Химический состав и структура древесины. 
Свойства текстильных материалов

1. Химический состав и структура древесины

2. Механические свойства текстильных материалов

1. Химический состав и структура древесины

Древесина как конструкционный материал обладает многими положительными свойствами. Это достаточно прочный и легкий материал. Относительно высокая твердость древесины позволяет обрабатывать ее на станках и придавать ей практически любую форму. Пластичность древесины и ее способность к изменению свойств при термои влагообработке позволяют обрабатывать данный материал методами гнутья, лущения, прессования.

Структура древесины

Как любой живой организм древесина состоит из клеток, которые в основном представляют собой полые трубки разных сечений. Строение древесины изучают на трех главных разрезах — поперечном, радиальном и тангентальном.

Сердцевина располагается в центральной части ствола. Она хорошо видна на поперечном разрезе в виде круглого или яркого звездчатого пятна. Древесина сердцевины рыхлая, легко загнивает, поэтому наличие сердцевины считается пороком материала.

За сердцевиной располагается древесина — наиболее ценная часть ствола с точки зрения промышленной переработки. Окаймляет древесину кораостоящая из двух частей: наружной и внутренней. Наружная корка — это слой омертвевшей ткани, защищающей древесину от механических повреждений и перепадов температуры окружающей среды. Внутренняя часть коры — луб — представляет собой узкий слой, по которому происходит нисходящий поток органических веществ от кроны к корням.

Все древесные породы принято делить на ядровые и заболонные. Ядровые породы в центре ствола имеют яркоокрашенную часть — ядро, имеющую более низкое значение влажности, чем на периферии. Ядрообразование — процесс накопления экстрактивных веществ, которые откладываются в отмирающих клетках и закупоривают проводящие пути. Примерами ядровых пород служат лиственница, сосна, кедр, тополь, яблоня, дуб, ясень и др.

Периферийная светлая часть ствола вокруг ядра называется заболонью. По заболони происходит восходящий поток воды и растворов минеральных солей от корней к кроне. Ширина заболони — характерный признак разных пород. Ширина заболони изменяется также по высоте ствола. Заболонь имеет существенно более высокую влажность, чем ядро.

Кроме ядровых и заболонных выделяют спелодревесные породы, характеризующиеся ровным светлым цветом древесины по всему сечению ствола, но влажность таких растущих деревьев такая же, как у ядровых хвойных пород. К ним относятся ель, пихта, осина, бук и др.

В результате ежегодного прироста по диаметру ствола образуются годичные слои, которые состоят из двух зон: ранней и поздней. Ранняя зона — светлая, образуется в первую половину вегетационного периода (до середины июля); поздняя — темная, образуется во второй половине вегетационного периода (июль — август). На поперечном (торцевом) разрезе ствола годичные круги видны в виде колец, на радиальном — в виде параллельных линий, на тангентальном — конусообразных.

Ширина годичных слоев определяется породой и условиями произрастания: видом почвы и влажностно-тепловым режимом. По ширине годичных слоев определяют климат в местности роста дерева, а по количеству слоев — его возраст.

Серцевинные лучи на поперечном разрезе имеют вид светлых или темных радиальных линий, идущих от центра к периферии; на радиальном — полос, блестящих лент и пятен различного размера, расположенных поперек годичных слоев; на тангентальном — небольших черточек и штрихов темного цвета.

Сосуды встречаются только у лиственных пород. По размерам делятся на крупные (хорошо заметные невооруженным глазом) и мелкие (незаметные или слабо заметные). В зависимости от их расположения по годичному слою лиственные и древесные породы подразделяют на кольцесосудистые и рассеяннососудистые.

У кольцесосудистых пород (дуб, ясень, бархатное дерево, белая акация и др.) крупные сосуды сконцентрированы в ранней зоне годичного слоя и на торцевом срезе образует кольцо в виде округлых отверстий. На радиальном разрезе они видны в виде параллельных глубоких царапин, на тангентальном — таких же царапин в ранней зоне, имеющей конусообразную форму. Мелкие сосуды у кольцесосудистых пород сосредоточены в поздней зоне годичного слоя.

Рассеяннососудистые породы имеют равномерно расположенные сосуды по всей ширине годичного слоя (береза, яблоня, груша, черемуха, осина, клен, граб, липа).

Смоляные ходы встречаются только у хвойных пород. Представляют собой межклеточные каналы, заполненные смолой. Различают вертикальные и горизонтальные смоляные ходы, которые соединены между собой и образуют смоляную систему. Более крупные смоляные ходы — в древесине кедра, которые могут быть видны в виде смоляных точек на поперечном разрезе и продольных черточек — на радиальном. Горизонтальные смоляные ходы проходят по сердцевинным лучам и невооруженным глазом не заметны. Около трети смоляных ходов сосредоточено в поздней зоне годичного слоя.

Химический состав древесины

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Основными химическими элементами являются углерод (примерно 50%), водород (около 6%), кислород (примерно 44%) и азот (до 0,25%), Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1−0,3% азота. При сжигании древесины остается ее неорганическая часть — зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы.

Основными компонентами древесины являются целлюлоза (между 42 и 51%), гемицеллюлоза (между 24 и 40%), лигнин (от 18 до 30%). Также древесина содержит примеси, так называемые экстрактивные вещества, как, например, смола, терпентин, жир, воск и красящие вещества (от 1 до 10%), и золу, то есть несгораемые компоненты, как, например, калий, натрий, магний, фосфор и оксид железа (от 0,2 до 0,8%).

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.

Целлюлоза — природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n — степень полимеризации, равная 6000−14 000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы — тончайшие волоконца называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода.

Лигнин — полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60−200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

Также в древесине содержатся минеральные соединения, дающие при сгорании золу, количество которых колеблются в пределах 0,2—1,7%;однако у отдельных пород (саксаула, ядра фисташки) количество золы достигает 3−3,5%. У одной и той же породы количество золы зависит от части дерева, положения в стволе, возраста и условий произрастания. Больше золы дают кора и листья; так, стволовая древесина дуба дает 0,35%, листья — 3,5% и кора — 7,2% золы. Древесина ветвей содержит золы больше, чем древесина ствола; например, ветви березы и ели дают при сгорании 0,64 и 0,32% золы, а стволовая древесина — 0,16 и 0,17% золы. Древесина верхней части ствола дает золы больше, чем нижняя; это указывает на большое содержание золы в древесине молодого возраста; так, древесина бука в возрасте 10, 20 и 50 лет давала при сгорании 0,56; 0,46 и 0,36% золы.

Химический состав ранней и поздней древесины в годичных слоях, т. е. содержание целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз, практически одинаков; ранняя древесина содержит лишь больше веществ, растворимых в воде и эфире; это особенно характерно для лиственницы. По высоте ствола химический состав древесины меняется мало; так, в составе древесины дуба по высоте ствола не обнаружено практически ощутимых различий. У сосны, ели и осины в возрасте спелости обнаружено незначительное увеличение содержания целлюлозы и понижение содержания лигнина и пентозанов в средней по высоте части ствола. В древесине ветвей сосны, ели и осины содержится меньше целлюлозы (44—48% вместо 52—59%), но больше лигнина и пентозанов. Однако у дуба не обнаружено заметных различий в химическом составе древесины ствола и крупных ветвей; лишь в мелких ветвях найдено меньше дубильных веществ (8% в стволе и 2% в ветвях).

2.Механические свойства текстильных материалов

Механические свойства — комплекс свойств, определяющих отношение материала к действию различно приложенных внешних сил. Под действием механический сил материал деформируется: изменяются его размеры и форма.

Показатели механических свойств текстильных материалов широко используются в производстве швейных изделий и играют важную роль при оценке их качества.

Для оценки механических свойств текстильных материалов используется большое количество различных характеристик. Согласно классификации профессора Г. Н. Кукина все характеристики механических свойств прежде всего подразделяются на типы в зависимости от характера деформации: растяжение, изгиб, сжатие и кручение.

Характеристики каждого типа, в свою очередь, делятся на классы в зависимости от полноты осуществления цикла механического воздействия нагрузка — разгрузка — отдых. Различают характеристики трех классов: полуцикловые, получаемые при однократном действии части цикла — нагрузки; одноцикловые, получаемые при однократном действии полного цикла: нагрузка — разгрузка — отдых; многоцикловые, получаемые после многократных воздействий полного цикла на материал.

Полуцикловые и многоцикловые характеристики могут быть получены при испытании материала с разрушением или без его разрушения. В связи с этим характеристики классифицируются по видам.

Растяжение

Текстильные материалы в одежде чаще всего испытывают деформацию растяжения.

Полукцикловые разрывные характеристики. Эти характеристики используются главным образом для оценки предельных механических возможностей текстильных материалов. По показателям механических свойств, получаемым при растяжении материала до разрыва, судят о степени сопротивления материала постоянно действующим внешним силам; показатели разрывной нагрузки и разрывного удлинения являются важными признаками доброкачественности материала.

При изготовлении и, особенно при эксплуатации одежды материал испытывает многократно повторяющееся растяжение, которое вызывает изменение структуры материала и приводит к ухудшению его свойств. j одежде этот процесс сопровождается изменением размеров и формы одежды, образованием на отдельных участках одежды вздутий (в области локтя, колена и др.).

Изучение поведения текстильного материала при воздействии на него многоциклового растяжения позволяет полнее оценивать эксплуатационные и технологические свойства материалов.

В начальный период многократного воздействия в соответствии с циклом нагрузка — разгрузка (порядка десятков и сотен циклов) материал деформируется, но структура его, как правило, стабилизируется. На этой стадии многократного растяжения вначале отмечается быстрый прирост остаточной циклической деформации. Затем в результате некоторой упорядоченности структуры материала прирост замедленной деформации, пополняющей остаточную часть, практически прекращается, а доля высокоэластической деформации, проявляющейся за время, совпадающее со временем отдыха в каждом цикле, возрастает. Этот факт объясняется тем, что в начальный период цикла более подвижные и слабые связи нарушаются, перегруппировываются элементы структуры материала, сближаются соседние нити и волокна, возникают новые связи. Одновременно происходит ориентация волокон относительно осей нитей и молекулярных цепей полимера. В результате материал упрочняется.

Дальнейшее увеличение числа циклов многократного растяжения, не сопровождающееся ростом нагрузки (деформации) в каждом цикле, не вызывает заметного изменения структуры материала и его свойств. Дело в том, что материал, претерпев структурные изменения в первый период, в дальнейшем приспосабливается к новым условиям. Внешние и внутренние связи, участвующие в сопротивлении действию нагрузки в каждом цикле, в условиях установившегося режима растяжения проявляются в виде упругой и эластической циклической деформаций с малым периодом релаксации. В этих условиях материал в состоянии выдерживать многие десятки тысяч циклов без резкого ухудшения свойств.

Изгиб

Текстильные материалы легко изгибаются при незначительных нагрузках и даже под действием собственной тяжести. В зависимости от вида одежды, особенностей ее моделей и конструкций требования к изгибаемости тканей, трикотажных и нетканых полотен могут быть различны. Так, материалы для одежды строгих форм, с прямыми линиями (например, для мужских пальто и костюмов) должны характеризоваться достаточной жесткостью и несминаемостью. Материалы для женских платьев с мягкими складками, сборками и т. п. должны легко изгибаться и хорошо драпироваться.

При изготовлении одежды (особенно при выполнении швов, подгибании нижних срезов рукавов, брюк, юбок и т. п.) требуется, чтобы материал обладал способностью изгибаться. Однако образование на материале одежды в процессе ее эксплуатации иенсчезающих складок, морщин и т. д. приводит к изменению размеров и формы одежды, к ухудшению ее качества.

Таким образом, в производстве швейных изделий свойства материалов при изгибе играют важную роль, а требования к ним часто носят противоречивый характер.

Полуцикловые неразрывные характеристики. К ним относятся жесткость при изгибе, драпируемость и закручиваемость.

Жесткость при изгибе. Под жесткостью тела понимается его способность сопротивляться изменению формы при действии внешней силы. Применительно к текстильным материалам жесткость — это их сопротивляемость условно-упругой деформации (состоящей из упругой и высокоэластической частей с быстрым периодом релаксации), вызванной действием приложенных сил. Жесткостью при изгибе называют способность материала сопротивляться изменению формы при действии внешней изгибающей силы.

На жесткость текстильных материалов влияет их волокнистый состав, структура, свойства волокон и нитей, а также структура и отделка самого материала. Чем больше распрямлены и ориентированы цепные молекулы волокнообразующего полимера, тем больше внутреннее трение, ограничивающее перемещение цепей молекул, тем меньше гибкость волокон.

Драпируемость

Это способность текстильных материалов в подвешенном состоянии образовывать мягкие подвижные складки. Драпируемость зависит от гибкости материала и его массы. Чем жестче структура материала, чем большие усилия требуются для его изгиба, тем хуже драпируемость. При увеличении поверхностной плотности материала его драпируемость улучшается.

Как и все механические свойства, жесткость и драпируемость текстильных материалов зависят от их структуры и отделки, а также от свойств формирующих материал волокон и нитей.

При круглой форме сечения волокна оказывают большее сопротивление изгибающим усилиям, чем при плоском. Жесткость волокон растет с увеличением их толщины. Чем толще нити и формирующие их волокна, тем больше жесткость выработанного из них материала. С увеличением крутки повышается слитность нитей и вместе с этим их жесткость. Поэтому по направлению основы, имеющей более высокую крутку, чем уток, жесткость ткани на изгиб больше, чем в поперечном направлении. Жесткость нитей при увеличении крутки растет до известного предела. За пределами критической крутки, когда участки волокон, лежащие в периферийных слоях, перенапряжены круткой, сопротивление нитей изгибу падает. Поэтому ткани из нитей креповой крутки обладают хорошей гибкостью и драпируемостью.

древесина целлюлоза текстильный материал Коэффициенты драпируемости тканей

Так как жесткость ткани на изгиб характеризуется моментом инерции сечений тела, то с увеличением толщины ткани ее жесткость растет, а драпируемость ухудшается. Следует отметить, что требования, предъявляемые к жесткости и драпируемости материалов, изменяются в зависимости от их назначения и фасона изделия. Из жестких и плохо драпирующихся материалов можно изготовлять одежду только строгих форм, с прямыми линиями.

Материалы для женских платьев, которые требуют мягких линий, складок, сборок, должны иметь наибольшую мягкость и лучшую драпируемость. Так как в изделиях складки обычно направлены вдоль материала, особенно важна хорошая драпируемость тканей по утку и трикотажа по петельным рядам. Некоторые фасоны женской одежды (пышные юбки, стоячие банты и т. д.) требуют жестких материалов. В процессах швейного производства при настиле жесткий материал меньше тянется, не дает заминов и перекосов, благодаря чему обеспечивается большая точность выкраиваемых деталей.

Закручиваемость. Этой способностью обладают в основном трикотаж. Нити в процессе вязания получают деформации изгиба и растяжения, приобретают изогнутую форму. Трение между нитями, волокнами способствуют сохранению нитью изогнутой формы. При этом в нити развиваются не только пластические деформации, способствующие сохранению нитью данной формы, но и упругие, сообщающие нити внутренние напряжения, пока она находится в связи с соседними нитями, и исчезающие при разрыве полотна, его калиндрируют.

Одноцикловые неразрывные характеристики. К ним относятся несминаемость и сминаемость текстильных материалов.

Несминаемость — это свойство материала сопротивляться изгибу, смятию и восстанавливать первоначальное состояние после снятия усилия, вызвавшего его изгиб, смятие. Способность материала сопротивляться изгибу зависит от его жесткости, а способность разглаживаться, восстанавливая первоначальное состояние, — от упругости.

Сминаемостью называется свойство текстильных материалов под действием деформацией изгиба и сжатия образовывать неисчезающие складки и морщины. Сминаемость является следствием проявления в текстильном материале пластических и эластических деформаций с медленным периодом релаксации.

Сминаемость — характеристика, обратная несминаемости. Материалы для одежды должны обладать оптимальной несминаемостью.

Несминаемость материала в значительной степени зависит от его волокнистого состава и структуры. Повышенную несминаемость имеют материалы, выработанные из волокон, обладающих высокой упругостью, способных быстро восстанавливать размеры и форму после деформации.

С увеличением крутки нитей повышается их упругость и уменьшается сминаемость тканей.

Тангенциальное сопротивление (трение)

От трения зависят многие условия выполнения и параметры многих технологических операций изготовления швейных изделий, а также выбор конструкций швов, методов обработки открытых срезов материалов. В зависимости от трения определяется назначение материала. Например, в качестве подкладки используют материалы с малым тангенциальным сопротивлением.

Таким образом, трение текстильных материалов играет важную роль в технологии швейного производства и оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики этих материалов.

Сила, противодействующая относительному перемещению одного тела по поверхности другого в плоскости их соприкосновения, называется силой трения скольжения. Основной количественной характеристикой трения является коэффициент трения скольжения

=F/,

где Fсила трения, -сила нормального давления.

Силы тангенциального сопротивления удерживают нити в тканях, препятствуют их смещению. Если силы тангенциального сопротивления нитей недостаточны, чтобы противостоять механическим усилиям, испытываемым тканью, нити сдвигаются и осыпаются.

Степень закрепления нетей в ткани оценивается показателями ее раздвигаемости и осыпаемости.

Раздвигаемость ткани — смещение нитей одной системы относительно нитей другой системы под действием внешних сил.

Осыпаемость — выпадение нитей из открытых срезов ткани.

Нити в ткани удерживаются силами трения и сцепления. Чем больше коэффициент трения, тем легче нить выскальзывает из среза и легче смешивается в ткани. Чем больше площадь поверхности контакта нитей основы с нитями утка, тем больше поверхность, на которой развивается трение.

Нити осыпаются в различных направлениях ткани неодинаково. Нити основы осыпаются легче, чем нити утка, что объясняется их большей круткой, придающей нитям жесткость и гладкую поверхность. Наиболее интенсивно осыпаются нити при разрезании ткани под углом около 15? к нитям основы, наименее интенсивно — под углом 45?. Поэтому для уменьшения осыпаемости зубцы по краю тканей высекают под углом 45?. Для легкоосыпающихся тканей ширину шва увеличивают в 1,5−2 раза, усложняют его конструкцию.

Таким образом, осыпаемость тканей вызывает необходимость введения дополнительных операций в швейном производстве, увеличивает нормы расхода тканей из-за дополнительных припусков на швы.

1. Товароведение и экспертиза мебельных товаров: учебное пособие /Е.А.Демакова/ - М.: КНОРУС, 2004;

2. Товароведение и экспертиза древесно-мебельных товаров / Л. А. Шепелев / 2004;

3. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) /Б.А. Бузов, Н. Д. Алыменкова; под ред Б. А. Бузова, 2008