Химический состав дуба

     Как видно из таблицы основным компонентом  коры и листьев дуба являются дубильные вещества, на долю которых приходится (7 – 20) % и 5,3 % соответственно. В коре содержится почти в четыре раза больше дубильных веществ, чем в листьях и почти в два раза больше чем в древесине дуба. Это говорит о том, что кора дуба является отличным дубителем и довольно широко используется в кожевенной промышленности для дубления сырой кожи.

     В коре молодых деревьев дуба содержатся дубильные вещества, образующиеся вследствие полимеризации катехинов. В коре дуба много пентозанов (13-14) %, пектиновых кислот 6 %. 1,6 % галловой и эллаговой кислот, флобафен, обусловливающий окраску отваров, есть флавонолы. В листьях дуба найдены: кверцетин, дубильные вещества и пентозаны. Желуди содержат крахмал (до 40%), жирные масла (до 5 %), дубильные вещества (5-8 %), белки, аминокислоты, сахара. Древесина содержит целлюлозу – 31,83 %, пентозаны – 22,49 %, лигнин – 21,42 %, дубильные вещества (8-10) %. Древесина состоит из органических веществ, в состав которых входят углерод С, водород Н, кислород О и немного азота. Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. В среднем абсолютно сухая древесина независимо от породы содержит 49,5 % углерода, 44,2 % кислорода (с азотом) и 6,3 % водорода. Азота в древесине содержится около 0,12 %. Элементный химический состав древесины ствола и ветвей мало различается. Так в древесине ствола 6,7 % углерода, 4,3 % кислорода и 0,7 % водорода, а в древесине ветвей – 6,4 %, 4 %, 0,5 % соответственно. Условия произрастания также практически не отражаются на содержании основных элементов. Кроме органических веществ, в древесине есть минеральные соединения, дающие при сгорании золу, количество которой колеблется в пределах (0,2—1,7) %. 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 верхней части ствола дает золы больше, чем нижняя; это указывает на большое содержание золы в древесине молодого возраста [7].

     В состав золы входят главным образом  соли щелочноземельных металлов. В золе из древесины содержится свыше 40 % солей кальция, свыше 20 % солей калия и натрия и до 10 % солей магния. Часть золы (10—25) % растворима в воде (главным образом, щелочи — поташ и сода). В прежнее время поташ К₂СО₃, употребляемый в производстве хрусталя, жидкого мыла и других веществ, добывали из древесной золы. Зола от коры содержит больше солей кальция (до 50 %), но меньше солей калия, натрия и магния. Входящие в состав древесины и названные выше основные химические элементы (С, Н и О) образуют сложные органические вещества [8].

     Главнейшие  из них образуют клеточную оболочку (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы —  пентозаны и гексозаны) и составляют (90—95) % массы абсолютно сухой древесины. Остальные вещества называются экстрактивными, т. е. извлекаемыми различными растворителями без заметного изменения состава древесины; из них наибольшее значение имеют дубильные вещества и смолы. Целлюлоза относится к органическим соединениям (полисахаридам), не содержащим в своем составе азота, родственным крахмалу и сахару; она обладает нейтральной реакцией. Формула целлюлозы следующая: (С₆Н₁₀О₅)_n, где n — коэффициент полимеризации. Макромолекула целлюлозы имеет нитевидную форму (цепная молекула) и состоит из n остатков глюкозы, соединенных главными валентностями в длинный ряд, в котором каждый из остатков глюкозы повернут относительно соседних остатков на 180°. В состав макромолекул входит (200 – 3500) остатков глюкозы. Диаметр такой макромолекулы около 5,7 А^°, а длина (1х10^-5 - 1,8х10^-4) см.

     Гемицеллюлоза. Этим понятием объединяется группа веществ, близких по химическому составу к целлюлозе, но отличающихся от нее способностью легко гидролизоваться и растворяться в разбавленных щелочах. Гемицеллюлозы представляют собой главным образом полисахариды: пентозаны и гексозаны с пятью или шестью атомами углерода в основном звене. Степень полимеризации гемицеллюлоз значительно меньше, чем целлюлозы, цепочки молекул короче. При гидролизе полисахаридов гемицеллюлоз образуются простые сахара (моносахариды); гексозаны переходят в гексозы, а пентозаны — в пентозы. Обычно из древесины не получают гемицеллюлоз в виде товарных продуктов. Однако при химической переработке древесины они широко используются для получения многих ценных веществ. Например, при нагревании древесины с соляной кислотой концентрацией 12 % почти все пентозаны (93—96) % переходят в простые сахара — пентозы — и после отщепления от каждой молекулы моносахарида трех молекул воды образуется фурфурол — продукт, широко применяемый в промышленности. В растущем дереве гексозаны — запасные вещества, а пентозаны выполняют механическую функцию.

     Лигнин. Кроме углеводов (целлюлозы и гемицеллюлоз), в состав клеточной оболочки входит ароматическое соединение — лигнин, которое отличается высоким содержанием углерода. Целлюлоза содержит 44,4 % углерода, а лигнин (60—66) %. Лигнин менее стоек, чем целлюлоза, и легко переходит в раствор при обработке древесины горячими щелочами, водными растворами сернистой кислоты или ее кислых солей. На этом основано получение технической целлюлозы. Лигнин получается в виде отходов при варке сульфитной и сульфатной целлюлозы, при гидролизе древесины. Содержащийся в черных щелочах лигнин в основном сжигается при регенерации. Лигнин используется в качестве пылевидного топлива, заменителя дубильных веществ, в производстве крепителей формовочных земель (в литейной промышленности), пластических масс, искусственных смол, для получения активированного угля, ванилина и др. Однако вопрос о полном квалифицированном химическом использовании лигнина пока еще не решен. Из остальных органических веществ, содержащихся в древесине, наибольшее промышленное использование получили смолы и дубильные вещества.

     Смолы. Эту группу веществ принято делить на нерастворимые в воде смолы (жидкие и твердые) и камедесмолы, содержащие растворимые в воде камеди. Среди жидких смол наибольшее значение имеет живица, которую получают из древесины (иногда из коры) хвойных пород в результате подсочки. Подсочка ведется следующим образом. Осенью на очищенном от грубой коры участке ствола специальными инструментами проводится вертикальный желобок, а с наступлением теплой погоды весной систематически снимаются направленные под углом 30° к желобку полоски коры и древесины и образуются так называемые подновки. Глубина подновок обычно (3—5) мм. Рана, наносимая дереву при подсочке, называется каррой.

     Дубильные вещества или танниды. Этим понятием объединяются все ве-

щества, которые обладают свойствами дубить сырую кожу, придавая ей стойкость против гниения, эластичность, способность не разбухать. Танниды растворимы в воде и спирте, обладают вяжущим вкусом, при соединении с солями железа дают темно-синюю окраску, легко окисляются. Дубильные вещества экстрагируют горячей водой из измельченной древесины и коры. Товарным продуктом является либо жидкий, либо сухой экстракт, который получают после упаривания раствора в вакуум-аппарате и сушки. Наиболее богата дубильными веществами древесина ядра дуба (6 — 11) % и каштана (6—13) %. В коре дуба, ели, ивы, лиственницы и пихты содержится (5 – 16) % таннидов. В наростах на листьях дуба — галлах содержится (35 – 75) % таннидов (одной из разновидностей дубильных веществ) [9].

     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.

     По  высоте ствола химический состав древесины  меняется мало; так, в составе древесины дуба по высоте ствола не обнаружено практически ощутимых различий. 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). Различие в химическом составе древесины заболони и ядра летнего дуба видно из таблицы 2.

     Главными  компонентами являются целлюлоза и  лигнин, на их долю приходится до 54 %  от общего содержания компонентов в ядре и до 53 % в заболони. 

Таблица 2 - Различие в химическом составе древесины заболони и ядра

     Как видим из таблицы 2, заметное различие обнаружилось только в содержании пентозанов и дубильных веществ. Содержание дубильных веществ в ядре почти в три раза превосходит содержание их в заболони. Эти данные показывают нам, что дуб имеет достаточно высокую прочность в самом ядре. Поэтому наиболее ценная древесина находится ближе к сердцевине: она редко коробится и почти не растрескивается. Влияние условий произрастания на химический состав древесины изучено мало [9]. У дуба ширина заболони и число годичных слоев, входящих в ее состав по высоте ствола почти не меняется; в то же время процент площади поперечного сечения ствола, приходящийся на заболонь, увеличивается вверх по стволу. В раннем возрасте древесина всех пород состоит только из заболони и лишь с течением времени у некоторых пород образуется ядро. У одних пород образование ядра начинается рано (у дуба, например, на 8—12-й год) и заболонь бывает узкой, у других — значительно позднее (у сосны в возрасте (30—35) лет), что обусловливает наличие широкой заболони. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую. У дуба объем ядра при диаметре ствола 15 см составляет примерно 50 % объема заболони; при диаметре 30 см объем ядра в три - пять раз больше объема заболони, а при диаметре 60 см заболонь составляет всего 10 % ядра [10]. Влияние условий произрастания (типов леса) на развитие заболони в стволах летнего дуба: наиболее широкая заболонь, включающая (10—13) слоев, наблюдается в стволах дуба, произрастающего на солонцовых почвах, наименьшая (5 — 7 слоев) — в поймах; среднее положение по ширине заболони (7—9 слоев) занял дуб из нагорных дубрав. Это объясняется различными режимами влажности в упомянутых типах леса: чем больше влаги, тем раньше начинается образование ядра в стволах дуба, тем меньше ширина заболони. В растущем дереве заболонь служит для проведения воды вверх по стволу (из корней в крону) и для отложения запасных питательных веществ.  

     2.2 Физические свойства дуба 

     Образование ядра происходит различно в зависимости  от породы, возраста, условий произрастания и других факторов; в известной мере оно связано с жизнедеятельностью кроны. Процесс ядрообразования заключается в отмирании живых элементов древесины, закупорке водопроводящих путей, отложении смолы и углекислого кальция, пропитке дубильными и красящими веществами, в результате чего цвет ядровой древесины изменяется, увеличивается ее плотность, стойкость против гниения и механические свойства. Древесина ядра мало проницаема для воды и воздуха, что имеет положительное значение при изготовлении из нее тары под жидкие продукты и отрицательное — при пропитке древесины антисептиками (ядро обычно не пропитывается). В растущем дереве ядро играет главным образом механическую роль, придавая стволу необходимую устойчивость; вместе с тем ядро может служить хранилищем для воды (у дуба, вяза). Различия в свойствах ранней и поздней древесины у лиственницы и дуба приведены в таблице 3.

       Из данной таблицы видно, что поздняя древесина лиственницы и дуба примерно одинакова по всем представленным показателям. Ранняя древесина лиственницы по всем показателям в среднем меньше ранней древесины дуба в полтора раза. Поэтому древесина дуба имеет ценность в любом возрасте в отличие от древесины лиственницы. 
 

Таблица 3 - Различия в свойствах ранней и  поздней древесины

     По  ранней древесине годичных слоев  в растущем дереве происходит передвижение воды вверх по стволу, а поздняя древесина выполняет преимущественно механические функции. Так как поздняя древесина плотнее, тяжелее и тверже ранней, это видно из данных таблицы, от количества именно поздней древесины зависят цвет, плотность и прочность древесины в целом. Жесткость поздней древесины также значительно выше, чем ранней. Резкое различие строения и внешнего вида поздней зоны предыдущего годичного слоя и ранней древесины последующего слоя обусловливает более или менее ясную границу между годичными слоями и, следовательно, слоистое строение древесины в целом. Прочность при сжатии вдоль и поперек волокон понижается как с повышением температуры, так и повышением влажности древесины. Одновременное воздействие обоих факторов вызывает большее снижение прочности по сравнению с суммарным эффектом от их изолированного воздействия. Влияние влажности наблюдается до предела насыщения клеточных стенок, дальнейшее увеличение влажности практически не отражается на прочности, хотя ряд исследователей отмечали её снижение (на 10-15 %) и в этом диапазоне изменения влажности. Полученные показатели можно использовать в качестве исходных данных для расчетных сопротивлений натуральных элементов деревянных конструкций. Результаты испытаний древесины можно сравнивать лишь в том случае, если они выполнены по одной и той же методике; это вызывает необходимость стандартизации методов испытаний, так как иначе результаты испытаний, проводимых в разных местах, нельзя будет сравнивать и обобщать.