Структура. Свойства древесины различных пород зависят от ее макро- и микроскопического строения. На поперечном разрезе ствола можно различить ядро (спелая древесина) и заболонь (живая периферийная часть ствола). Ширина заболони зависит от породы, возраста, условий произрастания дерева и положения разреза по длине ствола. Древесина сучков молодых ветвей состоит из одной заболони, а основания уже отмерших ветвей — из спелой древесины. Большинство пород имеет четко выраженное слоистое строение, связанное с сезонной периодичностью прироста древесины. В каждом годичном кольце различают раннюю и позднюю зоны. Ширина годового кольца и соотношение между ранней и поздней зонами древесины зависят от породы, условий роста, возраста дерева. Поздняя древесина примерно в 2,5.. .3 раза плотнее и прочнее ранней. Для некоторых лиственных пород характерным признаком макростроения являются сердцевинные лучи и сосуды. Ширина сердцевинных лучей 0,05. ..1,0 мм. Сосуды — полости в виде трубок — бывают крупные и мелкие. Крупные сосуды (диаметром 0,2.. .0,4 мм) чаще сосредоточены в ранней зоне, мелкие (диаметром 0,016...0,10 мм) рассеяны по всему слою. Смоляные ходы (каналы, наполненные смолой) бывают только у хвойных пород. Диаметр смоляного хода составляет 0,14...0,09 мм. Микроскопический анализ показывает, что древесина состоит из клеток округлой или многогранной формы. Размеры клеток в поперечном сечении 0,01. ..0,1 мм, в продольном — от 0,1 до 8 мм. Строение клеток различных пород и зон древесины существенно отличается. Совокупность клеток одинакового строения и одного функционального назначения образует различные ткани (механические, проводящие, запасающие и др.). Основную долю объема хвойной древесины (до 90 % и выше) составляют трахеиды (сильно вытянутые волокна с одревесневшими стенками), выполняющие механическую и проводящую функции. У лиственных пород основная механическая ткань — либриформ. Волокна либриформа составляют 35...75% объема древесины ствола.
Химический состав. Не менее чем на 99 % древесина состоит из органических соединений, элементный химический состав которых практически одинаков для всех пород (50 % углерода, 43% кислорода, около 6% водорода и менее 1% азота). Неорганические вещества, остающиеся после сжигания древесины, составляют от 0,1 до 1 °/о. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, фосфор, сера и другие элементы.
Основные составляющие органических соединений клеточных стенок древесины — это целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы, процентное содержание которых в древесине хвойных и лиственных пород различно: Породы Хвойные Лиственные Целлюлоза 41 ... 58 39 ... 47 Лигнин 28 ... 34 17 ... 27 Гемицеллюлозы 15 ... 23 10 ... 38 Целлюлоза (С6Н10О5) обладает упорядоченной (кристаллической) структурой. Степень кристалличности достигает 70%. При нагревании до температуры разложения она сохраняет свойство стеклообразного тела. Целлюлоза — химически стойкое вещество, не растворимое в воде и большинстве органических растворителей. Прочность выделенной в чистом виде целлюлозы очень высока — до 250.. .600 МПа. Гемицеллюлозы — группа полимеров, содержащихся в клеточных стенках древесины. По строению они близки к целлюлозе, но длина их молекул, молекулярная масса и механические показатели намного меньше. Лигнин — высокомолекулярное ароматическое соединение — представляет собой аморфный полимер сложного и до конца еще не выясненного строения. Он содержит значительно меньше кислорода и больше углерода, чем целлюлоза. Химически лигнин менее стоек. Древесина содержит также группу веществ, которые могут быть извлечены из нее путем экстракции (дубильные вещества, смолы, смоляные и жирные кислоты). Количество экстрагируемых продуктов зависит от породы, вида растворителя, условий экстракции. Под действием высоких температур древесина термически разлагается. При нагревании без доступа воздуха происходит пиролиз. При нагреве и ограниченном доступе воздуха кроме пиролиза происходит газификация древесины. Процесс пиролиза протекает в несколько стадий: нагрев до 120. ..150 °С сопровождается главным образом испарением воды, при 150. ..275 °С начинается частичное разложение древесины, в первую очередь гемицеллюлоз; при 275.. .450 °С происходят основные реакции распада, сопровождающиеся выделением теплоты. Выход продуктов (в % от массы абсолютно сухой древесины) при пиролизе зависит от породы древесины: Породы Сосна Береза Газы 18 15 Уксусная кислота 3 7 Метиловый спирт 0,85 1,6 Смола 7 6 Обобщающей характеристикой химических свойств древесины как материала, в первом приближении может служить кислотное число рН: ясень 7,0, бук 6,9, береза 6,0, дуб 5,1, сосна 5,5, орех 4,5. Физические свойства. Плотность — важнейший показатель физических свойств древесины, с которым тесно коррелируются многие физико-механические ее свойства. Плотность древесинного вещества, образующего стенки клеток, практически не зависит от породы и составляет около 1,53 г/см3. Плотность древесины меньше, так как она содержит поры и другие пустоты. Средние значения плотности древесины при влажности 12 % для наиболее распространенных пород следующие, кг/м3: ель 445, липа 495, сосна 500, береза 630, лиственница 660, бук 670, ясень 680, клен 690, граб 800. Следует помнить, что ввиду неравномерности распределения механических тканей по ширине годичного слоя, по радиусу и длине ствола древесина характеризуется малой равноплотиостью, особенно у таких пород, как лиственница, сосна, дуб, ясень и других отличающихся резкой разницей в строении ранней и поздней зон. К теплофизическим свойствам древесины, относятся коэффициенты удельной теплоемкости С, теплопроводности, и температурная проводимост а. Удельная теплоемкость не зависит от породы и для абсолютно сухой древесины С=1,55 кДж/(кг -°С). Теплопроводность зависит от многих факторов, но в первую очередь от плотности древесины и направления теплового потока. Значение коэффициента теплопроводности поперек волокон практически пропорционально плотности абсолютно сухой древесины и составляет —(0,1. . .0,2) Вт/(м °С) при изменении плотности от 400 до 700 кг/'м3. Теплопроводность вдоль волокон в 2,2 раза выше, чем в радиальном направлении. Исключение составляет древесина бука и дуба, в которой из-за сильно развитых сердцевинных лучей теплопроводность в тангенциальном направлении составляет 0,87, а в продольном 1,6 от теплопроводности в радиальном направлении. Для всех пород в направлений тепловых потоков теплопроводность древесины невелика, в силу чего древесина является хорошим теплоизоляционным материалом. Температуропроводность а. м2/с, однозначно определяется теплопроводностью и плотностью древесины. По электрическим свойствам древесина может быть отнесена к диэлектрикам: удельное объемное сопротивление, например березы, составляет 4,2*1010 Ом*см вдоль волокон и8,6* 1011Ом • см поперек волокон. При резании древесины могут проявиться ее пьезоэлектрические свойства, выражающиеся в том, что па поверхности диэлектрика под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при растяжении или сжатии сухой древесины под углом 450 к волокнам.
Механические свойства. При анализе механических свойств древесины необходимо учитывать их анизотропию. Пренебрегая кривизной годичных слоев, с достаточным основанием можно приписать древесине свойства ортогональной анизотропии, приняв за оси структурной симметрии направление вдоль волокон, радиальное и тангенциальное направления поперек волокон (по касательной к годичным слоям). При приложении усилий к древесине, которая является комплексом природных полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, могут возникнуть упругие, высокоэластические и вязкотекучие деформации. При упругих деформациях происходят обратимые изменения расстояний между звеньями молекул. Реологические коэффициенты, являющиеся параметрами материала, обычно получают испытаниями на ползучесть (измерением изменения во времени деформаций под действием постоянного напряжения) и на релаксацию (измерением изменений во времени напряжений в образце, которому сообщена постоянная деформация). Испытания древесины на прочность проводят обычно на образцах поперечным сечением около 20*20 мм, доводят их до разрушения. Однако при сжатии древесины поперек волокон момент разрушения и соответствующую ему разрушающую нагрузку установить затруднительно. Поэтому за условный предел прочности принимают предел пропорциональности. Механические испытания проводят при скоростях приложения нагрузки, обеспечивающих разрушение образца через 1,5. ..2 мин после начала нагружения. Сведения о прочности древесины некоторых пород приведены в таблице. Твердость материала, характеризуя его способность сопротивляться вдавливанию твердого тела, является важной характеристикой для оценки обрабатываемости материалов резанием. По стандартной методике статическую твердость определяют при внедрении сферического индентора на глубину полного его радиуса (г = 5,64 мм) или, если наблюдается раскалывание образца, на глубину 2,82 мм. При этом деформируется древесина и ранней и поздней зон.
