Курсовая работа: Строение, основные свойства и применение древесины

Скорость высыхания зависит от метеорологических условий, способов укладки и вида сортимента. Теплая, сухая погода ускоряет сушку. Короткие и тонкие пиломатериалы сохнут быстрее длинных и толстых. В промышленности наиболее распространено два способа сушки: атмосферная и камерная.

Камерная сушка проводится в специальных помещениях, называемых лесосушильными камерами. В качестве агента сушки используется воздух, нагреваемый в калориферах. В сушильных камерах контролируется состояние воздуха и влажность древесины. Продолжительность камерной сушки значительно меньше, чем атмосферной.

При атмосферной сушке в качестве агента используется атмосферный воздух без искусственного его подогрева. Состояние воздуха не регулируется.

Перед атмосферной сушкой пиломатериалы должны подвергаться антисептированию во избежание поражения их деревоокрашивающими грибами. Для лучшей циркуляции воздуха применяется разреженная укладка пиломатериалов. Атмосферная сушка считается законченной при достижении 20-22 % влажности. Продолжительность сушки пиломатериалов разной толщины в различных климатических зонах колеблется от 2-3 месяцев до одного-двух сезонов.

При атмосферной или камерной сушке древесина приобретает устойчивую влажность. Такое состояние устанавливается, если упругость водяных паров окружающего воздуха будет равна упругости паров воды у поверхности древесины. Состояние воздуха характеризуется определенной температурой и относительной упругостью пара. Каждому сочетанию температуры и относительной упругости пара соответствует определенная устойчивая влажность древесины. Эта влажность не зависит от породы, но зависит от направления процесса. При поглощении (сорбции) воды из воздуха устойчивая влажность древесины меньше, чем при высыхании (десорбции). Разницу между значениями устойчивой влажности при сорбции и десорбции называют гистерезисом сорбции. При этом следует иметь в виду, что при сорбции и десорбции изменяется содержание только связанной воды. Измельченная древесина (стружки, опилки) имеет большую удельную поверхность и ничтожно маленький гистерезис (0,2 %), и ее устойчивую влажность называют равновесной. Для пиломатериалов толщиной более 15 мм и шириной более 100 мм гистерезис составляет 2,5 %.

Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Она начинается после полного удаления из древесины свободной влаги и с начала удаления связанной влаги, т.е. когда ее влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок.

Связанная вода находится в клеточных стенках в промежутках между микрофибриллами. Микрофибриллы в стенках направлены преимущественно вдоль оси клетки и при удалении связанной воды из древесины больше изменяются поперечные размеры клеток и в целом древесины. Продольная усушка, обусловленная небольшим наклоном микрофибрилл, составляет незначительную величину. Усушка в тангенциальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном.

Усушка, которая происходит при удалении всей связанной воды (от 30 до 50 %) называется полной. Полная линейная усушка в тангенциальном направлении в среднем составляет 6-10 %, в радиальном 3-5 %, вдоль волокон 0,1-0,3 %, объемная усушка 12-15 %.

При распиловке сырых бревен на доски предусматривают припуски на усушку с тем, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры. Усушка зависит от плотности древесины: чем больше плотность, тем выше ее усушка. Поздняя древесина годичных слоев усыхает больше, чем ранняя.

Внутреннее напряжение в древесине, растрескивание и коробление. Напряжения, возникающие без участия внешних сил, называются внутренними. Первая причина образования напряжений при сушке древесины – неравномерность распределения воды. Вначале испаряется вода с поверхностных слоев древесины. Если в поверхностных слоях влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок, то должна произойти их усушка. Однако из-за сопротивления более влажных внутренних слоев поверхностные слои усохнут не полностью. В результате появятся напряжения, растягивающие в поверхностных зонах и сжимающие во внутренней зоне.

Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины (рисунок 2.1): в начале сушки на поверхности сортимента, а в конце – внутри (так называемые свищи).

Рисунок 2.1 – Растрескивание древесины и силовые секции: а – наружные трещины в бревне; б – наружные трещины в брусьях; в – внутренние трещины; г – силовые секции.

Внутренние напряжения сохраняются и в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.

Сохранившиеся после окончания сушки остаточные напряжения можно снять путем дополнительной обработки пиломатериалов (увлажнением поверхности паром или водой).

При высыхании или увлажнении древесины происходит изменение формы поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением. Коробление может быть поперечным и продольным. Поперечное коробление (рисунок 2.2,а,б,в) выражается в изменении формы сечения брусков и досок. Причиной поперечного коробления является разница в величине усушки по радиальному и тангенциальному направлениям. Сердцевинная доска (рисунок 2.2,б) уменьшает свои размеры к кромкам; доска, у которой внешняя часть ближе к тангенциальному направлению, усыхает больше, чем внутренняя, имеющая радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление.

Рисунок 2.2 – Виды коробления: а, в – изменение формы поперечного сечения брусков с различным расположением слоев на торце; б – изменение формы поперечного сечения досок (сердцевинной и боковой); г – продольная покоробленность; д – крыловатость

По длине доски могут изгибаться, приобретая дугообразную форму (рисунок 2.2,г) или принять форму винтовой поверхности – крыловатость (рисунок 2.2,д). Первый вид продольного коробления встречается у досок, содержащих ядро и заболонь (усушка ядра и заболони по длине волокон несколько различается), а также у древесины с кренью, продольная усушка которой выше, чем у здоровой древесины. Крыловатость наблюдается у пиломатериалов с тангенциальным наклоном волокон. Правильная усадка, сушка и хранение пиломатериалов могут предупредить появление коробления.

Влагопоглощение. Влагопоглощением древесины называется ее способность поглощать воду из окружающего воздуха, при этом увеличивается в древесине содержание связанной воды. Влагопоглощение зависит от температуры и относительной упругости пара воздуха. Поглощение воды из воздуха происходит постепенно, замедляясь до предела гигроскопичности. Влагопоглощение не зависит от породы древесины.

Влагопоглощение древесины относится к ее отрицательным свойствам. Для уменьшения влагопоглощения древесину покрывают лаками, красками, проводят термическую обработку, пропитку искусственными смолами и пр.

Разбухание. Разбухание – это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды.

Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности, увеличение свободной воды (заполняющей полости клеток) не вызывает разбухания. Наибольшее разбухание происходит в тангенциальном направлении и наименьшее – вдоль волокон.

Так же как и усушка, разбухание является отрицательным свойством древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках, деревянных трубах и судах.

Водопоглощение. Водопоглощение – способность древесины поглощать капельножидкую воду. Водопоглощение происходит при непосредственном контакте древесины с водой. При этом в древесине увеличивается содержание как связанной, так и свободной влаги. Общее количество свободной воды зависит от объема полостей в древесине. Водопоглощение зависит от породы древесины, от ее плотности; чем больше плотность древесины, тем меньше объем полостей, которые могут быть заполнены свободной водой, и, следовательно, водопоглощение будет меньше. Водопоглащение ядра меньше, чем у заболони. Скорость водопоглощения больше у образцов с большими размерами торцевой поверхности. С повышением температуры также ускоряется процесс водопоглошения. Максимальная влажность древесины при водопоглощении приведена в таблице 2.5 [3].

Таблица 2.5 – Максимальная влажность древесины при водопоглощении

Порода	Влажность, %
Лиственница	126
Сосна	185
Ель	212
Кедр (сосна кедровая)	220
Пихта	268
Граб	93
Дуб	116
Береза	135
Осина	185
Тополь	212

Из данных таблицы 2.5 видно, что наиболее высокую влажность имеет пихта, а самую низкую – граб.

Плотность древесины. Плотность материала характеризуется отношением его массы к объему. Измеряется плотность в килограммах на метр кубический или в граммах на сантиметр кубический.

Плотностью древесинного вещества называется отношение массы к объему клеточных стенок. Так как элементный химический состав древесины практически одинаков для разных пород, то и плотность древесинного вещества примерно одинакова для всех пород. Она в среднем равна 1,53 г/см3.

Плотность древесины зависит от влажности и для сравнения значения плотности всегда приводят к единой влажности, которая составляет 12 %.

Между плотностью и прочность древесины существует тесная связь. Чем больше толщина клеточных стенок, тем больше плотность и, следовательно, прочность древесины.

Пористость древесины определяется объемом внутренних пустот (полостей клеток, межклеточных пространств) и выражается в процентах от объема древесины в абсолютно сухом состоянии. Пористость зависит от плотности древесины: чем больше плотность, тем меньше пористость древесины. Значение пористости колеблется в пределах от 40 до 77 %.

В таблице 2.6 приведены средние значения плотности для различных пород [3].

Таблица 2.6 – Средние значения плотности

Порода	Плотность в абсолютно сухом состоянии, кг/м3	Плотность при влажности 12 %, кг/м3
Лиственница	630	660
Сосна обыкновенная	470	500
Ель	420	445
Кедр	410	435
Пихта сибирская	350	375
Граб	760	800
Дуб	650	690
Клен	650	690
Ясень обыкновенный	640	650
Бук	640	670
Береза	600	650
Орех грецкий	–	590
Ольха	490	520
Осина	470	495
Липа	470	495

Из данных таблицы 2.6 видно, что плотность древесины колеблется в очень широких пределах. Причем наибольшую плотность имеют граб, а наименьшую – пихта сибирская.

Плотность древесины имеет большое практическое значение. Древесину с высокой плотностью (самшит, граб, бук, клен, груша) особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость.

Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность, ранняя часть годичного слоя у нее пористая, поздняя более плотная. Такая древесина труднее поддается лакированию и полированию, но обладает другими ценными свойствами, например, хорошо гнется. Древесина хвойных пород обладает малой плотностью, а рассеяннососудистых лиственных пород – высокой плотностью, поэтому она чисто обрабатывается, хорошо лакируется иполируется.

Тепловые свойства древесины.

Теплоемкостью называется способность древесины поглощать тепло при нагреве. Удельная теплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг древесины на 1оС. Теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм ∙ градус Цельсия.

Удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины при температуре 0о равна 1,55 кДж/кг ∙ оС, с увеличением температуры и влажности теплоемкость возрастает. При влажности 60 % и температуре воздуха 20оС удельная теплоемкость древесины составит 1,78 кДж/кг ∙ оС. Величина теплоемкости имеет значение при сушке, пропаривании, пропаривании древесины.

Теплопроводностью называется способность древесины проводить тепло. Для характеристики теплопроводности используют коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность зависит от влажности, плотности, температуры и направления теплового потока. При увеличении всех этих показателей теплопроводность увеличивается.

У древесины теплопроводность невысокая по сравнения с другими материалами, что определило ее широкое применение в жилищном строительстве. Так, толщина деревянных стен меньше толщины кирпичных.

Температуропроводностью называется способность древесины выравнивать температуру при нагреве ил охлаждении. Она характеризуется коэффициентом температуропроводности. Он в большей степени зависит от влажности древесины: чем суше древесина, тем выше ее температуропроводность. Это объясняется тем, что полости клеток заполнены воздухом, температуропроводность которого больше, чем воды. Температуропроводность выше в направлении вдоль волокон, чем поперек волокон. Она имеет значение при сушке, пропитке, пропаривании, так как позволяет определить время, необходимое для прогрева древесины.

Расширение древесины. Расширение древесины при нагревании характеризуется коэффициентом линейного расширения, т.е. изменением единицы длины при нагревании на 1оС. Коэффициент линейного расширения древесины зависит от направления: поперек волокон расширение в 7-10 раз больше, чем вдоль волокон.

Электрические свойства древесины.

Электропроводность – это способность древесины проводить электрический ток. Характеристикой электропроводности является электрическое сопротивление. Электропроводность древесины зависит от породы, направления волокон и ее влажности.

Электропроводность древесины имеет значение в случае ее применения для столбов линий электропередач, линий связи, рукояток электроинструментов.

Электрическая прочность – способность древесины противостоять пробою, т.е. способность древесины снижать сопротивление при подведении к древесине тока высокого напряжения.

Электрическая прочность древесины невысока и зависит от породы, влажности, температуры и направления волокон. С увеличением температуры и влажности электрическая прочность уменьшается. В таблице 2.7 приведена электрическая прочность древесины некоторых пород [4].

Таблица 2.7 – Электрическая прочность древесины некоторых пород

Порода	Влажность, %	Электрическая прочность, кВ/мм в направлении
		радиальном	Тангенциальном	Вдоль волокон
Сосна	0	5,9	7,2	1,45
	33	1,4	1,5	0,76
	10	5,9	7,7	1,68
Ель	0	6,0	7,2	1,35
	33	1,4	1,3	0,87
Береза	0	9,1	7,6	1,26
	33	1,4	1,2	0,50
	12	–	5,7	1,31
Бук	12	–	4,4	1,32

Из данных таблицы 2.7 видно, что при влажности 0 % береза в радиальном и тангенциальном направлении имеет наибольшую электрическую прочность, а вдоль волокон наименьшую. При влажности 33 % в радиальном направлении наибольшую электрическую прочность имеет сосна, а наименьшую береза.

Для повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании ее в качестве изолятора древесину пропитывают трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т.е. она является диэлектриком.

Звуковые свойства древесины.

Звукопроводность древесины характеризуется скоростью распространения звука. Скорость звука увеличивается с уменьшением плотности древесины и увеличением ее жесткости.

К звукоизоляционным свойствам древесины относятся звукопроницаемость и звукопоглощение. При прохождении звука в воздухе возникает звуковое давление. Звукопроницаемость оценивается по разности звуковых давлений перед и за перегородкой из древесины. Относительное уменьшение силы звука называется коэффициентом звукопроницаемости.

При прохождении звука через древесину часть звуковой энергии поглощается ею вследствие внутреннего трения. Характеризуется это явление коэффициентом звукопоглощения, который зависит от свойств материала. Коэффициент звукопоглощения представляет собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к падающей на материал звуковой энергии.

Чем меньше звукопроводность, тем больше звукопоглощение. При использовании древесины в жилищном строительстве в качестве звукоизоляционного материала учитывают показатели ее звуковых свойств.

Резонансные свойства древесины. Древесина широко используется для изготовления дек музыкальных инструментов. Такая древесина называется резонансной. Резонансные свойства древесины характеризуются ее способностью усиливать звук без искажения тона.

К резонансной древесине предъявляются следующие требования: она должна быть разнослойной, ширина годичных слоев должна составлять 1-4 мм, процент поздней древесины в пределах 20-30 %; не допускаются сучки, крень и наклон волокон.

2.3 Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.

Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.

Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.

Прочность древесины при растяжении. Испытание на растяжение вдоль волокон проводят на образцах сложной формы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Испытание древесины на растяжение вдоль волокон: а – образец; б – схема закрепления образца в захватах испытательной машины

Разрушение происходит в виде разрыва волокон. Характер разрыва волокон может быть длинноволокнистый или защепистый для древесины с высокой прочностью, и гладкий или раковистый для древесины с малой прочностью.

Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть предела прочности при растяжении вдоль волокон, т.е. 6,5 МПа. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины. В таблице 2.8 приведена прочность древесины при растяжении вдоль волокон [5].

Таблица 2.8 – Прочность древесины при растяжении вдоль волокон

Порода	Предел прочности, МПа, при влажности, %
	12	30 и более
Лиственница	125	96
Сосна	103	79
Ель	103	79
Кедр	90	69
Пихта сибирская	67	51
Акация белая	176	109
Береза	168	126
Ясень	145	109
Граб	141	106
Осина	125	94
Бук	123	92
Липа	121	91
Ольха	101	76
Тополь	91	68

Из данных таблицы 2.8 видно, что при влажности 12 % наибольший предел прочности при растяжении имеет акация белая, а наименьшую – пихта сибирская. При влажности 30 % и более наибольшей прочность при растяжении обладает береза, а наименьшей – пихта сибирская.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6