Деревина

Деревина, ксилема (від греч.(грецький) xýlon — дерево), складна тканина деревних і трав'янистих рослин, провідна воду і розчинені в ній мінеральні солі; частина провідного пучка, що утворюється з прокамбію (первинна Д.) або камбію (вторинна Д.). Вона складає основну масу ствола, коріння і гілок деревинних рослин.

  Фізіологічні і анатомічні особливості Д. Форма і величина кліток, складаючих Д., різні і залежать від їх функцій. Д. містить провідні, механічні і запасаючі елементи. Будова Д. типово для пологів, а інколи і для видів деревних рослин. При вивченні Д. і її властивостей користуються 3 головними розрізами, а для мікроскопічного вивчення — зрізами: поперечним, тангенціальним (тангентальним) і радіальним ( мал. 1 ). У міру зростання дерев внутрішня, найбільш стара Д. ствола відмирає. Провідні елементи Д. поступово закупорюються: судини — так званими тиллами, трахеїди — торусамі їх облямованих пір. Провідна і запасаюча системи перестають функціонувати, вміст в Д. води, крохмалю, частково жирів зменшується, кількість смол, дубильних речовин підвищується. В ядерних порід (сосна, модрина, дуб) центральна частина Д. відрізняється по забарвленню і називається ядром, периферична зона називається заболонню . В спелодревесних порід (ялина, липа) периферична частина відрізняється від центральною меншою вологістю (така Д. називається стиглою). В заболонних порід (клен, береза) центральна частина нічим не відрізняється від периферичної. Інколи в заболонних і спелодревесних порід центральна частина ствола забарвлюється темнішим (головним чином під впливом грибів) і утворюється так зване помилкове ядро.

  В Д. більшості дводольних і всіх хвойних рослин можна розрізнити кільця приросту, або річні кільця, і радіальні, або серцевинні, промені. Усередині одного кільця приросту розрізняють ранню (весняну) і пізню (літню) зони, що часто називаються відповідно ранній і пізніше Д. По радіальним променям живильні речовини пересуваються в місця їх відкладення. Розміри і співвідношення елементів, складаючих Д., змінюються залежно від умов зростання і положення Д. у стеблі. У несприятливих умовах (надлишкове зволоження, недолік води в грунті, сильне затінювання, об'їдання листя комахами) утворюються вузькі шари приросту. Д. дводольних рослин складається з наступних типів кліток: члеників судин (трахей), трахеїдів, механічних волокон ( лібриформу ), деревинною паренхіми і ряду ін. елементів — перехідних форм між ними ( мал. 2 ). Комбінації в розмірах і розташуванні елементів Д. (наприклад, діаметр судин в різних порід варіюють від 0,0015 мм в самшиту і аралії до 0,5 мм в дуба) створюють різноманітність її структури ( мал. 3 ): розсіяно-судинна — по всьому кільцю приросту судини майже рівного діаметру, число їх в ранній і пізніше зонах майже однаково (береза, клен); кольцесудинна — діаметр судин в ранній зоні кільця значно більший, ніж в пізніше (дуб, в'язнув, маклюра). Судини можуть бути розташовані одіночно (дуб) або групами (ясен, береза, осика), утворюючи в цьому випадку в місцях зіткнення облямовані пори. Трахеїди в цьому випадку втрачають в процесі еволюції водопровідну функцію і замінюються волокнами лібриформу (Д. ясена, наприклад, складається з судин, деревинної і променевої паренхіми і волокон лібриформу). Д. розрізняється також по характеру з'єднання члеників судин, формі перфорації (проста, сходова і т.д.), її розташуванню, формі членика, висоті і ширині серцевинного променя і формі його кліток. Д. голосеменних, у тому числі хвойних, складається лише з трахеїдів (судини відсутні), невеликої кількості деревинної паренхіми і серцевинних променів. В одних пологів (кипарис, ялівець) серцевинні промені (гомогенні) складаються з однакових паренхімних кліток; в ін. (сосна, ялина, модрина) в гетерогенних променях є також і променеві трахеїди, проходящие уподовж світивши ( мал. 4 ). Будову світивши, форма кліток, число і розміри їх пір мають важливе значення при визначенні породи дерева. В деяких пологів (сосна, ялина, дугласова ялиця і модрина) в Д. є смоляні ходи.

  Хімічний склад Д. Абсолютно суха Д. всіх порід в середньому містить (у %): 49,5 вуглецю; 6,3 водню; 44,1 кисню; 0,1 азоту. У Д. оболонок кліток припадає на частку близько 95% маси. Головні складові частини оболонок — целюлоза (43—56%) і лігнін (19—30%), останні: геміцелюлози, пектинові речовини, мінеральні речовини (головним чином солі кальцію), невелика кількість жирів, ефірних масел, алкалоїдів глікозидів і т.п. Для всіх кліток Д. характерне одеревіння — просочення оболонок лігніном. Існує більше 70 реакцій на одеревіння (наприклад, флороглюцин з концентрованою соляною кислотою дає малинове фарбування). Д. деяких дерев містить дубильні речовини (квебрахо), фарбники (кампешевоє дерево, сандал), бальзами, смоли, камфору і т.д.

  О. Н. Чистякова.

  Фізичні властивості Д. характеризуються її зовнішнім виглядом (колір, блиск, текстура), щільністю, вологістю, гігроскопічністю, теплоємністю і ін. Д. як матеріал використовують в натуральному вигляді ( лісоматеріали, пиломатеріали), а також після спеціальної физико-хімічної обробки (див. Деревні матеріали ). Важливе декоративне властивість і діагностична ознака — колір Д., характеристики якого змінюються в широких межах (колірний тон 578—585 нм , чистота кольору 30—60%, светлота 20—70%). Блиск спостерігається у Д. деяких листяних порід, особливо на радіальному розрізі. Текстура — малюнок Д., що утворюється при перерізанні анатомічних елементів, — особливо ефектна в листяних порід.

  Д. містить вільну (у порожнинах кліток) і зв'язану (у оболонках кліток) вологу. Вологість Д.

де W — вологість в %, m — початкова маса зразка, m ₀ — маса зразка в абсолютно сухому стані. Межею гігроскопічності (точкою насичення волокна) називається стан, при якому в Д. міститься максимальна кількість зв'язаної (гігроскопічною) вологи, а вільна волога відсутня. Вологість, відповідна межі гігроскопічності W _пг при t 20°С, складає в середньому 30%. На більшість властивостей Д. робить вплив зміна вмісту зв'язаної вологи. При досить тривалій витримці Д. набуває рівноважної вологості W _p , яка залежить від вологості j і температури t навколишнього повітря ( мал. 5 ). Зменшення вмісту зв'язаної вологи викликає скорочення лінійних розмірів і об'єму Д. — усихання. Усихання

де У _w — усихання в %, а _пг — розмір (об'єм) зразка при межі гігроскопічності, a _w — розмір (об'єм) зразка при даній вологості W в діапазоні 0— W _пг . Повне (при видаленні всієї зв'язаної вологи) усихання в тангенціальному напрямі для всіх порід 6—10%, в радіальному напрямі 3—5%, уздовж волокон 0,1—0,3%; повне об'ємне усихання 12—15%.

  При збільшенні вмісту зв'язаної вологи, а також поглинанні Д. ін. рідин відбувається розбухання — явище, зворотне усиханню. Унаслідок різниці значень радіального і тангенціального усихання при висиханні (або зволоженні) спостерігається поперечне викривлення пиломатеріалів і заготовок. Подовжнє викривлення найпомітніше в пиломатеріалів з пороками будови Д. В процесі сушки Д. із-за нерівномірного видалення вологи і анізотропії усихання виникають внутрішня напруга, що приводить до розтріскування пиломатеріалів і круглих лісоматеріалів. Після камерної сушки із-за залишкової напруги в Д. при механічній обробці відбувається зміна заданих розмірів і форми деталей. Д. проникна для рідин і газів, особливо листяної породи по заболоні і уздовж волокон.

  Щільність деревинної речовини у всіх порід однакова (т.к. одінаков їх хімічний склад) і приблизно в 1,5 разу більше щільності води. Щільність Д. із-за наявності порожнин менше і вагається в значних межах залежно від породи, умов зростання, положення зразка Д. у стволі. Щільність Д. при даній вологості

де m _w і v _w — маса і об'єм зразка при даній вологості W . З підвищенням вологості щільність Д. збільшується. Часто для розрахунків використовують показник, не залежний від вологості, — умовну щільність:

де m ₀ — маса зразка при W = 0, v _max — об'єм при W > W _пг .

  Питома теплоємність Д. практично не залежить від породи і може бути знайдена по діаграмі ( мал. 6 ). Коефіцієнт теплопровідності l залежить від температури, вологості, породи (щільність), напрями теплового потоку і визначається по формулі l = l _ном × до _r × k _x , де l _ном — номінальне значення коефіцієнта теплопровідності, а до _r і k _x — коефіцієнти, що враховують значення умовної щільності r _усл і напрям теплового потоку в зразку. l _ном визначається по діаграмі ( мал. 7 ), а деякі значення коефіцієнтів до _r і k _x приведені в таблицях 1 і 2. Температурні деформації Д. значно менше усихання і розбухання і зазвичай в розрахунках не враховуються.

  Деякі електричні і акустичні властивості Д. приведені в таблиці 3. Д. хвойних порід з малою щільністю (ялина) володіє високими резонансними властивостями і широко використовується в музичній промисловості.

  Таблиця 1. — Коефіцієнт k _x

  Таблиця 2. — Коефіцієнт до _r

  Механічні властивості Д. найбільш високі при дії навантажень уздовж волокон; у плоскості впоперек волокон вони різко знижуються. У таблиці 4 дані середні показники властивостей Д. деяких порід при W = 12%. Із збільшенням вологості до W _пг показники зменшуються в 1,5—2 рази. Модуль пружності уздовж волокон складає 10—15 Гн/м ² (100—150 тис. кгс/см ² ), а упоперек в 20—25 разів менше. Коефіцієнт поперечної деформації для різних порід і структурних напрямів знаходиться в межах від 0,02 до 0,8.

  Здатність Д. деформуватися під навантаженням в часі, що характеризує її властивості реологій, різко підвищується із збільшенням вологості і температури. Міцність при тривалих навантаженнях знижується. Наприклад, межа довготривалого опору при вигині складає 0,6—0,65 від межі міцності при стандартних випробуваннях на статичний вигин. При багатократних вантаженнях спостерігається втома Д., межа витривалості при вигині рівний в середньому 0,2 від статичної межі міцності.

  Випробування Д. з метою визначення показників фізіко-механічніх і технологічних властивостей проводять на малих чистих (без пороків) зразках. Випробуванням піддають серії зразків, а результати дослідів обробляють методами варіаційної статистики. Всі показники приводять до єдиної вологості — 12%. На більшість методів випробувань розроблені стандарти, що встановлюють форму і розміри зразків Д., процедуру експериментів, способи обчислення показників її властивостей. Д. відрізняється сильною мінливістю властивостей, тому при використанні Д. як конструкційний матеріал особливо важливе вживання неруйнівних методів поштучного контролю міцності пиломатеріалів, заснованих, наприклад, на зв'язку між міцністю Д. і деякими її фізичними властивостями. На властивості Д. впливають пороки деревини (суки, гнили, нахил волокон, крень і ін.).

  При оцінці властивостей Д. як конструкційного і виробу матеріалу враховують її здатність утримувати металеві кріплення (цвяхи, шурупи), зносостійкість, здібність до загину деяких листяних порід.

  Д. має високі значення коефіцієнта якості (відношення межі міцності до щільності), добре чинить опір ударним і вібраційним навантаженням, легко обробляється і дозволяє виготовляти деталі складної конфігурації, надійно з'єднується у виробах і конструкціях за допомогою клею, володіє високими декоративними властивостями. Проте поряд з позитивними властивостями натуральна Д. володіє рядом недоліків: розміри і форма деталей змінюються при коливаннях вологості. За несприятливих умов зберігання і експлуатації (підвищена вологість Д., помірно висока температура повітря, контакт з вологим грунтом, конденсація волога на елементах конструкцій і т.д.) Д. загниває. Гниттям є процес руйнування Д. в результаті життєдіяльності поселяющихся на ній грибів. Для захисту від загнивання Д. просочують антисептиками (див. Антисептичні засоби ). Д. може також ушкоджуватися комахами, для захисту від яких використовують інсектициди . Зважаючи на порівняно малу вогнестійкість Д. при необхідності просочують антіпіренамі .

  Народногосподарське значення Д. Як конструкційний матеріал Д. широко застосовується в будівництві (дерев'яні конструкції, столярні деталі), на ж.-д.(железнодорожний) транспорті і лініях зв'язку [шпали, опори ліній електропередач (ЛЕП)], в гірській промисловості (крепь), у машино- і суднобудуванні, у виробництві меблів, музичних інструментів, спортінвентаря; як сировина в целюлозно-паперовій промисловості і для ін. видів хімічної переробки (наприклад, гідроліз, суха перегонка), а також як паливо. Про заготівку Д. див.(дивися) в ст. Лісозаготівлі .

  Таблиця 3. — Електричні і акустичні властивості деревини

  Таблиця 4. — Щільність і механічні властивості малих чистих (без пороків) зразків деревини при вологості 12%