Дървесина

Дървесината или дървеният материал е материал, получаван от стъблата и клоните на дърветата и другите дървесни растения.
Сухата дървесина се състои от влакна от целулоза (40%–50%) и хемицелулоза (15%–25%), свързани заедно с лигнин (15%–30%). Включва вторичните ксилемни тъкани на дърветата. Тя е хигроскопичен материал, изграден от клетки и притежаващ анизотропен строеж и свойства.
Дървесната тъкан поддържа растенията, позволявайки им да стоят изправени и да достигат значителни размери и поради това тя има добри механични и якостни свойства. Тя е естествен композит, в който целулозните влакна имат добра опънна якост, а свързващия ги лигнин е устойчив на натиск. Тези свойства правят дървесината изключително подходящ материал за изработка на различни конструкции, най-вече в обзавеждането и строителството. Друго традиционно приложение на дървения материал е използването му като гориво. Дървесината с нарушена структура и превърната във влакна се нарича пулп, който след това може да се преработи в хартия.
Общото количество на дървения материал на Земята се оценява на около 1 трилион тона, а прирастът му е около 10 милиарда тона годишно.
Дървесината е хетерогенен, хигроскопичен и анизотропен материал. Състои се от органични клетки, чиито стени са изградени от микровлакна от целулоза (40 – 50%) и хемицелулоза (15 – 25%), разположени в среда от лигнин (15 – 30%).
При меката дървесина, която се получава от иглолистни дървета, клетките са главно от един вид – трахеиди, в резултат на което материалът е с много по-хомогенна структура, отколкото при твърдата дървесина.
Структурата на твърдата дървесина е по-сложна. При нея водата преминава по специални канали – в някои случаи (дъб, кестен, ясен) те са доста големи и отчетливи, докато в други (див кестен, топола, върба) са твърде малки, за да се видят с просто око. Такава дървесина обикновено се разделя на две групи – пръстенопорьозна и дифузнопорьозна.
При пръстенопорьозните видове, като ясен, каталпа, кестен, бряст, черница или дъб, по-големите канали са разположени в образуваната през пролетта част на растежните пръстени, създавайки зона с отворена и пореста тъкан. Останалата част от пръстена, образувана през лятото, включва по-малки канали и значително повече дървесни влакна и съответно е по-здрава. При дифузнопорьозната дървесина всички канали са със сходни размери и водопропускливостта е равномерно разпределена в целия растежен пръстен. Примери за дифузнопорьозни видове са елша, бреза, див кестен, явор, върба и топола. Някои видове, като орех и череша, са на границата между двете групи.
Наименованията мека и твърда дървесина са донякъде подвеждащи, тъй като твърдата дървесина невинаги е по-твърда от меката. Така дървеният материал от широколистния вид балса е значително по-мек от масовата мека дървесина. И обратното – някои иглолистни видове, като обикновения тис, имат дървесина, по-твърда от тази на много широколистни видове.
Дървесината се образува в дърветата при техния растеж – те увеличават диаметъра си чрез образуване на нови слоеве между старата дървесина и вътрешната кора. Тези нови дървесни пластове обвиват цялото стебло, живите клони и корените и са резултат от вторичен растеж – деление на клетките от камбия и последващото нарастване на новообразуваните клетки.
В географските области с ясно разграничени сезони, нарастването протича неравномерно в рамките на годината – по-бързо през благоприятните сезони и по-бавно през неблагоприятните. Тази цикличност на растежа води до видима разлика между дървесината образувана през различните сезони, т.нар. растежни пръстени, които се виждат най-добре в напречен разрез на стъблото или клон на дървото. Когато сезонния цикъл е годишен, както е в България, пръстените се наричат годишни. В райони, където няма обособени сезони, растежни пръстени липсват или са трудно различими. Това е характерно за тропичните дървесни видове.
Ако има разлики в растежния пръстен, тогава частта, която се намира по-близо до центъра на ствола, формирана в началото на растежния сезон, когато нарастването е сравнително бързо, обикновено е съставена от по-широки проводящи елементи. Тя е по-светла от тази, която е от външната част на пръстена и е известна като ранна дървесина. Външната част се формира по-късно през сезона и е известна като късна дървесина или още лятна дървесина.
Чеповете са основи на клони, израстващи от съответното стебло или по-голям клон, или скрити пъпки. Основите на клони имат конична форма, а върхът им е разположен на мястото на камбия на стъблото по времето, когато клонът се е образувал като пъпка.
Чеповете представляват нерегулярности в структурата на дървесината, които оказват влияние, обикновено неблагоприятно, върху нейните технически характеристики, но могат да бъдат използвани за създаване на естетически ефект. На повърхността на надлъжно разбичена дъска чепът изглежда като приблизително кръгло, обикновено по-тъмно, парче дървесина, около което се извиват влакната на основната дървесна маса. В чепа направлението на влакната е косо до перпендикулярно на направлението на влакната на основната дървесина около него.
По време на развитието на дървото ниските клони често умират, но може да останат за известно време, понякога с години. Следващите пластове на растежа на стъблото вече не са напълно свързани с мъртвия клон, а го заобикалят. По този начин опадалите мъртви клони създават чепове, които не са добре свързани с основния материал и често изпадат при разбичването на стъблото на дъски. При дървесината, използвана за конструктивни цели, чеповете се класифицират по форма, размер, изявеност и сцепление към основния материал. Сцеплението зависи, наред с други фактори, от времето, през което клонът е бил мъртъв, докато стъблото е продължавало да расте.
Чеповете оказват силно влияние върху напукването и измятането, леснотата на обработка и издръжливостта на дървесината. Те са дефект, който отслабва материала и намалява стойността му за конструктивни приложения, при които якостта е основен фактор. Конструктивното отслабване е много по-съществено, когато дървесината е подложена на напрежения, напречни на влакната и/или на опън, и с по-малко значение при усилия, успоредни на влакната и/или при натиск.
Степента, в която чеповете влияят на носимоспособността на дадена греда, зависи от тяхното разположение, размер, брой и състояние. При проста греда, подложена на гравитационно натоварване, чеп в горната част на гредата е подложен на натиск, а такъв в долната част – на опън. Ако чепът е напукан, което се случва често, съпротивлението му на опън е незначително. От друга страна, малки чепове, разположени около неутралната равнина на гредата, могат дори да увеличат нейната носимоспособност, предотвратявайки надлъжното срязване. Чеповете в дъски или талпи са по-малко увреждащи, когато ги пресичат перпендикулярно на широката им страна. Чепове, в краищата на греди, не ги отслабват значително, както и тези в средната четвърт от височината на гредата.
Чеповете невинаги оказват влияние върху коравината на дървените конструкции, като това зависи от техния размер и разположение. Коравината и еластичното съпротивление зависят в по-голяма степен от общите качества на дървесината, отколкото от локални дефекти, но крайното съпротивление често се определя именно от дефектите.
При някои декоративни приложения чеповете в дървесината са желателен ефект. В същото време, когато детайлите от дървесина са боядисани, като при первази, дограма или мебели, смолите от вътрешността на дървесината могат да продължат да избиват през чеповете месеци и дори години след боядисването, образувайки жълтеникави или кафеникави петна. За намаляване на този ефект се използват специални основи за чепове, но пълното му преодоляване е трудно, особено при изкуствено изсушаван дървен материал.
При някои дървесни видове освен растежните пръстени се наблюдават и две обособени в напречно направление области – сърцевина (нарича се още ядрова дървесина) и беловина.
Сърцевината е дървесина, придобила повишена устойчивост към гниене в резултат на процеса тилоза, отлагане в дървесината на определени химични вещества. Според някои автори след приключване на процеса на тилоза дървесината умира, докато други оспорват това. Сърцевината обикновено следва формата на растежните пръстени и понякога е много по-тъмна от живата дървесина (беловина), но в някои случаи двете зони са трудноразличими. В същото време други процеси, като гниенето, могат да изменят по сходен начин цвета на дървесината дори при дървета, които не образуват сърцевина.
Беловината е по-млада дървесина, разположена по-близо до външната повърхност на стъблото. В живите дървета нейната основна функция е да придвижва вода от корените към листата, както и да съхранява или отдава, в зависимост от сезона, резервите, подготвяни в листата. Цялата дървесина първоначално се образува като беловина. Колкото повече листа има дървото и колкото по-бързо расте, от толкова по-голямо количество беловина има нужда. По тази причина бързорастящите в открита местност дървета имат относително по-широка част беловина в сравнение с подобни дървета, растящи в гъста гора. Понякога в открити местности дърветата от видове, образуващи сърцевина, могат да достигнат значителен размер, 30 cm и повече в диаметър, преди в тях да започне образуването на сърцевина.
Някои видове започват да образуват сърцевина на много ранна възраст, поддържайки съвсем тънък пласт от беловина, докато при други промяната настъпва бавно. Тънката беловина е характерна за дървета като кестен, бяла акация, черница, маклура, докато при явор, пекан, ясен, копривка, бук, бор беловината обикновено е дебела.
Няма пряка връзка между растежните пръстени и количеството беловина. В рамките на даден вид площта на беловината в сечение е приблизително пропорционална на размера на короната на дървото. Ако пръстените са тесни, има нужда от повече от тях, отколкото ако са широки. С напредването на растежа на дървото, беловината или трябва да стане по-тънка, или да увеличи общия си обем. Като цяло тя е по-дебела в горните части на стъблото, тъй като възрастта и диаметъра там са по-малки, отколкото при основата.
Основна характеристика на дървесината, която може да се използва като индикатор за нейното качество, е плътността. С нея са свързани както якостта на дървения материал, така и количеството пулп, който може да се извлече от него. Например, махагонът има средна плътност и е подходящ за изработка на мебели, докато балсата е лека и често се използва за макети. При изсушаването на материала, неговата плътност нараства, като най-ниски са нейните стойности за водонаситена дървесина.
Плътността на дървения материал се определя от множество фактори, свързани с растежа и физиологията на дървото. Сред тях са възрастта, диаметъра, височината, радиалният растеж, географското местоположение и местните условия, грижите за дървото и източникът на семената. Вариациите в плътността в различни части на едно и също дърво често са сходни и дори по-големи, отколкото между различни дървета. Вариациите в рамките на даден ствол могат да се наблюдават както в надлъжно, така и в напречно направление.
Някои експерименти със силно смолисти борови и смърчови образци показват, че смолата увеличава якостта на изсушения материал. Такава дървесина е много устойчива на гниене и термити, но е силно запалима.
Необичайното оцветяване на дървесината често е свързано със заболявания на дървото, които могат да нарушат механичната му здравина.
При видове с обособена беловина и сърцевина, цветът на сърцевината обикновено е по-тъмен, като контрастът често е силен. Разликата в цвета не е свързана с разлика в механичните характеристики на материала.
Водата се среща в живата дървесна тъкан в три състояния, а именно: в клетъчните стени, в протоплазмата на клетките и като свободна вода в клетъчните и междуклетъчните кухини и пространства. В сърцевината тя присъства само в първата и третата форма. Добре въздушно изсушената дървесина запазва 8 – 16% вода в клетъчните стени, и никаква или почти никаква вода от останалите форми. Дори сушената в пещи дървесина запазва известно водно съдържание, за цели, различни от участие в химически реакции, тя може да се смята за напълно суха.
Ефектът на водното съдържание върху дървесината е, че я прави по-мека и гъвкава, подобно на намокрянето на други материали, като кожа, хартия или плат. В известни граници омекотяването е пропорционално на водното съдържание. Изсушаването чувствително увеличава якостта на дървения материал, особено при малки проби. Краен пример е напълно изсушена проба от смърч с дебелина 5 cm, който издържа постоянно натоварване четири пъти по-голямо от това при неизсушена проба със същите размери. При изсушаване най-голямо е нарастването на крайната якост и еластичната граница при натиск, следвано от това при границата на скъсване и еластичната граница при огъване, докато модулът на еластичност се влияе по-слабо.
Химичният състав на дървесината варира между различните видове, но по маса тя съдържа приблизително 50% въглерод, 42% кислород, 6% водород, 1% азот и 1% други елементи, главно калций, калий, натрий, магнезий, желязо и манган. Дървесината може да съдържа също малки количества сяра, хлор, силиций, фосфор и други елементи.
Освен водата, дървеният материал има три основни компонента. На целулозата, кристален полимер, производен на глюкозата, се падат 41 – 43%. Около 20% от дървесината на широколистните дървета и близо 30% при иглолистните се падат на хемицелулозата, съставена от нерегулярно свързани пентозни структури. Третият компонент е лигнинът (около 27% от широколистната и 23% от иглолистната дървесина), формиран от арени, които придават хидрофобни свойства на дървения материал. Тези три компонента са смесени, с преки ковалентни връзки между лигнина и хемицелулозата. Основен проблем в хартиената промишленост е отделянето на лигнина от целулозата, която се използва за производството на хартия.
От химическа гледна точка, разликата между твърда и мека дървесина е свързана със състава на лигнина. Този в твърдата дървесина е производен както на синапинов, така и на кониферилов алкохол, докато при меката дървесина той е производен главно на конифериловия алкохол.
Освен лигноцелулозата, дървеният материал включва и множество разнородни органични съединения с малка молекулна маса, като мастни киселини, смолни киселини, парафини, терпени. Някои от тези вещества се извличат от дървесината за производство на материали, като талово масло, терпентин, колофон.
Дървесината се е използвала векове наред за различни цели. Използва се и като материал за изработване на сгради, мебели, плавателни съдове, музикални инструменти, оръжия и др. Дървесината се използва също и като гориво.
Дървесината се използва като гориво от зората на човечеството до наши дни. Откритието как да използват огъня и дървата се смята за една от най-важните стъпки в историята на човечеството. Използването на дървен материал за гориво е много по-старо от цивилизацията, като се смята, че то е налице още при неандарталците.
Днес дървеният материал служи за гориво пряко или в производни продукти, като дървени въглища или дървесни пелети. Твърдата дървесина се предпочита, тъй като отделя по-малко дим и гори по-бавно. И в наши дни дървесината е най-използваният източник на енергия, получавана от твърда биомаса. Тя се използва за готвене и отопление, а понякога и като гориво за парни машини и дори за парни турбини за производство на електроенергия. Може да се използва на закрито в пещи, печки и камини или на открито в пещи или открит огън.
В много райони дървата са най-достъпното гориво, което не изисква специално оборудване за събирането си, макар че използването на машини улеснява добива им. Странични и отпадъчни продукти от дървообработващата промишленост и строителството също са достъпен източник на дърва за огрев.
В наши дни камината с видим огън на дърва често се смята за обзавеждането, допринасяща за приятната атмосфера в помещенията.
Дървесината е важен конструктивен материал още откакто хората са започнали да си строят подслони и остава с широка употреба и днес. В средновековна Европа предпочитаният дървен материал в строителството е дъбът, от който се изработват греди, стени, врати и подове.
В много части на света и днес новите жилищни сгради имат скелетна дървена конструкция. Все по-голямо значение в строителството придобива използването на индустриална дървесина, която се използва както в жилищни, така и в бизнес сгради, като конструктивен и декоративен материал. Дори и в сгради от друг основен материал, дървесината често присъства като покривни конструкции, врати и техните каси или облицовка. Тя често се използва в кофражите за изливане на бетон. Друго широко приложение на дървения материал в сградите е като подова настилка – пряко или във вид на производни продукти.
Почти всички плавателни съдове до края на XIX век са изработвани от дърво, което и днес остава широко използвано в изработването на лодки. Брястът е типичен материал за тази употреба, тъй като е особено устойчив на гниене, докато остава мокър.
Дървесината може да се раздроби и да бъде направена на ПДЧ (плочи от дървесни частици), строителна дървесина, плочи от влакна със средна плътност MDF (Medium Density Fireboard), подредена плоча OSB, хартия или да се използва за други синтетични субстанции.
При дървените сглобки се различават три различни начина, по които частите на детайла могат да се свържат една с друга:
Детайлите от дървесина могат да се съединят с неразглобяеми или с разглобяеми сглобки.
Най-употребявани съединения са връзка чрез форма.
В мебелната промишленост много често се срещат сглобки с дюбели. Тези сглобки се образуват чрез вкарване на дюбели в предварително пробити отвори и са изключително издръжливи. Естествено, те са трудни за изпълнение – също както и изключително стабилните съединения под ъгъл с плоски дюбели. Затова ъгли се съединяват, също често, и чрез сглобка – нут и перо.
Припокриването е най-простото съединение под ъгъл при изработването на рамки. За целта от всяка част на съединяваните детайли се изрязва съответно половината от дебелината на дървото и след това детайлите се залепват един за друг. Наистина това съединение не е особено издръжливо. Затова те трябва допълнително да се подсигуряват с винтове или щифтове.
За производството на рамки за прозорци и мебели особено подходящо е шлицевото съединение и съединението с шипове. Вертикалните части на рамката по правило имат шлицови сглобки, хоризонталните – шипови. При дебели дървени части за рамка общоприети са двойните шипове. Съединяването с шипове е многократно назъбване с прави или клинообразни шипове, които се наричат също „лястовичи опашки“. Този начин на съединяване се използва при масивна дървесина, тъй като свързаните части безпрепятствено могат да набъбнат или да се свиват, без при това да загубят формата си. Също така съединението „лястовича опашка“ е оптически декоративен елемент.