциям, и их можно условно разделить на несколько категорий:
- Механические клетки, обеспечивающие поддержку.
- Проводящие клетки, которые занимаются транспортировкой питательных веществ и микроэлементов.
- Запасающие клетки, отвечающие за накопление важных веществ и образующие древесную массу.
Химический состав древесины и коры
Химический состав древесины включает множество веществ, которые могут варьироваться в зависимости от рода дерева и условий, в которых оно произрастает. Присутствие неорганических веществ, как правило, занимает не более 1% от общего веса древесины. Они представляют собой, например, соли натрия, калия и железа, которые остаются после сгорания древесины. Эти неорганические остатки могут значительно варьироваться в объёме.
Органические вещества, которые составляют основную массу древесины, формируют клеточную структуру целлюлозы и лигнина.
Компоненты, которые не входят в состав клеток древесины, могут быть извлечены с помощью различных методов экстракции, включая эфирные масла, дубильные вещества и пигменты, которые придают древесине уникальные качества и свойства.
Стоит отметить, что химический состав древесины может варьироваться даже внутри одного и того же вида дерева, в зависимости от местоположения, условий почвы и возраста дерева.
Основной состав органических веществ можно описать следующим образом:
Заполнители зазоров содержат водные растворы углеводов, пигментов, дубильных веществ и разных свободных органических кислот, что также влияет на их свойства.
Макроскопическое строение древесины
Если макроскопическая структура древесины видна без увеличительного стекла, то она считается многолетней. Поверхность среза может быть окрашена неоднородно, где в центре могут быть темные участки, а по краям светлые. Ядро, образованное мертвыми клетками, представляет собой самую прочную часть, в то время как светлые участки древесины, образованные живыми клетками, более мягкие. Такая древесина с характерной окраской называется ядровой, как это видно у дуба, сосны, ясеня и кедра. В то время как у других видов, таких как береза, срезы выглядят более равномерно и не имеют ярко выраженного ядра.
Каждый год жизни дерева оставляет на его теле метки в виде срезов, образуя годовые кольца, которые могут варьироваться в зависимости от возраста, условий произрастания и других факторов. Годовые кольца содержат два типа тканей:
- Ранний слой – образуется в начале года, имеет светлый цвет и расположен ближе к центру.
- Поздний слой – формируется во второй половине года, имеет более темный оттенок и размещён ближе к коре.
Ранние ткани помогают перенести питательные вещества вперёд к верхушке дерева, тогда как поздние слои придают защитные свойства от механических повреждений. Если условия природной среды оказываются неблагоприятными, годовые кольца становятся узкими, а порой даже набирают волнистую форму, что добавляет декоративные качества древесине. Древесина, имеющая узкие кольца, считается самой ценной.
С коры в центр растения радиально идут лучи, отвечающие за перемещение питательных веществ. Эти лучи, известные как сердцевинные лучи, наблюдаются у всех видов древесины. Диаметр лучей варьируется в пределах от 0,05 до 1 мм и зависит от условий, в которых росло дерево. Сердцевинные лучи также влияют на текстуру древесины. Некоторые из этих лучей могут прерываться от ядра, создавая вторичные лучи в отличие от первичных.
На боковых срезах лиственных деревьев можно увидеть маленькие отверстия, которые представляют собой сосуды, отвечающие за доставку воды и питательных веществ. Если крупные сосуды находятся в ранних слоях, то более мелкие сосредоточиваются в поздних слоях древесины, что соответствует характерной сосудистой системе. Например, у дуба, вяза и ясеня, мощная древесная масса имеет равномерное распределение сосудистых элементов, тогда как у березы или белого пятна наблюдается мягкая диффузная структура.
Хвойные деревья, как правило, характеризуются наличием трубок, заполненных смолой, которые обеспечивают защиту древесины. Эти смоляные ходы присутствуют только у некоторых хвойных деревьев, в то время как, например, у лип и можжевельников они отсутствуют, что создаёт отличия в строении древесины.
По центру древесины находится ядро – рыхлая структура, представляющая собой важный элемент дерева, который начинает формироваться в начале его жизненного цикла. При его разрезании появляются характерные кругляши, радиус которых обычно составляет от 2 до 5 мм. У лиственных пород ядра, как правило, больше, чем у хвойных. Наиболее крупные ядра можно наблюдать у бузины.
Микроскопическое строение древесины
Вот только основные характеристики структуры дерева в клеточном масштабе позволяют ответить на вопрос о сущности древесины. Клетки древесины состоят из отдельных единиц, связанных друг с другом, формируя более сложные структуры. Каждая клетка проявляет свои особенности, имея протопласты и межклеточные пространства, которые заполнены сложными макромолекулярными соединениями. Клетки одинакового типа обеспечивают соответствующую организацию: механическую, проводящую и накопительную.
Клеточная оболочка включает в себя высокомолекулярные природные макромолекулы, среди которых углеводы составляют 70-80%, а лигнин — 20-30%. Углеводы представлены целлюлозой, гемицеллюлозой и другими связующими веществами, которые способствуют прочности структуры. Лигнин — это аморфное соединение, отвечающее за соединение целлюлозных волокон и придающее им прочность и эластичность. Эти компоненты образуют жесткую клеточную стенку, что в свою очередь делает оболочку древесины исключительно прочной и устойчивой, по прочности сравнимой с железобетоном.
Некоторые дефекты древесины, возникающие в результате повреждений отдельной структуры или всего дерева, воздействуют на его физические и декоративные качества. Определение качества древесины осуществляется на основании типа и размера дефектов, их расположения и предполагаемого использования.
Согласно ГОСТ 2140-81, дефекты древесины классифицируются по нескольким группам, среди которых выделяют:
- Узлы, представляющие собой основания предыдущих ветвей,
- Трещины и разрывы ткани вдоль волокон,
- Дефекты формы деревьев, такие как сужения, искривления и выпуклости на стволе,
- Структурные аномалии (прожилки, полосы и пятна),
- Химические пятна, образующиеся в результате окисления танинов,
- Грибковые поражения, вызванные растительными организмами, развивающимися из спор,
- Повреждения насекомыми и птицами, влияющие на декоративные и физические свойства древесины,
- Иностранные включения, которые могут снижать качество древесины,
- Изменения, возникающие в результате обработки материала.
ГОСТ 2140-81 Видимые пороки древесины. Классификация, термины и определения, методы измерения.
Некоторые из перечисленных дефектов могут незначительно ухудшать качество дерева, тогда как другие могут вызвать полное выведение древесины из эксплуатации.
К химическим веществам, содержащимся в древесине, следует относиться с важностью, так как они оказывают влияние на устойчивость древесины к воздействиям, таким как кислоты, щелочи и газы. Общая стойкость различных пород дерева варьируется, однако твердые породы дерева обычно содержат меньше целлюлозы, чем мягкие, что и объясняет их более низкие химические характеристики.
Химический состав древесины и коры
Основной состав древесины формируется из органического вещества, которое составляет более 99% от общей массы. Он включает целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, а также содержит углерод, водород, кислород и небольшое количество азота. В дополнение к основным веществам, древесина содержит экстрактивные вещества, такие как дубильные вещества, смолы, камеди, пектин и жиры, которые могут растворяться в воде, спирте или эфире. Химический состав древесины, как правило, представляет собой многообразие, но в различных породах он во многом схож. Полностью высушенная древесина показывает содержание 49-50% углерода, 43-44% кислорода, 6% водорода и 0,1-0,3% азота.
При сжигании древесины остается неорганическая часть, известная как зола, которая составляет от 0,1% до 1% от массы древесины. Состав золы включает кальций, калий, натрий, магний и небольшие количества фосфора и серы. Большая часть этих элементов, около 75-90%, нерастворима в воде, но имеются и растворимые, такие как щелочи (поташи и сода), среди которых кальциевые соли также можно выделить.
Состав коры показателен тем, что он имеет некоторые отличия от древесины и веток, так как содержание целлюлозы в коре значительно меньше, а содержание лигнина, экстрактивных веществ и минералов, в особенности у сосновой коры, значительно выше.
Пороки древесины
Пороки древесины представляют собой изменения, которые могут повлиять на внешний вид древесины и нарушить целостность ее структуры, что в итоге негативно сказывается на ее качестве и функциональных возможностях. Они могут существенно изменить использование древесины в различных отраслях.
Значимость этих дефектов напрямую зависит как от области применения древесины, так и от уровня совершенствования технологий на определенный момент.
В соответствии с ГОСТ 2140-81 была разработана обширная классификация дефектов, которая делится на девять групп в соответствии с их важностью:
- 1 — узлы, которые формируются на месте предыдущих ветвей,
- 2 — трещины и разрывы древесной ткани,
- 3 — деформации, такие как искривления и выступы в структуре,
- 4 — пороки в древесной конструкции, включая материальные дефекты,
- 5 — химические повреждения,
- 6 — грибковые заболевания,
- 7 — вред от насекомых и птиц,
- 8 — наличие посторонних включений и механических повреждений,
- 9 — изменения, возникающие в результате разных процессов обработки.
Каждая категория включает в себя разнообразные типы пороков, причем некоторые из них специфичны для круглых лесоматериалов, а другие – для древесных конструкций, таких как доски или фанера.
При анализе химического состава древесины, нельзя забывать, что остаточная неорганическая часть, или зола, оставшаяся после сгорания древесины (0,1-1%), включает элементы, такие как кальций и натрий, которые нерастворимы в воде и могут играть роль в формировании различных характеристик древесины.
Состав древесины
Структура древесины следует за особым принципом: клетки состоят из клеточных стенок и водяного содержимого, которое может составлять более половины массы свежей древесины. Древесина дочерняя, образующая каркас клеток, состоит из различных химических веществ, формирующих комбинации.
Состав древесины включает целлюлозу и целлюлозоподобные материалы, лигнин, а также множество веществ, таких как смолы, теребинтин, жиры, воски, пигменты и минералы.
— Целлюлоза является основным конструктивным элементом древесины, обеспечивая ей прочность.
— Лигнин — ключевой компонент, повышающий устойчивость древесины к горению и увеличивающий ее долговечность.
— Присутствие других веществ в клетках древесины влияет на окраску, аромат, а также на устойчивость к насекомым и грибковым поражениям, что в свою очередь делает древесину более ценным и универсальным материалом.
