Строение и химический состав древесины
В процессе роста дерева по периметру ствола ежегодно возникают слои клеток, образующих годовые слои, причем слой, нарастающий раньше (весенний), более мягкий и более светлый, чем последующие слои, нарастающие летом и осенью, – более твердые и темные. С течением времени внутренние слои утолщаются и твердеют, образуя ядро – наиболее ценную часть дерева. Наружные годовые слои остаются большей частью мягкими, образуя заболонь (рис. 13). Процесс роста ствола происходит главным образом в находящемся непосредственно за корой тонком слое, называемом мезгой. Кора образует наружный, защитный слой дерева. Остальная часть ствола исполняет главные механические функции, а именно удерживает дерево в вертикальном положении, а также противодействует естественным нагрузкам (ветер, снег).
Главный элемент структуры древесины – клетки. Длина клеток составляет обычно 2–4 мм, а размер в поперечнике 20–40 мкм. Стенки клеток являются композитом со сложной структурой. Микроволокна композита, характеризующиеся высокой прочностью, построены из кристаллической целлюлозы и составляют ~45% от массы стенок клетки. Целлюлоза является полимером (С6Н10О5)n со степенью полимеризации ~104. Микроволокна целлюлозы составляют основу лигнина и гемицеллюлозы. Лигнин – некристаллический полимер, в то время как гемицеллюлоза – полимер такого же состава, что и целлюлоза, но с меньшей степенью полимеризации и частично кристаллической структурой. Лигнин и гемицеллюлоза составляют ~20 % массы стенок клеток, еще 10 % массы составляет вода, 5 % – побочные компоненты, т. е. смолы, дубильные вещества, жиры, а также минеральные соли, остальное – целлюлоза. Побочные компоненты придают древесине цвет и запах, а иногда также стойкость к вредителям.
В состав отдельных органических веществ древесины входят углерод, кислород, водород и азот. Доля этих элементов в сухой древесине составляет, %: углерода – 50, кислорода – 43, водорода – 6,1 и азота – 0,12.
Микроструктура древесины складывается из большого количества длинных, плотных трубчатых клеток, наполненных водой или растительным соком. Целлюлоза, соединяясь с гемицеллюлозой, образует каркасное вещество клеточных стенок, которые насыщены лигнином.
Важным компонентом древесины являются также минеральные вещества, такие как соли калия, натрия, кальция и угольной, фосфорной и кремниевой кислот. Содержание этих компонентов в древесине переменно и составляет в среднем 0,2–1,7%. В большем или меньшем количестве находятся в древесине также побочные вещества, такие как смолы, воск, жиры, красители, дубильные вещества, алкалоиды и др.
Очень существенным компонентом древесины является вода. Различают связанную и свободную воду. Около 25–30 % влаги содержится в древесине в связанном виде и очень трудно поддается удалению. Остальная влага, заполняющая межклеточное пространство, легко выпаривается во время сушки.
Дерево, насыщенное водой, легко отдает ее воздуху, пересушенное дерево наоборот, поглощает влагу из воздуха. Высыхание и увлажнение особенно интенсивно происходит в основных сечениях древесины. Растущее дерево очень быстро впитывает воду, причем количество ее зависит не только от вида дерева, но и от времени года. Например, оптимальное содержание воды в растущей сосне или ели составляет 80 %, в березе – 70 % . При транспортировке по воде (сплав) влажность дерева повышается еще больше. Такую древесину называют мокрой.
При длительном хранении на складе насыщение древесины водой стабилизируется, достигая определенного содержания в условиях окружающего воздуха. В зависимости от климата и времени года влажность древесины, находящейся на воздухе, составляет 15–20 %. Высушенная древесина носит название воздушно-сухой.