2. Технические свойства древесины

Для использования древесины в качестве материала для столярно-строительных изделий и мебели необходимо, чтобы она обладала нормальным строением, не имела недопустимых пороков, легко поддавалась обработке, не изменяла приданной ей формы, хорошо сопротивлялась внешним усилиям и противостояла действию воздуха и воды.

Отмеченные качества определяют технические свойства древесины, которые разделяются на физические и механические.

Цвет является важным признаком для определения породы древесины и ее качества. Цвет древесины бывает различный - от беловатого (осина, пихта) до черного (черное дерево) с разнообразными оттенками. Окраску придают красящие и дубильные вещества, смолы и продукты их окисления. Породы умеренного климата окрашены бледно, а тропические имеют обычно более яркую окраску. Определение цвета древесины производят путем подбора по шкале цветов или при помощи особого прибора - колориметра.

Цвет древесины имеет значение в производстве мебели, отделке помещений и изготовлении художественных изделий. Для улучшения цвета и придания другой окраски древесину подвергают различной обработке, результаты которой зависят от строения древесины, ее плотности, содержания смол и дубильных веществ. Лучше всего воспринимают окраску и протраву рассеяннососудистые породы и хуже - хвойные породы, вследствие значительной неоднородности строения и содержания смол.

Блеск, создаваемый сердцевинными лучами, виден на радиальных разрезах или расколах некоторых Пород (дуб, клен, платан и др.) и Придает древесине красивый внешний вид.

Текстура древесины - естественный рисунок, получающийся на поверхности того или иного разреза, зависит от строения древесины, характера и расположения волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей, окраски слоев. Древесина хвойных Пород имеет чаще всего однообразную текстуру. У лиственных пород, имеющих более сложное строение, текстура весьма разнообразна и во многих случаях красива. Большое Значение имеет также направление разреза.

Улучшение текстуры достигается заполнением пор и покрытием древесины прозрачными лаками.

Влажность оказывает большое Влияние на технические свойства Древесины. Столярное изделие, изготовленное из сырого материала, быстрее загнивает, при последующей Сушке изменяет размеры и форму, коробится и растрескивается.

Степень влажности древесины измеряют отношением (выраженным в процентах) веса заключающейся в ней влаги к весу абсолютно сухой древесины (высушенной до полной потери влаги). Например, если вес куска (образца) древесины до сушки составлял 460 г, а после полного удаления влаги - 400 г, то степень влажности (абсолютная влажность) древесины равна

Относительная влажность древесины равна выраженному в процентах отношению веса содержащейся в образце влаги к весу образца до удаления влаги.

Рис. 61. График для определения перехода от абсолютной влажности к относительной

Для перехода от абсолютной влажности к относительной и обратно можно пользоваться графиком (рис. 61).

При технических определениях берут образец весом примерно 50 г и взвешивают его с точностью до 0,1 г, а влажность определяют с точностью до 1%. Образец вырезают из доски или бруска, отступая от торца на расстояние не менее 0,5 м и захватывая по возможности всё сечение. Высушивают образец в сушильном шкафу при температуре 100-105° до постоянного веса, который устанавливается путем нескольких контрольных взвешиваний с интервалом в 2 часа.

Весовой метод определения влажности дает довольно высокую точность измерения, но требует вырезывания образцов и затраты весьма длительного времени - от 12 до 24 часов.

Электрический метод определения влажности с помощью электровлагомера основан на изменении электропроводимости древесины в зависимости от влажности.

Рис. 62. Электровлагомер ЦНИИМОД-3: а - схема измерения: 1 - источник постоянного тока; 2 - испытываемый образец древесины; 3 - конденсатор; 4 - неоновая лампа; б - общий вид электровлагомера: 1 - диапазонный переключатель; 2 - пусковая кнопка; 3 - стрелка указателя; 4 - лампочка; 5 - скоба с электродами: в - схема влагомера: 1 - сопротивление 600 ом; 2 - сопротивление 10 ком; 3 - сопротивление 300 ом; 4 - сопротивление 100 ком; 5 - измеряемое сопротивление древесины; 6 - конденсатор электролитический 20 мкф; 7 - конденсатор 0,5 мкф; 8 - конденсатор 2000 пф; 9 - конденсатор 8000 пф; 10 - конденсатор 0,1 мкф; 11 - конденсатор 1,4 мкф; 12 - конденсатор 16 мкф; 13 - селеновый столбик; 14 -- лепестковый контакт с двухсторонним включением; 15 - лепестковый контакт нормально открытый; 16 - пятидиапазонный переключатель: 17 - переключатель рода работ; 18 - неоновая лампа; 19 - генератор М-1101; 20 - часовой механизм

Электровлагомер ЦНИИМОД-3 (рис. 62) состоит из скобы с двумя вкалываемыми в испытываемую древесину иглами-электродами, измерительного контура, часового механизма со шкалой показаний влажности древесины и источника питания током.

Электровлагомер предназначен для быстрого определения влажности древесины различных пород в пределах от 8 до 30% со средней точностью измерения ±1%.

Электрическая цепь прибора состоит из источника постоянного тока, испытываемого образца древесины и конденсатора с параллельно включенной неоновой лампой.

Электрический ток, проходя через древесину, заряжает конденсатор; когда разность потенциалов на обкладках конденсатора достигает определенной величины, загорается неоновая лампа. Величина электрического сопротивления древесины определяется промежутком времени от момента включения тока до вспышки лампы. С повышением влажности древесины уменьшается электрическое сопротивление, отчего возрастает электрический ток и сокращается время зарядки конденсатора. Часовой механизм для отсчета времени зарядки конденсатора ДО вспышки лампы снабжен диском шкалой с показателями влажности для 5 диапазонов: первый для влажности от 8% и пятый - не выше 30%.

Питание электровлагомера может осуществляться от сети переменного тока через селеновые выпрямители и фильтрующие устройства и от ручного генератора переменного тока (М-1101).

Измерительный контур влагомера, схема которого дана на рис. 62, в, состоит из группы конденсаторов, предназначенных для определении влажности различных диапазонов поочередно подключаемых к неоновой лампе типа МН-7.

Измерение влажности древесины электровлагомером выполняется в следующем порядке: вводят в древесину испытуемого образца иглы (электроды), устанавливают стрелку часового механизма на "нуль", переводят ручку источника питания на положение "генератор" или "сеть", ставят переключатель диапазонов на первый диапазон (или другой, соответствующий предполагаемой влажности), нажимают пусковую кнопку и держат ее до момента вспышки неоновой лампы. Отсутствие вспышки на первом диапазоне указывает на то, что влажность образца ниже 8%, а вспышки лампы на всех диапазонах, что влажность более 30%. Время от начала включения до момента вспышки должно составлять 6-8 сек.

Измерения производят при нормальной температуре древесины 20⁰. При температуре свыше 20° показания прибора уменьшают на 0,1% на каждый градус сверх 20°, а при меньшей температуре прибавляют 0,1% на каждый градус ниже 20°.

По степени влажности различают древесину:

• мокрую, долгое время пробывшую в воде (влажность выше 100%);
• свежесрубленную, имеющую влажность растущего дерева (50-100%);
• сырую, влажностью более 23%;
• полусухую, влажностью 21-23%;
• воздушно-сухую, долгое время пролежавшую на воздухе и имеющую влажность 15-20%, в зависимости от климатических факторов и времени года;
• комнатно-сухую, влажностью 8-15%, в зависимости от влажности и температуры воздуха в помещении, где она находилась длительное время;
• абсолютно сухую, влажность которой доведена (в лабораторных условиях) до нуля.

Влажность древесины, устанавливающаяся при длительной ее выдержке в воздушной среде определенного состояния, называется равновесной.

Рис. 63. Диаграмма для определения равновесной влажности древесины

Равновесная влажность древесины зависит от температуры воздуха и его относительной влажности. Для ее определения пользуются диаграммой (рис. 63).

В зависимости от условия производства и использования древесины различают производственную влажность, которую должна иметь древесина в процессе ее обработки (изготовления из нее тех или иных изделий) и эксплуатационную, допускаемую в готовых изделиях в период их эксплуатации. Производственная влажность должна быть равна эксплуатационной или несколько (на 1-2%) ниже ее во избежание усушки изделий после их изготовления.

Усушка - уменьшение объема древесины вследствие испарения из нее влаги. Размеры усушки прямо пропорциональны степени уменьшения влажности древесины. Усушку, соответствующую понижению влажности на один процент, называют коэффициентом усушки.

Рис. 64. Усушка и коробление:а - поперечная усушка и коробление; б - продольное коробление

Уменьшение объема древесины при высыхании не одинаково по различным направлениям (рис. 64, а). Средняя величина усушки приблизительно составляет: вдоль волокон - 0,1% (1 мм на 1 пог. м), поперек волокон по окружности годовых колец - 6-10% (6-10 см на 1 м) и поперек волокон от коры к сердцевине - 3-5%.

Величина усушки зависит также от породы дерева и места его произрастания В табл. 10 приведены коэффициенты усушки поперек волокон для древесины главнейших лесных пород.

Таблица 10. Усушка древесины поперек волокон

Усушка древесины приводит к ее растрескиванию, а увлажнение - к разбуханию. Неравномерность усушки вызывает коробление лесоматериала (рис. 64, б), причем с сердцевинной стороны образуется выпуклость, а с внешней - вогнутость. Кроме того, появляются трещины, чаще всего по сердцевинным лучам.

Для уменьшения усушки готовых изделий нужно, чтобы употребляемая древесина была достаточно сухой.

Влажность древесины в готовых столярных изделиях, согласно техническим условиям на их изготовление, не должна превышать (в %):

Необходимо предохранять готовые изделия от проникновения влаги, что достигается покрытием поверхности изделий изолирующими материалами (толь, смола и др.)

Для предупреждения деформации изделий при высыхании прибегают к некоторым конструктивным мерам. Так, например, дверные полотна делают составными - из обвязок (брусков), соединенных в виде рамы, заполняемой щитами (филенками) из тонких досок с оставлением зазора между кромкой филенки и обвязкой.

Вес древесины зависит от породы дерева, ее строения и влажности. Различают удельный и объемный вес древесины.

Удельный вес древесины составляет в среднем 1,54 и почти не зависит от породы дерева.

Объемный вес древесины, т. е. вес единицы объема древесины в ее естественном состоянии с содержащейся в ней влагой, смолистыми веществами и пр., зависит от породы дерева, влажности, возраста древесины и места произрастания.

Он колеблется в пределах от 0,44 до 1.0 ^т/_м³ и более.

Объемный вес определяется стереометрическим методом и при помощи ртутного объемометра. Первый метод наиболее распространен. Для этого из древесины изготовляют - прямоугольную призму с основанием 20×20 мм и высотой 30 мм, взвешивают ее с точностью до 0,01 г и полученный вес делят на объем призмы. Объемный вес характеризует и плотность древесины.

Рис. 65. Диаграмма объемного веса древесины в зависимости от ее влажности

С достаточной для практических целей точностью объемный вес древесины может быть определен и графически. На рис. 65 приведена диаграмма объемного веса древесины в зависимости от ее влажности. Так, при влажности сосны 100% объемный вес ее составит (точка А) - 0,85 ^г/_дм³, а при максимальной влажности 168% (точка С) - 1,13 ^г/_см³.

Теплопроводность - способность дерева проводить тепло, сравнительно невелика и зависит от породы дерева и расположения волокон.

Теплоемкость - способность древесины поглощать тепло, складывается из теплоемкости абсолютно сухой древесины и теплоемкости воды. Теплоемкость абсолютно сухой древесины составляет 0,407 больших калорий на 1 кг древесины при нагревании на 1° (407 ^ккал/_{кг*град}) в пределах изменения температуры от 0 до 100⁰. Необходимое для сушки древесины количество тепла обычно определяют по соответствующему графику (рис. 66).

Рис. 66. Номограмма для определения теплоемкости древесины при различной влажности и температуре

Электропроводимость - способность древесины проводить электрический ток. зависит от породы дерева, расположения волокон, температуры и влажности древесины. Электропроводимость характеризуется ее удельным объемным сопротивлением, измеряемым в омах на сантиметр (ом*см). Действие электрических влагомеров основано на свойстве древесины изменять электропроводимость в зависимости от влажности

Древесина обладает свойствами диэлектрика, и ее диэлектрическая постоянная, которая показывает, во сколько раз меняется емкость конденсатора, если воздушную прослойку между пластинами заменить такой же толщины прокладкой из данного материала, сравнительно высока и составляет 1,90-3,18, тогда как у слюды она составляет 7,1, мрамора 8,34 (воздуха -1).

Диэлектрическая постоянная древесины в поле токов высокой частоты зависит от частоты тока и влажности древесины. Древесина, помещенная в поле токов высокой частоты, нагревается, и это свойство используется в практике для сушки древесины, которая идет быстрее, чем другими способами, и при этом древесина значительно меньше растрескивается.

Проницаемость для световых и рентгеновых лучей используется для обнаружения в древесине скрытых пороков и дефектов склейки изделий.

Под действием ультрафиолетовых лучей древесина начинает светиться (люминесцировать), чем пользуются для определения степени и глубины пропитки древесины различными веществами, если они люминесцируют иным цветом.

Инфракрасные лучи, слабо поглощаемые воздухом, сильно поглощаются древесиной, что позволяет (использовать нагрев ее инфракрасными лучами для сушки и стерилизации (обеззараживания) древесины.

Механические свойства древесины, и в частности ее твердость и упругость, влияют на точность обработки деталей и их размеры.

Твердость, т. е. способность древесины сопротивляться обработке режущими инструментами и вообще проникновению в нее другого тела, зависит от породы древесины, ее объемного веса и влажности. От твердости древесины зависит ее сопротивляемость истиранию.

По степени твердости породы древесины делят на шесть классов:

Прочность - способность древесины сопротивляться воздействующим на нее усилиям, зависит от ряда причин. Плотная, тяжелая древесина обычно обладает большой прочностью. Прочность быстро уменьшается с увеличением влажности древесины; значительно снижается прочность при наличии в древесине пороков (особенно сучков).

Древесина хорошо сопротивляется действию сил, растягивающих или сжимающих деталь вдоль волокон, и изгибающих сил, направленных поперек волокон; значительно ниже сопротивление древесины сжатию поперек волокон и скалыванию вдоль и поперек волокон.

В зависимости от прочности материала установлены допускаемые напряжения, которым может подвергаться материал без нарушения прочности. Величина допускаемых напряжений всегда значительно ниже предела прочности, т. е. наименьшей величины напряжений, при которых наступает разрушение материала.

Упругость - способность древесины изменять свою форму под воздействием внешних сил и принимать первоначальную форму после прекращения действия этих сил.

Пластичность - способность древесины изменять (без разрушения) под давлением (под нагрузкой) свою форму и сохранять затем эту форму после снятия нагрузки.

Таблица 11. Физико-механические свойства основных пород древесины

В табл. 11 и 12 приведены показатели физико-механических свойств наиболее распространенных пород дерева, а также ранней и поздней древесины.

Таблица 12. Свойства ранней и поздней древесины

¹ (При влажности древесины 12%.)