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

* 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.