Сосна: знакомая и загадочная
Физические свойства древесины и коры сосны
Цвет - важнейшее свойство древесины, определяемое тремя факторами: цветовым тоном, чистотой и светлотой материала. Цветовой тон - это длина волны чистого спектрального цвета. Для ядровой древесины она равна 581,1 нм, тогда как для заболони - 579,0 нм. Чистота цвета ядровой древесины составляет 51,6 %, а заболонной части - 47,0 %. Светлота (или коэффициент отражения) древесины ядровой части - 49,0 %, заболонной части - 68,6 %. Заболонь сосны после попадания в речную воду иногда приобретает желтую окраску. У сосновой древесины красивая текстура, образующаяся вследствие перерезания анатомических элементов. Выразительный рисунок обусловлен различиями в окраске ранней и поздней древесины и наличием заболонной части и ядра. Ультрафиолетовое излучение вызывает свечение - люминесценцию некоторых веществ. Этот показатель называют интенсивностью свечения (коэффициентом яркости), у древесины сосны она составляет 17 %.
Макроструктура. Сосна - это порода с резким различием строения ранней и поздней зон годичных слоев древесины. Ранняя зона годичного слоя светлая и значительно менее плотная, чем темная, поздняя, зона. Именно поэтому сосну относят к породам с малой равноплотностью. Количество годичных слоев у деревьев, растущих на севере европейской части России, в 1 см может варьировать от 4 до 11,8, и этот показатель зависит от состава почвы и влажности. Древесина с большим количеством годичных слоев в 1 см будет обладать большей плотностью, а значит, и более высокими прочностными свойствами по сравнению с древесиной с меньшим количеством годичных слоев. Среди сосен, растущих на севере европейской части страны, деревьев с поздней древесиной 26 %. Для сравнения: в Западной Сибири эти показатели 6,9 и 29 % соответственно, в Восточной Сибири - 11,2 и 27 % соответственно. У сосны, растущей в Ленинградской области, среднегодовая влажность заболони 112 %, а влажность ядра 33 %. Влажность коры сосны в свежесрубленном состоянии 120 %.
Древесина сосны обладает анизотропными свойствами (неодинаковыми в разных направлениях). Так, например, в тангенциальном направлении древесина подвержена усушке в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном. Тангенциальная усушка поздних и ранних зон заболонной древесины составляет 9,2 и 5,5 % соответственно. А усушка поздних и ранних зон заболонной древесины в этом же направлении - 8,5 %. Коэффициенты усушки и разбухания для древесины сосны составляют: по объему - 0,44 и 0,51 %; по радиальному направлению - 0,17 и 0,18 %, по тангенциальному - 0,28 и 0,31 % соответственно.
Древесина сосны обладает и адсорбционными свойствами. Кроме адсорбции в микрокапиллярах клеточной стенки, происходит конденсация паров воды. Сорбционная способность древесины сосны в большей мере выражена у гемицеллюлоз, содержащихся в ее составе, слабее - у целлюлозы, еще слабее у лигнина. Максимальная влажность древесины сосны при водопоглощении - 185 %.
Средняя плотность древесинного вещества в абсолютно сухом состоянии у заболони сосны - 540 кг/м, а ядровой древесины - 620 кг/м. Средняя плотность древесинного вещества при влажности 12 % составляет 505 кг/ м. Средняя плотность древесинного вещества в абсолютно сухом состоянии равна 480 кг/м. Базисная плотность древесины сосны - 415 кг/м.
Сосна относится к породам с низкой плотностью древесины. Для сравнения: породы средней плотности (550-740 кг/ м) - лиственница, тис, береза повислая и др.; породы с высокой плотностью древесины (более 750 кг/м) - акация белая, дуб каштанолистный, фисташка и самшит. Проницаемость древесины для газов в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном, в 2-5 раз. У ядра сосны весьма невысокая воздухопроницаемость, в 10-15 раз меньше, чем у заболони.
Тепловые и акустические свойства древесины сосны
Теплопроводность древесины сосны в тангенциальном направлении - 0,53 Вт/(м•ºС). В радиальном направлении этот показатель несколько меньше. При нагревании древесина расширяется. Вследствие анизотропии расширение по разным направлениям будет разным. Наименьший коэффициент линейного расширения в направлении вдоль волокон (α'||) составляет 4,2 × 10-6 1/ºС. Средний коэффициент линейного расширения в радиальном направлении (α'r) равен 15,0 × 10-6 1/°С. Наибольший коэффициент линейного расширения в тангенциальном направлении (α't) - 29,0 × 10-6 1/°С.
У сухой сосновой древесины очень низкая электропроводность. Удельное объемное сопротивление древесины в абсолютно сухом состоянии составляет 2,3 × 1015 Ом∙см поперек волокон и 1,8 × 1015 Ом∙см - вдоль волокон.
Способность древесины отражать и проводить звук называется акустическим сопротивлением. В случае комнатно-сухой древесины вдоль волокон оно составляет 2,8 × 103 Па•с/м. Для сравнения: акустическое сопротивление древесины лиственницы 3,3 × 103 Па•с/м, воздуха - 429 Па∙с/м, а стали - 395 × 105 Па•с/м. Скорость распространения звука в комнатно-сухой древесине сосны при продольных колебаниях составляет 5360 м/с. Коэффициент звукового поглощения сосновой перегородки толщиной 19 мм в диапазоне частот от 100 до 4000 Гц находится в пределах 0,081-0,110.
Механические свойства древесины сосны
Предел прочности древесины сосны при сжатии вдоль волокон при влажности 12 % (нормальной) составляет 46 МПа, а при 30 % и более - 21 МПа (см. таблицу). Для сравнения: предел прочности древесины лиственницы - 62 и 25 %, тополей - 40 и 17 % соответственно.
Сосна относится к группе пород с мягкой древесиной. У поздней древесины (105,4 МПа) твердость значительно выше, чем у ранней (20,6 МПа). Ударная твердость древесины сосны при влажности 12 % составляет 0,72 Дж/см, при влажности древесины 30 % и выше - 0,55 Дж/см.
Износостойкость древесины сосны, или способность сопротивляться постепенному разрушению ее поверхностных зон при трении от воздействия абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела в поперечном, радиальном и тангенциальном направлениях, составляет: 0,12 , 0,31 и 0,28 мм соответственно.
Способность древесины удерживать крепления напрямую зависит от плотности. Так, сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа древесины граба (плотность 730 кг/м) требует усилий примерно в четыре раза больших, чем в случае древесины сосны (плотность 440 кг/м).
Древесина сосны обладает небольшой способностью к загибу, она плохо гнется. Сопротивление раскалыванию относительно невелико и составляет при нормальной влажности (12 %) в радиальной и тангенциальной плоскостях 11,5 и 11,3 Н/мм соответственно. При влажности 30 % и выше это этот показатель падает до 7,2 и 7,1 Н/мм в радиальной и тангенциальной плоскостях соответственно.
Свойства древесины сосны в комлевой и вершинной частях неодинаковы. Например, плотность уменьшается в направлении снизу вверх и возрастает от центра к периферической части как для ядровой, так и для заболонной зон древесины. Ширина годичных колец тесно связана с физико-механическими свойствами древесины. Чем больше годичных колец в одном сантиметре (их число может варьировать от 3 до 25 в зависимости от условий произрастания), тем выше прочностные свойства древесины.
Характеристики древесины сосны позволяют создавать изделия или конструкции высокой прочности и жесткости при малой массе. Например, в транспортном машиностроении, авиа- и судостроении, строительстве и производстве некоторых музыкальных инструментов.
Основной областью применения сосновой древесины является изготовление пиловочных материалов. При прочих равных условиях важнейшим условием получения качественных пиломатериалов являются режимы сушки. Чем интенсивнее процесс сушки, тем выше остаточное напряжение в древесине. Так, после атмосферной сушки сосновых пиломатериалов сжимающие напряжения в поверхностных зонах не превышают 0,5 МПа, а растягивающие во внутренней зоне - 0,2 МПа. После камерной сушки напряжение в поверхностных и внутренней зонах сосновых сортиментов могут доходить до 4,4 и 1,7 МПа соответственно.
Кладезь
Для производства ряда веществ в промышленности используют продукты, вырабатываемые выделительными или секреторными системами сосны. Надрезами, наносимыми при подсочке на стволе дерева, вскрываются мельчайшие анатомические структуры: ходы, полости, содержащие эти продукты. Под действием внутреннего давления они выходят на поверхность ствола, и их собирают в жидком или затвердевшем виде. Продукцию подсочки можно подразделить на два типа: терпеноидные соединения и вещества углеводной группы. Углеводные продукты - полисахаридные камеди и сахаристые соки - находят промышленное применение в пищевом производстве. Наиболее ценную часть продукции подсочки образуют терпеноидные выделения. Среди них содержащие каучук латексы, гуттаперча и смолы, эфирные масла, спирты, альдегиды, кетоны и др. При переработке живицы на канифольно-терпентинных заводах получают основные виды продукции: скипидар и канифоль. Скипидар в качестве растворителя используется при производстве масляных и художественных красок, лаков, вакс, мастик, в медицинских целях. При разделении скипидара на фракции получают камфору, терпингидрат, продукты для парфюмерной промышленности, сырье для синтеза полиэфирных волокон - лавсана, терелена. Канифоль используется в качестве добавки к резине для придания ей эластичности и морозостойкости, для синтеза каучука, в производстве гербицидов и флотоагентов. Кроме того, это основа для кожзаменителей, эмульгаторов, пластических масс, изоляционных материалов для проводов, резины для автомобильных шин, лаков, красок.
В лечебных целях применяют сосновые почки, хвою, а также живицу, которая обладает многими целебными свойствами. Например, оказывает противомикробное действие. Продуктами переработки скипидара и канифоли являются креолин, различные медицинские мази, витамины А и Е. Сосновые почки (молодые побеги в самом начале роста), которые содержат смолу, витамин С, эфирное масло, дубильные вещества, минеральные соли, собирают с октября по май. Отвар сосновых почек оказывает отхаркивающее, мочегонное, дезинфицирующее действие. Его используют для ингаляций и полосканий при воспалительных заболеваниях верхних дыхательных путей. Из свежей сосновой хвои весной готовят витаминный отвар. Его также добавляют в ванны, назначаемые при нервных расстройствах и заболеваниях сердечно-сосудистой системы.
Антон КУЗНЕЦОВ, преподаватель СПбГЛТУ
