Микроструктура древесины

В древесине на долю оболочек клеток приходится около 95 % массы. Оболочки клеток древесины на 99 % сложены из органических соединений, представленных у хвойных пород примерно на 70 % углеводами, у лиственных — на 80 %.

Углеводы — природные вещества, образованные тремя элементами: углеродом, водородом и кислородом. Примерами простых углеводов являются глюкоза и сахар.

Средний элементарный состав абсолютно сухой древесины всех пород следующий: углерод — 49,5 %, водород — 6,3, кислород + азот — 44,2, минеральные вещества (преимущественно соли кальция) — 0,2...0,7 %.

Каждая клетка древесины представляет собой сложное образование (рис. 11.3). Она состоит из оболочки 1 и находящейся в ней протоплазмы 2. Внутри протоплазмы обычно находится одно ядро 3 (встречаются и многоядерные клетки). В процессе роста клетки протоплазма расходуется и в ней образуются полости (вакуоли) 4, которые заполняются клеточным соком. В дальнейшем отдельные вакуоли постепенно сливаются в одну общую и оттесняют протоплазму к оболочке клетки. Кроме протоплазмы, ядра и вакуолей с клеточным соком, в клетках находятся еще так называемые пластиды 5 — бесцветные или окрашенные образования.

Протоплазма представляет собой зернистую, прозрачную, тягучую слизь (растительный белок). Ядро обычно имеет овальную форму, в нем находится одно или несколько блестящих ядрышек и тонкие нитеобразные белковые вещества, которые называются хроматинами. Ядро, так же как и протоплазма, состоит из сложного белкового соединения.

Рис. 11.3. Клетки древесины:

1 — оболочка; 2 — протоплазма; 3 — ядро; 4 — вакуоли; 5 — пластиды

Пластиды в зависимости от окраски делятся на лейкопласты — бесцветные пластиды, хромопласты — с желтым и оранжевым пигментом и хлоропласты, содержащие зеленый пигмент, который называется хлорофиллом. Хлорофилловые зерна находятся преимущественно в листьях и под влиянием солнечных лучей превращают углекислый газ воздуха в различные органические соединения (углероды, белки, жиры). Растения, лишенные хлорофилла, сами не могут вырабатывать органические соединения, необходимые им для жизни растения, и поэтому вынуждены паразитировать.

Клеточный сок, заполняющий вакуоли, представляет собой водный раствор различных веществ: углеводов, пигментов, дубильных веществ и свободных органических кислот.

Оболочка клетки в основном состоит из целлюлозы или клетчатки (С6Н10О5)7г; степень полимеризации п достигает значений от 300 до 6000 и более.

Целлюлоза — линейный гетероцепной однородный полимер, имеющий большое число гидроксильных групп (ОН), образующих водородную связь. Эта связь между водородным атомом гидроксила одной цепи и кислородным атомом гидроксила соседней цепи придает полимеру повышенную жесткость, так как способствует сращиванию цепных молекул в целлюлозных волокнах. Кроме водородных связей, для целлюлозы характерно также внутри- и межмолекулярное взаимодействие, т.е. силы Ван-дер-Ваальса, что, наоборот, уменьшает степень жесткости, и молекулы целлюлозы могут принимать различные расположения.

Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 55...65 % кристаллической и 25...35 % аморфной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород аморфной части меньше, чем у лиственных (28...35 %).

Являясь основным веществом древесины, целлюлоза образует в структурном отношении слоистую клеточную оболочку (стенку), способную при механической обработке распадаться на тонкие целлюлозные волоконца — фибриллы, а при химической — на микрофибриллы. Фибрилла имеет кристаллическую структуру, так как для нее типичным является регулярное расположение молекул, характерное для молекулярной кристаллической решетки. Микрофибриллы также в основном сохраняют кристаллические (ориентированные) области.

В клеточной оболочке наблюдается слоистость. Материал оболочки образуется за счет распада протоплазмы, поэтому по мере роста клетки количество протоплазмы в ней уменьшается. Более старая оболочка клетки содержит большее количество минеральных веществ. По мере окончания роста клетки происходит постепенное утолщение оболочки за счет нарастания последующих слоев. Иногда утолщение бывает настолько велико, что внутри клетки оболочка имеет тонкие поры. Оболочка претерпевает различные изменения в строении и составе, в результате чего происходит ее одеревенение, или опробкование, или ослизнение.

При одеревенении в оболочке клетки образуется особое вещество — лигнин, который содержит значительное количество углерода; увеличиваются также прочность и твердость, но уменьшаются упругость, способность к разбуханию и пр. Одеревенение клеток происходит преимущественно в стволе.

Лигнин — природный полимер, представляющий собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород до 28... 30 %, лиственных — 18... 24 %. Существование лигнина было открыто более 145 лет назад, но его весьма сложное строение до сих пор остается не полностью выясненным. Полагают, что это смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой структуры. От целлюлозы лигнин отличается повышенным содержанием углерода — 60...65 % по сравнению с 4 % в целлюлозе.

В химическом отношении лигнин — реакционноспособный полимер. По сравнению с целлюлозой лигнин обладает меньшей стойкостью — он легче окисляется.

Оба основных компонента древесины (целлюлоза и лигнин) взаимодействуют между собой на химическом уровне.

Клеточная структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи и когезии, поэтому в совокупности древесина по существу является природным органическим материалом с конгломератным типом структуры, в котором имеются матричная пространственная сетка из лигнина и кристаллический волокнистый наполнитель в виде целлюлозы. Оба этих компонента, как уже отмечалось, теснейшим образом взаимосвязаны и представляют природный композиционный материал (конгломерат). Эта структура хорошо видна, например, на микроснимке среза осины при увеличении в 11 000 раз, полученном американским ученым Э. Келли (рис. 11.4).

Подобно искусственным конгломератам, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их накопления и пр. Крупные капилляры являются полостями и порами стенок, тонкие и мельчайшие капилляры и поры находятся между фибриллами, микрофибриллами и вокруг микрофибрилл.

Если в крупных капиллярах удельная площадь внутренней поверхности невелика, (например, у ели около 0,2 м2/г), то у мельчайших пор она очень большая (например, у ели при диаметрах капилляров 10 • 10_8...10 • 10-7 см (от 10 до 100 А) она составляет до 300 м2/г). Такое различие капилляров от-

Электронная микрофотография среза осины (xll 000)

Рис. 11.4. Электронная микрофотография среза осины (xll 000):

1 — лигнин; 2 — стенка целлюлозной клетки; 3 — полость клетки ражается на характере их контакта с водой. Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество как строительного материала. Эта влага сравнительно легко приходит в капилляры и поры, особенно при контакте дерева с водой, заполняет полости и может составлять до 100...200 % к массе абсолютно сухой древесины, но она также сравнительно быстро и легко удаляется из них при сушке. Тонкие поры и капилляры заполняются не только при контакте с водой, но и в условиях влажного воздуха в связи с гигроскопичностью древесины по законам капиллярных сосудов. Гигроскопическая влага сорбируется на стенках клеток, частично переходя в коллоидносвязанную с веществом дерева. Предельное насыщение древесины гигроскопической влагой составляет 25...35 % (в среднем 30 %) к массе абсолютно сухой древесины и называется пределом насыщения клеточных стенок. Насыщение гигроскопической влагой до этой предельной точки сопровождается набуханием древесины, изменением (ухудшением) ее физических и механических свойств. Увеличение влаги после 30%-ного ее содержания на механические свойства древесины почти не влияет; не увеличивается и ее объем за счет набухания.

Опробкование сопровождается образованием в оболочке клетки вещества, более бедного кислородом, чем лигнин. В результате опробкования клетка хорошо противостоит гниению и становится непроницаемой для воды и газов. Опробкованию обычно подвергаются клетки на поверхности растения.

Ослизнение сопровождается превращением всей оболочки или части ее в камедь, или слизь, которая растворяется в воде. Если ослизняется часть оболочки, то в ней появляются отверстия, которыми клетки соединяются между собой, образуя сосуды.

Хотя клетки плотно прилегают друг к другу и соединены между собой межклеточным веществом, между ними образуются межклеточные пространства, заполняющиеся выделениями клеток (например, у хвойных пород — смолой). Кроме смоляных ходов, могут быть воздухоносные межклеточные ходы.

Небольшую часть древесины (2...4 %) составляют экстрактивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки, а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества в основном содержатся в полостях клеток и межклеточном пространстве. В отличие от углеводов и лигнина экстрактивные вещества — низкомолекулярные соединения, которые извлекаются из древесины нейтральными растворителями — водой, обычными органическими растворителями. Хотя их немного, они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и т.д. Среди экстрактивных веществ — смолы и смоляные кислоты, танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, белки и др. В каждой породе присутствуют свои экстрактивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева. Так, содержание смол в лиственных породах — до 1 %, а в хвойных может быть до 20 % .

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >