Основное руководство по древесине: применение, история и современное использование

Древесина тысячелетиями использовалась как топливо, строительный материал, для инструментов и оружия, мебели и бумаги. Недавно стала сырьем для целлофана и других целлюлозных производных (целлулозный ацетат). Сегодня специалисты по столярке и гражданскому строительству знают фундаментальную ценность древесины. Поэтому термин «древесина» — обязателен для обсуждения.

В этой статье будут рассмотрены следующие вопросы о древесине:

• Что такое древесина?
• Каковы способы использования древесины?
• Каковы свойства древесины?
• Каковы основные виды древесины?
• Как производится древесина?

Приступим!

Что такое древесина?

Древесина — органическое вещество живого дерева с волокнистой, гетерогенной и анизотропной структурой. Один из древнейших строительных материалов. С доисторических времен люди использовали древесину для укрытий и защиты. Из-за сокращения лесов, трудностей восполнения вырубленных деревьев или их медленного роста, ценность древесины сегодня выросла. Помимо использования как несущего или декоративного материала в моделях и лесах, древесина применяется для кровельных элементов, столярных изделий и облицовочных материалов. Кроме того, искусственные строительные материалы из побочных продуктов древесной промышленности (древесные опилки, пиломатериалы, пыль) включают ДСП, ДВП и фанеру. Лесоматериал — это древесина, обработанная и распиленная на стандартные размеры.

В стволах и корнях деревьев и других древесных растений древесина — пористое волокнистое структурное вещество. Органическое вещество из целлюлозных волокон (прочных на растяжение) в матрице лигнина (устойчивого к сжатию). В живом дереве древесина выполняет опорную функцию, позволяя древесным растениям расти высоко или стоять вертикально. Иногда древесину определяют только как вторичную ксилему в стволах деревьев, иногда шире — включая ту же ткань в корнях деревьев или кустарников. Также транспортирует питательные вещества и воду между корнями, другими растущими тканями и листьями.

Способы использования древесины

Основные направления использования:

• Топливо
• Бумажная древесина (Pulpwood)
• Строительство
• Инженерные продукты
• Мебель и посуда
• Искусство
• Спортивное и рекреационное оборудование
• Прочее

Топливо

Сегодня, в основном в сельских районах мира, древесина по-прежнему используется как топливо, как и веками. Лиственные породы предпочтительнее: меньше дым, медленнее горят. Дровяная печь или камин считаются источником тепла и уюта в доме.

Бумажная древесина (Pulpwood)

Термин «бумажная древесина» означает древесину, выращиваемую специально для бумагопроизводства.

Строительство

С первых хижин, домов и лодок древесина играет ключевую роль в строительстве. До конца XIX века почти все лодки делали из древесины, и сегодня она всё ещё часто используется в судостроении. Вяз (ельм) выбирали именно для этого: при сохранении влажности устойчив к гниению (также служил водопроводными трубами до появления современной сантехники).

В Северной Америке древесину для строительства называют «лесоматериал» (lumber). «Тимбер» (timber) — это распиленные пригодные доски, а «ламбер» (lumber) обычно означает срубленные деревья где-то еще. В средневековой Европе дуб был основным материалом для всех деревянных зданий: балки, стены, двери, полы. Сейчас используют шире ассортимент: тополь, мелконодикозная сосна, дугласиева пихта — для массивных входных дверей.

Инженерные продукты

В строительстве и промышленности широко применяют инженерные древесные продукты — склеенные несущие элементы, «проектируемые» под конкретные требования производительности. Для создания более прочных и эффективных композитных несущих элементов склеивают древесные стружки, шпон, лесоматериалы или другие древесные волокна.

К таким продуктам относятся: параллельно-стружечный лесоматериал (PSL), I-балки, слоисто-фанерный лесоматериал (LVL) и другие виды структурно-композитного лесоматериала (SCL). Также — древесные структурные панели: фанера, ОСП, композитные панели. В 1991 году на это ушло ~100 млн м³ древесины. По трендам ДСП и ДВП вытеснят фанеру.

Мебель и посуда

Для стульев, кроватей и другой мебели древесина давно основной материал. Также для ручек посуды (деревянные ложки, карандаши), инструментов и столовой посуды (палочки для еды, зубные щетки).

Искусство

Древесина веками популярна в искусстве. Тысячелетиями резьба и скульптура. Примеры: тотемные столбы из хвойных бревен (часто западнокорейский кедр) у коренных племен Северной Америки. Другие применения в искусстве:

• Гравюра и ксилография (гравюра на дереве)
• Дерево как основа для живописи (панельная живопись)
• Многие музыкальные инструменты сделаны полностью или преимущественно из древесины

Спортивное и рекреационное оборудование

Многие виды спортивного инвентаря сейчас делают из древесины или делали раньше. Крикетные биты — традиционно из белой ивы. Бейсбольные битты, разрешенные в MLB, обычно из ясеня, гикори, недавно — клена (хотя он более хрупок). Паркетные корты NBA часто из паркета.

Прочее

Новые направления: лигниновый клей, перерабатываемая пищевая упаковка, замена резины в шинах, антибактериальные медицинские препараты, высокопрочные текстильные композиты. По мере изучения учеными и инженерами новых методов извлечения компонентов или модификации древесины (добавление компонентов) появятся более сложные продукты. Электронный мониторинг влажности улучшит защиту древесины нового поколения.

Свойства древесины

• Органолептические характеристики
• Плотность и удельный вес
• Механические свойства
• Тепловые свойства
• Электрические свойства
• Акустические свойства
• Деградация
• Гигроскопичность
• Усадка и набухание

• Органолептические характеристики

Цвет, блеск, запах, вкус, текстура, волокна, рисунок, вес, твердость — органолептические свойства. Для идентификации и описания эти макроскопические признаки полезны. Цвета много, но большинство — оттенки белого и коричневого. Есть желтые, зеленые, красные, почти чисто белые. На одном образце видны вариации из-за разницы сердевины, молодой древесины, ранней/поздней древесины, лучей, смоляных ходов. Естественный цвет меняется при отбеливании, окрашивании или длительном воздействии среды. Яркие примеры: робиния, gleditsia, некоторые тропические породы.

Плотность и удельный вес

Удельный вес — отношение массы древесины к массе воды, плотность — масса единицы объема. В метрической системе средняя плотность и удельный вес дугласиевой пихты — 0,45 г/см³ (1 см³ воды = 1 г). (1 г/см³ ≈ 62,4 фунт/фут³). Так как древесина гигроскопична, влага сильно влияет на массу и объем, усложняя определение плотности. Масса и объем вычисляют при заданных значениях влажности для сравнимости.

Гигроскопичность

В контакте с водой древесина впитывает её как жидкость или пар из воздуха. Вода — самое значимое поглощаемое вещество. Древесина всегда содержит влагу благодаря гигроскопичности — будь то часть живого дерева или материал. (Вода и влага — синонимы.) Влага влияет на все свойства, но важно: только влага в клеточных стенках существенна; влага в полостях лишь добавляет вес.

Усадка и набухание

При изменении влажности ниже точки волокнистого насыщения происходят размерные изменения. Усадка — при потере влаги, набухание — при приобретении. Изменения анизотропны: различаются в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях. Средние усадки: ~0,4%, ~4%, ~8%. Объемная усадка ~12%, но большие различия между породами. Значения в % от размеров сырой древесины (переход сырой → абсолютно сухая). Причина — структура клеточной стенки.

Различия между осевым и боковыми направлениями объясняются ориентацией микроволокон во вторичной клеточной стенке, но причина различий между радиальным и тангенциальным направлениями неясна.

Деградация

Бактерии, грибы, насекомые, морские ксيلоваги, экологические, механические, химические и тепловые факторы разрушают древесину. Внешний вид, структура или химизм меняются — от легкого изменения цвета до необратимых превращений, делающих древесину бесполезной. Древесина может прослужить столетия (мебель в гробницах фараонов), разрушается только под внешними факторами.

Механические свойства

Механические свойства — способность сопротивляться внешним силам, меняющим размер и форму. Сопротивление зависит от величины и способа приложения сил, плотности и влажности. В осевом направлении (по волокнам) прочность заметно отличается от поперечного.

Характеристики: прочность на растяжение/сжатие (осевое/поперечное), сдвиг, раскол, твердость, статическое изгибание, ударная вязкость (ударное изгибание и вязкость). Тесты определяют напряжения на единицу площади (предел упругости, макс. нагрузка), вязкость, модуль разрыва, модуль упругости (жесткость). Образцы: небольшие, прозрачные, сечение 2x2 см или 2x2 дюйма.

Тепловые свойства

Хотя древесина расширяется/сжимается при изменении температуры, усадка/набухание от влажности — гораздо значительнее. Температурные изменения обычно незначительны и не имеют практического значения. Поверхностные трещины только ниже 0 °C; морозные трещины в живых деревьях из-за неравномерного сжатия внешних и внутренних слоев.

По сравнению с металлами, мрамором, стеклом, бетоном — древесина имеет низкую теплопроводность (высокую теплоизоляцию). Легкие и сухие породы — лучшие изоляторы: теплопроводность выше в осевом направлении и растет с плотностью и влажностью.

Электрические свойства

Абсолютно сухая древесина — изолятор. При росте влажности электропроводность растет, насыщенная древесина ведет себя как вода. Резкое падение сопротивления при росте влажности от 0 до точки насыщения: более чем в миллиард раз; от точки насыщения до макс. влажности — лишь ~50 раз. Сопротивление мало зависит от породы и плотности; различия — химия экстрактивов. Осевое сопротивление ~в 2 раза ниже поперечного.

Диэлектрические свойства важны. Диэлектрическая постоянная и коэффициент потерь — для влагомеров (емкостные и ВЧ потерь), сушки током (теоретично), клеения ВЧ током. Под механическим напряжением — пьезоэлектрический эффект (противоположные заряды на гранях). В электрическом поле — механическая деформация (изменение размеров).

Акустические свойства

Древесина генерирует звук (удар) и усиливает/отражает звуковые волны. Уникальный материал для музыкальных инструментов и акустики. Размер, плотность, влажность, модуль упругости влияют на частоту колебаний и высоту тона. Большая плотность и упругость, меньшая влажность и размеры — более высокие тона.

Основные виды древесины

Все виды древесины делятся на:

• Лиственные (Hard)
• Хвойные (Soft)
• Инженерная древесина (Engineered wood)

Лиственные (Hard)

Источник — деревья, не дающие иголок и шишек. Научно — листвянные (angiosperms). Дают листья и семена. Примеры: дуб, клен, вишня, махогон, орех. Лиственные не всегда прочнее хвойных, но многие славятся красивыми уникальными текстурами.

Некоторые породы формально лиственные, но из нелиствянных деревьев: бамбук, пальма. Технически — однодольные (monocotyledons), но часто относят к лиственным за схожими свойствами. Бамбук и пальма иногда включают в инженерную древесину.

Хвойные (Soft)

Из хвойных (conifer) — лесоматериалы и древесные продукты. Хвойные (Gymnosperms) — иголки и шишки. Примеры: сосна, кедр, пихта, ель, секвойя — для мебели, столярки и смежных областей.

Инженерная древесина (Engineered wood)

Третий тип — создается искусственно, не встречается в природе. Плиты из модифицированной древесины с заданными характеристиками. Также — композитная древесина, часто из отходов лесопиления.

Инженерную древесину часто термически или химически обрабатывают для получения размеров, труднодостижимых в природе. Примеры: фанера, ОСП, ДВП, композитные плиты. Шпон иногда относят к инженерной древесине — требует спец. резки или сборки для точного размера/рисунка.

Как производится древесина?

Древесина — часть системы растений для накопления продуктов фотосинтеза, транспорта воды и минералов из корней, механической поддержки. Из ~25–30 тыс. видов древесных растений только 3–4 тыс. дают древесину, пригодную для материалов. Древесинообразующие лесные деревья и растения делятся на нагоносеменные (Gymnosperms) и покрытосеменные (Angiosperms). Покрытосеменные (с цветами/плодами) дают лиственные породы умеренных и тропических широт: дуб, бук, тик, бальза. Нагоносеменные (шишки) — хвойные: сосна, ель. Различие лиственные/хвойные не абсолютно: некоторые лиственные (бальза) мягче некоторых хвойных (тис).

Древесина — вещество с высокой экономической ценностью. В отличие от угля, руд, нефти (истощаются), это возобновляемый ресурс, который можно устойчиво воспроизводить. Древесина стимулирует экономику, создает рабочие места, обеспечивает базовое существование в некоторых странах через заготовку в лесах, транспортировку, переработку на заводах, торговлю и потребление. Стабильно высокий спрос подтверждает её значимость.

По весу древесина потребляется больше других материалов. Большая часть мирового производства круглых лесоматериалов (бревна) идет на топливо, в основном в развивающихся странах. Самый быстрый рост — бумага и картон, тренд продолжится, пока потребление на душу в развивающихся странах догонит развитые. Растущее потребление и вырубка лесов вызваны ростом населения. Обеспечение прогнозируемого спроса сомнительно из-за уничтожения лесов, особенно тропических. Решение: прекращение потери лесного покрова, повышение продуктивности имеющихся лесов, масштабные рефорестации и питомники быстрорастущих пород, переработка бумаги, улучшение использования древесины через науку — помогут решить проблему дефицита и снизят экологическое воздействие лесной промышленности.

Часто задаваемые вопросы

Что такое древесина?

Древесина — органический материал с волокнистой, гетерогенной и анизотропной структурой, образующийся в дереве — живом организме. Один из древнейших строительных материалов. Люди используют древесину для укрытий и защиты с древних времен.

Из чего состоит древесина?

Древесина состоит из Целлюлозы: полимер (C6H10O5), кристаллизующийся в очень прочные волокна. Целлюлоза — основной усиливающий материал. Лигнин: тоже полимер, но обычно аморфный.

Каковы основные способы использования древесины?

Строительство домов и сооружений: деревянные дома все еще широко используются в частном строительстве. Кровля некоторых зданий также из древесины. Как бамбук иногда используют в строительстве для временной поддержки, пока здание не устоится само.

Каковы свойства древесины?

Основные физические свойства: цвет, блеск, текстура, макроструктура, запах, влажность, усадка, внутренние напряжения, набухание, трещины, деформация, плотность, звуко-, электро-, теплопроводность. Цвет, блеск, текстура, макроструктура определяют внешний вид.

Образование древесины — сложный биологический процесс, пять основных этапов: (1) деление клеток из вторичного меристемы (сосудистый камбий), (2) расширение клетки (удлинение и радиальное расширение), (3) отложение вторичной клеточной стенки, (4) запрограммированная смерть клетки, (5) сердевина.

Натуральная древесина — деревья, включая бревна, стволы, пни, ветки, сучки и пеньки; лесоматериалы, включая бревна, пни, особенно когда подготовлены к использованию.

Когда древесина впервые использовалась?

Ранние следы обработки древесины — 1,5 млн лет назад, стоянка Homo erectus Пенинь в Танзании.

Примеры лиственных: ясень, бук, береза, махогон, клен, дуб, тик, орех. Хвойные — обычно вечнозеленые (хвойные) деревья (иголки и шишки круглый год, также гімноспермы). Примеры: кедр, кипарис, пихта, сосна, ель, секвойя.

Механические свойства включают прочность на растяжение и сжатие (в осевом и поперечном направлениях), сдвиг, раскол, твердость, статическое изгибание, ударную вязкость (ударное изгибание и вязкость).

Общепризнанно твержайшая древесина — гуайак (Guaiacum sanctum и Guaiacum officinale) — 4500 фунт-силы (lbf) по шкале Янка.

Заключение

Древесина — органическое вещество живого дерева с волокнистой, гетерогенной и анизотропной структурой. Один из древнейших строительных материалов. С доисторических времен люди использовали древесину для укрытий и защиты. Древесина применяется для топлива, бумажной древесины, строительства, инженерных продуктов, мебели, посуды и др.

В этой статье обсуждены вопросы:

• Что такое древесина?
• Способы использования древесины
• Свойства древесины
• Основные виды древесины
• Как производится древесина

Надеюсь, вы узнали много нового — делитесь с другими, спасибо за чтение, до встречи!