Древесина — это структурная ткань, обнаруженная в стеблях и корнях деревьев и других древесных растений . Это органический материал — натуральный композит из целлюлозных волокон, которые прочны на растяжение и заключены в матрицу лигнина , которая сопротивляется сжатию. Древесину иногда определяют только как вторичную ксилему в стеблях деревьев [1] или, в более широком смысле, как тот же тип ткани в другом месте, например, в корнях деревьев или кустарников. В живом дереве она выполняет опорную функцию, позволяя древесным растениям расти большими или стоять самостоятельно. Она также переносит воду и питательные вещества между листьями , другими растущими тканями и корнями. Древесина может также относиться к другим растительным материалам с сопоставимыми свойствами и к материалу, изготовленному из древесины, древесной щепы или волокна .
Древесина использовалась в течение тысяч лет в качестве топлива , как строительный материал , для изготовления инструментов и оружия , мебели и бумаги . Совсем недавно она появилась в качестве сырья для производства очищенной целлюлозы и ее производных, таких как целлофан и ацетат целлюлозы .
По состоянию на 2020 год растущий запас лесов во всем мире составил около 557 миллиардов кубических метров. [2] Как обильный, углеродно-нейтральный [3] возобновляемый ресурс, древесные материалы представляют большой интерес как источник возобновляемой энергии. В 2008 году было заготовлено около 3,97 миллиарда кубических метров древесины. [2] Основными сферами применения были производство мебели и строительство зданий. [4]
Научное изучение и исследование древесины осуществляется в рамках дисциплины « Наука о древесине» , которая зародилась в начале XX века.
Открытие 2011 года в канадской провинции Нью -Брансуик выявило самые ранние известные растения, способные произрастать из древесины, примерно 395–400 миллионов лет назад . [5] [6]
Древесину можно датировать методом радиоуглеродного анализа , а для некоторых видов — методом дендрохронологии, что позволяет определить, когда был создан деревянный предмет.
Люди использовали древесину на протяжении тысяч лет для многих целей, в том числе в качестве топлива или строительного материала для изготовления домов , инструментов , оружия , мебели , упаковки , произведений искусства и бумаги . Известные конструкции с использованием древесины датируются десятью тысячами лет. Такие здания, как длинные дома в неолитической Европе, были построены в основном из дерева.
В последнее время использование древесины расширилось за счет добавления в конструкцию стали и бронзы. [7]
Годовые изменения ширины годичных колец и изотопного состава дают представление о преобладающем климате в то время, когда было срублено дерево. [8]
Древесина, в строгом смысле, дается деревьями , которые увеличиваются в диаметре за счет образования между существующей древесиной и внутренней корой новых древесных слоев, которые охватывают весь ствол, живые ветви и корни. Этот процесс известен как вторичный рост ; он является результатом деления клеток в сосудистом камбии , боковой меристеме и последующего расширения новых клеток. Затем эти клетки продолжают формировать утолщенные вторичные клеточные стенки, состоящие в основном из целлюлозы , гемицеллюлозы и лигнина .
Там, где различия между сезонами выражены отчетливо, например, в Новой Зеландии , рост может происходить по дискретному годовому или сезонному шаблону, что приводит к образованию годичных колец ; обычно их можно отчетливо увидеть на конце бревна, но они также видны на других поверхностях. Если различия между сезонами являются годичными (как в экваториальных регионах, например, в Сингапуре ), эти годичные кольца называются годичными кольцами. Там, где сезонные различия незначительны, годичные кольца, скорее всего, будут нечеткими или отсутствовать. Если кора дерева была удалена в определенной области, кольца, скорее всего, будут деформированы по мере того, как растение зарастет рубцом.
Если внутри годичного кольца есть различия, то часть годичного кольца, ближайшая к центру дерева и образованная в начале вегетационного периода, когда рост быстрый, обычно состоит из более широких элементов. Она обычно светлее по цвету, чем та, что находится около внешней части кольца, и известна как ранняя древесина или весенняя древесина. Внешняя часть, образованная позже в течение сезона, известна как поздняя древесина или летняя древесина. [9] Существуют основные различия, зависящие от вида древесины. Если дерево растет всю свою жизнь на открытом воздухе, а условия почвы и место произрастания остаются неизменными, оно будет расти наиболее быстро в молодости и постепенно уменьшаться. Годичные кольца роста в течение многих лет довольно широкие, но позже они становятся все уже и уже. Поскольку каждое последующее кольцо закладывается на внешней стороне ранее образованной древесины, следует, что если дерево существенно не увеличивает производство древесины из года в год, кольца обязательно должны становиться тоньше по мере того, как ствол становится шире. По мере того, как дерево достигает зрелости, его крона становится более открытой, а годовое производство древесины уменьшается, тем самым еще больше уменьшая ширину годичных колец. В случае лесных деревьев очень многое зависит от конкуренции деревьев в их борьбе за свет и питание, так что периоды быстрого и медленного роста могут чередоваться. Некоторые деревья, такие как южные дубы , сохраняют одинаковую ширину годичных колец в течение сотен лет. В целом, по мере увеличения диаметра дерева ширина годичных колец уменьшается.
По мере роста дерева нижние ветви часто отмирают, а их основания могут зарастать и покрываться последующими слоями древесины ствола, образуя тип дефекта, известный как сучок. Мертвая ветвь может не быть прикреплена к древесине ствола, за исключением ее основания, и может выпасть после того, как дерево будет распилено на доски. Сучки влияют на технические свойства древесины, обычно снижая прочность на растяжение, [10], но могут использоваться для визуального эффекта. В продольно распиленной доске сучок будет выглядеть как примерно круглый «сплошной» (обычно более темный) кусок древесины, вокруг которого «обтекает» (разделяется и воссоединяется) волокно остальной древесины. Внутри сучка направление древесины (направление волокон) до 90 градусов отличается от направления волокон обычной древесины.
На дереве сучок — это либо основание боковой ветки , либо спящая почка. Сучок (когда он является основанием боковой ветки) имеет коническую форму (отсюда и приблизительно круглое поперечное сечение) с внутренним кончиком в точке диаметра стебля, в которой располагался сосудистый камбий растения, когда ветвь формировалась как почка.
При сортировке пиломатериалов и строительной древесины сучки классифицируются по форме, размеру, прочности и прочности, с которой они удерживаются на месте. На прочность влияет, среди прочих факторов, продолжительность времени, в течение которого ветвь была мертвой, в то время как крепящийся ствол продолжал расти.
Сучки существенно влияют на растрескивание и коробление, легкость обработки и раскалываемость древесины. Это дефекты, которые ослабляют древесину и снижают ее ценность для структурных целей, где прочность является важным фактором. Ослабляющий эффект гораздо серьезнее, когда древесина подвергается воздействию сил, перпендикулярных волокнам и/или растяжению, чем при нагрузке вдоль волокон и/или сжатию . Степень, в которой сучки влияют на прочность балки, зависит от их положения, размера, количества и состояния. Сучок на верхней стороне сжимается, в то время как сучок на нижней стороне подвергается растяжению. Если в узле есть сезонная проверка, как это часто бывает, он будет оказывать небольшое сопротивление этому растягивающему напряжению. Небольшие сучки могут располагаться вдоль нейтральной плоскости балки и увеличивать прочность, предотвращая продольный сдвиг . Сучки в доске или планке наименее вредны, когда они проходят через нее под прямым углом к ее самой широкой поверхности. Сучки, которые возникают вблизи концов балки, не ослабляют ее. Здоровые сучки, которые встречаются в центральной части на расстоянии одной четверти высоты бруса от любого края, не являются серьезными дефектами.
— Сэмюэл Дж. Рекорд, Механические свойства древесины [11]
Сучки не обязательно влияют на жесткость строительной древесины; это будет зависеть от размера и местоположения. Жесткость и упругая прочность больше зависят от здоровой древесины, чем от локальных дефектов. Прочность на разрыв очень восприимчива к дефектам. Здоровые сучки не ослабляют древесину, когда подвергаются сжатию параллельно волокнам.
В некоторых декоративных применениях древесина с сучками может быть желательна для добавления визуального интереса. В применениях, где древесина окрашена , таких как плинтусы, фасции, дверные рамы и мебель, смолы, присутствующие в древесине, могут продолжать «просачиваться» на поверхность сучка в течение месяцев или даже лет после изготовления и проявляться в виде желтого или коричневатого пятна. Грунтовка для сучков или раствор (сучкование), правильно нанесенные во время подготовки, могут во многом уменьшить эту проблему, но ее трудно полностью контролировать, особенно при использовании массивных высушенных в печи древесных материалов.
Сердцевина (или дурамен [12] ) — это древесина, которая в результате естественного химического преобразования стала более устойчивой к гниению. Формирование сердцевины — это генетически запрограммированный процесс, который происходит спонтанно. Существует некоторая неопределенность относительно того, умирает ли древесина во время формирования сердцевины, поскольку она все еще может химически реагировать на организмы гниения, но только один раз. [13]
Термин «сердцевина» происходит исключительно от его положения, а не от какой-либо жизненно важной важности для дерева. Об этом свидетельствует тот факт, что дерево может процветать с полностью сгнившей сердцевиной. Некоторые виды начинают формировать сердцевину очень рано, поэтому имеют только тонкий слой живой заболони, в то время как у других изменение происходит медленно. Тонкая заболонь характерна для таких видов, как каштан , белая акация , шелковица , маклюра и сассафрас , в то время как у клена , ясеня , гикори , каркаса , бука и сосны толстая заболонь является правилом. [14] Некоторые другие никогда не образуют сердцевину.
Сердцевина часто визуально отличается от живой заболони и может быть различима в поперечном сечении, где граница будет иметь тенденцию следовать за годичными кольцами. Например, иногда она намного темнее. Другие процессы, такие как гниение или нашествие насекомых, также могут обесцвечивать древесину, даже у древесных растений, которые не образуют сердцевину, что может привести к путанице.
Заболонь (или албурнум [15] ) — это молодая, самая внешняя древесина; в растущем дереве это живая древесина [16], и ее основные функции заключаются в проведении воды от корней к листьям и в накоплении и отдаче в соответствии с сезоном запасов, заготовленных в листьях. К тому времени, когда они становятся способными проводить воду, все ксилемные трахеиды и сосуды теряют свою цитоплазму, и клетки, таким образом, функционально мертвы. Вся древесина в дереве сначала формируется как заболонь. Чем больше листьев несет дерево и чем энергичнее его рост, тем больший объем заболони требуется. Поэтому деревья, быстро растущие на открытом воздухе, имеют более толстую заболонь для своего размера, чем деревья того же вида, растущие в густых лесах. Иногда деревья (видов, которые образуют ядро), растущие на открытом воздухе, могут достигать значительных размеров, 30 см (12 дюймов) или более в диаметре, прежде чем начнет формироваться ядро, например, у вторичного роста гикори или сосны, растущей на открытом воздухе .
Не существует определенной связи между годичными кольцами роста и количеством заболони. В пределах одного вида площадь поперечного сечения заболони очень приблизительно пропорциональна размеру кроны дерева. Если кольца узкие, их требуется больше, чем там, где они широкие. По мере того, как дерево становится больше, заболонь обязательно должна становиться тоньше или существенно увеличиваться в объеме. Заболонь относительно толще в верхней части ствола дерева, чем около основания, потому что возраст и диаметр верхних частей меньше.
Когда дерево очень молодое, оно покрыто ветвями почти до земли, если не полностью, но по мере взросления некоторые или все из них в конечном итоге умрут и будут либо сломаны, либо отвалятся. Последующий рост древесины может полностью скрыть пеньки, которые останутся в виде сучков. Независимо от того, насколько гладко и чисто бревно снаружи, оно более или менее узловатое около середины. Следовательно, заболонь старого дерева, и особенно дерева, выросшего в лесу, будет менее сучковата, чем внутренняя сердцевина. Поскольку в большинстве случаев использования древесины сучки являются дефектами, которые ослабляют древесину и мешают легкости ее обработки и другим свойствам, из этого следует, что данный кусок заболони из-за своего положения в дереве может быть прочнее, чем кусок сердцевины того же дерева.
Различные куски древесины, вырезанные из большого дерева, могут решительно отличаться, особенно если дерево большое и зрелое. У некоторых деревьев древесина, отложенная в конце жизни дерева, мягче, легче, слабее и имеет более ровную текстуру, чем та, что была произведена ранее, но у других деревьев применяется обратный процесс. Это может соответствовать или не соответствовать сердцевине и заболони. В большом бревне заболонь из-за времени в жизни дерева, когда оно росло, может быть хуже по твердости , прочности и вязкости, чем столь же прочная сердцевина из того же бревна. У меньшего дерева может быть верным обратный процесс.
У видов, которые показывают четкое различие между ядром и заболонью, естественный цвет ядра обычно темнее, чем у заболони, и очень часто контраст бросается в глаза (см. раздел о тисовом бревне выше). Это вызвано отложениями в ядре химических веществ, так что резкое изменение цвета не подразумевает существенного различия в механических свойствах ядра и заболони, хотя между ними может быть заметное биохимическое различие.
Некоторые эксперименты с очень смолистыми образцами длиннохвойной сосны указывают на увеличение прочности из-за смолы , которая увеличивает прочность при высыхании. Такая пропитанная смолой сердцевина называется «жирной зажигалкой». Конструкции, построенные из толстой зажигалки, почти не подвержены гниению и термитам и очень огнеопасны. Пни старых длиннохвойных сосен часто выкапывают, раскалывают на мелкие части и продают в качестве растопки для костров. Выкопанные таким образом пни могут фактически оставаться столетием или более с момента сруба. Ель, пропитанная сырой смолой и высушенная, также значительно повышает прочность.
Поскольку поздняя древесина годичного кольца обычно темнее ранней, этот факт можно использовать для визуальной оценки плотности, а следовательно, твердости и прочности материала. Это особенно касается хвойных пород древесины. В кольцепористой древесине сосуды ранней древесины часто выглядят на готовой поверхности темнее, чем более плотная поздняя древесина, хотя на поперечных сечениях ядра обычно верно обратное. В противном случае цвет древесины не является показателем прочности.
Ненормальное изменение цвета древесины часто указывает на болезненное состояние, указывающее на непрочность. Черная пятнистость на западном тсуге является результатом атак насекомых. Красновато-коричневые полосы, столь распространенные на гикори и некоторых других породах древесины, в основном являются результатом повреждений птицами. Изменение цвета является лишь признаком повреждения и, по всей вероятности, само по себе не влияет на свойства древесины. Некоторые вызывающие гниение грибы придают древесине характерные цвета, которые, таким образом, становятся симптомом слабости. Обычное окрашивание соком вызвано ростом грибка, но не обязательно оказывает ослабляющее действие.
Вода в живой древесине встречается в трех местах, а именно:
В сердцевине она встречается только в первой и последней формах. Древесина, тщательно высушенная на воздухе (в равновесии с влажностью воздуха), сохраняет 8–16% воды в клеточных стенках, и ничего или практически ничего в других формах. Даже высушенная в печи древесина сохраняет небольшой процент влаги, но для всех целей, кроме химических, может считаться абсолютно сухой.
Общее воздействие содержания воды на древесное вещество заключается в том, что оно становится мягче и податливее. Похожий эффект наблюдается при смягчающем действии воды на сыромятную кожу, бумагу или ткань. В определенных пределах, чем больше содержание воды, тем сильнее ее смягчающий эффект. Влажность древесины можно измерить несколькими различными влагомерами .
Сушка приводит к значительному повышению прочности древесины, особенно у небольших образцов. Крайним примером является полностью сухой еловый брусок сечением 5 см, который выдержит постоянную нагрузку в четыре раза большую, чем сырой (невысушенный) брусок того же размера.
Наибольшее увеличение прочности в результате сушки наблюдается в пределе прочности на раздавливание и пределе упругости при сжатии в поперечном направлении; за ними следуют модуль разрыва и напряжение при пределе упругости при поперечном изгибе, в то время как модуль упругости затронут меньше всего. [11]
Древесина — неоднородный , гигроскопичный , клеточный и анизотропный (точнее, ортотропный ) материал. Она состоит из клеток, стенки клеток состоят из микрофибрилл целлюлозы (40–50%) и гемицеллюлозы (15–25%), пропитанных лигнином (15–30%). [17]
В хвойных или мягких породах древесины клетки древесины в основном одного типа, трахеиды , и в результате материал имеет гораздо более однородную структуру, чем большинство твердых пород . В древесине хвойных пород нет сосудов («пор»), которые так отчетливо видны, например, в дубе и ясене.
Структура лиственных пород более сложная. [18] Способность проводить воду в основном обеспечивается сосудами : в некоторых случаях (дуб, каштан, ясень) они довольно большие и отчетливые, в других ( конский каштан , тополь , ива ) слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть без лупы. При обсуждении таких пород древесины принято делить их на два больших класса: кольцевидные и диффузно-пористые . [19]
У кольцепористых пород, таких как ясень, белая акация, катальпа , каштан, вяз , гикори, шелковица и дуб, [19] более крупные сосуды или поры (так называются поперечные сечения сосудов) локализуются в части годичного кольца, образованной весной, таким образом, образуя область более или менее открытой и пористой ткани. Остальная часть кольца, образованная летом, состоит из более мелких сосудов и гораздо большей доли древесных волокон. Эти волокна являются элементами, которые придают древесине прочность и жесткость, в то время как сосуды являются источником слабости. [20]
В диффузно-пористой древесине поры равномерно распределены, так что способность проводить воду рассеивается по всему кольцу роста, а не собирается в полосу или ряд. Примерами такого рода древесины являются ольха , [19] липа , [21] береза , [19] конский каштан, клен, ива и виды рода Populus , такие как осина, тополь и тополь. [19] Некоторые виды, такие как грецкий орех и вишня , находятся на границе между двумя классами, образуя промежуточную группу. [21]
В умеренных мягких породах часто наблюдается заметная разница между поздней и ранней древесиной. Поздняя древесина будет плотнее, чем та, что образовалась в начале сезона. При исследовании под микроскопом видно, что клетки плотной поздней древесины очень толстостенные и с очень маленькими полостями клеток, в то время как клетки, образовавшиеся в начале сезона, имеют тонкие стенки и большие полости клеток. Прочность заключается в стенках, а не в полостях. Следовательно, чем больше доля поздней древесины, тем больше плотность и прочность. При выборе куска сосны, где прочность или жесткость являются важным фактором, главное, на что следует обратить внимание, — это сравнительное количество ранней и поздней древесины. Ширина кольца не так важна, как доля и характер поздней древесины в кольце.
Если сравнить тяжелый кусок сосны с легким, то сразу станет видно, что более тяжелый содержит большую долю поздней древесины, чем другой, и поэтому показывает более четко разграниченные годичные кольца. У белых сосен нет большого контраста между различными частями кольца, и в результате древесина очень однородна по текстуре и легко обрабатывается. У твердых сосен , с другой стороны, поздняя древесина очень плотная и имеет глубокий цвет, представляя очень решительный контраст с мягкой, соломенно-цветной ранней древесиной.
Важна не только доля поздней древесины, но и ее качество. В образцах, которые показывают очень большую долю поздней древесины, она может быть заметно более пористой и весить значительно меньше, чем поздняя древесина в образцах, которые содержат меньше поздней древесины. Сравнительную плотность, а следовательно, и в некоторой степени прочность, можно оценить путем визуального осмотра.
Пока еще не удалось дать удовлетворительного объяснения точным механизмам, определяющим формирование ранней и поздней древесины. Могут быть задействованы несколько факторов. По крайней мере, у хвойных деревьев скорость роста сама по себе не определяет соотношение двух частей кольца, поскольку в некоторых случаях древесина медленного роста очень твердая и тяжелая, а в других — наоборот. Качество участка, где растет дерево, несомненно, влияет на характер образующейся древесины, хотя невозможно сформулировать правило, регулирующее ее. В общем, там, где прочность или легкость обработки имеют важное значение, следует выбирать древесину умеренного или медленного роста.
В кольцепористой древесине прирост каждого сезона всегда хорошо выражен, поскольку крупные поры, образовавшиеся в начале сезона, примыкают к более плотной ткани предыдущего года.
В случае кольцепористых лиственных пород, по-видимому, существует довольно определенная связь между скоростью роста древесины и ее свойствами. Это можно кратко суммировать в общем утверждении, что чем быстрее рост или шире кольца роста, тем тяжелее, тверже, прочнее и жестче древесина. Это, следует помнить, относится только к кольцепористым породам древесины, таким как дуб, ясень, гикори и другим из той же группы, и, конечно, подлежит некоторым исключениям и ограничениям.
В кольцепористой древесине хорошего роста обычно поздняя древесина, в которой толстостенные, прочные волокна наиболее распространены. По мере уменьшения ширины кольца эта поздняя древесина уменьшается, так что очень медленный рост дает сравнительно легкую, пористую древесину, состоящую из тонкостенных сосудов и древесной паренхимы. В хорошем дубе эти крупные сосуды ранней древесины занимают от шести до десяти процентов объема бревна, тогда как в худшем материале они могут составлять 25% и более. Поздняя древесина хорошего дуба темного цвета и прочная, и состоит в основном из толстостенных волокон, которые составляют половину или более древесины. В худшем дубе эта поздняя древесина значительно уменьшена как по количеству, так и по качеству. Такое изменение в значительной степени является результатом скорости роста.
Ширококольцевую древесину часто называют «вторичным ростом», потому что рост молодой древесины в открытых насаждениях после удаления старых деревьев происходит быстрее, чем у деревьев в закрытом лесу, и при изготовлении изделий, где прочность является важным фактором, предпочтение отдается такому «вторичному» твердому материалу. Это особенно касается выбора гикори для ручек и спиц . Здесь важны не только прочность, но и жесткость и упругость. [11]
Результаты серии испытаний гикори, проведенных Лесной службой США, показывают, что:
Влияние скорости роста на качество древесины каштана резюмируется тем же авторитетным источником следующим образом:
В диффузно-пористой древесине граница между кольцами не всегда столь четкая, а в некоторых случаях почти (если не полностью) невидима невооруженным глазом. Наоборот, при четкой границе может не быть заметной разницы в структуре внутри годичного кольца.
В диффузно-пористой древесине, как уже было сказано, сосуды или поры имеют одинаковый размер, так что способность проводить воду рассеивается по всему кольцу, а не собирается в ранней древесине. Поэтому влияние скорости роста не такое, как в кольце-пористой древесине, приближаясь больше к условиям хвойных пород. В целом можно сказать, что такая древесина среднего роста дает более прочный материал, чем при очень быстром или очень медленном росте. Во многих случаях использования древесины общая прочность не является основным соображением. Если ценится простота обработки, древесину следует выбирать с учетом ее однородности текстуры и прямолинейности волокон, что в большинстве случаев происходит, когда нет большого контраста между поздней древесиной роста одного сезона и ранней древесиной следующего.
_in_Klaten,_Java.jpg/1280px-Gelugu_(coconut_wood)_in_Klaten,_Java.jpg)
Конструкционный материал, который напоминает обычную, «двудольную» или хвойную древесину по своим общим характеристикам обработки, производится рядом однодольных растений, и их также в разговорной речи называют древесиной. Из них бамбук , ботанически являющийся членом семейства злаковых, имеет значительное экономическое значение, более крупные стебли широко используются в качестве строительного и конструкционного материала, а также в производстве инженерных напольных покрытий, панелей и шпона . Другая крупная группа растений, которая производит материал, который часто называют древесиной, — это пальмы . Гораздо меньшее значение имеют такие растения, как панданус , драцена и кордилина . При всем этом материале структура и состав обработанного сырья существенно отличаются от обычной древесины.
Единственным наиболее показательным свойством древесины как индикатора качества древесины является удельный вес (Timell 1986), [23] , поскольку он определяет как выход целлюлозы, так и прочность пиломатериалов. Удельный вес — это отношение массы вещества к массе равного объема воды; плотность — это отношение массы количества вещества к объему этого количества и выражается в массе на единицу вещества, например, граммы на миллилитр (г/см3 или г/мл). Термины по сути эквивалентны, если используется метрическая система. После высыхания древесина сжимается, а ее плотность увеличивается. Минимальные значения связаны с сырой (насыщенной водой) древесиной и называются базовым удельным весом (Timell 1986). [23]
Лаборатория лесной продукции США перечисляет различные способы определения удельного веса (G) и плотности (ρ) древесины: [24]
FPL принял G b и G 12 для удельного веса в соответствии со стандартом ASTM D2555 [25] . Они полезны с научной точки зрения, но не представляют никаких условий, которые могли бы физически возникнуть. Справочник FPL Wood Handbook также содержит формулы для приблизительного преобразования любого из этих измерений в любое другое.
Плотность древесины определяется многочисленными факторами роста и физиологическими факторами, объединенными в «одну довольно легко измеряемую характеристику древесины» (Эллиотт, 1970). [26]
Возраст, диаметр, высота, радиальный (стволовой) рост, географическое положение, место и условия роста, лесоводческая обработка и источник семян — все это в некоторой степени влияет на плотность древесины. Следует ожидать вариаций. Внутри отдельного дерева вариации плотности древесины часто столь же велики или даже больше, чем между разными деревьями (Timell 1986). [23] Изменчивость удельного веса внутри ствола дерева может происходить как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Поскольку удельный вес, как определено выше, использует нереалистичные условия, плотники склонны использовать «средний сухой вес», который является плотностью, основанной на массе при содержании влаги 12% и объеме при том же (ρ 12 ). Это состояние возникает, когда древесина находится при равновесном содержании влаги с воздухом при относительной влажности около 65% и температуре 30 °C (86 °F). Эта плотность выражается в единицах кг/м 3 или фунт/фут 3 .
В следующих таблицах перечислены механические свойства пород древесины и пиломатериалов, включая бамбук. См. также Механические свойства тоновых пород для дополнительных свойств.
Свойства древесины: [27] [28]
Свойства бамбука: [29] [28]
Древесину принято классифицировать как мягкую или твердую . Древесина хвойных пород (например, сосны) называется мягкой древесиной, а древесина двудольных (обычно широколиственных деревьев, например, дуба) называется твердой древесиной. Эти названия немного вводят в заблуждение, поскольку твердая древесина не обязательно твердая, а мягкая древесина не обязательно мягкая. Хорошо известная бальса (твердая древесина) на самом деле мягче любой коммерческой мягкой древесины. И наоборот, некоторые мягкие породы древесины (например, тис ) тверже многих твердых пород древесины.
Существует тесная связь между свойствами древесины и свойствами конкретного дерева, которое ее дало, по крайней мере, для определенных видов. Например, у ладанной сосны воздействие ветра и положение ствола сильно влияют на твердость древесины, а также на содержание сжатой древесины. [30] Плотность древесины варьируется в зависимости от вида. Плотность древесины коррелирует с ее прочностью (механическими свойствами). Например, красное дерево — это твердая древесина средней плотности, которая отлично подходит для изготовления мебели, тогда как бальза легкая, что делает ее полезной для изготовления моделей . Одной из самых плотных пород древесины является черное железное дерево .
Химический состав древесины варьируется от вида к виду, но составляет приблизительно 50% углерода, 42% кислорода, 6% водорода, 1% азота и 1% других элементов (в основном кальция , калия , натрия , магния , железа и марганца ) по весу. [31] Древесина также содержит серу , хлор , кремний , фосфор и другие элементы в небольшом количестве.
Помимо воды, древесина состоит из трех основных компонентов. Целлюлоза , кристаллический полимер, полученный из глюкозы, составляет около 41–43%. Следующей по распространенности является гемицеллюлоза , которая составляет около 20% в лиственных деревьях, но около 30% в хвойных. В основном это пятиуглеродные сахара , которые связаны нерегулярным образом, в отличие от целлюлозы. Лигнин является третьим компонентом, его содержание в хвойной древесине составляет около 27% по сравнению с 23% в лиственных деревьях. Лигнин придает гидрофобные свойства, отражающие тот факт, что он основан на ароматических кольцах . Эти три компонента переплетены, и между лигнином и гемицеллюлозой существуют прямые ковалентные связи. Основным направлением бумажной промышленности является отделение лигнина от целлюлозы, из которой изготавливается бумага.
С химической точки зрения, разница между твердой и мягкой древесиной отражается в составе лигнина . Лигнин твердой древесины в основном получен из синапилового спирта и кониферилового спирта . Лигнин мягкой древесины в основном получен из кониферилового спирта. [32]
Помимо структурных полимеров , то есть целлюлозы , гемицеллюлозы и лигнина ( лигноцеллюлозы ), древесина содержит большое количество неструктурных компонентов, состоящих из низкомолекулярных органических соединений , называемых экстрактивными веществами . Эти соединения присутствуют во внеклеточном пространстве и могут быть извлечены из древесины с использованием различных нейтральных растворителей , таких как ацетон . [33] Аналогичное содержание присутствует в так называемом экссудате, вырабатываемом деревьями в ответ на механическое повреждение или после нападения насекомых или грибков . [34] В отличие от структурных компонентов, состав экстрактивных веществ варьируется в широких пределах и зависит от многих факторов. [35] Количество и состав экстрактивных веществ различаются между видами деревьев, различными частями одного и того же дерева и зависят от генетических факторов и условий роста, таких как климат и география. [33] Например, более медленно растущие деревья и более высокие части деревьев имеют более высокое содержание экстрактивных веществ. Как правило, мягкая древесина богаче экстрактивными веществами, чем твердая древесина . Их концентрация увеличивается от камбия к сердцевине . Кора и ветви также содержат экстрактивные вещества. Хотя экстрактивные вещества составляют небольшую часть содержания древесины, обычно менее 10%, они чрезвычайно разнообразны и, таким образом, характеризуют химию древесных пород. [36] Большинство экстрактивных веществ являются вторичными метаболитами, и некоторые из них служат предшественниками других химических веществ. Экстрактивные вещества древесины проявляют различную активность, некоторые из них вырабатываются в ответ на раны, а некоторые из них участвуют в естественной защите от насекомых и грибков. [37]
Эти соединения способствуют различным физическим и химическим свойствам древесины, таким как цвет древесины, аромат, долговечность, акустические свойства, гигроскопичность , адгезия и высыхание. [36] Учитывая эти воздействия, экстракты древесины также влияют на свойства целлюлозы и бумаги и, что важно, вызывают множество проблем в бумажной промышленности . Некоторые экстракты являются поверхностно-активными веществами и неизбежно влияют на поверхностные свойства бумаги, такие как адсорбция воды, трение и прочность. [33] Липофильные экстракты часто приводят к образованию липких отложений во время сульфатной варки целлюлозы и могут оставлять пятна на бумаге. Экстракты также отвечают за запах бумаги, что важно при изготовлении материалов, контактирующих с пищевыми продуктами .
Большинство экстрактивных веществ древесины липофильны , и только небольшая часть растворима в воде. [34] Липофильная часть экстрактивных веществ, которая в совокупности называется древесной смолой , содержит жиры и жирные кислоты , стерины и стериловые эфиры, терпены , терпеноиды , смоляные кислоты и воски . [38] Нагревание смолы, т. е. дистилляция , испаряет летучие терпены и оставляет твердый компонент – канифоль . Концентрированная жидкость летучих соединений, извлеченная во время паровой дистилляции, называется эфирным маслом . Дистилляция живицы , полученной из многих сосен, дает канифоль и скипидар . [39]
Большинство экстрактивных веществ можно разделить на три группы: алифатические соединения , терпены и фенольные соединения . [33] Последние более растворимы в воде и обычно отсутствуют в смоле.
.svg/1280px-World_Production_Of_Roundwood_By_Type,_Main_Producers_(2021).svg.png)
Мировое производство круглого леса выросло с 3,5 млрд м³ в 2000 году до 4 млрд м³ в 2021 году. В 2021 году основным продуктом было древесное топливо с долей в 49 процентов от общего объема (2 млрд м³ ) , за которым следовали хвойные деловые круглые леса с 30 процентами (1,2 млрд м³ ) и лиственные деловые круглые леса с 21 процентом (0,9 млрд м³ ) . Азия и Америка являются двумя основными регионами-производителями, на которые приходится 29 и 28 процентов от общего объема производства круглого леса соответственно; Африка и Европа имеют схожие доли в 20–21 процент, в то время как Океания производит оставшиеся 2 процента. [43]
Древесина имеет долгую историю использования в качестве топлива, [44] которая продолжается и по сей день, в основном в сельских районах мира. Твердая древесина предпочтительнее мягкой, потому что она создает меньше дыма и горит дольше. Добавление дровяной печи или камина в дом часто ощущается как добавление атмосферы и тепла.
Балансовая древесина — это древесина, выращиваемая специально для производства бумаги.
.svg/1280px-Importers_And_Exporters_Of_Forest_Products_(2021).svg.png)
Древесина была важным строительным материалом с тех пор, как люди начали строить убежища, дома и лодки. Почти все лодки были сделаны из дерева до конца 19 века, и древесина по-прежнему широко используется в строительстве лодок. В частности, для этой цели использовался вяз , поскольку он противостоял гниению, пока оставался влажным (он также служил для водопроводных труб до появления более современной сантехники).
Древесина, используемая для строительных работ, в Северной Америке обычно известна как пиломатериал . В других местах пиломатериалом обычно называют срубленные деревья, а слово для обозначения распиленных досок, готовых к использованию, — timber . [46] В Средневековой Европе дуб был предпочтительным деревом для всех деревянных конструкций, включая балки, стены, двери и полы. Сегодня используется более широкий ассортимент древесины: двери из массива дерева часто изготавливаются из тополя , мелкосучковой сосны и пихты Дугласа .
_(1714_%D0%B3.)_01.JPG/1280px-%D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%86%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8C_(%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F)_(1714_%D0%B3.)_01.JPG)
Новое жилое жилье во многих частях мира сегодня обычно строится из деревянных каркасных конструкций. Изделия из конструкционной древесины становятся все большей частью строительной отрасли. Они могут использоваться как в жилых, так и в коммерческих зданиях в качестве структурных и эстетических материалов.
В зданиях, построенных из других материалов, древесина по-прежнему будет использоваться в качестве несущего материала, особенно в конструкциях крыш, во внутренних дверях и их рамах, а также в качестве наружной облицовки.
Древесина также широко используется в качестве опалубочного материала для создания форм, в которые заливается бетон при строительстве железобетонных конструкций .
Пол из массива дерева — это пол, уложенный досками или рейками, изготовленными из цельного куска древесины, обычно твердой породы. Поскольку древесина гигроскопична (она впитывает и теряет влагу из окружающих условий), эта потенциальная нестабильность фактически ограничивает длину и ширину досок.
Полы из массива твердой древесины обычно дешевле, чем из клееной древесины, а поврежденные участки можно шлифовать и покрывать лаком многократно, причем количество повторений ограничивается только толщиной древесины над шпунтом.
Полы из массива твердой древесины изначально использовались в качестве структурных элементов, их устанавливали перпендикулярно деревянным опорным балкам здания (балкам или прогонам), а массивная строительная древесина до сих пор часто используется для спортивных полов, а также для большинства традиционных деревянных блоков, мозаики и паркета .
Изделия из инженерной древесины, клееные строительные изделия, «спроектированные» для конкретных эксплуатационных требований, часто используются в строительстве и промышленности. Изделия из клееной инженерной древесины производятся путем склеивания вместе древесных нитей, шпона, пиломатериалов или других форм древесного волокна с помощью клея для формирования более крупного, более эффективного составного структурного блока. [47]
К этим продуктам относятся клееный брус (glulam), деревянные конструкционные панели (включая фанеру , ориентированно-стружечные плиты и композитные панели), клееный брус из шпона (LVL) и другие конструкционные композитные пиломатериалы (SCL), пиломатериалы с параллельными стружками и двутавровые балки. [47] Около 100 миллионов кубических метров древесины было израсходовано на эти цели в 1991 году. [4] Тенденции показывают, что ДСП и ДВП обгонят фанеру.
Древесина, непригодная для строительства в своем естественном виде, может быть разложена механически (на волокна или стружку) или химически (на целлюлозу) и использована в качестве сырья для других строительных материалов, таких как инженерная древесина, а также ДСП , ДВП и древесноволокнистая плита средней плотности (МДФ). Такие производные древесины широко используются: древесные волокна являются важным компонентом большинства видов бумаги, а целлюлоза используется в качестве компонента некоторых синтетических материалов . Производные древесины могут использоваться для различных видов напольных покрытий, например, ламината .
Древесина всегда широко использовалась для изготовления мебели , например, стульев и кроватей. Она также используется для изготовления ручек инструментов и столовых приборов, например, палочек для еды , зубочисток и других принадлежностей, например, деревянной ложки и карандаша .
Дальнейшие разработки включают новые приложения лигнинового клея, перерабатываемую упаковку для пищевых продуктов, приложения для замены резиновых шин, антибактериальные медицинские средства и высокопрочные ткани или композиты. [48] По мере того, как ученые и инженеры будут продолжать изучать и разрабатывать новые методы извлечения различных компонентов из древесины или, в качестве альтернативы, модификации древесины, например, путем добавления компонентов к древесине, на рынке появятся новые более совершенные продукты. Электронный мониторинг содержания влаги также может улучшить защиту древесины следующего поколения. [49]
Дерево издавна использовалось в качестве художественного материала . Оно использовалось для создания скульптур и резьбы на протяжении тысячелетий. Примерами служат тотемные столбы, вырезанные североамериканскими коренными народами из стволов хвойных деревьев, часто из западного красного кедра ( Thuja plicata ).
Другие области применения древесины в искусстве включают:
Многие виды спортивного инвентаря сделаны из дерева или были сделаны из дерева в прошлом. Например, биты для крикета обычно сделаны из белой ивы . Бейсбольные биты , которые разрешены для использования в Главной лиге бейсбола , часто сделаны из ясеня или гикори , а в последние годы их делают из клена , хотя эта древесина несколько более хрупкая. Площадки Национальной баскетбольной ассоциации традиционно сделаны из паркета .
Многие другие виды спортивного и развлекательного инвентаря, такие как лыжи , хоккейные клюшки , клюшки для лакросса и луки для стрельбы из лука , в прошлом обычно изготавливались из дерева, но с тех пор были заменены более современными материалами, такими как алюминий, титан или композитные материалы, такие как стекловолокно и углеродное волокно . Одним из примечательных примеров этой тенденции является семейство клюшек для гольфа , обычно известных как вуды , головки которых традиционно изготавливались из древесины хурмы в ранние дни игры в гольф, но теперь они, как правило, изготавливаются из металла или (особенно в случае драйверов ) композитов из углеродного волокна.
Мало что известно о бактериях, которые разлагают целлюлозу. Симбиотические бактерии в Xylophaga могут играть роль в разложении затонувшей древесины. Alphaproteobacteria , Flavobacteria , Actinomycetota , Clostridia и Bacteroidota были обнаружены в древесине, погруженной в воду более года. [50]
В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия CC BY-SA IGO 3.0 (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из World Food and Agriculture – Statistical Yearbook 2023, FAO, FAO.
Термин «ядро» происходит исключительно от его положения, а не от какой-либо жизненно важной важности для дерева, поскольку дерево может процветать с полностью сгнившей сердцевиной.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
