Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Иркутской области «техникум лесопромышленных технологий и сферы услуг» Домашняя контрольная работа по учебной дисциплине Древесиноведение и материаловедение Выполнил(а): Студент(ка) группы Специальность Технология лесозаготовок Заочная форма обучения Ф.И.О. Проверила: преподаватель Отметка__________________ Подпись_________________ 2023 год ВАРИАНТ 8 1. Строение древесной клетки. Стадии развития. Виды клеток, слагающих древесину. Ткани древесины. Выполните эскиз древесной клетки. 2. Влагопоглощение и разбухание древесины. Характеристика. Водопоглащение древесины. Практическое значение. 3. Предел прочности. Расчетные сопротивления (допускаемые напряжения). Характеристика. Значение. 4. Сучки. Виды и разновидности. Характеристика. Влияние сучков на качество древесины. Выполните эскиз отдельных разновидностей сучков. 5. Влияние физических и химических факторов на свойства древесины. Строение древесной клетки. Стадии развития. Виды клеток, слагающих древесину. Ткани древесины. Основным элементом, участвующим в строении тел растений, являются растительные клетки. Древесина, являющаяся частью растения, состоит из клеток, которые имеют разную форму и выполняют различные функции жизнедеятельности дерева. Размеры, количество и размещение этих древесных клеток различны, что обусловлено сложностью строения древесины и различиями во внешнем виде различных пород. Имея свою собственную оболочку, клетки отделяются друг от друга. Состоящий из протоплазмы и ядра, протопласт наполняет оболочку клетки. С ростом клетки в протоплазме, напоминающей яичный белок и являющейся комбинацией минеральных и органических веществ, появляются вакуоли. В среде органических веществ главное место отводится белковым веществам, которые отличаются содержанием азота. Относящиеся к группе сложных органических веществ, они содержат углерод, кислород, азот и водород. Главным компонентом протоплазмы в среде неорганических веществ является вода, занимающая около 70% от веса живой протоплазмы. Имея щелочную реакцию, протоплазма не имеет субмикроскопическую или микроскопическую структуру. Живая протоплазма всегда находится в движении, которое заметно по движению мелких включений. Деревья, в отличие от животных, растут, увеличиваясь в размерах, всю жизнь до гибели от естественных причин или попадая под сруб. Древесина растущего дерева состоит, в основном, из мёртвых клеток. Некоторые части древесных растений (ядро, спелая древесина) полностью состоят из мёртвых клеток. В физиологически функционирующей древесине (заболони) среди массы мёртвых клеток, собственно, и составляющих древесину, имеются более-менее равномерные вкрапления живых, имеющих цитоплазму, паренхимных клеток. Эти клетки образуют определённую сеть, охватывающую не только заболонь, но и через камбиальный слой переходящую в луб (флоэму). В то же время все клетки древесины (трахеиды, волокна, сосуды), и в заболони, и в ядре, были когда-то живыми и имели протопласт. Продолжительность жизни этих клеток небольшая, обычно до нескольких дней; поэтому живыми их можно наблюдать только в наружном, формирующимся годичном слое в период вегетации. Образование новых клеток в древесине сводится к нескольким этапам. Первым этапом является деление материнской клетки камбия. Камбиальные клетки, составляющие образовательную ткань древесного растения, располагаются непрерывным слоем толщиной в одну клетку (камбиальную инициаль) между ксилемой и флоэмой по всей поверхности ветвей, ствола и корней. Примыкающие к камбиальной инициали со стороны флоэмы и ксилемы клетки образуют камбиальную зону. Камбиальная зона в период покоя в радиальном направлении включает в себя около 5 клеток. В период интенсивного деления число клеток камбиальной зоны может доходить до 10. Тонкостенные камбиальные клетки остаются живыми на протяжении всей жизни дерева (отдельные клетки иногда в течение нескольких тысяч лет!). Они могут быть вытянутыми (веретеновидные инициали)- камбиальные клетки, образующие основную массу клеток и волокон в древесине и лубе; могут быть короткими (лучевые инициали), образующими радиальную паренхиму. Взаимное расположение камбиальных инициалей также может быть разным. Основным делением камбиальных инициалей является периклинальное деление, которое происходит в радиальном направлении; при этом в результате деления одной камбиальной инициали может образовываться либо две клетки флоэмы, либо четыре клетки ксилемы. Таким образом, в сторону древесины откладывается больше клеток, чем в сторону луба. По мере увеличения длины окружности ствола происходят мультипликативные деления (в тангенциальном направлении), которые обеспечивают целостность камбиального слоя. Новые лучевые инициали возникают при этом из веретеновидных инициалей. Пробуждение камбия определяется прежде всего температурой воздуха; в отдельном дереве оно распространяется от вершины к основанию (с разницей, доходящей до 10 дней). Активность и деятельность камбия в течение сезона зависят от многих факторов. Водный дефицит, например, вызывает у хвойных пород переход от формирования ранних трахеид к формированию поздних. Вторая фаза развития клеток - рост растяжением. В начале этой стадии клетки обладают протопластом и пластичной, насыщенной водой первичной оболочкой. Сам рост растяжением обусловлен интенсивным осмотическим поглощением клеткой воды, поступающей в вакуоли. Рост растяжением обеспечивается постоянной работой протопласта, который синтезирует и откладывает изнутри новый материал (микрофибриллы и вещества матрикса) первичной оболочки. Растяжение каждой клетки наиболее выражено в каком-то одном направлении. Размеры трахеид хвойных, например, в тангенциальном направлении почти не изменяются, вдоль волокон увеличиваются на 20%, а в радиальном направлении - в 6-8 раз у ранних трахеид и в 2-2,5 раза у поздних. Фаза интенсивного роста клеточных оболочек относительно коротка. К концу этой фазы клетка приобретает окончательные размеры, но всё ещё обладает тонкой (первичной) оболочкой. Основная масса древесинного вещества откладывается в фазу вторичного утолщения, которая может продолжаться, например, у хвойных до 20 суток для ранних трахеид и до 50 - 60 суток для поздних. В течение этой фазы образуется толстая вторичная оболочка и происходит лигнификация клеточных стенок. Лигнификация начинается в первичной оболочке, охватывает срединную пластинку, и затем распространяется на вторичную оболочку; в результате наиболее лигнифицированными оказываются срединная пластинка, затем первичная оболочка. Заканчивается эта фаза для большинства клеток древесины образованием бородавчатого слоя из отмирающей протоплазмы. В сложно организованном теле высших растений, к которым относятся древесные породы, составляющие их клетки имеют разнообразную форму и величину. Однако все виды клеток можно разделить на две основные группы: паренхимные— округлой или многогранной формы, в большинстве случаев с тонкими стенками и примерно одинаковыми размерами по трем направлениям (от 0,01 до 0,1 мм); прозенхимные, главные признаки которых — вытянутая, напоминающая волокно форма и, часто, утолщенные в той или иной мере оболочки (диаметр 0,01—0,05 мм, длина 0,5—3 мм, иногда до 8 мм). Совокупность клеток одинакового строения, выполняющих одни и те же функции, образуют ткани, которые также могут быть разделены на паренхимные и прозенхимные. Более детальная классификация тканей растения основана на их функциях. По этому признаку ткани делят на покровные, расположенные на самой поверхности растения и непосредственно подверженные воздействию внешней среды (кожица, пробка); механические, придающие растению способность сопротивляться механическим воздействиям (либриформ); проводящие, служащие для проведения воды с растворенными питательными веществами (например, сосуды); запасающие, являющиеся хранилищами запасных питательных веществ (древесная паренхима); ассимиляционные, главная функция которых — усвоение углерода. В строении древесины принимают участие механическая, проводящая и запасающая ткани; в коре к ним присоединяется покровная ткань, а ассимиляционная наибольшего развития достигает в листьях. Влагопоглощение и разбухание древесины. Характеристика. Водопоглощение древесины. Практическое значение. Способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха называется влагопоглощением. В первой стадии поглощения молекулы водяного пара из воздуха адсорбируются активной поверхностью микрофибрилл, находящихся в клеточной оболочке. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем и прочно связана с древесиной, причем наиболее прочно связан слой влаги толщиной, равной размеру ее молекулы (мономолекулярный слой). Адсорбция влаги сопровождается выделением тепла (тепло набухания) Способность древесины поглощать влагу из воздуха относится к ее отрицательным свойствам, поэтому для уменьшения влагопоглощения принимаются различные меры. Разбухание древесины представляет собой явление, обратное усушке, и заключается в увеличении размеров древесины при поглощении ею влаги, пропитывающей оболочки клеток до точки насыщения волокон. При увлажнении древесины в результате увеличения содержания связанной влаги микрофибриллы в клеточных оболочках раздвигаются. Водопоглощением называется способность древесины впитывать воду в полости клеток при непосредственном контакте с водой. Максимальная влажность, которую достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной влаги (предел гигроскопичности) и наибольшего количества свободной влаги. Количество свободной влаги зависит от объема полостей в древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше объем полостей, тем меньше ее влажность. Предел прочности. Расчетные сопротивления (допускаемые напряжения). Характеристика. Значение. Прочностью древесины называют ее способность выдерживать определенные нагрузки не разрушаясь. Чем большие нагрузки она выдерживает, тем она прочнее. Высокой прочностью обладает древесина дуба, клена, березы, а низкой — осины, липы, ели. Различают прочность на растяжение, сжатие и изгиб. При этом волокна древесины растягиваются, сжимаются или изгибаются. И если действующие нагрузки превысят те, которые древесина может выдержать (допустимые), то изделие разрушится. На растяжение, например, работают подвески люстр. На сжатие работают ножки стульев, сваи мостов. На изгиб работают лыжи, балки и настилы мостов. Действующие нагрузки и допустимую прочность на растяжение, сжатие и изгиб определяют в H/S, где Н — сила в ньютонах (1 ньютон * 0,1 кг), S (мм2) — площадь поперечного сечения детали. Допустимая прочность различных пород приводится в справочниках. Сучки. Виды и разновидности. Характеристика. Влияние сучков на качество древесины. Выполните эскиз отдельных разновидностей сучков. Древесина, как и любой природный материал, несовершенна. Помимо того, что она гниет и горит, у нее еще и довольно много пороков, благодаря которым большая часть внешне прекрасных бревен и досок отбраковывается и идет на изготовление клееных материалов, фанеры и древесно-стружечных плит. Сучки являются наиболее распространенным пороком древесины. В зависимости от вида пиломатериала сучки могут классифицироваться по строению, местоположению, степени срастания, форме среза и т.п. Этот порок характерен для всех видов пиломатериалов, но в большей степени влияет на выбраковку досок и шпона, особенно, если порода дерева ценная. В силу того, что древесина - живой материал, сучки в ней просто неизбежны. Они являются основанием или даже вросшей частью ветвей, и, находясь в древесине, сучки нарушают ее однородность, вызывая искривление годичных слоев и волокон. Также это порок приводит к уменьшению рабочего сечения дерева, довольно сильно может затруднять его механическую обработку, и практически всегда ухудшает внешний вид конечных изделий и заготовок. Прочность древесины из-за наличия сучков снижается, иногда на 30-40%, а в тонких заготовках этот процент может быть еще больше. Сучки разделяются на разновидности по нескольким параметрам: по степени зарастания (только для круглого пиломатериала); по форме разреза (пиломатериал и шпон); по положению в пиломатериале и шпоне; по взаимному расположению в пиломатериале и шпоне; по степени срастания (пилопродукция и шпон); по состоянию древесины. По степени зарастания сучка в круглом пиломатериале выделяют два вида: открытые и закрытые. Открытые - те, что выходят на поверхность бревна. Закрытыми называют сучки заросшие, их можно обнаружить только по локаль- ным вздутиям и искривлениям направлений волокон. Форма разреза сучков в пиломатериале и шпоне может быть круглой, овальной или продолговатой, определяется она углом распила древесины и соотношением большего диаметра сучка к меньшему. Положение сучка в распиленной древесине может быть разным: кромочным; пластевым; ребровым; торцевым. Если сучок выходит на узкую сторону заготовки, то его называют кромочным, а если на широкую - пластевым. Соответственно, ребровые сучки выходят на грани, торцовые - на торцы. В том случае, когда сучок выходит сразу на два ребра и пласть или кромку между ними, его именуют сшивным. Также можно выделить еще два типа сучков: односторонние и сквозные. Односторонний сучок выходит только на одну сторону или ребро, а сквозной "прошивает" заготовку насквозь, выходя на противоположные стороны пиломатериала. По взаимному расположению сучков в пиломатериале выделяют три типа сучков: групповые, разбросанные и разветвленные. Групповые сучки - те, которые расположены на отрезке длиной меньше или равном ширине заготовки. Если сучки находятся на расстоянии друг от друга большем, чем размер доски или бруса, то они называются разбросанными. Мутовчатое расположение ветвей, характерное для лиственницы и сосны, приводит к тому, что довольно часто образуются разветвленные (лапчатые) сучки. Степень срастания сучка с окружающей древесиной во многом определяет влияние этого порока на прочность и внешний вид пиломатериала. По степени срастания сучки могут быть: сросшимися, частично сросшимися и несросшимися. Если годичные кольца сучка не срослись с древесиной на протяжении менее чем ¼ от периметра разреза сучка, то такой сучок называют сросшимся. Если срастания нет в пределах ¼ до3/4, то сучок частично сросшийся. Несросшимися называются сучки, не имеющие срастания на протяжении более 3/4 собственного периметра разреза. Несросшиеся сучки могут удерживаться в древесине за счет давления и сцепления, а могут быть выпадающими. Состояние древесины вокруг сучка также важно, причем для всех видов лесоматериала. По этому параметру все сучки делятся на: здоровые (с окрасом или трещинами); загнившие; гнилые; табачные. Если древесина сучка совершенно не имеет признаков гнили, то такой сучок называется здоровым. Для шпона и пиломатериала все здоровые сучки делятся на окрашенные (светлые, слегка темные и темные) и с трещинами. Гнилыми и загнившими называются сучки, имеющие зону, гнили соответственно более или менее 1/3 площади разреза сучка. Если гниль превратилась в труху, массу ржаво-бурого или белесого оттенка, которая легко растирается в пыль, то сучок называется табачным. Характеристика пиломатериала по сучковатости составляется по разновидностям, размерам и количеству сучков. Самым сложным материалом для установления разновидностей сучков является бревно, поскольку даже по состоянию древесины бывает трудно, например отличить загнивающие сучки от табачных. Размеры сучков измеряются любым из двух способов: по наименьшему диаметру или по расстоянию между парой касательных, проведенных параллельно продольной оси заготовки. Степень влияния сучка на физико-механические свойства пиломатериала зависит от характеристики самого сучка и состояния заготовки, т.е. внутреннего напряжения и предполагаемой нагрузки. И наименьшее влияние оказывают сучки здоровые, круглой формы, хорошо сросшиеся с окружающей древесиной. Влияние физических и химических факторов на свойства древесины. Влияние сушки. В процессе сушки происходит воздействие на сырую древесину пара, нагретого сухого или влажного воздуха, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной воды. Правильно, при соответствующих режимах, проведенная камерная сушка древесины дает материал, вполне равноценный получаемому в результате атмосферной сушки. Но если высушивать древесину в камерах слишком быстро и при высокой температуре, то это не только может привести к растрескиванию и значительным остаточным напряжениям, но и оказать влияние на механические свойства древесины. Влияние повышенных и пониженных температур. Повышение температуры вызывает снижение показателей прочности и других физикомеханических свойств древесины. При сравнительно непродолжительных воздействиях температуры до 100 °С эти изменения, в основном, обратимы, т. е. они исчезают при возвращении к начальной температуре древесины. Характер влияния положительных температур одинаков для абсолютно сухой и мокрой древесины. В то же время при отрицательных температурах прочность абсолютно сухой древесины плавно увеличивается, а мокрой древесины резко возрастает с понижением температуры до -25 ... -30 °С, после чего повышение прочности замедляется. При указанных температурах образуется столько ледяных включений, что они обеспечивают достаточную устойчивость стенок клеток. Модули упругости древесины при ее замораживании возрастают. Влияние ионизирующих излучений. Гамма-облучение, по данным А.С. Фрейдина, оказывает наименьшее влияние на сопротивление древесины сжатию. Значительно больше снижается прочность на скалывание и еще сильнее падает сопротивление статическому изгибу. Для двух последних видов испытаний древесины сосны резкое снижение прочности (на 20 - 24 %) наблюдается уже при дозе 50 Мрад (Рад - единица измерения поглощенной дозы излучения; 1 Мрад (мегарад) - 10кДж/кг). При дозе облучения в 100 Мрад прочность снижается вдвое. Прочность при статическом изгибе после дозы облучения в 500 Мрад составляет немногим более 10 % Прочность на сжатие вдоль волокон при такой дозе снижается примерно на 30%, а доза облучения 100 Мрад практически не оказывает влияния на прочность. Наиболее сильно влияет облучение на ударную вязкость древесины. У древесины сосны после облучения дозой в 50 Мрад ударная вязкость снизилась более, чем в два раза. Влияние кислот и щелочей. Воздействие на комнатно-сухую древесину в малых образцах серной, соляной и азотной кислоты концентрацией 10 % при температуре 15-20 °С приводит к снижению прочности при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, ударной вязкости и твердости в среднем на 48 % для ядра лиственницы и сосны и на 53-54 % для ели (спелая древесина), бука и березы. При воздействии на древесину в течение четырех недель щелочей были получены следующие данные: 2%-ный раствор аммиака почти не оказал влияния на прочность при статическом изгибе лиственницы, сосны, ели, но прочность дуба и бука снизилась на 34 %, а липы - почти вдвое; 10%-ный раствор аммиака снизил прочность лиственницы на 8 %, сосны и ели - на 23 %, а лиственных пород - почти втрое. Едкий натрий оказывает более сильное влияние. Таким образом прочность древесины лиственных пород снижается под влиянием кислот и щелочей в значительно большей степени, чем хвойных. Газы SO2, SO3, NO, NO2 при длительном воздействии на древесину изменяют цвет и постепенно разрушают ее При увлажнении древесины разрушение происходит интенсивнее. Смолистость уменьшает вредное влияние газов, а синева способствует поражению. Влияние речной и морской воды. Испытания топляковой древесины из бревен сосны, ели, березы и осины показали, что после пребывания в речной воде 10-30 лет прочность древесины практически не изменилась. Однако более длительное пребывание в воде вызывает снижение прочности наружных слоев древесины (толщиной 10-15 мм). В то же время в более глубоких слоях прочность древесины оказалась не ниже норм, допускаемых для здоровой древесины. Пребывание в воде на протяжении нескольких сотен лет в сильной мере изменяет древесину. В зависимости от времени нахождения под водой цвет древесины дуба меняется от светло-коричневого до угольно-черного вследствие соединения дубильных веществ с солями железа. У древесины отрезков сосновых свай, взятых из сооружений морских портов в Баку и Махачкале и прослуживших в воде около 30 лет, показатели механических свойств оказались существенно снижены по сравнению с нормальной древесиной. Хотя такое сопоставление условно, отмечено снижение прочности при растяжении вдоль волокон на 40-60 %, при статическом изгибе на 60-70 %. Можно, таким образом, заключить, что морская вода через сравнительно короткое время оказывает заметное влияние на прочность и ударную вязкость древесины. Список литературы 1. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения // Москва, Изд-во МГУЛ, 2001. - 340 с. 2. Полубояринов О.И. Плотность древесины, Москва, Лесная промышленность, 1976. - 160 с. 3. Антонова Г.Ф. Рост клеток хвойных // Новосибирск, Наука, 1999. - 232с. 4. Хухрянский П.Н. Прессование древесины // М.: Лесная промышленность, 1964. 352 с. 5. Труды IV Международного симпозиума «Строение, свойства и качество древесины - 2004», Санкт-Петербург, Санкт-петербургская Государственная лесотехническая академия, 2 тома, 2004. - 569 с. 6. https://www.dissercat.com/content/vliyanie-fiziko-khimicheskikh kharakteristik-drevesiny-na-ee-pozharnuyu-opasnost-i-effektivn Дата выполнения контрольной работы 08.01.2023
