Основным потребителем канифоли является мыловаренная промышленность, где она используется для изготовления хозяйственного мыла. Канифольный клей используется в больших количествах для склеивания бумаги. Глицериновый эфир канифоли добавляют в нитроакриловые смолы для получения глянцевого покрытия. Канифоль используется в приготовлении электроизоляционных материалов, в производстве синтетического каучука и т.д. Каучук из лиственницы имеет высокую промышленную ценность. Камедь извлекают из измельченной древесины подкисленной водой (концентрация уксусной кислоты 0,2%) при температуре 30°. После выпаривания до концентрации 60-70% получается товарный продукт. Древесина используется в текстильной промышленности для производства красителей и печатной и бумажной продукции.
Химический состав древесины
Химический состав древесины не зависит от ее породы. Органическое вещество абсолютно сухой древесины содержит в среднем %: 49,5 —углерод (С); 44,2 — кислород с примесью азота (O + N); 6,3 — водород (Н). Эти химические элементы образуют в древесине сложные соединения, %: целлюлоза – высокомолекулярный линейный полимер 48…. .56; гемицеллюлоза – более сложный полимер, чем целлюлоза, 23…26 и лигнин – вещество со сложной макромолекулярной структурой 26. 30 Все вышеперечисленные вещества входят в состав клеточных мембран. Помимо них, древесина также содержит неорганические соединениясоединения, которые при сгорании образуют золу. Остальные соединения называются экстракты – извлекаемые из древесины различными способами (смолы, эфирные масла, дубильные вещества).
Древесина обладает следующими физическими свойствами, важными для строительства.
Плотность. Зависит от породы и влажности и составляет (кг/м3 ): для свежесрубленной древесины – 1000; для высушенной до стандартной влажности 12% – 500; для лиственницы – 650; для березы – 700.
Теплопроводность. Древесина плохо проводит тепло благодаря своей трубчатой структуре. Теплопроводность вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Низкая теплопроводность поперечных волокон (0,12 Вт/(м – °C)) позволяет использовать древесину в конструкциях деревянной обшивки.
Температурное расширение. Изменение размеров древесины при нагревании представлено коэффициентом линейного расширения (a). Коэффициент вдоль волокон составляет 4 – 10~6, а поперек волокон – 11 – 10 -6 (1/°C). Эти коэффициенты расширения не учитываются при проектировании конструкций из-за их малого значения.
Цвет – Важная характеристика внешнего вида древесины, которая принимается во внимание при выборе породы для внутренней отделки или изготовления мебели. Основное вещество древесины, целлюлоза, имеет практически белый цвет. Все многообразие цветовых оттенков древесине придают красители, дубильные вещества и смолы.
Механические свойства древесины
Механические свойства древесины характеризуются прочность –устойчивость к механическим повреждениям; жесткость – устойчивость к изменению размеров и формы твердость – сопротивление проникновению других твердых тел прочность – способность воспринимать ударную работу. Механические свойства древесины зависят от ряда факторов.
Влияние продолжительности нагрузки
Влияние продолжительности нагрузки на прочность древесины изучал профессор Ф. Вендельштейн. Ф. П. Белянкиным в 1931-1934 годах, и было установлено, что древесина обладает свойствамиползучесть, т.е. при приложении постоянной нагрузки в древесине нарастает деформация, которая со временем прекращается (отступает), если нагрузка не превышает определенного предела. При этом при снятии нагрузки часть (упругой) деформации исчезает сразу, другая часть (упругой) постепенно, а остаточная деформация остается. Однако, если нагрузка превышает определенный предел, деформация в деревянном элементе увеличивается до тех пор, пока образец не разрушится. Предел постоянной прочности образца древесины это максимальное напряжение, которое не приведет к разрушению образца древесины в течение длительного времени под нагрузкой. Изменение предела прочности древесины при растяжении с течением времени наглядно иллюстрируется кривой длительной прочности (рис. 2.3, а).
Современные исследования длительной прочности древесины с позиций кинетической концепции прочности твердых тел были начаты проф. В ходе лекций будут рассмотрены основные закономерности длительной прочности древесины.
Влияние угла между силой и направлением волокон древесины
Древесина обладает выраженной анизотропией строения: при изменении угла между направлением действующей силы и направлением волокон древесины от 0 до 90° расчетная прочность древесины на сжатие и растяжение по всей поверхности уменьшается примерно в 7 раз, например, с 13 до 1,8 МПа для сорта 2 (рис. 2.3, б).
Лигнин.
Помимо углеводов (целлюлозы и гемицеллюлозы), клеточная мембрана содержит ароматическое соединение – лигнин, который отличается высоким содержанием углерода. Целлюлоза содержит 44,4% углерода, а лигнин – 60-66%. Лигнин менее устойчив, чем целлюлоза, и легко растворяется при воздействии на древесину горячих щелочей, водных растворов серной кислоты или кислых солей. Он является основой для производства технической целлюлозы. Лигнин получают в качестве отхода при растворении сульфитной и сульфатной целлюлозы и при гидролизе древесины. Лигнин, содержащийся в черных щелоках, в основном сжигается в процессе регенерации.
Лигнин используется как пылевидное топливо, заменитель дубильных веществ, в производстве почвообразующего крепежа (в литейной промышленности), пластических масс, искусственных смол, для получения активированного угля, ванилина и др. Однако вопрос о полном квалифицированном химическом использовании лигнина еще не решен. Из других органических веществ древесины наибольшее промышленное применение находят смолы и дубильные вещества.
Смолы.
Эту группу веществ обычно делят на нерастворимые в воде смолы (жидкие и твердые) и камеди, содержащие водорастворимые камеди. Наиболее важной из жидких смол является живица, которую получают из древесины (иногда коры) хвойных деревьев путем обрезки. Обрезка сосны и кедра производится следующим образом. Осенью в грубо ошкуренном участке ствола специальными инструментами делается вертикальный паз, а когда весенняя погода прогреется, полосы коры и древесины, направленные под углом 30° к пазу, систематически удаляются, и образуется так называемый подвой. Подрост обычно имеет глубину 3-5 мм. Рана, нанесенная дереву во время подроста, называется карра (рис. 29).
Из прорезанных смоляных каналов живица под давлением 10-20 атм стекает в подлесок и по желобку попадает в приемник. После нанесения четырех-пяти впусков живицу из конического коллектора удаляют стальным шпателем. Для увеличения выхода живицы на поверхность свежевскрытой древесины наносят химические стимуляторы (отбеливатель или серную кислоту).
Рисунок 29: Схема обрезки сосны: 1 – тушка; 2 – живичный приемник.
Ель обрезают путем нанесения карры в виде узких продольных полос. Для получения живицы лиственницы каналы просверливаются вглубь ствола до тех пор, пока не встретятся большие смоляные "карманы", которые часто образуются в нижней части ствола. Живица лиственницы высоко ценится и используется в лакокрасочной промышленности для производства лучших лаков и эмалей. Живицу пихты добывают из "волдырей", которые образуются на коре. Живицу из проколотых пузырей прессуют в портативных приемниках. Живица пихты по своим свойствам напоминает канадский бальзам и используется в оптике, микроскопной технике и т.д.
Сосновая живица добывается в самых больших количествах; она представляет собой прозрачную смолистую жидкость с характерным сосновым запахом. Живица застывает на воздухе и превращается в рассыпчатую, беловатую массу – баррас. Сосновая живица, полученная при обрезке, содержит около 75% канифоли и 19% скипидара, остальное – вода. Живицу можно рассматривать как раствор твердых смоляных кислот (канифоли) в жидком терпентиновом масле (скипидаре). Живица перерабатывается на скипидарных заводах и включает в себя перегонку летучей части (скипидара) с водяным паром. Оставшаяся нелетучая часть представляет собой канифоль.
Методы проверки химических свойств древесины
С химической точки зрения древесина представляет собой сложную смесь органических соединений и минералов. Основное содержание определяется структурными компонентами или веществами, из которых состоит древесная ткань. К ним относятся лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза. Химический состав хвойных деревьев отличается от состава лиственных. Количественные доказательства получают с помощью современных методов тестирования.
В настоящее время наиболее информативными считаются методы технологической инфракрасной спектроскопии. Ученые разработали современные методы, включая специальные методы подготовки образцов к измерению. Полный химический анализ сочетает в себе ряд классических и специальных методов. Они различаются в научных исследованиях и в обычных производственных условиях (например, в деревообрабатывающей промышленности, где знание свойств древесины является необходимым).
Обычно используются прямые и косвенные методы: в первом случае компоненты выделяют в чистом виде, полученном химическим воздействием в ходе специфических реакций (в процессе могут появляться примеси). Косвенные методы (подразделяются на три отдельные группы) основаны на расчетах разницы в содержании компонентов после проведения необходимых реакций. Количественная оценка химического состава основана на выборе измеряемого параметра.
В электрохимических методах это электрические параметры (проводимость, ток, электродный потенциал). Оптические методы изучают взаимодействие света с древесиной и регистрируют поглощение, отражение и рассеяние. В хроматографии отслеживается динамика разделения исследуемых смесей. Состав древесины (практически одинаковый для каждой породы) включает: 6,3% водорода, 50% углерода, 44,2% кислорода, 0,12% азота. Состав главного ствола и ветвей отличается незначительно.
Изучение структурных компонентов
Структурные компоненты клеток древесины не являются обычной смесью, а объединены в высокомолекулярные соединения, полимеры, которые трудно выделить. Почти 99% состава древесины – это органические вещества: углеводы, которые в основном представлены полисахаридами, составляющими четверть процента.
К ним относятся нерастворимая в воде целлюлоза (95 процентов от общей массы), крахмал и пектиновые соединения. Около 30 процентов древесной ткани содержит ароматические соединения с фенольными гидроксильными группами, называемые лигнином. Они нерастворимы во многих растворителях и имеют высокую молекулярную массу. Для изучения свойств такого соединения требуются специальные методы.
Интересные результаты получены при анализе структурных компонентов различных частей дерева. Таким образом, было доказано, что зола от сжигания коры содержит больше лигнина, но меньше целлюлозы, и что процентное содержание лигнина в хвойных породах зависит от почвенных условий.
Содержание минералов (неорганических веществ в виде растворимых и нерастворимых солей) чаще всего проверяется после сжигания древесины. Их общее значение не превышает 1% по весу. Основным структурным компонентом древесины является целлюлоза, на долю которой приходится до 50% сухого веса. Этот природный материал служит скелетом, матрицей для клеточных стенок, которые меняются в процессе роста дерева.
Существуют вещества, которые можно извлечь путем экстракции (под действием определенных растворителей). К ним относятся эфирные масла, дубильные вещества, смолы, пектины, жиры и пигменты. Благодаря их содержанию древесина обладает запахом, вкусом, цветом и некоторыми бактерицидными свойствами.
Экстрактивные соединения занимают 3-5% по весу и не входят в состав клеточных стенок (они могут только пропитывать их), а находятся в межклеточном пространстве. В хвойных деревьях в основном распространены смолы. Однако они не присутствуют в лиственных породах.
Механические свойства
Чтобы оценить способность материала сопротивляться внешним силам, существует ряд параметров, которые называются механическими свойствами.
Прочность
Возможно, самой важной характеристикой древесины является ее устойчивость к разрушению под нагрузкой. Различают прочность на сжатие, растяжение и изгиб.
Характерной особенностью древесных материалов является очень низкая прочность при растяжении поперек волокон. По сравнению с продольной прочностью она в 20 раз ниже. Например, средняя прочность на растяжение в продольном направлении составляет 1300 кг/м3 , а в поперечном – всего 65 кг/м3 .
Древесные материалы ведут себя более или менее одинаково при сжатии и изгибе. Прочность на сжатие в продольном направлении волокна составляет 500 кг/м3 , а в поперечном направлении – около 7 кг/м3 . При изгибе в продольном направлении средняя прочность составляет 1000 кг/м3 , то есть в два раза больше, чем при продольном сжатии.
Твердость
Под твердостью понимается сопротивление древесины проникновению тел более высокой твердости. Эта характеристика оказывает существенное влияние не только на истирание при эксплуатации, но и на способность материала обрабатываться: пилиться, фрезероваться, сверлиться и т.д.
По твердости все породы древесины делятся на три группы:
- мягкая: до 385 кг/см2 ;
- твердые: от 386 до 835 кг/см2 ;
- очень твердые: свыше 836 кг/см2 .
Первая группа включает как лиственные, так и мягколиственные породы: сосна, липа, ольха, ель, пихта, тополь и другие. Во второй группе преобладают лиственные породы: бук, клен, яблоня, береза, ясень, лиственница и др. Среди очень лиственных пород совсем нет хвойных: самшит, граб, белая акация и др.
Применение древесины
Древесина сопровождает человечество на протяжении всей его истории. На протяжении тысячелетий люди строили, украшали и отапливали свои дома в основном с помощью этого материала. До научно-технической революции вся мебель изготавливалась исключительно из дерева, а в повседневной жизни использовались деревянные игрушки, прялки, разделочные доски, валики, кочерги, штурвалы, шутихи и многое другое.
В течение нескольких десятилетий этот замечательный материал вытесняли пластик и металл, но сегодня он снова в моде, и все больше людей предпочитают жить в деревянных домах или отделывать комнаты обшивкой и блоками, покупая мебель из массива дерева.
Переработка
Помимо очевидных способов использования древесины, существует множество способов ее переработки. Один из самых известных – производство композитных материалов: ДСП, ДВП и ориентированно-стружечных плит. Они производятся путем прессования опилок или древесных волокон при температуре около + 170 °C. В качестве связующего используются синтетические полимеры.
Фанере тысячи лет – похожий материал был обнаружен при раскопках в Древнем Египте в 15-16 веках до нашей эры. Сегодня она производится путем прессования нескольких разнонаправленных слоев шпона – тонких листов древесины.