Информация

Основа жизнедеятельности расту­щего дерева, как и любого биологи­ческого объекта, — вода. Ее много в его тканях. Однако она же (наряду с кислородом) необходима для сущес­твования грибов и микроорганиз­мов, разрушающих древесину. Если в естественных условиях этот про­цесс можно назвать положительным (утилизируется отмирающая древе­сина), то при использовании древе­сины как материала для изготовле­ния различных изделий просто необ­ходимо свести к минимуму деструк­тивные процессы.

Снижение до определенного уров­ня содержания воды в древесине (сушка) позволяет защитить ее от гниения, существенно улучшить ее механические, технологические и эксплуатационные свойства, прев­ращая ее в весьма ценный матери­ал. И наоборот, для сохранения сы­рой древесины часто ее дополни­тельно увлажняют. Известно, что подводные части свай, затопленные бревна и т.п. сохраняются десятки, сотни лет.

Затопление сырья для сезонного хранения используется в фанерном производстве, искусственное дож­девание штабелей бревен — в лесо­пильном. Дело в том, что вода вы­тесняет из древесины воздух, пот­ребный для жизнедеятельности дереворазрушающих грибов. Преде­лом влажности, обеспечивающим биостойкость древесины, считается 22%. При доувлажнении масса воды должна быть больше массы самого материала (свыше 100%).

Особенно быстро — за один-два месяца! — биологически портятся срубленные, но не разделанные, а следовательно, не просушенные бревна березы, бука, осины. При­мерно то же происходит с ясенем, кленом, ольхой и липой. Гниют и сы­рые доски, уложенные в плотные стопы. Необходимо сырые бревна срочно распиливать и немедленно высушивать с максимально возмож­ной интенсивностью.

Главные условия гниения — уме­ренная температура (от 5 до 40°С), кислород воздуха и значительное, но не близкое к максимальному зна­чению для данной породы, влагосодержание древесины.

От количества влаги в древесине су­щественно зависят ее прочность и качество отделки. По разным причи­нам на всех стадиях производства необходимо контролировать содер­жание воды в обрабатываемом ма­териале. Тут не обойтись без такого показателя, как влажность.

Под нею понимают выраженное в процентах отношение массы воды, содержащейся в образце, к массе сухой древесины образца: W =( m- m_0/ m₀) * 100%

где m — начальная масса образца, г; m₀ — масса того же образца после полного удаления из него влаги.

Древесина гигроскопична, она из тех материалов, которые изменяют свою влажность в соответствии с состоянием окружающей среды. Различают два состояния воды в древесине. Свободную — содержа­щуюся в полостях клеток и межкле­точном пространстве. Она поглоща­ется из окружающей среды (при пря­мом контакте древесины с водой) в жидком состоянии за счет сил капил­лярного взаимодействия. Свобод­ная вода удаляется из материала сравнительно легко. Гораздо ощути­мее влияет на его свойства связан­ная вода. Ее еще называют гигрос­копической. Она включает в себя ад­сорбционную и микрокапиллярную воду (по виду удерживающих ее фи­зико-химических связей).

Связанная вода содержится в стенках клеток, способных погло­щать пары из воздуха. Удалить ее (особенно адсорбционную фракцию) значительно труднее, чем свободную воду.

   Обезвоживание древесины про­исходит последовательно. Сначала уходит свободная вода и лишь

затем (ниже предела около 30%) начинает испаряться связанная влага из клеточных стенок

 (десорбция). Макси­мальное количество связанной вла­ги примерно одинаково для всех пород и составляет при нормальной температуре около 30%. Все, что свыше, — свободная вода. По мере десорбции расстояние между мицелиями клеток сокращается

 — идет усушка древесины. Она приводит не только к изменению физических размеров образца, но и к

 повыше­нию его прочностных свойств.

Сорбция (поглощение) воды при­водит к обратному — разбуханию.

Помимо влажности используют еще несколько показателей, имею­щих определенную практическую

ценность.

При длительном воздействии во­ды на древесину (например, при сплаве) насыщение ею клеточных

стенок достигает максимального равновесного значения — влажнос­ти предела насыщения клеточных

 стенок -  Wп.н.

Вторая характеристика — влаж­ность предела гигроскопичности — Это максимальная влажность клеточных стенок при сорбции воды (водяного пара) из окружающего воздуха, состояние которого прибли­жается к насыщенному (относительная влажность (q=0,995), при полном отсутствии свободной воды. Процессы десорбции и сорбции воды в силу своей обратимости и постоянного наличия в воздухе водяных паров продолжаются до достижения некоторых устойчивых значений влажности: W_yд. и W_y.c. (для десорбции и сорбции соответственно). Эти значения для одних и тех же   внешних условий различны. Иными        словами, если взять два одинаковых            образца древесины, отличающихся только по влажности (один влажный, другой сухой) и поместить их в одинаковые    температурно-влажностные условия на длительный срок, то W_yд (влажного образца) окажется больше, чем W_yc. (сухого образца). Это явление получило названия гистерезиса сорбции и характеризуется соответствующим показателем: AW = W_yд. -W_yc.

Показатель гистерезиса сорбции зависит в основном от размеров об­разца. Скажем, для сортиментов крупных сечений (бруски, доски, за­готовки) он составляет примерно 2,5%, а для измельченной древеси­ны (опилки, стружки) — 0,2-0,3%, что в расчет не принимается. Для крупных сортиментов вводят сред­нее равновесное значение. Для средних равновесных значений влажности разработаны диаграммы в координатах: относительная влаж­ность — температура окружающего воздуха. Определив равновесное значение влажности по диаграмме (зная температуру и относительную влажность воздуха), можно рассчи­тать устойчивые значения влажнос­ти древесины при десорбции (сушке) и сорбции:

W_yд = W_P +1,25;

W_yc. = W_P - 1,25.

Эти зависимости справедливы, если древесина не подвергалась воздействию высокой (более 50°С) температуры. Для древесины, про­шедшей камерную сушку:

W_yд = W_P;

W_yc. = W_P-2,5.

Можно рассчитать, например, ка­кую влажность будет иметь древеси­на, прошедшая камерную сушку до влажности 6% и хранящаяся в поме­щении при температуре 15°С и отно­сительной влажности <q=0,8. Для этих условий равновесное значение влаж­ности, определенное по диаграмме, составит 17%. Теперь определим, что материал увлажнится в названных ус­ловиях до W_yc = W_P - 2,5 = 14,5%.

Снижения равновесного значения влажности можно добиться длитель­ным температурным воздействием (свыше 70-80°С), что доказывает термическую деструкцию древеси­ны. Есть и другие способы снижения W_P. Например, пропитка древесины раствором сахара с последующим прогревом (для его карамелизации) уменьшает равновесную влажность вдвое. Тот же эффект дает пропитка древесины березы раствором хло­ристого алюминия.

Пропитка растворами поварен­ной соли или карбамида (мочеви­ны) существенно повышает W_P, что важно при производстве, напри­мер, бочек.

Гигроскопичность влияет и на дол­говечность древесины. При многок­ратных изменениях влажности про­исходит растрескивание, снижение прочности и жесткости материала. Это явление называют гигроусталостью. Самые значительные измене­ния происходят в процессе первых циклов сорбции — десорбции. Имен­но поэтому так важно предусмотреть конструктивную защиту от влаги наи­более нагруженных элементов дере­вянного строения. Кроме конструк­тивных мер применяют и влагоизолирующие покрытия (лаки, краски), и более радикальный способ — моди­фикацию древесины путем пропитки искусственными смолами. Такие ме­ры замедляют скорость поглощения влаги, улучшают условия службы древесины, предохраняя ее от рас­трескивания. Однако никакие пок­рытия не способны полностью пре­дотвратить влагообмен — возмож­но лишь увеличить время достиже­ния состояния равновесия.

Дуб довольно плохо пилится и строгается, но легко колет­ся. Это его свойство обу­словило воз­никновение тех­ники изготовле­ния так называемого колотого парке­та, который отличается своеобразной красотой и уникальной долговеч­ностью.

Как измерить влажность древеси­ны? Для этого есть прямые и косвен­ные методы. К прямым относят весо­вой (ГОСТ 16588-79). Он основан на взвешивании и высушивании проб (образцов), отбираемых из контроли­руемой партии сортиментов. Из кон­тролируемой партии выбирается за­данное количество досок, определя­емое объемом контролируемой пар­тии и требуемым уровнем точности и надежности контроля. Из каждой доски выпиливается по два образца.

Этот метод весьма трудоемок и длителен, поэтому на практике пов­семестно используют косвенные ме­тоды, в частности кондуктометрический, в основе которого замер элек­тропроводности материала. Датчик кондуктометрического прибора обыч­но представляет собой трехигольча­тый зонд-электрод. Его втыкают в ис­следуемый образец на всю глубину в направлении вдоль волокон. Пока­зания считываются со шкалы милли­амперметра, проградуированной в процентах влажности. Датчик для из­мерения влажности стружки — разъ­емный стакан, куда между двумя дис­ковыми электродами помещается определенная весовая порция ис­следуемого материала, уплотняемая с помощью пресса. Для контроля влажности древесностружечных плит используют четырехигольчатый зонд. Кондуктометрический метод прост и производителен, но имеет свои недостатки. Абсолютная пог­решность измерения составляет в диапазоне от 7 до 12% до ±2%; в ди­апазоне от 12 до 30% — ±3%, э при влажности образца свыше 30% она возрастает в несколько раз.

Помимо названных существует еще целый ряд методов контроля влажности, в той или иной степени используемых на практике. К ним от­носятся емкостной, индуктивный и радиочастотный методы, основанные на изменении электрических и элек­тромагнитных свойств древесины в зависимости от ее влажности. Ем­костные и индуктивные приборы не нашли широкого применения на про­изводстве по ряду причин. Гораздо больше перспектив у приборов, осно­ванных на изменении характеристик электромагнитного излучения в дре­весине при изменении ее влажности. Предлагается вести контроль по сте­пени проницаемости древесины рен­тгеновским и бета-излучением.

В процессе сушки иногда ориен­тируются по усадке штабеля: когда удается накопить информацию, поз­воляющую установить устойчивую зависимость между влажностью и усадкой уложенных в штабель пило­материалов.

Первым делом следует упомянуть о влагопроводности. Ею характери­зуется способность материала про­водить связанную воду. Влага пере­мещается в древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом, и микрокапилляров в клеточных стенках. По первым — в виде пара, по вторым — преиму­щественно в виде жидкости.

Влагопроводность определяет скорость сушки древесины и увеличивается при повышении температу­ры вследствие более интенсивного испарения воды и увеличения ско­рости диффузии пара, а также за счет снижения вязкости воды.

Усушка и разбухание — взаимо­связанные свойства, подчиняющиеся в основном одним и тем же законо­мерностям. О природе усушки и раз­бухания уже говорилось. Вследствие того что древесина материал анизот­ропный (свойства в различных ее частях и направлениях заметно раз­нятся), усушка и разбухание идут не­равномерно по объему образца. Наи­более выраженные их проявления наблюдаются в тангенциальном нап­равлении поперек волокон, наимень­шее — вдоль волокон. Различают полную объемную и линейную усушку (разбухание). Полная объемная усуш­ка — это относительное изменение объема при изменении влажности образца от значения влажности на­сыщения клеточных стенок (около 30%) до абсолютно сухого состояния. Аналогично определяется и линейная усушка, измеряемая в поперечном (тангенциальном и радиальном) и продольном направлении.

Разбухание существенно зависит от свойств пропитывающей жидкости, в частности от ее диэлектрической постоянной. Например, керосин прак­тически не вызывает разбухания.

Из-за уже упомянутой анизотропии и неравномерности сушки или про­питки в древесине возникают внут­ренние напряжения. Они создаются и в процессе роста дерева. Величина их существенно выше при камерной сушке (по сравнению с атмосферной). Для лиственных пород характерен бо­лее высокий уровень внутренних нап­ряжений, чем для хвойных. Внутрен­ние напряжения способны приводить к короблению сортиментов, растрес­киванию, даже разрушению.

Коробление — это изменение за­данной формы пиломатериалов или заготовок при сушке, выпиловке и хранении. Поперечная покоробленность (доски приобретают желобча­тую форму) объясняется разницей в радиальной и тангенциальной усушке. Чем ближе к сердцевине бревна вы­пилена доска, тем заметнее ее попе­речная покоробленность. Продольная возникает из-за разницы в усушке древесины вдоль волокон (скажем, из-за присутствия креневой древеси­ны). Крыловатость возникает в пило­материалах с наклоном волокон.

Нарушение равновесия внутрен­них напряжений при обработке (де­лении, несимметричном фрезеровании) приводит к короблению заготовок. Оно случается и при распиловке     бревен с внутренними напряжения­ми, возникшими при росте дерева.

Во время хранения пиломатериалы или заготовки нередко коробятся из-за неправильной их укладки в штабеля. Чтобы уменьшить вероятность коробления досок в процессе сушки и хранения, необходи­мо тщательно укладывать их в штабеля и применять специальные прижимы.

Остаточные  напряжения   после сушки могут быть полностью сняты или уменьшены до допустимых зна­чений путем некоторого увлажнения поверхности древесины (паром или водой), а также путем приложения  механических усилий. Некоторые    специалисты предлагают для этой цели обрабатывать пиломатериалы    
ионизирующими излучениями.   

·         Влажная (W > 22%) — полуфабрикат. Такая древесина не должна поступать в продажу (примем ее       стоимость за 1).          

·         Товарная, транспортно-сухая (атмосферно-сухая, экспортная) (W = 22%)  — ей придана влажность, соответствующая пределу биостойкости, в при которой плотно уложенные пиломатериалы можно перевозить в летнее время и длительно хранить без опасения поражения их грибами (коэффициент ценности по отношению к влажной К = 1,2).

·         Товарно-строительная (W = 17%) —  применяется для изготовления строительных деталей и конструкций, имеющих непосредственный контакт с атмосферным воздухом с (К = 1,5).

·         Нормализованная, строительная Г (W = 12%) — применяется в строи­тельстве, обеспечивает высокую прочность, технологичность, на­дежную сопрягаемость и отличную отделку (не допускается разброс по влажности и все виды внутрен­них дефектов) (К = 2,4).

·         Мебельно-сухая (W = 6%) — при­меняется в производстве мебели и деталей интерьера (К = 3). Подводя итог, отметим: правильный

выбор параметров древесины, свя­занных с ее влажностью, в совокуп­ности с конструктивными и технологи­ческими мероприятиями по сниже­нию влагопоглощения — гарантия долговечности высококачественных
изделий.