Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины

/. Виды древесных пород и части дерева

Растущие деревья имеют следующие составные части: корни, ствол, ветви, листья. Корневая система деревьев вы­полняет функции поставщика влаги и питательных веществ из почвы по стволу и ветвям к листьям. Кроме того, корни удерживают деревья в вертикальном положении. Через вет­ви влага поступает к листьям, в которых происходит процесс фотосинтеза — превращения лучистой энергии солнца в энер­гию химических связей органических веществ с поглощением из воздуха углекислого газа и выделением кислорода. Неслу­чайно лесные массивы называют легкими планеты. Продукты фотосинтеза от листьев передаются по ветвям в остальные части деревьев — ствол и корни. Таким образом, ветви вы­полняют роль каналов, по которым происходит обмен ве­ществ между листьями и остальными частями дерева.

Хвойные породы деревьев — сосна, кедр, ель, лиственни­ца — имеют узкие листья — хвою, а лиственные породы — широкие листья. Как правило, лиственные породы деревьев произрастают в основном в умеренных и южных широтах, а хвойные — в северных.

В зависимости от породы и климатических условий про­израстания деревья имеют различную высоту и диаметр ство­лов. При этом они подразделяются на три категории. К пер­вой относятся деревья первой величины, которые достигают высоты 20 м и более. Это ель, кедр, лиственница, сосна, бе­реза, осина, липа, дуб, ясень, клен и др.

В тропиках и субтропиках высота отдельных деревьев до­стигает 100 м и более. Вторая категория включает деревья второй величины, имеющие высоту 10—20 м. Это, в частности, ива, ольха, рябина и др. Третья категория — деревья третьей величины, высота которых равна 7—10 м. Это яблоня, виш­ня, можжевельник и др.

Диаметр ствола деревьев колеблется в основном от 6 до 100 см и более и зависит от породы, возраста деревьев и кли­матических условий произрастания. В отдельных случаях диа­метр ствола деревьев может превышать 3 м — у дуба, тополя и некоторых других пород.

Древесину получают при разделке стволов деревьев пос­ле удаления веток. При этом выход древесины составляет 90 и более процентов объема ствола дерева. На начальной ста­дии обработки древесины делают поперечный, или торцовый, разрез ствола.

На поперечном разрезе выделяются: кора, покрывающая ствол снаружи и состоящая из наружного слоя — корки и внут­реннего слоя — лубяного камбия — тонкого, невидимого для глаза слоя между корой и древесиной (в процессе роста де­ревьев живые клетки камбия делятся, и за счет этого дерево растет в толщину); заболонь — живая зона древесины; ядро, которое примыкает к сердцевине ствола и представляет собой мертвую, не участвующую в физиологических процессах цент­ральную зону; сердцевина, расположенная в центре и пред­ставляющая собой рыхлую ткань диаметром 2—5 мм и более (в зависимости от породы и возраста дерева).

В лесной промышленности России основным объектом за­готовки являются стволы деревьев, а ветки и сучья сжигаются или идут на дрова. В Канаде, Швеции и Финляндии в перера­ботку идут все составные части деревьев, поэтому потери дре­весины там минимальны, а выход бумаги, картона и прочего — максимальный.

2. Макроскопическое строение древесины

При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годич­ные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердце­винные повторения.

У молодых деревьев всех пород древесина состоит толь­ко из заболони. Затем по мере роста живые элементы вокруг сердцевины отмирают, а влагопроводящие пути закупорива­ются, и в них происходит постепенное накапливание эк­страктивных веществ — смол, таннидов, красящих веществ. У некоторых деревьев — сосны, дуба, яблони и других —

центральная зона ствола приобретает темную окраску. Такие деревья называют ядровыми. У других деревьев окраска цент­ральной зоны и заболони ствола одинакова. Они называются безъядровыми.

Безъядровые деревья подразделяются на две группы: спело-древесные (липа, пихта, бук, ель), у которых влажность в цент­ральной части ствола меньше, чем в периферийной, и забо-лонные, у которых влажность по поперечному сечению ствола одинакова (береза, клен, каштан и др.). Причем масса забо-лонной древесины уменьшается от вершины к комлю, а так­же с увеличением возраста дерева.

Возраст деревьев можно определить по числу годовых слоев, которые нарастают по одному в год. Эти слои хорошо видны на поперечном срезе ствола. Они представляют собой концентрические слои вокруг сердцевины. Причем каждое годовое кольцо состоит из внутреннего и наружного слоя. Внутренний слой формируется весной и в начале лета. Он называется ранней древесиной. Наружный слой образуется к концу лета. Ранняя древесина имеет меньшую плотность, чем поздняя, и более светлый цвет. Ширина годовых слоев зависит от ряда причин: во-первых, от погодных условий в течение периода вегетации; во-вторых, от условий произра­стания дерева; в-третьих, от породы.

На поперечном срезе деревьев можно увидеть сердцевин­ные лучи, идущие от центра ствола к коре. У лиственных пород они занимают до 15% объема древесины, у хвойных — 5—6%, причем чем больше их количество, тем хуже механические свойства древесины. Ширина сердцевинных лучей колеблет­ся от 0,005 до 1,0 мм в зависимости от породы деревьев. Дре­весина хвойных пород отличается от древесины лиственных тем, что в ней имеются клетки, вырабатывающие и хранящие смолу. Эти клетки группируются в горизонтальные и верти­кальные смоляные ходы. Длина вертикальных ходов колеб­лется в пределах 10—80 см при диаметре около 0,1 мм, а го­ризонтальные смоляные ходы тоньше, но их очень много — до 300 штук на 1 см².

Древесина лиственных пород имеет сосуды в виде систе­мы клеток для передачи воды и растворенных в ней мине­ральных веществ от корней к листьям. Сосуды имеют форму трубок длиной в среднем 10 см и диаметром 0,02—0,5 мм,

причем у деревьев некоторых пород они сосредоточены в ран­них зонах годичных слоев. Их называют кольцесосудистыми. У деревьев других пород сосуды распределены по всем годичным слоям. Эти деревья называют рассеяно-сосуди-стыми.

3. Микроскопическое строение древесины хвойных и лиственных пород

Древесина хвойных пород имеет определенную микро­структуру, которую можно установить, применяя микроско­пы, а также химические и физические методы исследования. Древесина хвойных пород отличается от лиственной сравни­тельно правильным строением и простотой. В структуру древе­сины хвойных пород входят так называемые ранние и позд­ние трахеиды.

Как установлено исследованиями, ранние трахеиды вы­полняют функцию проводников воды с растворенными в ней минеральными веществами, которая поступает от корней де­рева.

Трахеиды имеют форму сильно вытянутых волокон с ко-сосрезанными концами. Исследования показали, что в рас­тущем дереве только последний годичный слой содержит жи­вые трахеиды, а остальные — мертвые элементы.

В результате исследований выявлено, что сердцевинные лучи образованы паренхимными клетками, по которым по­перек ствола перемещаются запасные питательные вещества и их растворы.

Эти же паренхимные клетки участвуют в образовании вертикальных и горизонтальных смоляных ходов. Вертикаль­ные смоляные ходы в древесине хвойных пород, обнаружен­ные в поздней зоне годичного слоя, образованы тремя слоями живых и мертвых клеток. Горизонтальные смоляные ходы вы­явлены в сердцевинных лучах.

По результатам исследований профессора В. Е. Вихрова, дре­весина сосны имеет следующее микроскопическое строение:

1) поперечный разрез;

2) радиальный разрез;

3) тангенциальный разрез.

Рис. 1. Разрезы ствола дерева: П — поперечный, Р — радиальный, Т — тангенциальный

Как установлено исследованиями, микроструктура древе­сины лиственных пород по сравнению с хвойными имеет бо­лее сложное строение.

В древесине лиственных пород сосудистые и волокнистые трахеиды служат проводниками воды с растворенными в ней минеральными веществами. Эту же функцию выполняют и другие сосуды древесины. Механическую функцию выпол­няют волокна либриформа и волокнистые трахеиды. Эти со­суды имеют форму длинных вертикальных трубок, состоя­щих из отдельных клеток с широкими полостями и тонкими стенками, причем сосуды в общем объеме лиственной древеси­ны занимают от 12 до 55%. Наибольшую часть объема лист­венной древесины составляют волокна либриформа как ос­новная механическая ткань.

Волокна либриформа представляют собой вытянутые клетки с заостренными концами, узкими полостями и мощ­ными стенками, имеющими щелевидные поры. Волокнистые трахеиды, так же как и волокна либриформа, имеют толстые стенки и малые полости. Кроме того, выявлено, что сердце­винные лучи лиственной древесины объединяют основную

часть паренхимных клеток, причем объем этих лучей может достигать 28—32% (этот показатель относится к дубу).

4. Химический состав древесины

Химический состав древесины зависит частично от ее состояния. Древесина свежесрубленных деревьев содержит много воды. Но в абсолютно сухом состоянии древесина со­стоит из органических веществ, а неорганическая часть со­ставляет всего лишь от 0,2 до 1,7%. При сгорании древесины неорганическая часть остается в виде золы, которая содержит калий, натрий, магний, кальций и в небольших количествах — фосфор и другие элементы.

Органическая часть древесины всех пород имеет примерно одинаковый элементный состав. Абсолютно сухая древесина содержит в среднем 49—50% углерода, 43—44% кислорода, около 6% водорода и 0,1—0,3% азота. Лигнин, целлюлоза, ге-мицеллюлоза, экстрактивные вещества — смола, камедь, жи­ры, танниды, пектины и другие — составляют органическую часть древесины. Гемицеллюлоза имеет в своем составе пен-тозаны и генксозаны. У хвойных пород в органической части больше целлюлозы, а у лиственных — пентозанов. Целлюлоза является главной составляющей клеточных стенок растений, причем она же обеспечивает механическую прочность и эла­стичность растительных тканей. Как химическое соединение целлюлоза представляет собой полиатомный спирт. При об­работке целлюлозы кислотами происходит ее гидролиз с об­разованием простых и сложных эфиров, которые используют для производства пленок, лаков, пластмасс и др. Кроме того, при гидролизе целлюлозы образуются сахара, из которых по­лучают этиловый спирт путем их сбраживания. Древесная целлюлоза является ценным сырьем для выработки бумаги. Другой компонент органической части древесины — геми­целлюлоза — представляет собой полисахариды высших расте­ний, которые входят в состав клеточной стенки. В процессе переработки целлюлозы получается лигнин — аморфное по­лимерное вещество желто-коричневого цвета. Наибольшее количество лигнина — до 50% — образуется при переработке древесины хвойных пород, а из древесины лиственных пород выход его составляет 20—30%.

Очень ценные продукты получают при пиролизе древеси­ны — сухой перегонке без доступа воздуха при температуре до 550 °С — древесный уголь, жижку и газообразные продук­ты. Древесный уголь используют при выплавке цветных ме­таллов, в производстве электродов, медицине, в качестве сор­бента для очистки сточных вод, промышленных отходов и для других целей. Из жижки получают такие ценные продукты, как антиокислитель бензина, антисептики — креозот, фено­лы для производства пластмасс и пр.

В органической части древесины хвойных пород имеются смолы, которые содержат терпены и смоляные кислоты. Тер­пены являются основным сырьем для получения скипидара. Живица, выделяемая хвойным деревом, служит в качестве сырья для получения канифоли.

В процессе переработки древесины получают экстрактив­ные вещества, в том числе дубильные, применяемые для вы­делки кож — дубления. Основную часть дубильных веществ составляют танниды — производные многоатомных фенолов, которые при обработке кож взаимодействуют с их белковыми веществами и образуют нерастворимые соединения. В резуль­тате кожи приобретают эластичность, стойкость к загниванию и не набухают в воде.