Один из самых сложных курсов лесного вуза, объяснённый просто. По учебникам и мировым исследованиям.
Дерево растёт не изнутри, а снаружи. Под корой работает тонкий слой камбия: каждый год он откладывает внутрь новый слой древесины. Так появляются годичные кольца.
Камбий это латеральная меристема между лубом и ксилемой. Наружные кольца образуют заболонь, которая проводит воду. У многих пород внутренние кольца превращаются в ядро: живые клетки паренхимы отмирают, накапливаются экстрактивные вещества.
Весной дерево строит широкие клетки с тонкими стенками, чтобы быстрее проводить воду. Летом стенки толще, а полость уже. Отсюда светлая и тёмная полосы кольца.
У хвойных ранние трахеиды тонкостенные, с широкой полостью, их главная функция проводящая. Поздние трахеиды толстостенные, сплюснутые в радиальном направлении и несут основную механическую нагрузку, поэтому поздняя древесина заметно плотнее.
Древесина сосны и ели почти целиком собрана из вытянутых полых клеток, трахеид. Это мёртвые клетки: от них остались только стенки, как соты из трубочек.
Трахеиды составляют более 90% объёма древесины хвойных, их длина обычно 2-4 мм. Соседние клетки сообщаются через окаймлённые поры. У лиственных пород воду проводят сосуды, а прочность дают волокна либриформа.
Стенка клетки слоистая, как фанера. В каждом слое нити целлюлозы идут под своим углом. Самый толстый слой S2 идёт почти вдоль клетки: он и даёт древесине прочность на растяжение.
Срединная пластинка (ML) склеивает клетки и богата лигнином. Далее первичная стенка P и вторичная: S1 с микрофибриллами примерно под 50-70° к оси клетки, S2 под 10-30°, основная масса стенки, и S3 под 60-90°.
Если увеличить ещё, стенка похожа на железобетон. Арматура: тонкие нити целлюлозы. Бетон: лигнин. Гемицеллюлозы связывают одно с другим.
Микрофибрилла целлюлозы толщиной около 3 нм содержит примерно 18-24 параллельные цепи с более и менее упорядоченными участками. Гемицеллюлозы адсорбируются на её поверхности; лигнин заполняет пространство между ними и ковалентно связан с гемицеллюлозами в лигнин-углеводных комплексах.
Целлюлоза это цепочка из тысяч звеньев глюкозы. Каждое звено перевёрнуто относительно соседнего, поэтому цепь прямая и плоская, а соседние цепи слипаются водородными связями.
Целлюлоза это β-(1→4)-D-глюкан; повторяющееся звено, целлобиоза, имеет длину 1,03 нм. Степень полимеризации нативной целлюлозы древесины порядка 10 000. Водородные связи вместе с гидрофобным взаимодействием цепей обусловливают кристалличность и нерастворимость в воде.
В основе всего три элемента. Около половины массы древесины составляет углерод, больше 40% кислород, около 6% водород. Азота и минеральных веществ доли процента.
Элементный состав древесины умеренного пояса почти не зависит от породы: около 50% C, 6% H и 44% O; азота обычно не больше 0,1%, зольных веществ обычно менее 0,5% (редко до 1%) массы абсолютно сухой древесины.
Прокручивайте, чтобы приблизить
Две трети сухой древесины это углеводы, четверть лигнин. У хвойных больше лигнина и маннанов, у лиственных больше ксилана.
Данные Шёстрёма для сосны обыкновенной и берёзы повислой, % от массы абсолютно сухой древесины. Лигнин хвойных почти целиком гваяцильный, лиственных гваяцил-сирингильный.
Один квадрат равен 1% массы сухой древесины. Sjöström 1993.
Длинные прямые цепи из глюкозы, уложенные бок о бок. Из них сделаны прочные нити клеточной стенки. Хлопок почти чистая целлюлоза, а бумага в основном состоит из неё.
Линейный гомополисахарид из звеньев β-D-глюкопиранозы, соединённых (1→4)-гликозидными связями. Цепи объединяются в микрофибриллы целлюлозы I; в древесине преобладает форма Iβ. Степень полимеризации порядка 10 000.
Короткие разветвлённые цепи из нескольких разных сахаров. Они обволакивают нити целлюлозы и связывают их с лигнином, как клей между арматурой и бетоном.
Гетерополисахариды со степенью полимеризации порядка 100-200. У хвойных в основном галактоглюкоманнаны и арабиноглюкуроноксилан. У лиственных в основном О-ацетил-4-О-метилглюкуроноксилан и немного глюкоманнана.
Трёхмерная сетка из звеньев с бензольным кольцом. Он заполняет промежутки в стенке, делает её жёсткой и менее проницаемой для воды и затрудняет разрушение стенки микробами и грибами.
Ароматический полимер, образующийся радикальным сочетанием трёх монолигнолов: п-кумарилового (H), кониферилового (G) и синапилового (S) спиртов. Самая частая связь β-O-4 (арилглицерин-β-ариловый эфир): примерно половина всех связей в лигнине хвойных и около 60% в лигнине лиственных.
Свежесрубленная древесина полна воды. Сначала уходит свободная вода из полостей клеток, и размеры не меняются. Только когда начинают сохнуть сами стенки, древесина усыхает и трескается.
Ниже предела насыщения клеточных стенок (около 30% влажности) вода связана с гидроксильными группами полимеров стенки, и её удаление вызывает усушку. Тангенциальная усушка примерно вдвое больше радиальной, поэтому торцы бревна трескаются по радиусам.
Синтетические полимеры устроены так же, как природные: маленькие молекулы соединяются в длинные цепи. Фанеру и ДСП держат именно такие смолы.
Цепная полимеризация соединяет мономеры без побочных продуктов, например в клее ПВА. При поликонденсации по мере роста цепи выделяется низкомолекулярное вещество, чаще всего вода: так отверждаются фенолоформальдегидные и карбамидоформальдегидные смолы.
Читать главу →У каждой цифры на сайте есть источник. Российские учебники задают структуру курса, зарубежные монографии и статьи дают детали.