Свободная и связанная вода
В древесине вода живёт в двух местах. В полостях клеток она свободная, как в трубках. В самих стенках она связанная: молекулы воды держатся за гидроксильные группы целлюлозы и гемицеллюлоз.
Свободная (капиллярная) вода заполняет полости клеток и межклетники и удерживается слабо. Связанная (гигроскопическая) вода сорбирована гидроксильными группами полимеров клеточной стенки, прежде всего гемицеллюлоз и неупорядоченных участков целлюлозы. Влажность древесины считают как массу воды, отнесённую к массе абсолютно сухой древесины, поэтому она может превышать 100%.
Предел насыщения клеточных стенок
Когда древесина сохнет, сначала уходит свободная вода, и размеры не меняются. Как только полости пусты, а стенки ещё полностью насыщены, наступает предел насыщения, около 30% влажности. Дальше начинает уходить вода из стенок, и дерево усыхает.
Предел насыщения клеточных стенок (ПНКС) это влажность, при которой стенки насыщены связанной водой, а свободной воды нет; в среднем он близок к 30%. Ниже ПНКС с влажностью меняются размеры, прочность и другие свойства древесины; выше практически не меняются. В реальной доске поверхность высыхает раньше середины и начинает усыхать первой.
Равновесная влажность
Если оставить древесину надолго в одной комнате, её влажность перестанет меняться. Она подстроится под воздух: при 20 °C и влажности воздуха 65% древесина держит около 12% воды.
Равновесная влажность определяется температурой и относительной влажностью воздуха и мало зависит от породы, по крайней мере при низкой и средней влажности воздуха. При 20 °C и φ = 65% она около 12%. Изотерма сорбции имеет сигмоидную форму и показывает гистерезис: при десорбции равновесная влажность выше, чем при сорбции. Калькулятор на этой странице использует уравнение Хейлвуда-Хорробина с коэффициентами из Wood Handbook.
Усушка и разбухание
Дерево усыхает по-разному в разных направлениях. Вдоль волокон почти не меняется. Поперёк вдоль колец, тангенциально, усыхает примерно вдвое сильнее, чем по радиусу. Отсюда трещины на торцах и коробление досок.
Продольная усушка от сырого до абсолютно сухого состояния обычно составляет лишь 0,1-0,2%, потому что микрофибриллы в слое S2 идут почти вдоль клетки. Тангенциальная усушка примерно вдвое больше радиальной; радиальную сдерживают, в частности, лучи. Различие тангенциальной и радиальной усушки вызывает радиальные трещины и коробление досок тангенциальной распиловки.
Зачем это знать
Древесину сушат до той влажности, при которой она будет жить. Тогда изделие не треснет и не перекосится. Влажность важна и для химии: при варке, склеивании и пропитке.
Пиломатериалы для отапливаемых помещений сушат до влажности, близкой к ожидаемой равновесной. Влажность влияет на плотность (поэтому её указывают при стандартной влажности или как базисную плотность: абсолютно сухая масса на объём в сыром состоянии), на скорость пропитки и проведение химических реакций, на качество склеивания.
Главное в цифрах
- ПНКС
- около 30%
- равновесная влажность при 20 °C, 65%
- около 12%
- продольная усушка
- 0,1-0,2%
- тангенциальная : радиальная
- около 2 : 1
- влажность считают
- на сухую массу
- гистерезис
- десорбция выше
Источники главы
- Ross R.J. (ed.) Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. General Technical Report FPL-GTR-282. Madison, WI: USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, 2021.
- Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
- Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.