Древесина наряду с металлами и силикатными материалами (бетон, кирпич) составляет группу самых распространенных материалов, применяемых человеком. Однако в отличие от металлов и силикатных материалов, являющихся неорганическими веществами, древесина, будучи органическим материалом природного происхождения, служит источником углеродного питания для многих живых организмов. Утилизирующие древесину организмы являются источником биоповреждений деловой древесины, деревянных построек, мебели и других изделий из древесины.
Древесина является универсальным сырьем для производства многих товаров, ее используют на транспорте, в горнодобывающей, угольной, бумажной, лесохимической промышленности. В строительстве потребляется около 50 % всей ежегодно заготовляемой древесины в виде круглого леса, пиломатериалов, фанеры, различных плит и других изделий, элементов и конструкций. В нашей стране древесина широко используется для изготовления тары.
Широкое применение древесины основано на ее положительных свойствах: легкости обработки, высокой прочности, возможности длительной эксплуатации в сухой среде, красивом внешнем виде и др. Основными недостатками древесины являются горючесть, загнивание, повышенная гигроскопичность, а также повреждаемость ее насекомыми.
Различные породы древесины имеют не только неодинаковый химический состав (основу составляет целлюлоза), но и различаются по структуре, плотности, прочности волокон и другим свойствам, которые оказывают влияние на биостойкость материала.
Химический состав абсолютно сухой древесины составляют следующие элементы (в %): С - 4 9,5 %; Н - 6,3 %; О + N - 44,2 %, а также минеральные вещества, главным образом соли кальция в количестве 0,2- 1,7 %. На поперечном срезе различают элементы строения древесины: сердцевину, ядро (у ядровых пород) - темноокрашенную центральную часть и заболонь - светлую, прилегающую к коре часть, корковый слой. Древесина хвойных пород имеет более простое строение, чем лиственных, но отличается наличием смоляных ходов.
Древесина состоит из растительных клеток, имеющих разную форму и выполняющих при жизни дерева те или иные функции: трахеиды - сосуды, являющиеся элементами проводящей системы; паренхима, служащая местом отложения запасных питательных веществ (крахмал, жирные масла, сахара и др.); волокна либриформа, выполняющие механическую функцию.
Известно, что древесина многих лиственных пород по сравнению с таковой хвойных, имеет более низкую природную биостойкость. Чем выше естественная биостойкость, тем меньше требуется
164
дополнительной химической защиты. Среди пород древесины выделяют группы - биостойкие, средней стойкости, малостойкие и небиостойкие.
К биостойким относят: сосну, ясень, ядро лиственницы и дуба;
к среднестойким - ель, кедр, пихту, заболонь лиственницы, ядро березы;
к малостойким - вяз, клен, заболонь березы и дуба;
к нестойким - осину, липу, ольху.
Основными агентами биоповреждений древесины являются развивающиеся на древесине микроскопические грибы (деревонаселяющие), насекомые. В умеренных широтах на долю поражений грибами приходится около 90 % всех биоповреждений древесины. Биоповреждение древесины происходит в основном в результате использования грибами и насекомыми в качестве источника питания целлюлозы, лигнина и других компонентов древесины. Бактерии по сравнению с грибами и насекомыми, непосредственно разрушающими волокна древесины, причиняют меньший ущерб и оказывают косвенное повреждающее действие.
Среди грибов, вызывающих биоповреждения древесины, выделяют три основные группы:
- грибы поверхностной плесени (плесневые);
- деревоокрашивающие;
- дереворазрушающие.
Грибы поверхностной плесени поселяются преимущественно на сырых бревнах, пиломатериалах, а также на различных загрязнениях древесины. Появление налета плесени - один из первых признаков, свидетельствующих о нарушении условий хранения или эксплуатации древесины и изделий из нее. Поверхностные плесени разрушают обычно паренхимные ткани заболони. Грибы родов Trichoderma, Cladosporium, Penicillium вызывают зеленоватое окрашивание различных оттенков, другие вызывают появление черных пятен - Aspergillus, Alternaria.
Деревоокрашивающие грибы развиваются часто на древесине при замедленной сушке. Они поражают пиломатериалы, конструкции, деревянную тару, окрашивают древесину в разные цвета. Одной из распространенных является синяя окраска (грибы "синевы"), встречается также желтая, оранжевая, коричневая и другие виды окраски. Деревоокрашивающие грибы имеют много общего с поверхностными плесенями. Как и плесневые грибы, они являются первичными заселяющими древесину сапрофитными организмами, используют преимущественно запасы питательных веществ древесины и в меньшей мере ее структурные элементы, от которых зависят механические свойства древесины. В отличие от плесневых грибов деревоокрашивающие грибы глубоко проникают в заболонь древесины, вызывают глубокое окрашивание ее за счет пигмента, находящегося в гифах, и метаболитов, выделяемых мицелием.
165
Наибольший ущерб древесине причиняют дереворазрушающие грибы. К их числу относятся грибы родов Scrpula, Coriolus, Fomitopsis, Serpula, Chaetomium и др. Дереворазрушающие грибы разрушают структурные компоненты - клеточные стенки древесины. Они поражают живую древесину, влажные и сырые древесные материалы и изделия из них. Среди них имеются виды, лучше усваивающие целлюлозу, а также виды, которые усваивают и целлюлозу, и лигнин, и гемицеллюлозу.
Среди поражений древесины, вызываемых дереворазрушающими грибами, по окраске и характеру выделяют три типа гнили: белую, бурую и мягкую (умеренную). Грибы белой гнили разрушают прежде всего лигнин древесины, оставляя нетронутыми целлюлозу и участки твердой древесины.
Любопытные факты
В XVII - XVIII вв. Амати, Гварнери, Страдивари в Кремоне, на севере Италии, три династии скрипичных мастеров завоевали непреходящую мировую славу. Стать обладателем прекрасного инструмента, созданного кем-либо из кремонцев, было заветной мечтой каждого скрипача. Особенно знаменит и доныне Антонио Страдивари. На его инструментах играют крупнейшие музыканты.
Секреты кремонцев пытались разгадать во многих странах, в том числе и в самой Италии. Но никому еще не удалось создать скрипку, которая обладала бы такой певучестью, как дошедшие до наших дней инструменты этих мастеров.
Американский биохимик Джозеф Надживари опубликовал сообщение, заинтересовавшее не только специалистов, но и широкие круги ценителей музыки. По мнению ученого, древесина, из которой сделаны эти инструменты, не так уж хороша, например, для столярных поделок.
Надживари обнаружил следы деятельности микроскопических грибов в нескольких скрипках работы знаменитых кремонских мастеров. Ученому удалось найти документы, в которых говорится, что лес доставляли в Кремону с гор сплавом по реке По, на берегу которой стоит город. Надживари также раздобыл древесину, пораженную микроскопическими грибами того же вида, что и старинные скрипки, и смастерил несколько скрипок. Опытные музыканты признали, что скрипки эти по звучанию близки старинным кремонским.
По-видимому, считает ученый, грибы разрушают смолистые вещества древесины, она делается мягче, лучше вибрирует.
В последние полтора столетия, говорит Надживари, скрипичные мастера совершают одну и ту же ошибку, изготовляя скрипки из слишком сухой, выдержанной древесины, не имеющей никаких внешних и внутренних изъянов.
Грибы бурой гнили предпочитают целлюлозу, оставляя после повреждения бурые участки древесины, которые от прикосновения
166
легко рассыпаются в порошок. Бурая гниль бывает причиной разрушений деревянных конструкций и сооружений.
Имеется еще один тип биоповреждений древесины - ковровая гниль: мелкие очаги слабых разрушений древесины при таком типе гниения образуют на поперечном разрезе вид пестрого ковра из чередующихся серых, синеватых, коричневых и желтых пятен. Древесина, пораженная гнилью этого типа, легко проницаема для воды и при затяжных дождях может полностью увлажняться.
По степени разрушающего воздействия на древесину различают гнили деструктивного и коррозионного типа, различающиеся механизмом действия, который наглядно прослеживается при анализе динамики соотношения компонентов лигнин/целлюлоза. Так, для древесины сосны, пораженной деструктивной гнилью, характерно увеличение этого соотношения. Поражение древесины гнилью коррозионного типа приводит к относительному увеличению содержания целлюлозы, что сказывается на соотношении компонентов лигнин/целлюлоза. Этот показатель почти не изменяется у лиственницы или имеет тенденцию к понижению у сосны.
При поражении древесины гнилью происходит распад целлюлозы, лигнина, пентозанов, смол и жиров. В процессе разрушения в древесине значительно возрастает содержание водорастворимых веществ, а также веществ, растворимых в слабых щелочах, что является, очевидно, основными показателями деструкции. Плотность древесины в зависимости от стадии поражения снижается по сравнению со здоровой древесиной на 32 - 39 %.
Биоповреждения древесины, как правило, сочетаются со старением под действием погодных факторов, механических или других эксплуатационных нагрузок. Под влиянием периодических увлажнений, смены температуры, солнечного света и других факторов происходит разрыхление волокон поверхностного слоя древесины, повышение ворсистости (мацерация). Здесь скапливаются влага и пыль и создаются условия, благоприятные для развития спор грибов. Пораженная гнилью древесина легче впитывает воду. Имеющиеся трещины за счет усадки древесины расширяются. Замерзающая в трещинах вода усиливает разрушения, появляются сколы и осыпи заболони. Более уязвимым становится ядро древесины.
Помимо микроскопических грибов повреждение древесины вызывают насекомые. Хотя в целом ущерб, причиняемый древесине насекомыми, меньше, чем ущерб от грибов, в отдельных случаях и в некоторых районах жуки, и особенно термиты, настолько опасны, что требуют применения специальных мер защиты.
По ГОСТ 2140-81 "Пороки древесины" не допускаются следующие пороки:
- наружная трухлявая гниль, при которой пораженная древесина легко распадается и растирается в порошок;
- заболонная гниль в виде пятен и полос более ⅓ площади;
167
- сучки табачные, в которых древесина полностью или частично заменена рыхлой массой табачного или белесого цвета, либо загнившие, имеющие мягкую гниль, занимающую более ⅓ площади разреза сучка;
- червоточины - ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми (неглубокие, глубокие и сквозные), допускаются только поверхностные, глубиной не более 3 мм при условии заделки.
Защита древесины от биоповреждений. Защита должна осуществляться комплексно, включая мероприятия по профилактике биоповреждений, путем предотвращения увлажнения древесины, рационального использования ее природных защитных свойств, путем подбора соответствующих пород, разработки оптимальных конструктивных решений и, наконец, применения химических средств защиты - биоцидов (в практике защиты древесины их называют антисептиками).
Химическая защита древесины от биоповреждений осуществляется в случаях применения древесины в наиболее жестких условиях, например, при постоянном или периодическом контакте с почвой, влажной атмосферой воздуха и водой. Обработке биоцидами должно подвергаться около 5 - 10 % всей потребляемой в промышленных целях и строительстве древесины. В результате в несколько раз увеличивается срок службы изделий и сооружений. Так, например, при правильном применении антисептирования древесины срок службы стандартных деревянных домов может в среднем увеличиться с 15 до 50 лет.
В нашей стране сложилось положение, при котором потери древесины в лесной и деревообрабатывающей промышленности на этапах, включающих заготовку, хранение, транспортирование и переработку, доходят до 60 %, тогда как в технологически развитых странах, таких как Финляндия, Швеция они не превышают нескольких процентов. В отечественной практике используется антисептирование пилопродукции, поставляемой на экспорт, круглые лесоматериалы при этом практически не защищаются.
Антисептики для защиты древесины должны:
- защищать древесину от дереокрашивающих и плесневых грибов и сохранять ее не менее двух месяцев;
- быть устойчивыми к атмосферным влияниям и не окрашивать древесину;
- обладать способностью проникновения в достаточном количестве в древесину на глубину не менее 0,5 мм;
- хорошо растворяться в воде;
- быть безопасными для рабочих и обслуживающего персонала;
- быть стойкими при хранении, не испаряться с выделением вредных веществ.
Водорастворимые антисептики - твердые сыпучие порошки, которые применяют в виде водных растворов, суспензий и паст.
168
Основные антисептики этой группы - бихромат натрия (калия), применяемый обычно в сочетании с сульфатом меди, а также фтористый и кремнефтористый натрий и аммоний, пентафлорфенолят натрия. За рубежом распространен препарат на основе оксида меди и хромового ангидрида - селькур. При пропитке им древесины на поверхности волокон образуется слой кислого хромата меди, который плохо растворяется в воде, этим обеспечивается предохранение от вымывания антисептика в процессе эксплуатации древесины.
Недостатком водорастворимых антисептиков является необходимость дополнительной операции по просушке древесины. Кроме того, просушка древесины сопровождается усадкой и образованием трещин.
Существует много способов защитной пропитки древесины антисептиками, которые можно разделить на две группы - пропитка путем погружения древесины в раствор; поверхностная обработка распылением антисептика, нанесение кистью.
При погружении древесины в жидкий антисептик происходит его проникновение в поры, трещины и щели. Плотную древесину с мелкими порами предварительно накалывают на специальных станках для увеличения поглощения антисептика. Пропитку осуществляют в ваннах, заполненных раствором антисептика, в котором выдерживают древесину. Более глубокую пропитку и лучшую защиту обеспечивает пропитка горячим растворителем, а затем холодным раствором антисептика. При нагревании находящийся в трещинах и порах древесины воздух расширяется и частично выходит. Благодаря вакууму, создающемуся в порах в результате сжатия воздуха при охлаждении, холодный раствор антисептика глубоко проникает в поры.
Обычно защиту древесины от биоповреждений совмещают с защитой от возгорания. Для этого в состав препаратов наряду с антисептиками включают антипирены.
Защитной обработке антисептиками подвергают также некоторые материалы, изготавливаемые из древесины - фанеру, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты и др. Антисептирование осуществляется путем добавления биоцида в состав клея, применяемого для склеивания листов шпона, или путем пропитки готового материала.
169