Древесина как материал для производства оконных профилей

Древесина как материал для производства оконных профилей

Дерево имеет оригинальную, присущую только ему макроструктуру (рис. 2.20). На разрезе древесного ствола можно различить его основные части — сердцевину, кору, камбий, заболонь и луб.

Рис. 2.20. Строение ствола дерева: 1 — кора, 2 - камбий, 3 - луб, 4 - заболонь, 5 - сердцевина, 6 - сердцевинные лучи
Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина совместно с древесной тканью первого года развития дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева легко загнивает и имеет малую прочность.

Кора состоит из кожицы или корки, пробковой ткани и луба. Корка и пробковая ткань защищают дерево от вредных воздействий среды и механических повреждений. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни.
Камбий — слой живых клеток, располагающийся под лубяным слоем растущего дерева. Ежегодно в вегетативный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола, в значительно большем объеме, — клетки заболони. Деление клеток камбиального слоя начинается весной и заканчивается осенью. Клетки древесины, откладывающиеся ежегодно, образуют годичные кольца. По числу годичных колец определяют возраст дерева.
В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Движение влаги в этой части ствола прекращается, и она становится более прочной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола, состоящую из мертвых клеток, называют у некоторых пород ядром, у других — спелой древесиной. Часть более молодой древесины ствола ближе к коре, в которой имеются еще живые клетки, обеспечивающие перемещение питательных веществ от корней к кроне, называют заболонью. Эта часть древесины имеет большую влажность, относительно легко загнивает, малопрочна, обладает большей усушкой и склонностью к короблению. Лес, стволы которого имеют большой диаметр спелой древесины, наиболее ценится в строительном деле. В некоторых источниках такое дерево называется спелой древесиной или спелым лесом.
В древесине всех пород располагаются древесные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же она растрескивается при высыхании.
Для производства окон используется древесина как лиственных, так и хвойных пород. Из хвойных наиболее широко применяются сосна, ель, лиственница, пихта и кедр. Из лиственных — дуб и экзотические породы красной древесины — махагони и меранти. Каждая порода дерева характеризуется своими специфическими свойствами, характеризующими изменение геометрии при объемной усушке, поэтому применение древесины разных пород в одном оконном блоке с этой точки зрения нежелательно.
По своему микростроению древесина представляет собой волокнистую структуру. Ее основную массу составляют различные веретенообразные клетки, вытянутые вдоль ствола. В силу такого строения физические свойства древесины сильно отличаются в направлениях вдоль волокон и поперек.
Основные физические свойства для наиболее распространенных пород древесины, применяемой в производстве окон, приведены в таблице

Порода дерева	Объемный вес, кг/м3	Коэффициент тепло­проводности, Вт / м °С		Коэффициент объем­ной усушки, %		Предел прочности, мПа, при
		поперек волокон	вдоль волокон	поперек волокон	поперек волокон	растя­жении	сжа­тии	изгибе
Сосна	500	0.18 ( 0.35 )*	0.09 (0.18)	0.120	5.72	103..5	48..S	86
Ель	445	0.18 (0.35)	0.09 (0.18)	молодая 0.122 старая 0.086	молодая 6.72 старая 8.13	103	44..5	79..5

 

Лист­венница	660			0.075	6..32	125	64..5	111..5
Пихта	375	-	-	-	-	67	39	68..5
Дуб	690	0.23 (0-41)	0.1 (0.23)	молодой 0.400 старый 0.130	молодой 7..55 старый 7.78	123	57..5	107..5

* В таблице приведены значения коэффициентов теплопроводности дерева в сухом состоянии. В скобках приведены значения, соответствующие условиям эксплуатации древесины в наружных ограждающих конструкциях (Додаток Л ДБН В.2.6-31:2006), принимаемые в теплотехнических расчетах. Повышенные значения коэффициента теплопроводности учитывают увлажнение материала атмосферной и эксплуатационной влагой.
Качество древесины для деревообрабатывающего производства определяют не только на основании физических свойств породы, но и на основании имеющихся в ней пороков. Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность использования. Наиболее часто встречающиеся из них можно условно разделить на три основные группы: 1) пороки строения древесины (сучки, трещины, наклон и свилеватость волокон и др.), 2) пороки вызванные химическими процессами и грибковыми поражениями и 3) пороки, образующиеся в результате повреждения насекомыми.
Первая и третья группа пороков, как правило, практически полностью устраняются в процессе производства оконных блоков, вместе с тем опасность поражения грибком сохраняется на протяжении всего периода эксплуатации окна, и в значительной степени определяет его долговечность*
• Питательной средой для дереворазрушающих грибов, вызывающих гниение, является целлюлоза, слагающая стенки клеток древесины. Такие грибы выделяют фермент, который превращает нерастворимую в воде целлюлозу (полисахарид) в растворимый моносахарид:
служащий для питания и дальнейшего развития грибов. В теле гриба моносахарид окисляется кислородом воздуха, образуя углекислый газ и воду.
С6Н12 06 + 60=6С02 + 6Н20 Древесина при этом меняет окраску, масса ее уменьшается, нарушаются связи между волокнами, она покрывается сетью продольных и поперечных трещин и распадается на призматические или кубические участки или становится трухлявой.
Грибы могут существовать и развиваться только при определенных условиях — наличии кислорода (из воздуха), необходимой влажности (больше 20%) и температуры (обычно +20 ...+40 ° С). Древесина с влажностью меньше 18-20% не гниет, а в пораженной гнилью древесине при этих условиях процесс гниения прекращается. Высокое качество сушки и мероприятия по защите древесины от увлажнения, таким образом, являются важнейшим условием долговечности всех деревянных конструкций, безусловно, включая U окна.
Все породы дерева имеют приблизительно одинаковый коэффициент линейного расширения, который составляет 2 — 6 х 10 _6 [1/° С] вдоль волокон и 50 — 60 х 10 -6 [1/° С] поперек волокон, при этом определяющей является первая величина. Отметим, что коэффициент линейного расширения дерева поперек волокон достаточно высок и сравним по величине с ПВХ.

Однако, в отличие от ПВХ величина линейного температурного расширения для дерева не является определяющей. Гораздо большее влияние на работу деревянных оконных переплетов оказывают процессы, связанные с изменением влажности древесины в процессе эксплуатации окна, а именно — усушка и коробление, вызывающие изменения геометрических размеров оконного профиля.
Древесина обладает способностью поглощать влагу из окружающего воздуха и отдавать ее обратно, при этом постоянно стремясь к достижению некоторой так называемой «равновесной влажности».
Таким образом, дерево чутко реагирует на изменение основных параметров окружающей среды - температуры и относительной влажности. Каждому сочетанию температуры и относительной влажности соответствует определенная равновесная влажность древесины.
Понятие равновесной влажности относится к так называемой «связанной» или «гигроскопической» влаге, содержащейся в клеточных стенках дреъе*ж«>\ % ядоташ удерживается в основном за счет физико-химических связей. Кроме того, в древесине может содержаться и свободная влага, находящаяся в капиллярах.
При высыхании древесины свободная вода, удерживаемая за счет сил капиллярного взаимодействия, удаляется относительно легко и не оказывает определяющего влияния на свойства древесины. При удалении связанной воды уменьшаются толщина клеточных стенок и поперечные размеры клеток. Происходит так называемый процесс «усушки» древесины.
Величина усушки вдоль и поперек волокон не одинакова. Усушка вдоль волокон в несколько десятков раз меньше, чем поперек волокон. При этом усушка в тангенциальном направлении (от центра поперечного сечения) в 1,5... 2 раза больше, чем в радиальном. Разница в усушке в различных направлениях и неравномерность высыхания сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что может вызвать ее коробление и растрескивание.
Полная усушка древесины наиболее распространенных отечественных лесных пород в тангенциальном направлении равна 8... 10 %, в радиальном 3...7 %, вдоль волокон 0,1... 0,3 %, полная объемная усушка 11... 17 %.
Как правило, стандартная отпускная равновесная влажность для изделий из дерева (в том числе и для окон) составляет 10-12%. После установки окон в отапливаемых помещениях (в жилых зданиях с температурой внутреннего воздуха Тв = + 20 °С и относительной влажностью Fb = 25-30 % в зимнее время) эта величина в среднем уменьшается до 7-8 %, и остается таковой на протяжении всего периода эксплуатации окна.
Величина усушки /5 при снижении содержания связанной воды в древесине на 1 % называется коэффициентом усушкиКр. С достаточным для инженерных расчетов приближением коэффициент усушки А^на 1 % влажности древесины обычно принимают равным 0.3%.
Как уже отмечалось, каждому состоянию воздушной среды, характеризуемому такими параметрами как температура [t, °С ] и относительная влажность [ф,%], соответствует своя равновесная влажность древесины [Wf%]. Влажность древесины Wp равновесную воздушной среде с температурой ГСи относительной влажностью фв, определяют по диаграмме, представленной на рис. 2.21.