Процесс образования и строение стенки древесных клеток

Вариант 35 (13, 35, 52, 86, 101, 111,  130  ,142)

13. Процесс образования и строение стенки древесных клеток.

        Клеточная стенка — жёсткая оболочка клетки, расположенная снаружи от цитоплазматической мембраны и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции. Обнаруживается у большинства бактерий, архей, грибов и растений. Животные и многие простейшие не имеют клеточной стенки.

        Клеточная оболочка окружает собственно клетку со всех сторон и служит связующим звеном между ней и соседними клетками, обеспечивая, таким образом, единство и целостность всего растительного организма. В жестких оболочках растительных клеток образуются каналы, в которых располагаются тончайшие тяжи цитоплазмы – плазмодесмы. Благодаря этому, осуществляются межклеточные взаимодействия. Иными словами, у растений клеточные оболочки призваны обеспечивать те функции, которые у животных выполняют скелет, кожа и система кровообращения (т.е. опорную, защитную и транспортную.) Не удивительно поэтому, что в ходе эволюции у растений возникли весьма разнообразные по структуре и химическому составу типы клеточных стенок. Собственно говоря, растительные клетки во многом различают и классифицируют именно по форме и природе клеточных стенок.

      Оболочка, как правило, бесцветна и прозрачна. Она легко пропускает солнечный свет. Оболочки соседних клеток как бы сцементированы межклеточными веществами, образующими так называемую срединную пластинку. Вследствие этого соседние клетки оказываются отделёнными друг от друга стенкой, образованной двумя оболочками и срединной пластинкой. Это и даёт основание называть оболочку также клеточной стенкой.

         Клеточная стенка растительных клеток состоит, главным образом, из полисахаридов. Оболочку эмбриональных тканей и клеток, растущих растяжением, называют первичной. В этот период оболочка достаточно эластична. После прекращения роста клетки изнутри на первичную клеточную стенку начинают откладываться новые слои и образуется вторичная клеточная стенка, придающая клетке жёсткость и прочность.

Химический состав

Все компоненты, входящие в состав клеточной стенки, можно разделить  на 4 группы:

- Структурные компоненты, представленные целлюлозой у большинства автотрофных растений, хитином (грибы), глюканом (дрожжи), манналом и ксиланом (водоросли).

- Компоненты матрикса, т.е. основного вещества, наполнителя оболочки – гемицеллюлозы, белки, липиды.

- Компоненты, инкрустирующие клеточную стенку, (т.е. откладывающиеся и выстилающие её изнутри) – лигнин и суберин.

- Компоненты, адкрустирующие стенку, т.е. откладывающиеся на её поверхности, – кутин, воск.

      Основной структурный компонент оболочки – целлюлоза представлена длинными неразветвленными полимерными молекулами, состоящими из 1000-11000 остатков b -D глюкозы, соединённых между собой гликозидными связями. Наличие гликозидных связей создаёт возможность образования поперечных стивок.

Благодаря этому, длинные и тонкие молекулы целлюлозы объединяются в  элементарные фибриллы или мицеллы. Каждая мицелла состоит из 60-100 параллельно  расположенных цепей целлюлозы.

      Мицеллы сотнями группируются в мицеллярные ряды и составляют микрофибриллы диаметром 10-25 нм. Целлюлоза обладает кристаллическими свойствами благодаря упорядоченному расположению мицелл в микрофибриллах.

      Микрофибриллы, в свою очередь, перевиваются между собой как пряди в канате и объединяются в макрофибриллы. Макрофибриллы имеют толщину около 0,5 мкм и могут достигать в длину 4 мкм. Они так же прочны, как равная им по толщине стальная проволока.

      Микрофибриллы оболочки погружены в амморфный пластичный гель – матрикс. Матрикс является наполнителем оболочки. В состав матрикса входят полисахариды, называемые гемицеллюлозами и пектиновыми веществами. На долю гемицеллюлоз приходится около 30-40 % сухого веса клетчатых стенок.

       Гемицеллюлозы в теле растений играют механическую роль, участвуя наряду с целлюлозой и другими веществами в построении клетчатых стенок, роль запасных веществ, отлагающихся, а затем расходующихся. При этом функцию запасного материала несут преимущественно гексозы; а гемицеллюлозы с механической функцией обычно состоят из пектоз. В качестве запасных питательных веществ гемицеллюлозы отлагаются также в семенах многих растений, особенно у однодольных, например, в клеточных стенках эндосперма многих пальм (в частности финиковой пальмы).

       Все клеточные стенки на ранней стадии развития почти нацело состоят из пектиновых веществ.

      Межклеточное вещество срединной пластинки, как бы цементирующее оболочки смежных стенок, состоит обычно из пектиновых веществ, главным образом из пектата кальция. Пектиновые вещества, хотя и в небольших количествах, имеются в основной толщине и взрослых клеток.

     В состав матрикса клеточных стенок помимо углеводных компонентов входит также структурный белок, называемый экстенсином. Он является гликопротеином, углеводная часть которого представлена остатками сахара арабинозы

      Сильному метаморфозу состава и структуры подвергаются оболочки при одревеснении, опробковении, ослизнении и минерализации. Одревеснение состоит в том, что часть целлюлозной толщи стенки пропитывается лигнином.

       Ароматическое вещество лигнин является основным инкрустирующим веществом клеточной стенки. Это полимер с неразветлённой молекулой, состоящей из ароматических компонентов. Мономерами лигнина могут быть конифериловый, синаповый и другие спирты.

Интесивная лигнификация клеточных  стенок начинается после прекращения  роста клетки.

      Отношение между целлюлозой и лигнином в одревесневших слоях оболочки было признано аналогичным конструкции железобетонных сооружений. Лигнин, подобно бетонной массе, заполняет промежутки ячеек сетки; при этом арматура и заполнение образуют монолитное целое.

      Одревеснение широко распространено в растительном царстве, за исключением низших растений и мохообразных.

      Понятно, что особенно сильному одревеснению подвержены клетки деревьев и кустарников. Так, древесина хвойных содержит 27-30 % лигнина, а древесина лиственных – 18-27 %.

       Одревеснение понижает пластичность клеточных стенок, закрепляет их форму. Однако клетки с одревесневшими стенками могут оставаться живыми десятки лет.

       Лигнин обладает и консервирующими свойствами и потому действует как антисептик, придавая тканям повышенную стойкость по отношению к разрушительному действию грибов и бактерий.

        При разложении в почве растительных остатков относительное содержание лигнина в них повышается. Несомненно, высокая стойкость лигнина играет большую роль при торфо- и углеобразовании. Кроме того, разрушение и конденсация лигнина в почве служит одним из факторов образования гумуса.

35. Причины растрескивания и коробления древесины в процессе сушки. Виды покоробленности пиломатериалов.

    К числу видимых дефектов древесины, которые могут появиться в процессе ее сушки, относятся растрескивание и коробление.

Коробление материала во время сушки как продольное, так и поперечное – следствие плохого его зажатия, т.е. неудовлетворительной его укладки в штабель. Коробление после сушки происходит при наличии в высушенном материале влажности и упругих деформаций, поэтому необходимо проводить надлежащую конечную влаготеплообработку высушенных пиломатериалов и не загружать их до полного охлаждения древесины, т.е. охлаждать только в штабеле. Возникновение трещин внутри материала, готовых изделий происходит вследствие выравнивания влажности по толщине материала после сушки. Метод предупреждения - строгое соблюдение режимных параметров во второй стадии сушки и проведение надлежащей конечной влаготеплообработки материала после окончания сушки.

Растрескивание торцов и пластей материалов происходит при форсированном процессе в начале сушки; необходимо смягчить режим сушки. Растрескивание свежеотпиленных торцов досок и заготовок наблюдается в самом начале процесса сушки из-за быстрого их высыхания. Метод предупреждения - защита торцовых зон экранами, которые снижают скорость агента сушки и тем самым уменьшают влагоотдачу за счет снижения коэффициента влагопроводности вдоль волокон

    Виды и причины растрескивания пиломатериалов могут быть различными. Встречаются следующие виды трещин: наружные, внутренние, торцовые и радиальные.

Наружные трещины образуются в  начальной стадии процесса. Причина  их — слишком жесткий режим  сушки и возникновение вследствие этого чрезмерно больших растягивающих  напряжений в поверхностной зоне сортимента. Мера предупреждения —  применение рационального режима сушки  с правильно подобранной высокой  степенью насыщения среды в начале процесса.

    Внутренние трещины (называемые иногда свищами или раковинами) образуются в конце процесса, когда растягивающие напряжения в центре сортимента достигают предела прочности. Для предупреждения их необходимо соблюдение правильного режима сушки. Дополнительной мерой борьбы с этим дефектом служит влаготеплообработка древесины.

    Торцовые трещины появляются в результате интенсивной сушки торцов сортимента. Кардинальная мера борьбы с этим дефектом — замазка торцов влагонепроницаемым составом.

Однако это мероприятие трудоемко  и при массовой сушке применение его затруднительно. При правильной укладке пиломатериалов в штабеле, в частности при соблюдении требований о выравнивании торцов штабеля и  размещении крайних прокладок заподлицо  с торцами досок, торцовые трещины  бывают обычно неглубокими, и поврежденные части досок удаляют при их раскрое без больших потерь древесины.

    Торцовые трещины бывают особенно многочисленными и глубокими, если при нарушении указанных правил укладки наблюдается еще и более интенсивная циркуляция сушильного агента у торцов штабеля, чем в его середине. Это, как правило, вызывается тем, что между торцами смежных штабелей или между ними и стенами камеры образуются широкие просветы, в которые с большой силой устремляется циркулирующий поток. Необходимо поэтому выкладывать штабеля только полной длины, предусмотренной конструкцией камеры. Если просветов все же избежать нельзя, следует перекрывать доступ в них циркулирующего потока стационарными или съемными экранами, что не только снизит торцовое растрескивание, но и, кроме того, повысит равномерность и интенсивность сушки за счет увеличения скорости прохождения сушильного агента по материалу.

     К весьма эффективным мероприятиям по предупреждению торцового растрескивания относится применение брезентовых или пластиковых чехлов, укрепляемых тем или иным способом на торцах штабелей. Это мероприятие довольно трудоемко и требует дополнительных затрат, но они вполне окупаются в тех случаях, когда по условиям использования пиломатериалов к состоянию их торцов предъявляются жесткие требования.

Радиальные трещины образуются при высыхании круглых лесоматериалов и сердцовых сортиментов, т. е. брусьев  и толстых досок, содержащих сердцевинную трубку.

    Причина образования радиальных трещин — различная усушка древесины в радиальном и тангенциальном направлениях. Поясним это примером. Одинаковые при выпиловке бруса размеры А и Б после сушки станут различными. В тангенциальном направлении Б древесина усохнет больше, чем в радиальном направлении А. Сокращение размеров Б (по сравнению с А) может проявиться только за счет образования на каждой пласти бруса одной-двух крупных, а иногда многих мелких радиальных трещин.

Предупредить появление  радиальных трещин в сердцовых сортиментах  при обычной камерной или атмосферной  сушке невозможно даже при самом  медленном и осторожном ведении процесса, ибо ни режим, ни продолжительность сушки не могут ни изменить, ни смягчить естественное свойство древесины иметь различную в разных направлениях усушку.

Явления коробления и растрескивания при свободной сушке древесины: а- растрескивание бревна из-за усушки нешнего слоя (1-кора, 2-высыхающийся, сжимающийся и растрескивающийся  слой, 3- трещина радиальная, 4- искусственный  пропил для фиксации трещины, 5- трещина  в виде расширения пропила, 6 – годичные слои), б- укладка бревен в срубе  трещинами вниз, в – коробление досок, вырезанных в разных зонах  бревна (вид с торца бревна), г – радиальная (1) и обычная тангенсальная (2) распиловка бревна на доски, имеющие широкую поверхность – пласт (3) и узкую кромку (4).

    Покоробленность - искривление пиломатериала в процессе обработки и/или сушки, и/или хранения.

    Винтовая покоробленность - продольное спиральное искривление пиломатериала. Винтовая покоробленность появляется в процессе ускоренной сушки, как результат неравномерной отдачи влаги различными частями пиломатериала

       Покоробленность пиломатериалов бывает разных видов: продольная по пласти, сложная, продольная по кромке, поперечная, а также наподобие крыла (крылова—тость) (рис. 4). Характер покоробленности зависит от выпиловки его из бревна. Покоробленность снижает качество пиломатериалов и изделий из древесины, осложняет обработку и раскрой, увеличивает количество отходов и в целом затрудняет использование древесины.

Рис. 4. Виды покоробленности: а – поперечная по пласти; б –  продольная по пласти; в – крыловатость

Поперечная покоробленность

     Поперечная покоробленность - искривление лесоматериала по ширине пласти. Поперечная покоробленность всегда происходит в сторону периферийной (заболонной) части пиломатериала.

    Продольная покоробленность по кромке

Продольная покоробленность по кромке - покоробленность по длине  в плоскости, перпендикулярной кромке. Продольная покоробленность по кромке образуется в результате усушки древесины: периферийная древесина усыхает  в большей степени, чем внутренняя. Продольная покоробленность по кромке может быть результатом неправильной распиловки.

   Продольная  покоробленность по пласти

Продольная покоробленность по пласти - покоробленность по длине  в плоскости, перпендикулярной пласти.

    Простая  продольная покоробленность по  кромке

Простая продольная покоробленность  по кромке - продольная покоробленность  по кромке с одним изгибом.

  Простая продольная покоробленность по пласти

Простая продольная покоробленность  по пласти - продольная покоробленность  по пласти с одним изгибом.

Сложная продольная покоробленность  по кромке

Сложная продольная покоробленность  по кромке - продольная покоробленность  по кромке с двумя или более  изгибами в различных направлениях.

Сложная продольная покоробленность  по пласти

Сложная продольная покоробленность  по пласти - продольная покоробленность  по пласти с двумя или более  изгибами в различных направлениях.

   Явление покоробленности чаще всего наблюдается у пиломатериалов, полученных при обработке березы.

Задача. Определить конечную ширину доски тангенциальной распиловки после её высыхания до 15%, если её начальная ширина при влажности 40% составляла 130 мм, коэффициент усушки К = 0,33.

Дано:

Найти:

       Решение.

1. Определяем величину усушки   из  формулы:

- падение влажности,

2. Из формулы для величины усушки

определяем конечную ширину доски

Ответ: .

52.  Влияние низких температур на качество древесины. Изменения в древесине при воздействии ионизирующих излучений.

    Стабильно низкие температуры повышают прочность при сжатии вдоль волокон, скалывании и статическом изгибе пиломатериалов из сосны, дуба, березы. При этом ударная вязкость древесины снижается.

Низкие  температуры оказывают обратное влияние на прочность древесины: прочность замороженной древесины  заметно повышается. Лед обеспечивает повышение устойчивости стенок клеток. Этим объясняется рост значений пределов прочности на изгиб, сжатие и раскалывание.

     Морозные трещины образуются в растущем дереве под влиянием низких температур. Это - длинные и глубокие радиально направленные трещины, проходящие из заболони в ядро и раскрытые на боковую поверхность ствола. Они возникают зимой при резком охлаждении стволов.

     Влияние температуры в пределах изменения от +100 до —80° С на прочность при сжатии вдоль волокон древесины сосны в абсолютно сухом и насыщенном водой состоянии показано на рис. 52, где участки кривых, характеризующих влияние повышенной температуры. Как видно, влияние положительных температур одинаково для абсолютно сухой и насыщенной водой древесины (правые участки кривых параллельны); в то же время при отрицательных температурах прочность абсолютно сухой древесины увеличивается плавно, а прочность мокрой древесины резко возрастает с понижением температуры до -25 ÷ -30°, после чего увеличение прочности замедляется, что объясняется образованием ледяной решетки. Диаграммы на рис. 52 (внизу) иллюстрируют влияние низких температур на механические свойства сырой древесины сосны (влажность 70%).

Рис. 52. Влияние температуры на прочность при сжатии вдоль волокон древесины сосны при разной ее влажности (вверху); влияние низких температур на механические свойства древесины сосны (внизу). 1-в абсолютно сухом состоянии; 2-в насыщенном водой состоянии 3 - прочность при статическом изгибе; 4 - удельная pабота при ударном изгибе 5 -прочность при сжатии поперек волокон; 6- то же при скалывании.

Влияние ионизирующих излучений

      Ионизирующие излучения снижают прочностные характеристики древесины. Объясняется это радиолизом (разложением) ее органических составляющих. Однако использование радиоизотопов в процессе неразрушающего контроля деталей из древесины и их лучевая стерилизация (смертельная доза для грибов и насекомых составляет примерно 1 Мрад) не ведет к снижению механических свойств материала, потому что доза облучения ниже той, которая вызывает заметные разрушения в веществе древесины.

   В связи с использованием радиоактивных изотопов в деревообрабатывающей промышленности возникает необходимость установления пределов радиационной устойчивости древесины. Под действием небольших доз γ-радиации происходит лишь изменение цвета древесины: она по всему объему приобретает буроватую окраску; при этом механические свойства ее не изменяются. При дозах облучения в 10 Mrad (rad— единица поглощенной дозы излучения, равная 0,01 дж на 1 кг, или 100 эрг на 1 г облученного вещества; 1 Mrad=10⁶ rad.) и более наблюдается снижение механических свойств древесины, величина которого зависит не только от интегральной дозы облучения, но и вида испытаний. В табл. 59 представлены результаты определения прочности древесины сосны после облучения разными дозами. Как видно из таблицы, облучение оказывает наименьшее влияние на сопротивление древесины сжатию. Значительно больше снижается прочность при скалывании и еще сильнее падает сопротивление статическому изгибу.

Таблица 52. Влияние γ-облучения на прочность древесины сосны.

   Наиболее сильное влияние оказывает облучение на ударную вязкость древесины. Удельная работа при ударном изгибе древесины сосны после облучения дозой 50 Mrad снизилась более чем в 2 раза. Причина снижения показателей физико-механических свойств древесины — разложение слагающих ее веществ под действием радиации (радиолиз).

     Наиболее легко разлагаются гемицеллюлозы (в первую очередь пентозаны); несколько более стойка — целлюлоза. Однако полисахариды значительно уступают по радиационной устойчивости лигнину. Поскольку лигнин лучше, чем целлюлоза, сопротивляется сжимающим нагрузкам, облучение оказывает наименьшее влияние на прочность древесины именно при сжатии вдоль волокон. Лигнин не только в меньшей степени разлагается под действием γ-лучей, но и защищает от радиации углеводную часть древесины (полисахариды).

    Полученные данные о влиянии облучения на механические свойства древесины показывают полную возможность использования радиоактивных изотопов для контроля над технологическими процессами обработки древесины; доза облучения древесины при этом в миллионы раз меньше той, которая приводит к заметному снижению прочности. Эти данные также свидетельствуют о возможности использования лучевой стерилизации древесины (для грибов и насекомых доза примерно 1 Mrad смертельна) без опасности снижения механических свойств древесины.

86. Способы модификации древесины.

    Модифицирование древесины - целенаправленное изменение свойств древесины. В результате модифицирования механическая прочность древесины повышается не менее чем в 3 раза, водостойкость в 2-3 раза, химическая стойкость в 3-4 раза. Благодаря этому в переработку вовлечена не только деловая древесина, но и древесина низкого качества, особенно мягких лиственных пород (ольха, осина, береза, бук, клен). Модифицированию подвергают обычно заготовки (доски, брусья, пластины, ролики, втулки, кольца и др.), высушенные до влажности 8-25%. Модифицированную древесину применяют для изготовления паркета, деталей мебели, музыкальных инструментов, литейных моделей, ткацких станков и шпулек, элементов наголовников, используемых при забивке свай, как заменитель черных и цветных металлов в деталях машин, эксплуатируемых в узлах трения, и др.

    Физические методы модификации заключается в прессовании древесины поперек волокон и введении в нее инертных материалов, не проникающих в клеточные стенки. Химические методы вызывают изменения состава и свойств материала клеточных стенок за счет пропитки древесины мономерами, олигомерными и полимерными веществами. Например, прессование древесины после предварительного пропаривания, нагревания и обработки щелочами увеличивает ее плотность до 1200-1300 кг/м³, прочность, жесткость, твердость, ударную вязкость и, соответственно, изностойкость.

     В результате модификации получается недорогой материал с новыми технологическими свойствами, позволяющими использовать его в машиностроении для создания эффективно работающих деталей и узлов.

      Модифицирование древесины проводится не только для повышения значений ее механических и эксплуатационных свойств. Обработка щелочами в присутствии воды улучшает ее декоративность, так как ее цвет меняется от светло- до темно-коричневого (для отдельных пород до черного).

    Применение для этих целей уксусного ангидрида (ацетилирование) дает возможность одновременно повысить биостойкость, снизить влаго- и водопоглощение, повысить стабильность формы изделия в условиях меняющейся влажности. По внешнему виду ацетилированная древесина практически не отличается от натуральной и механические свойства тоже остаются прежними.

      Модифицированная древесина применяется не только в машиностроении, но и в судостроении, строительстве и в других областях человеческой деятельности.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР  
ДРЕВЕСИНА МОДИФИЦИРОВАННАЯ  
СПОСОБЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ  
Modificated wood. Modification methods  
ГОСТ 24329-80  
(в ред. Изменения N 1, введенного в действие Постановлением Госстандарта СССР от 18.03.1985 N 617, Изменения N 2, утв. Постановлением Госстандарта СССР от 23.06.1989 N 1952)

Настоящий стандарт распространяется на модифицированную древесину и устанавливает способы модифицирования и требования к технологическим процессам.

Промышленные  способы термической модификации  древесины

   Использование огня с целью  увеличения долговечности древесины  известно человечеству уже сотни  лет. Так, еще во времена  викингов элементы ограждений  обрабатывались на открытом огне. Научные основы термической защиты  древесины заложены в 1930-х годах в Германии и в 1940-х в США. Дальнейшие исследования в Германии в период 1950 - 70-х гг. стали основой для современных исследований в 90-х гг. в Финляндии, Франции, Германии и Нидерландах. Основные параметры промышленных процессов термической модификации древесины отличаются, но общей их характеристикой является то, что осуществляются они при ограниченном содержании кислорода в закрытых системах. Известные на сегодня способы производства термодревесины можно разделить на четыре группы:

1. Одноступенчатая обработка водяным паром. В этом случае используются агрегаты наподобие сушильных камер, в которые после загрузки материала подается пар. При этом содержание кислорода в воздухе этих установок уменьшается до 3,5%, что при температурах 150–200ºС замедляет оксидацию (горение) древесины. При обработке предварительно высушенной древесины общая продолжительность процесса составляет около трех дней. Также возможна обработка и сырого материала, но в этом случае продолжительность процесса будет больше с учетом времени собственно сушки.

2. Многоступенчатая обработка. Влажная древесина в течение 4–5 ч подвергается обработке насыщенным паром или водой (процесс варки) при температуре 150–200ºС. Сам процесс происходит в герметичной емкости под давлением до 1,6 МПа. После этого древесина высушивается в камере в течение 3–4 дней до конечной влажности (около 10%). Во время фазы твердения древесину еще раз нагревают до температуры 170–190ºС на 14–16 ч.

3. Обработка в горячем масле. Сухая древесина погружается в растительное масло и медленно нагревается до температуры 180–220ºС. Продолжительность этой обработки составляет 2–4 часа. При этом дополнительно происходит поглощение масла древесиной, которое зависит от размеров материала (поверхности) и может регулироваться. Длительность процесса составляет примерно сутки.

4. Обработка в среде инертных газов. Этот процесс известен как Retification, или, как называют в России, ретификация (не путать с ректификацией). В этом случае вместо водяного пара или масла древесину обрабатывают в среде азота с содержанием кислорода до 2% при повышенном давлении.