Дерево 1) Технические свойства. — Техническими свойствами древесины должны быть называемы такие, от которых зависит большая или меньшая пригодность дерева для различных применений его в технике. Здесь будут рассмотрены важнейшие из таких свойств древесины, а именно: состав, плотность и горючесть дерев и их изменяемость в физическом и химическом отношениях. О механических свойствах Д. (твердость, вязкость (см. т. VII, 732), гибкость (т. VIII, 616) и т. п.) см. под соответствующими словами. О дереве как строительном материале см. Балка, Бревно, Брусовой лес и Строительные материалы.
Состав дерева. — Древесина свежесрубленного Д. состоит из твердого вещества и сока. Хотя состав твердой части древесины служил предметом многих исследований, но сведения относительно составных частей твердого вещества древесины довольно неопределенны. Обыкновенно принимают (по Паейну), что твердое вещество древесины состоит из клетчатки и отложенного на ней лигнина (инкрустирующего вещества, см.), причем древесную клетчатку считают тождественной с клетчаткой, C6H10O5 (см. Волокна растений, Клетчатка, Гидраты углерода), содержащейся в других растениях. Состав лигнина определялся только косвенным путем (С 55,6%, Н 5,8% и О 38,6%). Как по составу, так и по свойствам лигнин ясно отличается от клетчатки. Он не растворим в различных растворителях, но гораздо легче, нежели клетчатка, изменяется различными реактивами и превращается в соединения, растворимые в щелочах, спирте и в воде. При действии крепкой серной кислоты лигнин обугливается, при нагревании с водными кислотами, со щелочами, при действии окисляющих веществ лигнин легко разрушается. Для лигнина характерны следующие реакции (в сущности, они относятся к древесине): соли анилина окрашивают в желтый цвет до оранжевого, флороглюцин в присутствии соляной кислоты окрашивает в красный до фиолетового, спиртовый раствор резорцина в присутствии соляной кислоты — в синевато-фиолетовый, такой же раствор α-νафтола — в зеленоватый цвет. Лигнин содержится в различных породах дерева и даже в различных частях одного и того же дерева в различных количествах. В твердой и тяжелой древесине содержится большее количество лигнина, нежели в мягкой; в старой древесине больше, нежели в молодой. Большее или меньшее содержание лигнина оказывает влияние на все свойства древесины: на ее плотность, твердость и друг. Твердые породы содержат от 50—54% лигнина и от 41—46% клетчатки, мягкие — 41—46 лигнина и 50—54 клетчатки. Содержание клетчатки и лигнина составляет в сумме 95—96% всего сухого вещества древесины.
На основании всех имеющихся теперь данных нужно полагать, что древесина не содержит ни клетчатки в свободном состоянии, ни лигнина, как отдельного вещества. Клетчатка находится в древесине в соединении с другими безазотистыми веществами, что доказывается тем, что при обработке древесины швейцеровским реактивом (аммиачным раствором окиси меди) клетчатка не растворяется [1], а в сильно одревесневших тканях — присутствие ее не обнаруживается помощью характерного для нее реактива — хлорцинкйода (раствора йода в водном хлористом цинке). Что касается лигнина, то под ним нужно подразумевать вещества, находящиеся в древесине частью в соединении с клетчаткой, частью в свободном состоянии, и, вероятно, также относящиеся к классу углеводов. При обработке древесины после предварительного промывания водным аммиаком водным раствором едкого натра из нее извлекается вещество, осаждающееся из щелочного раствора спиртом и имеющее близкий к клетчатке элементарный состав — так называемая древесная камедь, современные сведения о которой содержатся в ст.: Древесина, Инкрустирующее вещество. Вообще же признается, что главные составные части разных пород Д. одинаковы и различие их состава зависит главным образом от количественных отношений между составными частями.
Другие вещества, заключающиеся в древесине, обыкновенно в небольшом количестве, в сумме около 5% сухого вещества древесины, находятся в ней частью в твердом виде, частью в растворенном состоянии и входят в состав сока. Сок содержит следующие органические вещества: азотистые вещества, углеводы (камеди и сахаристые вещества), глюкозиды (напр. кониферин в хвойных породах), органические кислоты (дубильную, щавелевую, винную, лимонную, яблочную, арабиновую), красящие вещества, эфирные масла и смолы. Несмотря, однако, на незначительное содержание этих органических веществ, присутствие многих из них оказывает значительное влияние на техническую применимость древесины. Азотистые вещества, часть которых несомненно состоит из белковых веществ, содержатся вообще в очень небольшом количестве (содержание азота весной 0,15%, летом 0,27%), притом большая часть в виде нерастворимых соединений (в виде растворенных соединений содержится только от 0,002—0,010% азота). Содержание белковых веществ отражается неблагоприятно при многих технических применениях дерева; с разложения белковых веществ начинаются при его сохранении все процессы, ведущие к разрушению дерева. Иное влияние оказывает присутствие многих других веществ, как, напр., дубильных. Дубильные вещества принадлежат к числу антисептических, поэтому присутствие их способствует более продолжительному сохранению древесины. Присутствию значительных количеств этих веществ такие породы, как дуб, ясень, отчасти обязаны своей большей неизменяемостью при сохранении сравнительно со многими другими древесными породами. — Присутствие в древесине смол и эфирных масел также способствует продолжительному сохранению. Благодаря содержанию значительных количеств смол и эфирных масел древесина хвойных пород служит материалом для получения дегтя и скипидара. Содержание в древесине воды изменяется в зависимости от породы, а для одной и той же породы — в зависимости от возраста, условий произрастания, времени года и даже от погоды. Вода содержится в древесине в двух состояниях: часть ее непосредственно входит в состав сока, другая содержится в виде поглощенной, как бы гидратной воды. В свежесрубленном Д. такой воды не менее 20%; часть ее выделяется уже при сохранении Д. в сухом воздухе, часть, около 10%, лишь при нагревании до 100—120° Ц. Обыкновенно имеют в виду только общее содержание воды. Из европейских лесных деревьев наибольшее количество воды содержат хвойные, за ними следуют мягкие лиственные породы и, наконец, твердые лиственные породы. В зеленом состоянии большинство хвойных пород содержит 52—65%, мягких лиственных 45—55%, твердых 38—45% воды. Наибольшее количество воды содержится в молодой веймутовой сосне, именно до 77%. Вообще молодая древесина содержит больше воды, нежели старая. Прежде полагали, что наибольшее содержание сока, а следовательно, и воды в деревьях бывает ранней весной и наименьшее осенью; но это правило не имеет общего приложения; содержание воды изменяется даже в различные часы и зависит, между прочим, от степени и инсоляции. Распределение воды в различных частях одного и того же дерева и в одном и том же древесном стволе также неравномерно. Ветви и сучья наиболее богаты водой; они содержат тем больше воды, чем они тоньше. В молодой ткани камбиального слоя находится наибольшее количество воды, и вообще содержание воды в стволе уменьшается в направлении от окружности к центру, так что самая бедная водой часть ствола — центральная, так называемая спелая древесина. В вертикальном направлении содержание воды также неодинаково в различных частях ствола: в верхних частях оно больше, нежели в нижних. Минеральные вещества, заключающиеся в древесине, находятся частью растворимыми в соке, частью отлагаются непосредственно. Древесина содержит вообще меньше золы, нежели остальные части Д., напр., кора, листья, заболонь и т. п. Как вода, так и зола скопляются в тех частях Д., которые еще растут, изменяются и служат проводниками соков, движущихся в живущем дереве от корней и листьев. В высушенной на воздухе древесине содержание золы 0,2—2%. В молодой древесине золы больше, нежели в старой. Из оснований в древесной золе преобладают калий, известь и магнезия, из кислот — угольная, кремнезем и фосфорная, но находятся также серная и небольшое количество хлора. Благодаря значительному содержанию калия древесная зола служила источником для получения углекалиевой соли, или поташа.
Элементарный состав древесины служил также предметом многих исследований. Различия в элементарном составе для разных древесных пород не очень значительны, а потому обыкновенно в технике принимают для древесины средний состав. Элементарный состав органической части древесины изменяется в следующих пределах:
| Содержание углерода | 47,0—51,8% |
| водорода | 5,8—6,9% |
| азота | 0,2—0,4% |
| кислорода | 42,0—44,9% |
Средний состав органической части сухой древесины в процентах : 50,0 углерода, 6,0 водорода, 0,3 азота и 43,7 кислорода. Средний состав воздушно-сухой древесины в процентах: 43,8 углерода, 5,3 водорода, 0,2 азота, 38,2 кислорода, 12,0 гидратной воды, 0,5 золы.
2) Удельный вес древесины. Различают действительный удельный вес древесины, под которым подразумевают удельный вес самого вещества ее, и кажущийся или видимый уд. вес древесины, т. е. вес единицы объема ее. Действительный уд. вес древесины главнейших пород не представляет существенных отличий, и для бука, дуба, пихты и сосны его можно считать одинаковым и равным 1,56 (вообще же он изменяется от 1,46 до 1,68). Однако действительный уд. вес не имеет технического значения. — Что касается видимого уд. веса, или объемного веса Д., то различают — объемный вес древесины в зеленом и сухом состоянии; наиболее важное техническое значение имеют данные относительно объемного веса сухой древесины. К сожалению, большинство определений объемного веса было произведено для не вполне высушенной (для воздушно-сухой) древесины; поэтому имеющимися данными весьма трудно воспользоваться для сравнений и общих выводов. Объемный вес древесины зависит от числа и величины пор и от содержания в ней воды. Поэтому уд. вес зеленой (свежесрубленной) древесины и той же древесины в сухом состоянии будут различны и именно уд. вес в зеленом состоянии изменяется для обыкновенных пород от 1,38 до 1,28 по отношению к весу равного объема воды. При высушивания древесины уд. вес ее изменяется пропорционально уменьшению содержания воды и сокращения объема. По уд. весу в сухом состоянии древесные породы разделяют на несколько групп, называя: тяжелыми — породы уд. веса более 0,80 (напр., 0,89 — дуб); средними — породы уд. веса 0,70—0,79 (ясень, акация), легкими — породы уд. веса 0,50—0,69 (клен, береза, сосна), легчайшими — породы уд. веса 0,40—0,49 (ель, пихта, липа). Если распределить в такие же группы деревья по их уд. весу в зеленом состоянии, то оказывается, что одни и те же породы занимают в зеленом и сухом состоянии не одинаковые места. Напр., пихта в зеленом состоянии принадлежит к средним породам, в сухом — к легчайшим. Такое явление объясняется тем, что уд. вес Д. зависит от его пористости: чем более оно пористо, тем меньше уд. вес его в сухом состоянии, но тем больше в нем будет сока, а следовательно, и воды, в зеленом состоянии, а потому тем больше будет его уд. вес в зеленом состоянии.
Классифицируя деревья по уд. весу (по плотности), подразумевают средний уд. вес известных пород. В действительности уд. вес одной и той же породы изменяется в довольно широких пределах в зависимости от условий произрастания, т. е. от климата, почвы и др. В отношении влияния условий произрастания на качество древесины можно указать на два общих положения: 1) наиболее тяжелые породы вообще произрастают в южных местностях, т. е. при более высокой температуре и в сухом воздухе; 2) одна и та же порода обладает обыкновенно тем более плотной древесиной, чем рост ее происходит медленнее, т. е. условия образования наибольшей массы древесины находятся в обратном отношении к условиям, от которых зависит качество древесины. Так, медленно выросшая сосна на С или на больших высотах обладает более плотной древесиной, нежели выросшая на Ю. Однако последнее правило имеет много исключений, напр., для дуба замечается обратное. Таким образом, уд. вес вообще не есть такое свойство, которое являлось бы совершенно постоянным для известной породы дерева, одна и та же порода может обладать древесиной различного качества в зависимости от условий произрастания. Поэтому числовые данные для уд. веса древесины могут служить лишь для сравнительного суждения о качестве древесины разных пород. Относительное значение этих числовых данных обнаруживается еще яснее при рассмотрении различий в уд. весе различных частей одного и того же дерева. Различия в уд. весе древесины одного и того же ствола наблюдаются как в направлении высоты, так и в направлении от центра к окружности. У многих деревьев уд. вес древесины постоянно увеличивается от центра к окружности, так что молодая древесина имеет наибольший уд. вес (береза, осина, лиственница, пихта и др.); у других, наоборот, уд. вес уменьшается от центра к окружности (ольха, серебристый тополь); наконец, у третьих он сначала увеличивается от центра к окружности, а потом уменьшается, так что max. лежит между центром и окружностью (дуб, бук, клен и друг.). Подобное же разнообразие наблюдается в изменениях уд. веса по направлению длины ствола. У многих древесных пород уд. вес уменьшается по направлению снизу вверх и притом как в центральной, так и в периферической части ствола (бук, ясень); у других пород уменьшение уд. веса по направлению снизу вверх происходит лишь до известной высоты, с которой начинается обратное, т. е. он снова увеличивается (дуб, лиственница, сосна); наконец, существуют породы, у которых уд. вес центральной и периферической древесины по высоте изменяется различно. Древесина корня является в большинстве случаев более легкой, нежели древесина ствола. Касательно уд. веса ветвей наблюдаются довольно разнообразные отношения. Для большинства хвойных пород уд. вес сучьев больше уд. веса ствола, у лиственных пород обыкновенно замечают обратное. Числовые данные см. соотв. статьи.
3) Свойства Д. как топлива. — Количество теплоты, выделяемое единицей веса различных пород Д., зависит более всего от содержания воды, как объяснено в статье горючие материалы (см.). В практике принимают его одинаковым для одинакового веса различных древесных пород при одинаковой степени сухости. Для сухих дров количество тепла равно приблизительно 4200 един. теплоты; для воздушно-сухих дров (содержащих около 20% воды) тепловой эффект — около 3100 един. теплоты. Несмотря на то, что дрова, одинаково высушенные, обладают приблизительно одннаковым тепловым эффектом, в практике, как известно, отличают качество дров в зависимости от породы Д. Это обусловливается тем, что дрова почти везде покупают не по весу, но по объему, а потому и оценка дров должна производиться, соображаясь с объемным или уд. весом древесины, который зависит от породы Д. — Далее, приобретая дрова, измеряют не действительный объем их, а лишь объем складочной меры, т. е. сложенных известным образом поленьев, между которыми находятся промежутки. Поэтому при оценке дров весьма важно знать содержание так наз. плотной массы в складочной мере дров, т. е. действительный объем древесной массы, соответствующий данной складочной мере дров. Содержание плотной массы зависит от формы поленьев, их диаметра и длины, а именно оно тем больше, чем более правильную форму имеют поленья, чем они толще и короче. Руководясь толщиной и длиной поленьев, можно найти содержание плотной массы в складочной мере дров по таблицам, вычисленным на основании опытных определений. Лишь для очень крупных поленьев содержание плотной массы достигает 77%, часто оно не превышает 65%, для хвороста падает до 15%. Нормальная, или таксационная, сажень дров содержит 250 куб. фт. плотной массы, или 72,6%. Итак, при суждении о качестве дров необходимо иметь в виду породу (уд. вес), содержание воды (степень сухости), размер поленьев и способ кладки. Оценка дров в частных случаях основывается не только на этих данных, но также на отношении их к горению. Плотные породы сгорают медленно, дают небольшое пламя и потому должны быть предпочитаемы там, где требуется постоянное нагревание до известной степени. Мягкие породы сгорают быстро и оставляют мало угля, из них смолистые дают длинное пламя, а потому применяются преимущественно там, где требуется быстрое действие пламенного жара. — Сплав дров водой не имеет влияния на их абсолютный тепловой эффект; но уд. вес древесины вследствие выщелачивания твердых веществ уменьшается, а потому относительный тепловой эффект таких дров, т. е. количество тепла, выделяемое единицей объема, будет меньше и, следовательно, они должны оцениваться ниже несплавных дров.
4) Физические изменения Д. при его сохранении. — Физические изменения Д., выражающиеся в явлениях разбухания и сжатия, коробления и растрескивания, наступают весьма быстро после свалки Д. при сохранении его на воздухе. Причиной этих изменений Д. является потеря воды. Срубленное Д., оставаясь на воздухе, постепенно теряет воду и через некоторый период достигает известного, постоянного для данных условий состояния влажности, когда Д. называется воздушно-сухим. Продолжительность периода, в течение которого Д. достигает такого состояния, зависит от свойств древесины и от размеров древесного материала. Плотные и твердые породы (дуб) при всех прочих равных условиях высыхают медленнее, нежели мягкие (липа, ива, тополь). Опыты относительно европейских пород показали, что после лежания на воздухе в течение года в них остается не более 20—25% воды и никогда при более продолжительном сохранении на воздухе не бывает менее 10% воды, если не подвергать его искусственному высушиванию или если оно не будет расколото на мелкие куски. Но Д., высушенное на воздухе, может вновь поглощать воду, если оно находится в очень влажном воздухе. Поэтому если Д. остается в открытых местах на воздухе, влажность которого изменяется, то и в самом Д. происходят соответственные изменения в содержании влаги. Теряя воду при высушивании, Д. уменьшается в объеме, происходит сжатие; поглощая вновь воду, оно увеличивается в объеме, разбухает. Относительно сжатия дерева при высушивании произведено довольно много опытов, так как относящиеся сюда данные имеют важное значение при употреблении Д. для поделок. Сжатие при высушивании различно для различных пород и неодинаково по различным направлениям. В нижеследующей таблице в столбце I указано сжатие по направлению волокон, во II — по радиальному направлению и в III — по тангентальному (по направлению хорд). В таблице указано линейное сжатие в процентах при переходе древесины из свежесрубленного состояния в воздушно-сухое.
| I | II | III | |
|---|---|---|---|
| Клен | 0,11 | 2,06 | 4,13 |
| Осина | 0,00 | 3,97 | 3,33 |
| Береза | 0,50 | 3,05 | 3,19 |
| Дуб | 0,00 | 2,65 | 4,13 |
| Ольха | 0,30 | 3,16 | 4,15 |
| Ясень | 0,26 | 5,35 | 6,90 |
| Ель | 0,09 | 2,08 | 2,62 |
| Сосна | 0,00 | 2,49 | 2,87 |
| Липа | 0,10 | 5,73 | 7,17 |
| Бук | 0,20 | 6,25 | 7,03 |
| Ильм | 0,05 | 3,85 | 4,10 |
| Граб | 0,21 | 6,82 | 8,00 |
Из этих данных видно, что сжатие по длине волокон незначительно, а потому в практике обыкновенно не принимается во внимание; наибольших величин достигает сжатие по тангентальному направлению. Если дерево долгое время находится в соприкосновении с водой, то оно поглощает больше воды, чем ее содержится в свежесрубленной древесине, и приобретает уд. вес, значительно больший уд. веса зеленой древесины, потому что при этих условиях даже те поры, в которых в живом дереве находится воздух, наполняются водой [2]. Поглощение воды достигает предела довольно медленно; увеличение веса продолжается 6 месяцев, нередко даже 2—3 года. Обыкновенные древесные породы при вышеуказанных условиях поглощают от 23,5 (лиственница) до 58,7 (клен) объемных процентов воды. Разбухание высушенного дерева в воде и поглощение воды происходят не с одинаковой скоростью, именно разбухание оканчивается гораздо скорее, через 1,5—2 месяца. Если бы кусок дерева при высушивании сжимался равномерно или при разбухании точно так же расширялся, то изменялась бы только его величина, но не форма. Изменение формы Д. при высушивании и при разбухании зависит от следующих главнейших обстоятельств: 1) от неоднородности отдельных частей одного и того же дерева, вследствие чего действие влаги на них неодинаково; 2) от указанного неравномерного изменения размеров по различным направлениям и 3) от неравномерного или от одностороннего действия воздуха, от состояния влажности которого зависят сжатие и разбухание дерева. Эти и некоторые второстепенные условия, все вместе или в отдельности, служат причиной того, что сжатие и разбухание дерева нередко сопровождаются нарушением сцепления отдельных частей дерева, т. е. служат причиной коробления и растрескивания дерева. Наибольшему изменению при высушивании подвергается свежесрубленное дерево. Поэтому главное средство для избежания последствий от коробления и растрескивания дерева есть высушивание его на воздухе прежде, нежели оно будет употреблено для строительных целей или для поделок. При этом необходимо обращать внимание на то, чтобы высушивание происходило по возможности медленно, так как при этих условиях оно будет и более равномерно.
5) Химические изменения древесины при сохранении и прочность дерева. При сохранении на воздухе, в земле или в воде дерево подвергается изменениям, которые через более или менее продолжительный период влекут за собой разложение древесины. Процессы разложения, которым подвергается дерево при сохранении в указанных средах, довольно разнообразны. Здесь будут рассмотрены главнейшие из них, именно тление, гниение, гумифицирование и брожение дерева/
Истлевшим деревом, сухой или белой гнилью называют легко растирающуюся белую массу, в которую превращается изменившаяся древесина. Если процесс протекает быстро, напр. в теплую погоду, то разлагающаяся древесина приобретает способность светиться, обнаруживает фосфоричность. Сваленное дерево, вообще не живое, подвергается тлению преимущественно в таких местах, в которых хотя и нет избытка влажности, но вследствие отсутствия или недостаточной вентиляции не может происходить надлежащего высушивания дерева. Либих искусственно вызывал тление, помещая смоченные водой древесные опилки в стакан, закрытый стеклянной пластинкой. Химический процесс, происходящий при тлении, состоит в окислении, которому подвергаются не только содержащиеся внутри клеток органические вещества, но и составные части стенок клеток. Хотя исследования элементарного состава белой гнили показали, что он мало отличается от элементарного состава древесины, но тем не менее легко убедиться, что тление сопровождается весьма глубоким химическим изменением древесины. При тлении происходит значительное уменьшение уд. веса, уменьшение содержания углерода и увеличение содержания кислорода, выделение углекислоты и воды вследствие окисления части заключающихся в древесине углерода и водорода. Причиной тления, как и других подобных процессов, является развитие на древесине паразитных грибов, что, между прочим, доказывается тем, что эта гниль распространяется в древесине в том же направлении, в каком распространяется мицелий паразитных грибов, а также заразительностью тления, т. е. возможностью перехода процесса с одного дерева на другое. По Турскому, белая гниль на дубе в некоторых наших лесных дачах вызывается грибом Polyporus igmarius.
Другой вид гниения, которому часто подвергается дерево, — образование красной или мокрой гнили. Эта гниль происходит лишь при избытке влажности. Другими условиями для наступления этого процесса являются известная температура (не слишком низкая) и, по-видимому, имеет значение большее или меньшее содержание белковых веществ (вываренные в воде опилки, из которых, следовательно, удалена значительная часть белковых веществ, не загнивают в весьма благоприятных для того условиях, т. е. находясь во влажном и теплом помещении. Такое гниение редко наступает, если дерево находится в текучей воде; напротив, многие породы особенно хорошо сохраняются в воде. Вероятно, это зависит отчасти от того, что при таком сохранении извлекаются растворимые белковые вещества, с которых и начинается обыкновенно разложение дерева. В противоположность тлению, для образования красной гнили присутствие кислорода не необходимо. Красная гниль образуется как в присутствии, так и в отсутствие кислорода; она нередко наблюдается в дереве, находящемся в болоте, в земле, вообще в таких местах, куда кислород не имеет свободного доступа. Древесина, подвергшаяся такой гнили, представляет красную, бурую, иногда почти черную массу, легко растирающуюся. Красная гниль отличается от белой, между прочим, и тем, что при ней не подвергаются разложению все части древесины и не получается однородной на вид массы, но из сгнившей части дерева можно выделить менее изменившиеся части. По элементарному составу дерево, подвергшееся такому гниению, более резко отличается от здорового, нежели истлевшее. При каких бы условиях ни происходило гниение, всегда замечается значительное увеличение содержания углерода и уменьшение содержания водорода и кислорода. При таком гниении происходит также всегда выделение углекислоты, хотя бы само разложение древесины совершалось в отсутствие кислорода, напр. в атмосфере водорода. Водород выделяется при гниении в виде воды, а также в соединении с углеродом в виде болотного газа (СН4). Чем богаче древесина азотистыми веществами, тем легче она загнивает, поэтому молодая древесина вообще легче загнивает, нежели старая; на одном и том же стволе легче подвергается гниению заболонь, в которой содержимое клеток наиболее богато азотистыми веществами. Возбудителями гниения являются низшие организмы, т. е. грибы и бактерии.
Гумифицирование Д. выражается в разрыхлении его и темном окрашивании. Гумифицарование происходит в отсутствии воздуха; главным условием является избыток влажности, поэтому этот процесс обыкновенно наблюдают тогда, если разложение дерева происходит под водой и притом при низкой температуре. Благодаря близости условий, при которых происходит гумифицирование и гниение (т. е. образование красной гнили), оба эти процесса нередко встречаются смешанными. В отношении химической стороны процесса гумифицирование отличается тем, что в результате получается очень богатое углеродом вещество. Равный химический процесс при гумифицировании состоит в выделении водорода в виде воды; в меньших размерах происходит выделение углекислоты; по-видимому, в еще более ограниченных размерах — выделение болотного газа.
Брожением Д. называется спиртовое брожение его сока, вызываемое, несомненно, бродильными грибками; оно состоит в разложении сахара, заключающегося в соке, причем вещества, входящие в состав тканей древесины, не изменяются. Поэтому процесс брожения в техническом отношении не представляет особенной важности. Брожение Д. наступает, напр., в тех случаях, когда зеленое Д., не освобожденное от коры, оставляют лежать во влажном и теплом месте. Хотя этот процесс не имеет особенной важности, но Д., в котором происходило брожение, во всяком случае легче подвергается другим более глубоким химическим изменениям, нежели совершенно здоровая древесина.
6) Прочность Д. — Прочностью Д. называют способность его сохраняться в течение более или менее продолжительного периода без изменения, т. е. способность сопротивляться наступлению в нем процессов, влекущих за собой его разрушение. Прочность Д. зависит от двух главных факторов: 1) от породы дерева, и 2) от среды, в которой оно находится. В отношении среды наблюдаются резкие различия в зависимости от того, находится ли Д. на воздухе или в воде. Одна и та же порода может быть непрочной на воздухе и прочной в воде и наоборот. Так, бук непрочен на воздухе и прочен в воде; береза же — наоборот. Изучение явлений разложения Д. показывает, что необходимым условием для наступления этих процессов является присутствие значительного количества влаги. Поэтому вообще прочность сухого Д., сохраняемого в сухом месте, может быть почти беспредельна, по крайней мере в практическом смысле. Действительно, при таких условиях, как показывают различные исторические находки, Д. может сохраняться целые тысячелетия без изменения. Вопрос о прочности различных древесных пород представляет весьма большое практическое значение при употреблении Д. для строительных целей. Кроме повседневных наблюдений и заключений, которые могут быть сделаны на основании большей или меньшей измененности различных сооружений, сохранившихся от старых времен, для суждения о прочности Д. служат также опыты, производившиеся в этом направлении разными лицами. Опыты производились или таким образом, что в землю вбивали сваи из различных древесных пород, или помещали древесные стволы в какую-нибудь разлагающуюся среду, напр., в навоз, и наблюдали время, в течение которого сгнивали различные породы. Результаты таких опытов могут иметь лишь условное значение. Гниение Д. представляет настолько сложный процесс, притом зависящий от целого ряда разнообразных условий, что суждения о сравнительной прочности различных древесных пород на основании подобных опытов не отличаются никакой точностью. Гораздо большее практическое значение могут иметь те заключения, которые можно сделать на основании исследования остатков различных древних сооружений, а также пользуясь громадным материалом, который могут дать в этом отношении железные дороги, если бы везде велись правильные наблюдения касательно прочности шпал и изменений, которым они подвергаются. Как среднюю из многих наблюдений, для европейских железных дорог принимают следующую прочность шпал: для дубовых 14—16 л., из лиственницы 9—10, для сосновых 7—8, для пихтовых 4—5, еловых 4—5, буковых 2,5—3 года. Обыкновенно для сравнения прочности различных древесных пород прочность дуба принимают за 100, а прочность остальных выражают по отношению к дубу. Напр., для прочности древесных пород при сохранении на открытом воздухе дают такие числа:
| Дуб | 100. |
| Ильм | 60 до 90 |
| Лиственница | 40 85 |
| Сосна | 40 85 |
| Ель | 40 67 |
| Ясень | 15 64 |
| Бук | 10 до 60 |
| Ива | 30 |
| Ольха | 20 до 40 |
| Тополь | 20 40 |
| Осина | |
| Береза | 15 40 |
Прочность древесных пород при сохранении под водой или в присутствии большого количества влаги выражается следующими числами:
| Дуб | 100 |
| Ольха | 100 |
| Ильм | 90 |
| Бук | 70 до 100 |
| Лиственница | 80 |
| Сосна | 80 |
| Молодая сосна | 70 |
| Ель | 50 |
| Ясень | совершенно непрочны |
| Ива | |
| Тополь | |
| Береза |
Рассмотрение таких таблиц указывает на связь между прочностью и другими техническими свойствами древесины. Наиболее плотные породы отличаются большей прочностью, нежели мягкие, более пористые. Не менее ясная связь наблюдается между прочностью и химическим составом древесины. Древесные породы, содержащие значительные количества смол, эфирных масел, дубильные вещества, отличаются большей прочностью, причем влияние содержания таких веществ настолько значительно, что некоторые пористые породы, содержащие, напр., смолы, более прочны, нежели твердые и плотные породы. Все те условия, в зависимости от которых наблюдаются различия для таких свойств древесины, как уд. вес ее и другие, оказывают влияние на прочность древесины. Поэтому прочность древесины, как и вообще все технические свойства ее, не представляет чего-либо вполне постоянного для данной древесной породы. Одна и та же древесная порода может отличаться большей или меньшей прочностью, смотря по условиям произрастания ее, т. е. в зависимости от климата и почвы, а также в зависимости от других условий, напр. от возраста. Как общее правило для отдельных деревьев одной и той же породы можно принять, что их прочность пропорциональна плотности (уд. весу). Такая связь между плотностью и прочностью обусловливается тем, что, чем Д. более пористо (соответственно меньшего уд. веса), тем более оно доступно атмосферным влияниям, т. е. действию воздуха и влажности, а также тем легче в такую древесину проникают споры низших организмов (грибов, бактерий); а всем этим облегчается наступление в дереве различных процессов разложения. Точно так же, как в отношении других технических свойств, различия в прочности наблюдаются и для частей одного и того же дерева. Здесь ясно проявляется влияние большего или меньшего содержания азотистых веществ. Те части дерева, которые содержат эти вещества в наибольшем количестве, легче подвергаются разложению; вследствие этого наименьшей прочностью отличается заболонь. Что касается влияния возраста дерева, то наибольшей прочностью обладает древесина среднего возраста.
Сочинения о технических свойствах древесины: Nördlinger, «Die technischen Eigenschaften der Hölzer» (1860, имеется в русском переводе); A. Mayer, «Die chemische Technologie d. Holzes als Baumaterial» (1872; входит в состав «Bolley’s Technologie», т. VI, I, 1); W. F. Exner, «Die technischen Eigenschaften d. Hölzer» (помещено в Т. Lorey, «Handbuch der Forstwissenschaft», т. I, часть II).
Предохранение Д. от гниения. — При употреблении Д. для строительных целей его разрушение происходит от двух причин: 1) под влиянием химических процессов разложения, вызываемых, вероятно, всегда низшими организмами (грибами и бактериями), и 2) Д. нередко разрушается животными паразитами, преимущественно насекомыми и моллюсками, для которых оно служит пищей. Вопрос о предохранении Д., употребляемого для различных сооружений, издавна пользовался вниманием практиков, так что эмпирический опыт давно привел к употреблению для этого различных средств и приемов обработки. Вопрос о предохранении Д. от разложения первоначально был разработан с научной стороны Бушери. Опыты Бушери показали, что здоровая и гнилая древесина сильно разнятся по содержанию растворимых в воде веществ. В опилках здорового дуба им было найдено 5—6% растворимых веществ, между тем как в опилках гнилого дуба значительно меньше, и притом оказалось, что содержание растворимых веществ уменьшается пропорционально степени развития гнилостного процесса, так что очень гнилая древесина содержит лишь около 1% растворимых веществ. Бушери также указал, что выщелоченное водой Д., из которого удалены таким образом растворимые вещества, сохраняется несравненно дольше, нежели Д. в естественном состоянии. Оставляя на воздухе обыкновенные опилки и опилки, вываренные в воде, Бушери наблюдал, что первые весьма быстро покрываются плесенью, между тем выщелоченные водой опилки сохранялись ½ года без всякого видимого изменения. Что касается разрушения Д. животными паразитами, то и в этом отношении присутствие растворимых веществ играет весьма важную роль, так как эти вещества наиболее легко усвояются животными при питании их древесиной. Из исследований Бушери вытекает следующее общее положение. Так как заключающиеся в Д. растворимые вещества представляют тот материал, с которого начинается разложение Д., то для более продолжительного сохранения последнего необходимо или удалить эти вещества, или перевести их в нерастворимое состояние и притом такое, чтобы сделать их неразлагающимися и неусвояемыми органическими паразитами. Затем, простое повседневное наблюдение показывает, что важнейшим условием для продолжительного сохранения Д. является содержание в нем возможно меньшего количества влаги. Современные сведения о процессах разложения указывают пути, которым должно следовать при обработке Д. с целью придания ему прочности при сохранении его при разных условиях. Употребляемые для консервирования Д. приемы можно разделить на следующие группы: 1) высушивание Д., 2) покрывание высушенного Д. непроницаемым слоем, 3) выщелачивание Д., 4) пропаривание, 5) поверхностное обугливание и 6) пропитывание антисептическими веществами. Если Д. назначается для таких поделок, которые будут находиться в сухих закрытых помещениях, то предварительное высушивание Д. представляется достаточным для предохранения таких поделок от изменений. Если же Д. будет находиться в условиях постоянного пропитывания влагой, как, напр., железнодорожные шпалы, то наиболее верным средством для его сохранения может служить пропитывание Д. антисептическими веществами.
Высушивание Д. — При высушивании Д. происходит не только выделение воды, но, если высушивание производится при высокой температуре одновременно изменение некоторых составных частей древесины, напр. белковых веществ, которые вследствие этого становятся менее способными к разложению. Прибегать к высушиванию Д. заставляет не одно только стремление придать ему большую прочность; при употреблении Д. для поделок предварительное высушивание необходимо еще для того, чтобы предотвратить физические изменения Д., коробление и растрескивание его. Смотря по назначению древесного материала, можно или ограничиться высушиванием Д. только на воздухе (естественная сушка), или производить высушивание искусственно при высокой температуре. Не останавливаясь на рассмотрении естественного высушивания, замечу только, что степень высушивания зависит от гигрометрического состояния атмосферы, а быстрота, кроме того, от породы и величины кусков Д. Напр., для дров опыт показал, что наибольшей степени сухости они достигают через 1,5 года, после чего содержание в них влаги при тех же условиях не изменяется. Искусственное высушивание Д. производится в сушильных камерах, в которых Д. укладывается так, чтобы между отдельными предметами (досками, бревнами и проч.) мог бы свободно циркулировать воздух. Сушильни для Д. обыкновенно устраивают двоякого рода. В одних высушивание производят таким образом, что в топке сжигают горючий материал и дым (продукты горения) заставляют проходить через камеру, в которой помещается древесный материал (камеры делают обыкновенно длиною 15—20 м, шириной 1—2 м и высотой до 2—3 м). При таком способе высушивания происходит отчасти пропитывание поверхностных слоев Д. продуктами сухой перегонки, заключающимися в дыме. Такой способ высушивания применяется для строевого и бочарного леса и т. п. В сушильнях другого рода высушивание производится с помощью нагретого воздуха, который также протягивают через камеры с древесным материалом. Этот способ применяется для поделочного Д. Продолжительность высушивания по этому способу — от 10 до 20 дней, смотря по размерам высушиваемых сортиментов; температура высушивания не одинакова для различных древесных пород, напр. для дуба 40° Д., для ели 50° Ц. В Англии применяются более сложные приемы высушивания. Д. заключают в железные цилиндры с двойными стенками, в промежуток между которыми пускают пар, доводя внутри цилиндра температуру постепенно до 94° Д.; из цилиндра выкачивают воздух, доводя разрежение до 2—3 дм ртутного столба. Для высушивания применяют также перегретый пар (не выше 150°). Д. помещают в закрытые железные цилиндры или ящики, куда и пропускают перегретый пар до тех пор, пока произойдет полное высушивание. Достоинства этого способа состоят в том, что действием перегретого пара убиваются грибы и бактерии и при таком приеме высушивания не происходит растрескивания Д.; недостатки способа — большая стоимость приспособлений для его выполнения, большой расход топлива и уменьшение крепости Д. При употреблении каких бы то ни было приемов высушивания необходимо иметь в виду выполнение следующих условий. 1) Повышение температуры должно быть производимо очень медленно и не должно превышать некоторого предела, а именно 120° Ц. (обыкновенно достаточно 80° Ц.). Чем влажнее Д., тем медленнее должно быть нагревание. При невыполнении последнего условия легко происходит растрескивание Д. Высушивание крупных сортиментов, напр. брусьев, продолжается 18—20 дней; высушивание других, напр. досок — 8—4 дня. 2) Вентиляция сушильных камер не должна быть слишком сильной, так как иначе вследствие слишком быстрого выделения воды также легко происходит растрескивание Д. 3) Высушивание не должно быть полное; в Д. должна остаться гидратная вода в количестве около 10%, потому что вполне высушенное Д. делается ломким и хрупким, трудно обрабатывается, легко поглощает влагу, причем может происходить растрескивание и коробление его.
Покрывание Д. непроницаемым слоем. — Высушенное Д., оставаясь на влажном воздухе, снова поглощает влажность. Поэтому большинство деревянных предметов, подвергаемых естественной или искусственной сушке, покрывают слоем непроницаемых для воздуха и паров веществ с целью устранения доступа воздуха, влаги и низших организмов в поры Д. Наиболее распространенный прием состоит в покрывании Д. масляными красками, а также масляными и другими лаками. Масляные краски готовятся посредством растирания твердых красок с вареным льняным или конопляным маслом (олифой); масляные лаки представляют растворы смол в тех же маслах; другие лаки получают растворением смол в спирте (обыкновенном или древесном) и в скипидаре (теперь также готовят особые лаки на нефтяном бензине). Олифа или указанные вареные масла на воздухе высыхают, превращаются в твердое вещество, покрывающее Д. непроницаемым слоем. При покрывании Д. спиртовыми или скипидарными лаками спирт и скипидар испаряются, и на Д. остаются смолы также в виде тонкого непроницаемого слоя. К этой же группе приемов консервирования Д. можно отнести осмаливание его, т. е. покрывание поверхности Д. каменноугольной или древесной смолой, которую наносят на поверхность Д. в нагретом состоянии. Этот способ обработки особенно полезен для Д., находящегося под водой (обшивка кораблей, подводные сваи и т. п.). При осмаливании Д. достигают несколько лучшего результата, чем, напр., посредством окраски; указанные смолы обладают сильными антисептическими свойствами, они механически препятствуют проникновению в поры Д. воздуха и воды и устраняют нападение на Д. растительных и органических паразитов. С целью сделать Д. менее горючим его покрывают иногда слоем растворимого стекла, которое наносится постепенно тонкими слоями, употребляя для этого сначала более слабые растворы, а под конец 66% раствор. Растворимое стекло легко смывается дождем, слои его легко отскакивают даже при сохранении деревянных предметов в закрытых помещениях; прочность Д. от покрывания растворимым стеклом скорее уменьшается, нежели увеличивается.
Выщелачивание Д. — При применении этого способа имеется в виду удаление сока, составные части которого наиболее легко подвергаются разложению. Для обработки по этому способу деревья рубят в конце зимы и в начале весны погружают их в проточную воду (Д. должно быть погружено в воду по возможности скоро после валки), оставляют в воде все лето, осенью вынимают и высушивают. Для очень плотных пород иногда повторяют выщелачивание на следующий год. Наблюдения Пушечникова показали, что при нахождении Д. в течение нескольких месяцев в текучей воде последняя проникает в поры Д. настолько же глубоко, как под давлением 4—6 атмосфер. Во всяком случае удаление сока при этом способе бывает неполное. Это обстоятельство и продолжительность самой операции служат причиной того, что выщелачивание применяется сравнительно редко. Более полного удаления сока можно достигнуть посредством выщелачивания кипящей водой, но такой способ может быть применим только для мелкого поделочного Д.
Пропаривание Д. — Пропаривание Д. паром высокого давления употребляется преимущественно как подготовительная операция при пропитывании Д. В отдельности пропаривание Д. производят паром обыкновенного давления. Для этого древесный материал помещается в деревянные ящики (длиной 3—4 м и 1,5—2 м ширины и высоты), скрепленные железными болтами и установленные несколько наклонно. Пар пропускают до тех пор, пока стекающая жидкость сделается бесцветной (в начале пропаривания конденсационная вода бывает довольно прозрачна и мало окрашена, потом делается мутной, окрашивается в темный цвет, приобретает особый запах; под конец конденсационная вода опять обесцвечивается). Пропаривание, смотря по размерам сортиментов, продолжается от 40 до 80 часов. После пропаривания Д. высушивается на воздухе или искусственно. При пропаривании Д. приобретает более темный цвет. Пропаренное Д. менее подвержено короблению и растрескиванию и имеет меньший уд. вес, нежели непропаренное. В нагретом и влажном состоянии, тотчас после пропаривания, такое Д. очень гибко и после высушивания и охлаждения сохраняет приданную ему форму. Благодаря таким свойствам пропаривание весьма часто применяется для Д., подвергаемого механической обработке. Что же касается значения пропаривания в отношении увеличения прочности, то здесь цель достигается лишь отчасти; едва ли можно сомневаться в том, что посредством пропаривания можно придать Д. значительно большую прочность, нежели посредством простого выщелачивания на холоде.
Поверхностное обугливание дерева. — Этот способ предохранения дерева от разложения пользуется особенным распространением во Франции. Поверхностное обугливание применяется для телеграфных столбов, для внутренней и наружной обшивки деревянных судов и в других случаях. Существуют несколько переносных аппаратов, которыми пользуются при производстве поверхностного обугливания. В одних аппаратах обугливание производится с помощью газового пламени; они состоят из цилиндра, в котором находится сжатый газ, регулятора для вытекания газа и трубки, через которую газ выпускается и при выходе из которой зажигается. Другие аппараты состоят из ламп особого устройства, в которых сжигают жидкие горючие материалы, напр. нефть. Поверхностное обугливание Д. вызывает следующие изменения его: 1) поверхностные слои, лежащие за обугленным наружным слоем, высушиваются, именно высушиваются и отчасти разрушаются некоторые органические вещества и зародыши растительных паразитов, находящиеся в этих слоях, 2) сама ткань Д. подвергается разложению на глубине 0,2—0,3 мм, вследствие чего образуются продукты сухой перегонки Д., обладающие антисептическими свойствами, как фенол и др., и которые проникают на некоторую глубину внутрь Д. Действенность этого способа консервирования Д. зависит от условий, при которых сохраняется обугленное Д. Многие наблюдения и распространенное применение этого способа служат доказательством, что этот способ во многих случаях удовлетворяет назначению. Но существуют и такие данные, которые показывают, что не при всяких условиях обугленное Д. хорошо сохраняется; напр., обугленная наружная обшивка морских судов иногда разрушалась животными паразитами так же легко, как и необугленная.
Пропитывание Д. — Многочисленные наблюдения с давних времен показали, что Д., пропитанное некоторыми веществами, напр. большим количеством различных минеральных веществ, даже не обладающих антисептическими свойствами, сохраняется лучше, нежели в естественном состоянии. Для пропитывания Д., назначаемого для строительных целей, с начала прошедшего столетия предложено огромное число веществ, преимущественно растворов минеральных солей. В этой области техники повторилось то же, что наблюдается во многих других. Идя эмпирическим путем, наряду с правильно выбранными средствами и приемами предлагались всевозможные вещества и нередко непригодные приемы, так как большинство таких предложений не имело за собой никаких рациональных основ. Трудность выбора веществ и приемов для пропитывания Д. эмпирическим путем увеличивается еще тем, что точное заключение о достоинстве того или другого способа предохранения Д. от разложения можно сделать только на основании многочисленных наблюдений в течение десятков лет, а таким путем совершенно невозможно пользоваться тогда, когда нужно составить суждение о достоинстве какого-либо нового способа консервирования Д. Такое положение этой отрасли техники сохранилось в известной степени до настоящего времени, несмотря на то, что для решения вопросов о выборе веществ и приемов для пропитывания Д. имеется уже достаточный запас научных сведений для того, чтобы эти вопросы могли быть решены наиболее легким путем, именно с помощью теоретических соображений, основанных на данных о свойствах древесины и веществ, предлагаемых для пропитывания. Эти теоретические соображения приводят к полезным заключениям не только в отношении новых неиспытанных способов, но они могут дать также полезные указания относительно применения способов, которые уже употребляются в практике. При этом, однако, необходимо иметь в виду, что научные данные, которыми можно располагать в настоящее время для решения вопросов, касающихся сохранения дерева, далеко не всегда могут приводить к точным заключениям. Причина этого лежит в недостаточности современных сведений о химических свойствах составных частей древесины, а также о явлениях разложения Д. при различных условиях. Тем не менее имеющиеся научные данные в связи с результатами практических наблюдений могут служить по крайней мере для того, чтобы определить с большой вероятностью значение того или другого способа предохранения Д. от разложения.
При выборе веществ и приемов для пропитывания Д. с целью предохранения его от разложения прежде всего необходимо иметь в виду следующий основной принцип. Пропитывание Д. должно достигать своей цели, т. е. должно действительно вести к увеличению прочности Д. (способности сохраняться без разложения) и в то же время вещества и приемы, употребляемые для пропитывания, не должны оказывать такого действия на древесину, вследствие которого понижались бы другие технические свойства ее, играющие важную роль при употреблении Д. как строительного материала (особенно крепость Д.). Обращусь сначала к рассмотрению значения веществ, употребляемых и предлагаемых для пропитывания Д.
Для пропитывания предлагались и употребляются как минеральные, так и органические вещества. Пропитывая Д. с целью его консервирования, можно стремиться или только создать неблагоприятную среду для развития низших организмов и, следовательно, для наступления процессов разложения древесины, или можно вводить в древесину такие вещества, которые уже в небольших количествах убивают низшие организмы, так называемые антисептические вещества, присутствие достаточного количества которых совершенно устраняет возможность наступления указанных процессов. Первого, т. е. создания лишь неблагоприятной среды для развития низших организмов, можно достигнуть, вводя в древесину большие количества различных веществ, заполняя ими поры, для этого могут быть употребляемы даже совершенно индифферентные вещества, но которые сами не разлагаются при условиях сохранения Д. Приведу исторический пример, ясно показывающий то влияние, которое оказывает введение в Д. больших количеств индифферентных минеральных солей, т. е. не обладающих антисептическими свойствами. При исследовании остатков карфагенского порта, построенного за 800 лет до Р. Х., оказалось, что высушенная на воздухе древесина остатков содержит: 9,5% воды, 31,6% органического вещества и 58,9% минеральных веществ (из них 47,2% углекальциевой соли и 7,2% хлористого натрия). Предохранение Д. от разложения при пропитывании большими количествами таких индифферентных соединений, как углекальциевая соль, объясняется тем, что такие соединения, заполняя поры, механически препятствуют проникновению в древесину низших организмов, а также делают древесину непригодной для питания животных паразитов. Однако пропитывание большими количествами индифферентных веществ не применяется в практике, так как такое пропитывание весьма затруднительно выполнить с технической стороны. На практике употребляются для пропитывания дерева антисептические вещества, небольшие количества которых убивают низшие организмы, и, кроме того, многие из них дают нерастворимые соединения с белковыми веществами или свертывают их, вследствие чего эти вещества делаются менее способными к разложению.
Из громадного числа предложенных для пропитывания веществ в настоящее время установилось в практике употребление следующих: тяжелого каменноугольного (или креозотового) масла, сулемы, хлористого цинка и медного купороса. Сильное антисептическое действие тяжелого каменноугольного масла зависит главным образом от содержания в нем фенолов (оно заключает, кроме того, азотистые соединения пиридинового ряда, также обладающие антисептическими свойствами). Фенол и его аналоги при пропитывании Д., без сомнения, не оказывают никакого действия на главные составные части древесины (т. е. на клетчатку и инкрустирующее вещество, если принимать присутствие в древесине каждого из них в отдельности; см. химический состав древесины). Отлагаясь в порах Д., такие соединения не оказывают поэтому никакого вредного влияния на механические свойства древесины; напротив, замечено, что после пропитывания каменноугольным маслом крепость Д. увеличивается. Следовательно, пропитывание каменноугольным маслом или вообще ему подобными материалами, состоящими из индифферентных жидкостей (напр., углеводородов), в которых растворены фенол и его аналоги, вполне достигает цели и не ухудшает механических свойств Д. Главные достоинства способа пропитывания тяжелым каменноугольным маслом, кроме указанных, следующие: 1) тяжелое каменноугольное масло, введенное в Д. даже в небольших количествах, хорошо консервирует его; 2) благодаря его способности растворять смолы оно проникает также в поры, наполненные смолой, в которые не проникают водные растворы, и 3) благодаря весьма малой растворимости его в воде оно весьма долго не вымывается ею. Недостатки способа состоят в том, что 1) Д. становится более горючим; 2) пропитывание по этому способу обходится сравнительно дорого и 3) каменноугольное масло вследствие его значительной вязкости не проникает в Д. на большую глубину. Пропитывание тяжелым каменноугольным маслом в России не применяется, так как каменноугольная смола, служащая для добывания этого масла, получается у нас в небольшом количестве на немногих заводах каменноугольного светильного газа. Но у нас мог бы быть применен для этой цели другой материал, могущий вполне заменить по антисептическому действию каменноугольное масло, — березовый деготь, который содержит весьма большое количество фенолов. Если бы встретилось затруднение при применении березового дегтя для пропитывания вследствие его значительной вязкости, то или можно было бы употреблять менее вязкие дистилляты из него, или можно растворять его в индифферентных углеводородных жидкостях, обладающих достаточной подвижностью.
Но вообще так как при пропитывании Д., предназначенного для строительных целей, на первом плане стоит экономический расчет, то ввиду высокой ценности каменноугольного масла у нас и в З. Европе более распространено пропитывание минеральными солями и преимущественно хлористым цинком; лишь в последнее время в З. Европе начало распространяться пропитывание хлористым цинком и креозотом одновременно (т. е. смесью раствора хлористого цинка с тяжелым каменноугольным маслом). Для заключения о пригодности той или другой минеральной соли для пропитывания Д., кроме экономической стороны дела, нужно руководиться следующими главными положениями. 1) Минеральная соль или продукты распада ее, могущие образоваться после пропитывания в древесине, не должны производить разрушения или сильно изменять саму древесину (т. е. древесинное вещество). 2) Минеральная соль должна давать такие соединения с составными частями Д. или вообще превращаться после пропитывания ею Д. в такие соединения, которые не извлекались бы легко водой. 3) Минеральная соль должна обладать настолько сильными антисептическими свойствами, чтобы для сохранения Д. достаточно было ввести небольшие количества ее, так как введение очень больших количеств, помимо экономических соображений, весьма трудно выполнимо.
Из трех наичаще употребляемых для пропитывания минеральных солей первое место по антисептическому действию принадлежит сулеме (0,2% раствор сулемы убивает так называемых патогенных бактерий). Но применение для пропитывания сулемы, несмотря на отличные результаты, при нем достигаемые, теперь весьма ограниченно, что обусловливается ее высокой ценностью и опасностью при обращении с ней для рабочих вследствие крайней ядовитости ее. Сулему употребляют только для пропитывания шпал на некоторых баденских, баварских и вюртембергских дорогах. Она не может быть употребляема для пропитывания строевого леса, идущего для домов, также для помещений для скота вследствие ее ядовитости и для пропитывания леса, служащего для водяных сооружений, вследствие того, что довольно легко вымывается водой. Первоначально пропитывание сулемой было предложено Кианом (в 1832 г.), а потому оно носит также название Кианизирования. Наиболее применяемый для пропитывания Д. хлористый цинк (ZnCl2), по-видимому, лишь в некоторой степени удовлетворяет указанным требованиям, которыми должно руководствоваться при выборе минеральных солей для пропитывания. Хлористый цинк, как и другие цинковые соли, вовсе не принадлежит к сильным антисептическим средствам. Что касается действия его на древесину, то, хотя не имеется никаких исследований по этому вопросу, его нельзя считать благоприятным на основании следующих соображений. Известно, что все соли тяжелых металлов (окислы которых принадлежат сравнительно к слабым основаниям) отчасти разлагаются водой при растворении и притом не только при нагревании, но и при обыкновенной температуре В водном растворе хлористого цинка находятся: средний хлористый цинк (ZnCl2), основной хлористый цинк mZnCi2, nZn(OH)2 и свободная хлористоводородная кислота (или, может быть, кислая соль цинка). Такое разложение может достигать различного предела в зависимости от некоторых условий, оно может достигнуть весьма значительного предела, если образующаяся свободная хлористоводородная кислота будет каким-либо способом удаляема из раствора. Можно думать, что разложение хлорисгого цинка водой при пропитывании его раствором древесины также достигает значительного предела, основываясь на аналогии между пропитыванием древесины и процессами, происходящими при пропитывании некоторыми минеральными солями различных волокнистых материалов (тканей, кожи), причем под влиянием поверхностного притяжения происходит распад этих солей, иногда достигающий значительного предела (напр. распад квасцов на серноалюминиевую и сернокалиевую соль при пропитывании кожи). Разложение хлористого цинка с выделением соляной кислоты может увеличиваться в древесине еще под влиянием частных условий. Так, при пропитывании смолистых пород, напр. сосны, кислота, входящая в состав смолы, может частью вытеснять соляную кислоту и давать соответственную цинковую соль. Следовательно, при пропитывании Д. раствором хлористого цинка мы вводим, в сущности, три вещества: соляную кислоту, средний хлористый цинк и основной хлористый цинк. Хлористоводородная кислота, как и вообще все минеральные кислоты, даже в весьма слабом водном растворе действует разрушительно на древесину, именно превращает ту составную часть древесинного вещества, которую обыкновенно называют лигнином, или инкрустирующим веществом (см.), в растворимые соединения. Действие хлористого цинка после введения его в древесину может быть объяснено так. Хлористый цинк действует сначала на составные части сока; если он будет введен в большем количестве, нежели сколько нужно для его соединения c составными частями сока [3], то после высушивания Д. он будет действовать на древесинное вещество, изменяя его химически, свободная же соляная кислота должна изменять составные части древесины. Наконец, относительно основного хлористого цинка надо полагать, что его роль может состоять лишь в соединении с составными частями сока, а при избытке вводимой соли — в непосредственном отложения на волокнах древесины. Из сказанного можно заключить, что употребление среднего раствора хлористого цинка (т. е. в котором отношение основания к кислоте соответствует формуле ZnCl2) в малых количествах, т. е. не превышающих выработанных практикой пределов, хотя уменьшает шансы неблагоприятных последствий от пропитывания хлористым цинком, но не гарантирует и хороших результатов. Вообще, по моему мнению, те относительно хорошие результаты, которых достигают на практике, консервируя дерево с помощью хлористого цинка, должны быть приписаны не только действию самого хлористого цинка, но и влиянию на Д. подготовительных операций, употребляемых при пропитывании по этому способу и о которых будет сказано ниже, или, по крайней мере, эти результаты в значительной степени зависят от приемов подготовки Д. к пропитыванию хлористым цинком. Относительно других солей цинка, именно серноцинковой и уксусно-цинковой солей, предложенных для пропитывания, можно сделать следующие замечания. Эти соли также разлагаются водой, как и хлористый цинк, освобождая кислоты и образуя основные соли. Можно предполагать, что разложение серноцинковой соли происходит в меньшей степени, нежели хлористого цинка; но зато образующаяся серная кислота будет оказывать еще более разрушительное действие на древесинное вещество, нежели соляная, потому что серная кислота труднее последней удаляется из Д. Уксусно-цинковая соль, вероятно, разлагается водой в более значительной степени, нежели хлористый цинк; но зато и действие уксусной кислоты на древесину менее энергично, нежели минеральных кислот. Таким образом вероятно, что из трех указанных солей цинка наименее разрушительное действие на древесину будет оказывать уксусно-цинковая соль, а наибольшее — хлористый цинк, в особенности потому, что ни уксуснокислая (Zn[C2H3O2]2), ни сернокислая (ZnSO4) соли цинка не оказывают сами такого сильного действия на органические вещества, как хлористый цинк (ZnCl2).
Медный купорос (CuSO4) при растворении в воде также отчасти разлагается ею, т. е. раствор серномедной соли, кроме средней серномедной соли (CuSO4) содержит небольшие количества основной серномедной соли (mCuSO4, nCu[OH]2) и свободной серной кислоты (или кислой соли). Вредное действие на древесину может оказывать главным образом серная кислота, так что при пропитывании медным купоросом количество употребляемой соли будет играть такую же роль, как и при хлористом цинке, т. е. пропитывание большими количествами медного купороса повлечет за собой очень значительное уменьшение крепости древесины. Что касается антисептического действия медного купороса, то оно не исследовано надлежащим образом (как это сделано, напр., для сулемы, фенола и др.) и надо полагать, что оно не так велико, как обыкновенно думают (в довольно крепких растворах медного купороса можно наблюдать развитие грибов). Пропитывание медным купоросом производится в настоящее время лишь в весьма ограниченных размерах и постепенно вытесняется другими способами, главным образом — вследствие значительной стоимости этого способа.
Из других солей тяжелых металлов упомянем только о пропитывании железными солями, которые ввиду их дешевизны многократно предлагались для пропитывания шпал; но все попытки этого рода оказывались неудачными. Легко убедиться, что от употребления железных солей нельзя ожидать никакой пользы и что эти соли должны оказывать в большинстве случаев вредное действие на древесину [4]. Прежде всего, нет никакого основания приписывать железным солям сильное антисептическое действие. Затем, соли закиси железа на воздухе переходят в соли окиси, которые, как известно, особенно легко разлагаются водой на свободную кислоту и гидрат окиси железа (напр., в разбавленных растворах большая часть уксусно-железной соли распадается на уксусную кислоту и водную окись железа, Fe[OH]3). Таким образом в результате при пропитывании древесины железными солями в ней должны образоваться: 1) водная окись железа (Fe[OH]3), не обладающая антисептическими свойствами, и 2) свободная кислота, действующая разрушительно на древесину. Полезное действие на древесину железных солей, подобно многим другим, может состоять лишь в том, что они могут вступать в реакцию с наиболее легко изменяющимися составными частями сока. Следовательно, пропитывая древесину железными солями, можно только ускорить разрушение древесины, значительно уменьшив ее крепость.
Из всего вышесказанного относительно веществ, употребляемых для пропитывания дерева, можно сделать следующие общие выводы. I) Пропитывание не обладающими сильными антисептическими свойствами солями тяжелых металлов должно быть заменено пропитыванием органическими антисептическими веществами везде, где это окажется возможным по экономическим расчетам. II) Соли тяжелых металлов оказывают двоякое действие на древесину: 1) полезное, состоящее в предохранении от гниения, так как они препятствуют развитию низших организмов; 2) вредное вследствие того, что освобождающиеся из этих солей кислоты изменяют древесинное вещество и поэтому уменьшают крепость дерева и ослабляют связь отдельных частей его. Ввиду этого при пропитывании будут давать наилучшие результаты те металлические соли, которые могут быть вводимы в наименьших количествах, т. е. соли, обладающие сильными антисептическими свойствами и из которых первое место принадлежит сулеме. III) Если экономические расчеты заставляют в настоящее время применять хлористый цинк, то можно ожидать лучших результатов, если употреблять для пропитывания растворы хлористого цинка, содержащие избыток основания. Для пропитывания дерева могут быть применены разные приемы. В настоящее время употребляют: 1) погружение в пропиточные жидкости при обыкновенной температуре или при слабом нагревании (40° Ц.); 2) пропитывание под слабым давлением; 3) пропитывание под сильным давлением (пневматический способ) и 4) пропитывание парами антисептических веществ.
1) При пропитывании погружением в жидкости при обыкновенной продолжительности его (несколько дней) и без нагревания происходит лишь пропитывание поверхностных слоев, а потому оно может быть применяемо только при употреблении очень сильных антисептических веществ, именно исключительно при употреблении сулемы. Этот прием, при котором не употребляют никаких подготовительных операций для дерева, кроме предварительного высушивания его на воздухе, совершенно неприменим для пропитывания наиболее распространенными веществами, так как цель, очевидно, не будет достигаться. Хорошие результаты при пропитывании по этому способу сулемой достигаются благодаря тому, что достаточно нахождения такого сильного антисептического вещества в поверхностных слоях Д., чтобы гарантировать его от нападения животных паразитов и воспрепятствовать проникновению низших организмов внутрь Д. Пропитывание раствором сулемы (содержащим от 0,7—0,8% HgCl2) производится в деревянных ящиках, сделанных из дубовых, лиственичных или сосновых пластин, скрепляемых снаружи дубовыми брусьями, которые, в свою очередь, стягивают железными болтами (которые ни в каком случае не должны приходить в соприкосновение с ртутным раствором). Вверху ящиков укрепляют поперечные брусья для удержания пропитываемых предметов (чтобы они не всплывали). Ящики устанавливаются не прямо на земле, а на подкладках. Длина ящиков должна быть несколько больше длины пропитываемых сортиментов. Древесный материал подвергают пропитыванию в совершенно разделанном виде, так как никакая механическая обработка пропитанного сулемой дерева не может быть допускаема вследствие крайней ядовитости сулемы; напр., шпалы погружают не только готовые, но сделав в них вырезы для рельсов. Работа ведется следующим образом. Нагрузив пропитываемым материалом ящик, в него накачивают воду и прибавляют столько крепкого раствора сулемы, сколько нужно для получения раствора вышеуказанной концентрации; затем через 2—3 дня определяют в жидкости содержание сулемы и добавляют необходимое количество. Продолжительность пропитывания зависит от породы древесного материала и от размеров: сосновые шпалы пропитывают 8 дней, дубовые 12—14 дней, телеграфные столбы — 5 дней. Быстрота пропитывания зависят также от температуры (в теплую погоду оно идет скорее) и от степени сухости дерева (в слишком влажное дерево раствор сулемы не проникает). Некоторые слабо подогревают (до 40° Ц.) пропиточный раствор; но вообще лучше избегать искусственного нагревания его ввиду опасности отравления ртутными парами рабочих. По окончании пропитывания жидкость перекачивают в другой ящик и после добавления к ней сулемы снова употребляют для пропитывания. На каждую шпалу (объем ее в Зап. Европе приблизительно = 0,1 куб. м) расходуется 1—1,2 кг сулемы. Вынутые из ящиков пропитанные предметы оставляют 2—3 недели (иногда несколько месяцев) на воздухе для высушивания, причем сулема более глубоко проникает внутрь Д. Способ пропитывания сулемой прост, не требует никаких дорогих приспособлений для выполнения и дает наилучшие результаты, т. е. Д., пропитанное сулемой, сохраняется более продолжительное время, нежели пропитанное другими солями; причины малой распространенности этого способа были указаны выше.
Пропитывание посредством погружения в кипящие растворы минеральных солей или вывариванием хотя предлагается, но теперь нигде не употребляется. Из вышесказанного о действии воды на соли тяжелых металлов и об отношении этих солей к древесине очевидно, что при применении такого приема, напр. при пропитывании хлористым цинком, можно ожидать сильного изменения древесинного вещества и вместе с тем значительного уменьшения крепости Д., что и подтверждается опытом некоторых германских железных дорог. Покрывание Д. с поверхности растворами антисептических веществ в сущности не представляет пропитывания, и потому при употреблении такого приема только случайно могут быть получены хорошие результаты. Этот прием может быть полезен там, где требуется предохранять Д. не от гниения, но от разрушения животными паразитами, напр. насекомыми.
2) Пропитывание под слабым давлением, гидростатический способ, предложенный Бушери, применяется исключительно при употреблении медного купороса, но может быть применяем также при пропитывании хлористым цинком. Этот способ совершенно неприменим для пропитывания сулемой и тяжелым каменноугольным маслом, именно при пропитывании первой — вследствие неизбежной большой потери пропиточной жидкости, а при пропитывании вторым — вследствие малой диффузионной способности его. Для надлежащего понимания явлений, наблюдаемых при пропитывании под давлением, и достигаемых результатов необходимо указать те отличия в поглощении пропиточных жидкостей, которые замечены для различных древесных пород, а также в зависимости от некоторых условий. Различные древесные породы пропитываются жидкостями не одинаково легко от неодинакового анатомического строения их. Наиболее легко пропитываются так называемые заболонные породы (клен, береза, граб и др.), довольно легко пропитываются спелодревесинные породы (липа, пихта, ель, бук и др.) и гораздо труднее ядровые породы (дуб, лиственица, сосна и пр.), у которых пропитывается преимущественно только заболонь, между тем как ядро почти совершенно не пропитывается. Затем на легкость пропитывания Д. оказывает влияние время рубки его. Д., срубленное зимой, пропитывается легче, нежели сваленное летом; труднее всего — срубленное весной (в апреле или в мае). Для пропитывания гидростатическим способом нужно употреблять свежесрубленное Д. Если Д. долго лежало на воздухе (именно летом), то его сок густеет, делается слизистым — и тогда его трудно вытеснить из Д. пропиточной жидкостью; поэтому для пропитывания гидростатическим способом лучше сохранять Д. в текучей воде. Для пропитывания по этому способу необходимо также употреблять Д. в коре и стараться при валке сохранить ее по возможности в целости. Самое пропитывание производят следующим образом. Пропиточную жидкость наливают в чан, установленный на стойках, на высоте 10 м. Пропитываемые колоды (для шпал берут двойной длины с прибавлением 20 см, а для телеграфных столбов лишь необходимой длины) кладут на подкладках несколько наклонно, на одном конце колоды (на торце) накладывают кольцо из пропитанной салом пеньковой веревки или, лучше, каучуковое, на кольцо накладывают деревянный круг или, лучше, железную пластину, лакированную или покрытую медью со стороны, обращенной к Д., и прижимают такую доску скобками, а при употреблении пластины ее нажимают винтом, проходящим через центр; таким способом образуют камеру, в которую и поступает пропиточный раствор. В доску или пластину вставляют медную трубку, соединяемую с помощью каучуковой с трубкой, по которой пропиточный раствор стекает из расположенного вверху резервуара; для удаления воздуха при начале операции вставляют медный гвоздь между каучуковым кольцом и поверхностью Д., и когда покажется жидкость, его вынимают. Пропитывание происходит под давлением около 1 атмосферы. Очень скоро после соединения пропитываемых колод с резервуаром, с пропиточной жидкостью, с других концов их начинает вытекать сок; потом появляется примесь медного купороса, содержание которого постепенно увеличивается, и когда стекающая жидкость достигнет 2/3 концентрации употребляемого пропиточного раствора (что обыкновенно наступает после прохождения через колоду объема жидкости, втрое большего объема самой колоды), тогда пропитывание прекращают. Продолжительность пропитывания, кроме вышеуказанных условий, зависит и изменяется соответственно размерам сортиментов обыкновенно в пределах от 48 до 100 час. На каждую шпалу расходуется 0,5—0,6 кило медного купороса, раствор которого берут однопроцентный. Лучше всего пропитывается по этому способу бук; при пропитывании хвойных процесс затрудняется вследствие присутствия смол. Способ Бушери прост, не требует особенно сложных приспособлений и удобен там, где пропитывание представляет лесное производство. Главные его недостатки следующие: 1) необходимость употреблять свежесрубленное Д.; 2) пропитывание в коре и оттого излишняя потеря антисептического вещества, которое теряется, кроме того, вследствие смешения с вытекающим соком; 3) неравномерность пропитывания; 4) значительная продолжительность операции и неприменимость для крупного производства, так как зараз можно обрабатывать только небольшое число деревьев. Поэтому в настоящее время применение гидростатического способа весьма ограничено.
3) Наиболее распространен в настоящее время способ пропитывания под большим давлением, первоначально предложенный Бреаном (в 1831 г.), затем усовершенствованный Бетелем, Пайеном и др. Пропитывание по этому способу производится с помощью хлористого цинка или тяжелого каменноугольного масла или смесью обоих [5] и применяется для шпал. Аппарат для пропитывания состоит из горизонтального железного цилиндра длиною 9—12 м и диаметра в 2 м. Передняя сторона цилиндра закрывается подвижной крышкой, которая подвешена к каткам, двигающимся по рельсам, расположенным вверху; для герметического запора на фланце цилиндра помещено свинцовое кольцо. У заднего днища цилиндра помещены дробные краны, воздушный кран, водомерная трубка, термометр, манометр и вакуометр. Пропиточный цилиндр (подобно паровым котлам) снабжен небольшим колпаком, который соединен с паровой трубой и с воздушным насосом. В нижнюю стенку котла входят: трубка для спуска конденсационной воды, вторая — для введения пропиточной жидкости и третья — для спуска этой жидкости; все трубки снабжены вентилями. Около установленного цилиндра располагаются в земле два цементных бассейна (вместимостью около 27 куб. м каждый) для пропиточной жидкости, которая нагнетательным насосом подается в котел. Шпалопропиточный зав. должен иметь еще следующие приспособления: 6 вагонеток, на которых Д. ввозится в пропиточный цилиндр, паровой котел на давление в 4 атмосферы, 10-сильную паровую машину, резервуар для воды, различные чаны для приготовления растворов хлористого цинка, сушильную камеру и большие десятичные весы (Brückenwage).
В последнее время для пропитывания шпал стали устраивать передвижные заводы. Такой завод представляет поезд, в котором и находятся все необходимые части шпалопропиточного зав., т. е. вагон-пропиточный цилиндр, вагон с машинами и паровым котлом, несколько вагонов-цистерн с пропиточными жидкостями и водой и несколько вагонов для перевозки прочих принадлежностей завода. Смотря по тому, чем пропитывают Д., оно различно подготовляется к пропитыванию. При пропитывании хлористым цинком предварительная подготовка Д. состоит в пропаривании его и выдерживании затем в течение некоторого времени в разреженном пространстве. Пропариванием достигается следующее: удаление некоторого количества сока, извлекаемого сгущающеюся в начале пропаривания водой; свертывание части белковых веществ вследствие прогревания внешних слоев Д.; уменьшение сопротивления Д. проникновению в него пропиточного раствора (т. е. этот раствор поглощается после пропаривания в большем количестве). При второй подготовительной операции, оставлении пропаренного Д. в разреженном пространстве, удаляется часть сгустившейся в его порах воды, извлекающей довольно значительное количество сока и вообще растворимых веществ (жидкость, вытекающая во время так называемого вакуума, имеет плотность 2,5° В). Можно с уверенностью утверждать, что благоприятные результаты на практике при пропитывании хлористым цинком, как уже было сказано выше, в значительной степени зависят от одновременного применения этих подготовительных приемов обработки, которые сами по себе значительно увеличивают прочность древесины. Для того, чтобы вполне определить значение этих подготовительных операций, недостает опытных данных относительно влияния пропаривания и вакуума на крепость Д. При работе с хлористым цинком поступают следующим образом. Шпалы на 3 вагонетках ввозят в цилиндр, закрывают его и пропаривают паром в 2—2,5 атмосферы в течение 1,5—3 час., выпуская по временам конденсационную воду. После пропаривания пускают в ход воздушный насос (понижая давление на 600 — 700 мм. против обыкновенного), поддерживая вакуум 1—1,5 часа. Затем, поддерживая разрежение, впускают в цилиндр раствор хлористого цинка в 3° В (для дубовых шпал в 4—5° В), холодный или подогретый до 50° Ц., пока цилиндр наполнится им; тогда нагнетают до давления 8—10 атмосфер, поддерживая такое давление около 3 часов. По истечении этого времени спускают жидкость, вывозят вагонетки с Д. и подвергают последнее высушиванию на воздухе. При пропитывании Д. каменноугольным маслом подготовительными операциями служат: высушивание при высокой температуре (100°—130° Ц.) и выдерживание высушенного Д. в разреженном пространстве (вакуум). Высушивание при высокой температуре само по себе увеличивает прочность Д., но эту подготовительную операцию, по моему мнению, нельзя рассматривать как безусловно необходимую, и, насколько мне известно, она не везде употребляется. Влажное дерево, т. е. заключающее в порах воду, несомненно нельзя пропитывать каменноугольным маслом, так как оно не будет проникать в поры и смачивать их стенки. Но хорошо высушенное на воздухе Д. не содержит в порах жидкой воды, вода, в нем заключающаяся, — гидратная; поэтому такое Д. будет пропитываться каменноугольным маслом, хотя и в меньших размерах, чем высушенное при высокой температуре. Выдерживание высушенного Д. в разреженном пространстве имеет целью лишь возможное удаление воздуха из его пор. Работа при пропитывании ведется следующим образом. Высушенное в нагретой камере Д., не охлаждая, перемещают в пропиточный цилиндр, который закрывают; затем разрежение (1 час) и само пропитывание (1—4 час.) производят так же, как при хлористом цинке, с той разницей, что каменноугольное масло для уменьшения его вязкости всегда накачивают подогретое до 40—50° Ц. В последнее время стало распространяться пропитывание 3° раствором хлористого цинка, к которому прибавляют каменноугольного масла, причем заключающиеся в нем фенол и некоторые другие вещества растворяются в водном растворе хлористого цинка. При употреблении такой пропиточной жидкости работу ведут совершенно одинаково, как при пропитывании одним раствором хлористого цинка. Существенное преимущество пневматического способа пропитывания перед другими состоит прежде всего в том, что посредством него можно в короткое время обрабатывать большие количества древесного материала. При каждом заряжении цилиндра в него входят 120—200 шпал; вся операция длится 6—8 час., так что в сутки обрабатывают 360—600 шпал. Материал можно пропитывать в совершенно обработанном состоянии, чем устраняются потери пропиточного вещества; само пропитывание более равномерно и более сильно.
4) Пропитывание шпал парами каменноугольного масла производится на некоторых западноевропейских железных дорогах. Аппарат передвижной и перевозится по железным дорогам. Пропитываемое дерево пропаривают, высушивают перегретым паром, выдерживают в вакууме, пропитывают парами каменноугольного масла и наконец медленно высушивают. Пропитывание происходит весьма совершенно, однако способ и аппарат слишком сложны; но с одним аппаратом обрабатывают почти столько же шпал, как по пневматическому способу, а именно от 180 до 540 в сутки. В отношении способов или приемов пропитывания можно сделать следующие общие заключения. 1) Пропитывание погружением в растворы антисептич. веществ может привести к благоприятным результатам только при употреблении водных растворов сильных антисептиков, к которым из употребляемых теперь принадлежит лишь сулема. 2) Пропитывание вывариванием в растворах металлических солей должно быть признано безусловно вредным, так как ведет к значительному уменьшению крепости древесины и ограничивается все-таки поверхностными слоями. 3) При употреблении обыкновенных минеральных антисептиков, а также каменноугольного масла пропитывание должно быть производимо под сильным давлением. Для каменноугольного масла, по-видимому, может быть применяем способ пропитывания парами. В заключение приводим данные относительно количеств пропиточных жидкостей, поглощаемых при пропитывании по пневматическому способу различными древесными породами, а также стоимость пропитывания в Германии и у нас.
Количество пропиточных поглощенных жидкостей:
| Количество поглощенной жидкости в гр. ва 1 шпалу (объем шпалы в среднем =0,1 куб. м) | |||
|---|---|---|---|
| ПОРОДА | |||
| Дуб | Бук | Сосна | |
| Хлористый цинк | 8,5 — 10,0 | 25 — 33 | 20 — 26 |
| Хлористый цинк вместе с каменноугольн. масл. | 7,0 — 8,5 | 20 — 30 | 18 — 22 |
| Каменноугольн. масло | 8,0 — 55 | 18 — 22 | 12 — 18 |
Средняя стоимость пропитывания одной шпалы в герм. марках:
| Пропитывающий материал | Дуб | Бук | Сосна |
|---|---|---|---|
| Хлористый цинк | 0,38 | 0,44 | 0,47[6] |
| Хлористый цинк и каменноугольное масло | 0,61 | 0,86 | 0,74 |
| Каменноугольное масло | 1,00 | 1,90 | 1,70 |
| Сулема | — | — | 0,75 |
| Пары каменноугольного масла | — | 0,76 | — |
Что касается степени увеличения прочности дерева от пропитывания различными веществами, то выразить влияние этих веществ на прочность какими-либо численными величинами весьма затруднительно. Хотя в литературе имеются довольно многочисленные данные относительно времени службы пропитанных шпал, но все-таки нельзя дать таких средних чисел, по которым бы можно было делать точное заключение о влиянии пропитывания, так как шпалы подвергаются и механическому изнашиванию и продолжительность сохранения их зависит от целого ряда условий. Ограничусь указанием, что наиболее продолжительный период сохраняются шпалы, пропитанный сулемой и каменноугольным маслом (до 25—30 л.), и следующих данных относительно средней продолжительности службы шпал, пропитанных хлористым цинком:
| пихтовые | шпалы | в средн. | служат | 6 | лет |
| еловые | » | » | » | 10 | » |
| буковые | » | » | » | 12 | » |
| сосновые | » | » | » | 19 | » |
| дубовые | » | » | » | 24 | » |
Сочинения о предохранении дерева от разложения: E. Buresch «Der Schutz d. Holzes gegen Fäulniss und sonstiges Verderben» (1880); A. Mayer, «Chemische Technologie des Holzes als Baumaterial» (1872); Schwaekhöfer, «Konservierung des Holzes» (помещено в T. Lorey «Handbuch d. Forstswissenschaft», т. I, часть П, 1887); В. Герценштейн, «Предохранение дерева» (1887).
Дерево, сухая перегонка. — Кроме непосредственного употребления для разных изделий, Д. служит сырым материалом для получения целого ряда продуктов посредством химической обработки. Важнейшие из таких продуктов следующие: древесная клетчатка, или целлюлоза, употребляемая как писчебумажная масса (см. Древесная масса и Целлюлоза), и продукты сухой перегонки Д., а именно уголь, уксусная кислота, деготь, смола, древесный спирт и скипидар. Для получения лесотехнических продуктов пользуются нередко не только самой древесиной, но и другими частями Д. Так, кора многих древесных пород служит дубильным материалом непосредственно или для получения дубильных экстрактов; из коры березы и осины получают деготь; из хвои готовят летучее масло и волокнистый материал; для получения волокнистого материала пользуются также лубом некоторых деревьев (мочало из липы); многие тропические Д. в виде экстракта служат для окрашивания тканей и т. д. Из способов получения этих продуктов мы рассмотрим здесь сухую перегонку, доставляющую: уголь, деготь, смоляную воду и горючие газы (см. Газовое производство). При этом должно обратить внимание на то, что разработка каменного угля и расширение коксового производства в разных странах, с одной стороны, с другой, утилизация запасов нефти существенно изменили как условия, при которых ныне может быть производимо получение продуктов сухой перегонки Д., так и значение большинства из этих продуктов, а особенно угля, дегтя и частью скипидара. Во многих случаях, где прежде употреблялись древесные продукты, они заменены другими, получаемыми из каменного угля и нефти. Так, древесный уголь при металлургических процессах заменяют коксом, деготь — частью нефтяными смазочными материалами, а в других случаях каменноугольной смолой; скипидар уже не употребляется для освещения, и хотя современные применения его очень обширны, но для них более пригоден скипидар, получаемый из живицы, из которой он выделяется легче, более чистый и в большем количестве, нежели при сухой перегонке древесины хвойных. Тем не менее, вследствие громадности лесных пространств, особенно на С России, сухая перегонка Д. должна занимать в России одну из важнейших отраслей заводской промышленности. Должно измениться только направление этой отрасли и обстановка производства, особенно по той причине, что если значение многих продуктов сухой перегонки Д. уменьшилось, то это вовсе не связано с одновременным уменьшением спроса на эти продукты; он даже расширился с развитием потребностей и усовершенствованием торговли. Затем значение уксусной кислоты благодаря развитию чисто химических и красильных производств весьма сильно расширилось, что должно сказать и относительно древесного спирта и т. п.
Сухая перегонка Д. в России имеет преимущественно кустарный характер; ею занимаются главным образом крестьяне, пользующиеся для этого во многих областях России (напр. в средней и в северо-восточной части) преимущественно отбросами казенных и частных лесов: пнями, сухостоем и т. п. Большая часть кустарей занимается сухой перегонкой в трех видах: одни занимаются ее углежжением, другие смолокурением из осмола, причем сравнительно редко одновременно добывают скипидар; третьи — получением дегтя из березовой коры (иногда из осиновой). При таком с древности установившемся порядке вещей более ценные продукты — уксусная кислота и древесный спирт — получаются на немногих заводах сухой перегонки в ограниченных количествах и нередко совершенно пропадают, а некоторые заводы сухой перегонки ограничиваются получением так называемого порошка, т. е. весьма нечистой уксусно-кальциевой соли, переработкой которой на уксусную кислоту занимаются в довольно значительных размерах химические заводы, находящиеся в промышленных центрах. Будущность и развитие производств, основанных на сухой перегонке древесных материалов, зависит прежде всего от двух условий: от направления производства и от его технической обстановки. Очевидно, что главное внимание в настоящее время должно быть направлено на развитие производства уксусной кислоты (с одновременным получением древесного спирта) и переработки живицы на канифоль и скипидар. Что касается смолокурения, то и выгодность этого производства могла бы быть значительно увеличена одновременным добыванием скипидара [7] и переработкой жидкой смолы на более ценные смазочные (колесные) мази, а также соединением смолокурения с производством уксусной кислоты и древесного спирта. Притом надлежащее развитие производств, основанных на сухой перегонке древесных материалов, возможно лишь тогда, когда из первобытной своей формы они обратятся в настоящие заводские, так как лишь тогда возможна надлежащая техническая обстановка, необходимая для получения более ценных продуктов, для добывания которых применяются и более сложные приемы [8].
Процесс сухой перегонки Д. — Сухой перегонкой органических веществ называется разложение их под влиянием высокой температуры без доступа кислорода. Изменения, которым подвергаются при этом отдельные органические вещества, весьма разнообразны. Все органические вещества (летучие и нелетучие), подвергаясь действию постоянно возвышающейся температуры, стремятся распасться на простейшие и прочные вещества, напр., воду, уголь, окись углерода, водород, углекислоту и т. п.; но как промежуточные продукты всегда образуются вещества, более или менее сложные и постоянные при высоких температурах, и нелетучий остаток, содержащий больше углерода и меньше кислорода, нежели первоначальное вещество. Если при сухой перегонке температура остается постоянной, то наступает некоторое равновесие, разложение останавливается; но если продолжать повышение температуры, то, наконец, в остатке получают уголь, содержащий весьма мало водорода и кислорода и еще меньше азота, если вещество было азотистое. Сухая перегонка такого материала, как Д., о составе которого говорено выше, сопровождается сложными явлениями, и потому при ней получается большое число разнообразных продуктов. Конечный результат разложения древесины при высокой температуре такой же, как и для многих отдельных органических соединений: он состоит в выделении угля, получаемого как нелетучий остаток, и в выделении водорода, азота и кислорода в виде летучих соединений частью с углеродом, частью между собой. Таким образом при сухой перегонке Д. образуются уголь и затем летучие вещества: газообразные, жидкие и твердые. Более подробное представление о процессе сухой перегонки Д. дают результаты опытов Виолетта, хотя они имели главной целью изучение влияния различных условий на выход и качество древесного угля. Опыты Виолетта можно разделить на три главные группы. В первой группе опытов было изучено влияние температуры на выход и качество угля из крушины (Rhamnus frangula); во второй производилось обугливание той же породы в совершенно закрытых сосудах, именно в запаянных трубках, и, наконец, в третьей группе опытов определялся выход угля из 72 различных древесных пород. Наибольшее значение для уяснения процесса сухой перегонки Д. имеют опыты первой группы. При этих опытах Виолетт подвергал обугливанию крушину в виде небольших палочек, связанных в пучки весом до 140 г, в особом аппарате с помощью перегретого пара, причем количество и качество угля определялось при повышении температуры на каждые 10°. До 350° Ц. обугливание производилось перегретым паром, выше этой температуры в тиглях. В нижеследующей таблице сопоставлены результаты опытов для наиболее характерных температур.
| Температура обугливания |
Из 100 ч. сухого дерева |
100 частей угля содержат | СВОЙСТВА УГЛЯ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Летучих продуктов |
Угля | Углерода | Водорода | Кислорода и азота |
Золы | ||
| 150° | 100 | 47,51 | 6,12 | 46,29 | 0,08 | Дерево, высушенное при 150° | |
| 160° | 2,00 | 98,00 | 47,60 | 6,06 | 46,26 | 0,08 | Поджаренное дерево |
| 260° | 59,77 | 40,23 | 67,89 | 6,04 | 26,57 | 0,56 | |
| 280° | 63,84 | 36,16 | 72,64 | 4,70 | 22,09 | 0,57 | Бурый уголь |
| 330° | 68,23 | 31,77 | 73,55 | 4,63 | 21,34 | 0,48 | |
| 432° | 81,13 | 18,87 | 81,97 | 2,30 | 14,13 | 1,60 | Черный уголь |
| 1500° | 82,69 | 17,81 | 94,56 | 0,74 | 8,84 | 0,66 | Черные угли, очень твердые |
| Темп. плавл. платины | 85,00 | 15,00 | 96,51 | 0,62 | 0,93 | 1,94 | |
Из этой группы опытов и некоторых других данных вытекают следующие общие заключения. При нагревании Д. до 150° происходит только высушивание его; разложение начинается выше этой температуры и может быть разделено на 3 периода. В первом периоде (150 до 260°) получается главным образом водный дистиллат, содержащий уксусную кислоту C2H4O2, и другие летучие органич. кислоты, метиловый спирт СН4O), ацетон C3H6O, фурфурол C5H4O2, метиламин CH3NH2 и др., т. е. преимущественно кислородные органические вещества; несгущающиеся газы и смолистые вещества выделяются в этом периоде в ограниченном количестве; общее количество летучих продуктов — около 60%, остаток бурого цвета. Во втором периоде (260—330° Ц.) продолжается выделение водного дистиллята, но уже в меньшем количестве; выделяются преимущественно газообразные углеводороды: метан СН4, атилен C2H4, ацетилен и др., а кроме того, окись углерода и углекислота, азот в виде аммиака и метиламина. Нелетучий остаток получается в виде угля, легко воспламеняющегося, бурого цвета и в количестве около 30%. В третий период (330—430°) получаются главным образом смолистые вещества — смола, состоящая из углеводородов и кислородных соединений, преимущественно ароматического ряда. Уголь получается черный и в количестве около 18%. При 430° разложение Д. в техническом смысле оканчивается, так как до этой температуры выделяется 81% летучих продуктов, а далее, при нагревании до температуры плавления платины, выделяется вновь только 4% летучих продуктов, состоящих преимущественно из несгущаемых газов. Содержание углерода в получаемом угле тем больше, чем выше температура обугливания. Численные данные, приведенные в таблице, получены Виолеттом при медленном обугливании Д., т. е. при постепенном нагревании его до высокой температуры; при быстром обугливании получается гораздо меньше угля (приблизительно вдвое), а также меньше смолы и больше несгущающихся газов (СО2, СО и др.), как показали опыты Виолетта и еще раньше опыты Карстена. Так, нагревая крушину в тигле до температуры 432° в течение 6 часов, Виолетт получил 18,87% угля, а внося прямо в тигель, нагретый до этой температуры, — только 8,96% угля. При медленном нагревании из 100 кг Д., в среднем, получают 24,97 куб. м газов; при быстром нагревании 110—120 куб. м. Такое различие в выходе угля, смолы и газов объясняется тем, что при медленном нагревании образующаяся при разложении Д. вода выделяется раньше, нежели остальная масса успеет нагреться до очень высокой температуры, а потому вода не действует на нее; между тем при быстром нагревании вследствие неравномерности его та же вода из внутренних частей кусков Д. выделяется лишь тогда, когда наружные части успеют обуглиться и накалиться, и потому окисляет углерод последних, образуя окись углерода и водород, а частью окисление происходит за счет углекислоты, которая при этом также превращается в окись углерода.
При обугливании в запаянных трубках, следовательно, под давлением, по опытам Виолетта, сравнительно небольшая часть углерода выделяется в виде летучих соединений, большая же часть получается в виде угля. Так, при 340° получают 80%, т. е. почти в 3 раза больше, нежели при обыкновенном способе обугливания. Получаемый уголь совершенно утрачивает строение Д. и представляет черную блестящую массу, подобную каменному углю. При обугливании различных древесных пород при температуре в 300° оказалось, что они дают неодинаковое количество угля. Так, высушенное при 150° черное (эбеновое) Д. дает 54% бурого угля, дикий каштан — 30%; количество бурого угля, получаемого при этой температуре из обыкновенных древесных пород, изменяется от 33 до 47%.
Сведения, относящиеся к различным продуктам сухой перегонки Д., читатели найдут в следующих статьях: Горнозаводское топливо (о выжигании угля), Вар, Деготь, Древесноуксусная кислота, Живица, Сажа и др.; здесь же описываются лишь некоторые приборы, применяемые для сухой перегонки Д., и смолоскипидарное производство.
Аппараты для сухой перегонки Д. — Если сухая перегонка производится исключительно для получения угля, то за немногими изъятиями она ведется в кострах или печах, сжигая часть перегоняемого материала. Если при сухой перегонке главным продуктом является не уголь, а деготь и скипидар или уксусная кислота и древесный спирт, то наиболее рациональный прием перегонки — в закрытых сосудах, нагреваемых извне. Здесь будет описана только сухая перегонка в закрытых сосудах (обугливание в печах, см. Уголь).
На наших кустарных заводах наиболее употребительны кожуховые печи (мазанки), котлы и казаны. Каждая кожуховая печь состоит из кирпичной камеры, в которую нагружается перегоняемый материал, и наружного кожуха, стенки которого отстоят внизу на 0,5—1 ар., а вверху на 2 врш. от внутренней стенки печи; этот промежуток представляет дымоход, в котором циркулирует горячий дым от топки, и служит для нагрева внутренней печи и материала. Печь устанавливается на кирпичном фундаменте, поверхность основания печи поката к центру; от центра основания вниз идет канал, к которому подставляется деревянная труба (колода); по ней выходят продукты сухой перегонки. Отводная деревянная труба прокладывается в земле с некоторым уклоном и выходит в яму, в которой помещается чан, служащий приемником для продуктов перегонки. Наиболее распространенные формы печи — усеченный конус или цилиндр, наверху ограниченный сводом. Печь имеет отверстия для нагрузки внизу и вверху; кроме того, в кожухе имеется топочное отверстие внизу и отверстие для выхода дыма вверху. Печь вмещает обыкновенно ⅕—½ куб. саж. древесного материала.
Котлы — чугунные, конической формы, с отъемной крышкой и отверстием внизу (обыкновенные размеры: диаметр вверху 20½ врш., внизу — 13 врш., высота — 20 врш., диаметр нижнего отверстия 2¼ врш., вес 10 пд., вес крышки 3 пд.). Нагревание котлов производится на кустарных заводах самым несовершенным способом. Каждый котел устанавливается на каменном фундаменте с отверстием в центре, на которое наставляется отверстие котла; к центральному каналу в фундаменте точно так же, как при кожуховых печах, подкладывается деревянная труба, расположенная наклонно и по которой продукты перегонки отводятся в приемный чан, поставленный в яме. На фундаменте вокруг котла выводятся стенки высотой до краев котла; промежуток между кирпичной стенкой и стенкой котла представляет топочное и нагревательное пространство; для топки в кирпичной стенке имеется отверстие внизу, для выхода дыма — вверху. Устанавливают также по нескольку котлов (3, 4, 6 и 9) в одном очаге, также самого простого устройства. В этом случае так называемые коренные трубы, т. е. отводные от нескольких котлов (3—6), соединяют с одной общей — выходной трубой.
Казаны, или лежачие перегонные кубы, представляют или просто призматические ящики, или имеют форму усеченной пирамиды (основанием такой казан при укладке в печи обращается к задней стороне последней). Дно казанов делается в два ската для более удобного удаления жидких продуктов; в задней стенке казана вставляются две отводные трубки: одна вверху для легколетучих продуктов, другая внизу для стекания дегтя (в казанах для получения дегтя из бересты делают одну отводную трубу в верхней части задней стенки); передняя часть казана закрывается отъемной крышкой. Казаны склепываются из железных листов (в ¼ дм толщиной, нередко из более тонкого железа); обыкновенные размеры: длина около 3 арш., высота спереди 1 арш 6 врш., сзади — 1 арш. 14 врш., ширина 1 арш. 2 врш. (призматические казаны для перегонки бересты у нас делаются также небольших размеров, на 3—3½ пд. бересты). Нагревание казанов производится обыкновенно более правильно, нежели котлов. Каждая топка служит для нагревания двух казанов; под топкой печи делается свод с пролетами; над сводом устанавливаются 2 казана; огонь из топки через пролеты в своде с двух сторон вступает в пространство, где находятся казаны, не соприкасаясь с днами казанов, обходит около их стенок и через пролеты удаляется в горизонтальный канал, а из него в дымовую трубу.
На настоящих заводах сухой перегонки Д. (с более или менее значительным производством) применяют железные или чугунные реторты, которые бывают двух типов: горизонтальные и вертикальные. Те и другие имеют цилиндрическую форму и бывают самых разнообразных размеров. Горизонтальные реторты делаются как чугунные, так и железные (последние не растрескиваются и служат поэтому более продолжительное время). Часто им дают длину в 6¼ фт. и диаметр в 2½ фт. (или длину 2 м и диаметр 1 м). Один конец реторты закрывается отъемной крышкой, которая нажимается при помощи винта, проходящего через скобу; другой конец постепенно суживается и переходит в выводную трубу. По нескольку реторт (6) помещают в одной печной кладке, но под каждой парой реторт находится отдельная топка. Огонь прямо охватывает реторты (лучше, если дно реторт защитить кладкой, так чтобы огонь не касался дна), а затем уходит в общий для нескольких топок дымовой канал и из него далее в дымовую трубу.
 |
 |
Вертикальные реторты употребляют всегда железные. Они бывают постоянные — неподвижные и подвижные. Размеры употребляемых вертикальных реторт еще более разнообразны, нежели горизонтальных. Здесь будут описаны два типа таких реторт: большие, известные преимущественно под названием шведских, и подвижные реторты, употребляемые на французских заводах и применимые только для перегонки лиственных пород. На прилагаемом рисунке представлена шведская реторта для добывания смолы и скипидара, т. е. назначаемая для перегонки хвойных пород. Цилиндрическая реторта из котельного железа имеет 5½ арш. высоты, 3 арш. 5 врш. в диаметре, вмещает 1¼ куб. саж. осмола. Оба дна конические, и каждое снабжено отводной трубкой; верхняя трубка служит для отвода летучих паров, нижняя — для дегтя. Верхняя трубка входит в горизонтально расположенную широкую трубу, в которой осаждаются труднолетучие вещества, стекающие по вертикальной трубке в стакан с носом и по наполнении последнего в приемный чан; вертикальная трубка должна быть погружена в жидкость в стакане, чтобы образовать гидравлический запор. С нижней частью этой же вертикальной трубки соединена нижняя отводная труба из реторты, служащая для стока дегтя. Летучие пары, не сгустившиеся в верхнем горизонтальном приемнике, поступают в холодильник, где и сгущаются. Реторта снабжена двумя лазами, верхним и нижним, для нагрузки и разгрузки. На рисунке представлено такое устройство печи, при котором топка помещается не в главной кладке, а сбоку; такое расположение представляет то удобство, что при ремонте топки (который приходится производить чаще всего) не требуется разбирать кладку самой печи. Огонь из топки поступает через соединительный боров прямо в спиральный дымовой ход около боковых стенок реторты и, дойдя доверху, уходит в дымовую трубу. На некоторых заводах, как представлено на рисунке, боковые стенки обкладывают кирпичом (в ¼ кирпича) в видах более продолжительного сохранения реторты, но едва ли это можно признать рациональным, так как при такой обкладке реторта уже слишком медленно прогревается. Реторты того же типа для перегонки лиственных пород отличаются от предыдущей тем, что имеют только одну отводную трубу вверху, и при вмазке в печи огонь пускают с начала по дымоходам под дном реторты, а затем уже он переходит в спиральный ход около боковых стенок реторты. На некоторых заводах при ретортах для перегонки осмола устраивают по две топки: одна приблизительно на середине высоты реторты, а другая внизу; первой пользуются в начале гонки, а второй — к концу. Такое устройство весьма рационально, так как при нем устраняется разложение дегтя, стекающего из верхних частей реторты при прохождении через сильно нагретую массу в нижней части реторты, как это бывает при обыкновенном способе нагревания.
Подвижные реторты французских заводов, представленные на фиг. 2, нагревают по две в одной печи, причем для нагревания, кроме топлива, сжигаемого на решетке, применяются несгущаемые газы, выделяющиеся при сухой перегонке Д. Огонь из топки сначала проходит под сводами, на которых ставят реторты, затем через пролеты в сводах вступает в пространства, в которых находятся реторты, и по каналам, расположенным в верхней части печной кладки, удаляется в боров, ведущий в дымовую трубу. Горючие газы проводят по трубам под свод каждой реторты отдельно. Нагревание регулируется при помощи задвижек в верхних каналах и посредством клапанов в газовых трубах. Когда в одном из цилиндров обугливание кончено, закрывают соответственные задвижку в дымовом канале и клапан в газовой трубе, разъединяют цилиндр от приемной для паров трубы, поднимают его краном и переносят на вагонетку, на которой отвозят от печи и оставляют охлаждаться. Тогда на место вынутой реторты вставляют другую; через непродолжительное время открывают задвижку соответственного дымового хода, также клапан газовой трубы; через некоторое время соединяют отводную трубку реторты с общей для нескольких реторт приемной трубой, и горючий газ пропускают тогда только под свод второй реторты, где в это время гонка заканчивается. Такие реторты делаются вместимостью на 2 куб. м; работа с ними непрерывная. Устраивают также вертикальные подвижные реторты больших размеров, напр., по Бершу, длиной в 3,2 м и диаметра в 1 м, располагаемые по несколько в одной печной кладке, но с отдельной топкой под каждой ретортой.
Для сухой перегонки мелких древесных отбросов: опилок, стружек и т. п., Галлидеем предложена реторта, устройство которой представлено на фиг. 3.
Перегоняемый материал поступает в приемную воронку В, помещенную к трубе С, в которой вращается винт; отсюда материал поступает в горизонтальную цилиндрическую реторту, нагреваемую в печи и в которой материал вращающимся винтом D передвигается к другому концу, обугливаясь по пути, и обугленный падает через трубу F в чан с водой G. Смола стекает также через эту же трубу; летучие продукты выделяются через отводную трубу Е и отводятся в холодильник. Предложенные разными лицами для сухой перегонки аппараты других типов, насколько мне известно, не применяются в практике.
Холодильники, употребляемые при сухой перегонке Д., кроме надлежащих размеров (см. Холодильники), должны легко очищаться, так как могут засоряться смолой. Поэтому наиболее удобны и употребительны холодильники двух типов. Холодильник одного типа состоит из нескольких либиховских холодильников, соединенных вместе. Либиховский холодильник состоит из прямой трубки, вставленной в другую, более широкую закрытую трубу. Во внутреннюю трубку с одного конца вводят охлаждаемые пары, а в наружную с противоположного конца вводят холодную воду, которая протекает в пространстве между стенками наружной и внутренней трубы в направлении, противоположном тому, в котором двигаются охлаждаемые пары во внутренней трубке. В заводском холодильнике несколько таких простых холодильников соединяют вместе, располагая их один под другим и наклонно в разные стороны (т. е. каждая часть должна быть наклонена в сторону движения паров); внутренние трубки соединяют отъемными коленами; наружные — посредством боковых трубок. Пары в таком холодильнике двигаются в направлении сверху вниз, вода в наружных трубках холодильника — в противоположном направлении. При таком устройстве соединительные колена внутренних трубок могут быть снимаемы, и холодильник благодаря этому легко очищается. Холодильник другого типа — ящичный. В нем через две противоположные стенки железного ящика пропущены наклонно расположенные прямые трубы, которые в надлежащем порядке соединены между собой отъемными коленами, находящимися вне ящика. В ящике протекает вода в направлении сверху вниз.
На фиг. 1 при вертикальной реторте представлен холодильник особого типа, предложенный Кирпичниковым и встречающийся на наших заводах. Он состоит из 2 труб большого диаметра, закрытых по концам и соединенных между собой несколькими трубками малого диаметра. Вся эта система труб помещается в деревянном чане с водой. Пары поступают в верхнюю трубу, из которой по тонким соединительным трубкам переходят в нижнюю, а из последней сгустившаяся жидкость стекает по отводной трубке в приемник. Холодильные трубы лучше всего употреблять медные. Длина их должна быть очень значительна, напр. для нескольких реторт общей вместимости в 18—20 куб. м; холодильные трубы должны иметь, по Бершу, до 40 м длины при диаметре в 15 см. Обыкновенно близ выходного конца холодильной трубы вставляют в нее вертикальную открытую трубку для отвода выделяющихся вместе с дистиллятом газов. Если эти газы утилизируются для нагревания реторт, то конец холодильной трубки должен быть вставлен в закрытый сосуд так, чтобы он был погружен несколько в жидкость для образования гидравлического запора, необходимого в том случае, если газы прямо отводятся в топку [9], жидкость в закрытом сосуде поддерживается постоянно на одном уровне, и лишняя постоянно, по сифонной трубке, стекает в приемный резервуар. Из таких приспособлений наибольшего внимания заслуживает предложенное Бершем (фиг. 4).
Трубка холодильника D на выходном конце срезана под острым углом и погружается до дна цилиндрического сосуда С, в котором жидкость удерживается до уровня отводной трубки R; газы выходят по верхней трубке G и отводятся в топку (во всяком случае для гарантии от взрыва полезно в трубке перед входом газов в печь поместить несколько слоев медной сетки). Но устройство гидравлических запоров на конце холодильной трубы представляет ту существенную невыгоду, что при этом будет всегда несколько увеличиваться давление в перегонных аппаратах, что влечет за собой бесполезную потерю некоторых жидких и твердых продуктов сухой перегонки, легко разлагающихся, когда нагревание ведется при таких условиях. Поэтому при значительном размере производства гораздо лучше собирать горючие газы в отдельные газометры и лишь затем утилизировать их для нагревания. Тогда не нужен гидравлический запор на конце холодильной трубки. В том же аппарате, который представлен на фиг. 4, трубка D тогда должна оканчиваться вверху и не должна погружаться в жидкость, а трубка G может быть соединена с газометром. Как приемники для сырых продуктов сухой перегонки употребляются деревянные сосуды: чаны, бочонки и пр.; для скипидара удобно употреблять железные сосуды (ящики); но они должны быть внутри покрыты олифой или масляной краской (напр. железным суриком), снаружи, лучше всего, окрашены масляной краской; неокрашенные железные сосуды ржавеют от действия кислот, заключающихся в скипидаре.
Смолоскипидарное производство. — Материалом для получения смолы и скипидара служит так называемый осмол, т. е. древесина хвойных, более или менее пропитанная смолой; у нас для смолокурения употребляется почти исключительно сосновый осмол. Смотря по тому, какие части дерева служат как осмол, различают несколько сортов его. Так, стволовый осмол называют смольем-прямицей; прежде часто брали для смолокурения только центральную стволовую древесину старых сосен и называли ее смольем-сердцевинным. Материал, доставляемый сухими вершинами и сучьями перестойных деревьев, называют смольем волочковым. Стволовый осмол от подсоченных деревьев, с которых была снята часть коры для добывания живицы (см. Живица), носит название смолья-подсочки. Наконец, пневым смольем называют пробывшие несколько лет в земле пни от срубленных сосен. При сухой перегонке осмола весь скипидар и почти все количество смолы образуются не из древесины, но из готовой смолы, заключающейся в древесине осмола. Древесина сама по себе при сухой перегонке не дает скипидара и образует смолу в очень небольшом количестве (как полагаю, при зав. перегонке, не более 2%), притом совершенно другого качества, нежели смола, получаемая при сухой перегонке хвойных пород. Таким образом качество осмола зависит от содержания в древесине естественной смолы. Это содержание зависит, в свою очередь, от породы, от тех условий, при которых выросло Д., и в различных частях одного и того же Д. не одинаково. Только хвойные деревья, выросшие на сухих и преимущественно на возвышенных местах, дают богатый осмол. Напр., пни сосен, выросших на влажной и низменной почве, оставаясь в земле, не просмаливаются, а сгнивают. Что касается содержания смолы в древесине, то оно вообще невелико в нормально растущем дереве. Так, определения Д. Иванова показали, что среднее содержание смолы в низших частях сосны было 8,10%, в средних — 3,58% и в верхних 2,42% (впрочем, эти исследования производились над соснами из лесной дачи Петровский акад., где по условиям произрастания сосны не могут быть особенно смолистыми, притом возраст исследованных сосен был только от 27 до 90 лет). Усиленное образование смолы в растущем дереве может быть вызвано различными условиями, нарушающими нормальный рост Д. Так, напр., в древесине сосны, пораженной грибом aecidium pini, Ярцевым было найдено 10,7% смолы. При исследовании подсоченного соснового осмола из Вологодской губ. было найдено: для стволового осмола 4-летней подсочки [10] в среднем 13,4% смолы (Д. в возрасте 75 лет) и для стволового осмола двухлетней подсочки, срубленного в год последней подсочки, только 2,5% смолы (Д. в возрасте 110 лет). Что касается распределения смолы в стволе в направлении от центра к окружности, то в нормально растущем дереве наибольшее количество содержится в центральной части ствола, в подсоченном же Д. наоборот, т. е. увеличивается в направлении от центра к окружности; напр. для вышеуказанного более смолистого Д. из Вологодской губ. было найдено: в центральной части ствола в среднем 5,13%, а в периферической части 17,12% смолы [11]. Что касается пневого осмола, то это вообще наиболее богатый смолой материал. Для отсортированного пневого осмола из центральных частей пней содержание смолы (без скипидара) было найдено от 35,9 до 37,9%, в редечном осмоле, т. е. в вертикальном корне сосны — 29,5%. Все эти данные относятся к воздушно-сухому осмолу [12]. По Д. Менделееву, в пневом осмоле в среднем содержится около 15% живицы, а в стволовом около 13%. Из приведенных данных можно заключить, что подсоченный осмол получается богатый смолой лишь тогда, если подсоченное Д. оставалось довольно продолжительное время на корне после первой подсочки. Что касается пневого осмола, то из практики известно, что пни сильно просмаливаются лишь тогда, если после рубки Д. они остаются в земле несколько лет (5—8 лет). Наши смолокуры нередко употребляют на смолокурение только центральную древесину пня, между тем как оболонь откалывают и употребляют как топливо. Подготовка осмола состоит в его высушивании на воздухе после того, как он расколот. Величина кусков, на которые его раскалывают, различна и зависит от приемов перегонки; напр. кустари для гонки в котлах раскалывают очень мелко; при гонке в шведских ретортах раскалывают на довольно крупные поленья; для выделения дегтя чем мельче расколоть осмол, тем лучше (а для укладки — хуже).
Относительно выбора аппаратов и приемов перегонки можно сделать следующие замечания. Кустарная переработка в котлах дает относительно хорошие результаты: деготь получается хорошего качества. Главные же недостатки этого способа гонки следующие. Обыкновенно кустари получают только смолу, не собирая скипидара, а если и собирают его, то получают мало и плохого качества. Последнее зависит от применения совершенно неудовлетворительных приспособлений для охлаждения; кроме того, при котлах имеется только одна отводная труба для выделения продуктов внизу и, несомненно, благодаря этому значительная часть скипидара разлагается, проходя через слой накалившегося угля. Затем к недостаткам относится также значительный бесполезный расход топлива. Теми же недостатками, только в значительно большей степени, отличается смолокурение в печах; к этому присоединяется еще то, что печная смола всегда хуже котельной. Относительно выбора заводских аппаратов трудно высказаться совершенно определенно, но указания практики заставляют, по-видимому, отдать предпочтение вертикальным шведским ретортам перед другими аппаратами. В отношении качества продуктов при правильном ведении гонки получаются наилучшие результаты. Употребление реторт большой емкости дает возможность вести производство в крупных размерах. При перегонке осмола в каких бы то ни было аппаратах нужно обращать внимание на два главных обстоятельства: 1) на укладку материала и 2) на ход нагревания. Осмол стараются укладывать возможно плотнее, чтобы меньше оставалось промежутков, а следовательно, воздуха, за счет кислорода которого часть материала сгорает. Нагревание должно производиться медленно для того, чтобы большая часть дегтя успела стечь в нижнюю часть аппарата прежде, нежели большая часть образующегося при сухой перегонке угля успеет сильно накалиться. Продолжительность перегонки зависит от размеров аппаратов, напр. в шведской реторте продолжительность 5 суток, считая нагрузку и разгрузку, а в котле 8 часов. Хотя осмол для перегонки употребляется возможно сухой, но для облегчения выделения скипидара нередко в большие реторты в начале наливают немного воды (1—2 ведра). Еще лучше там, где имеется паровой котел, пропускать в начале перегонки перегретый пар (150°), а также в конце гонки. При употреблении такого приема будет получаться больше скипидара, он будет чище, и ускорится сам ход перегонки. Смола и скипидар, получаемые непосредственно при сухой перегонке, не представляют окончательных продуктов. Смола содержит много воды и также уксусную кислоту, скипидар заключает много высококипящих веществ — дегтя. Обработка смолы, если она прямо поступает в продажу, состоит только в отделении от воды. Отделение воды производят обыкновенно с помощью простого отстаивания в деревянных чанах, но таким образом не достигают полного отделения воды. Последнее достигается посредством отваривания, состоящего в нагревании смолы приблизительно до 80° Ц. Обыкновенно отваривание производят в открытых чугунных котлах, вмазанных в простую печь; все приспособление помещается отдельно от заводских зданий под навесом, чтобы устранить возможность пожара. Там, где располагают паром, конечно, лучше всего производить отваривание смолы прямо в чанах, нагревая ее в них паром, пропускаемым через глухой змеевик. Отваренная смола или деготь разливаются в деревянные бочки, в которых сохраняются и перевозятся. Что касается скипидара, то для получения его в более чистом состоянии он должен быть подвергнут очищению. Наилучшие результаты получаются при следующих приемах работы. Скипидар непосредственно при перегонке осмола делят на несколько порций (фракций), руководясь цветом переходящего дистиллята (дистиллят сначала почти бесцветный или окрашенный в слабый желтый цвет постепенно становится все более и более темного цвета, под конец — черным). Напр., разделяют дистиллят на 4 или 5 фракций. Затем каждую фракцию очищают отдельно. Наиболее рациональный метод очищения скипидара — обработка раствором едкой щелочи совместно с перегонкой паром. Как щелочь удобнее всего для смолоскипидарных заводов употреблять раствор едкого кали, приготовленный из древесной золы, или просто смесь золы и некоторого избытка извести, размешанную в воде. Операция ведется в металлических (лучше всего медных) или в деревянных аппаратах. Аппарат состоит из двух деревянных чанов или 2 медных перегонных кубов и холодильника. В первый из перегонных кубов наливают очищаемый скипидар, во второй — щелочи. В скипидар пускают пар, тогда скипидар перегоняется и пары его вместе с парами воды по трубке, идущей из верхней части первого перегонного куба (или чана) и доходящей до дна внутри второго перегонного куба, переходят во второй куб и здесь проходят через слой едкого щелока, а из второго куба удаляются в холодильник. Если каждую порцию перегоняемого скипидара снова фракционировать, т. е. опять разделить на порции, напр. на 4 или 5, соединяя однородные фракции, получаемые при очищении разных сырых погонов, то получится несколько сортов скипидара, при этом большая часть его — в весьма чистом виде, а наиболее летучая не уступает по качеству французскому терпентинному маслу (такой скипидар бесцветен, приятного запаха и содержит около 80% чистого терпена С10Н16, кипящего при 156° Ц.). При каждом новом заряжении первого перегонного куба необходимо удалять из него дегтярный остаток, получаемый после отгонки скипидара. Данные о выходе смолы из осмола довольно разнообразны, что вполне объясняется вышеприведенными указаниями относительно качества различных сортов осмола, т. е. содержания в нем естественной смолы. У нас, напр., как средний выход из 1 куб. саж. подсоченного осмола указывают 40 пд. смолы, что при среднем весе 1 куб. саж. такого осмола в 275 пд. (260—290 п.) составляет 14,6% на вес смола.
По данным, собранным мною, при перегонке 1 куб. саж. весьма доброкачественного пневого осмола в котлах крестьяне получают до 32 пуд. хорошего дегтя (не отваренного). Г. Кржишталлович при перегонке пневого осмола пополам с прямицей (очень бедной смолою) в шведских ретортах получал следующие выходы продуктов из 1 куб. сажени такого смешанного материала: дегтя и скипидара вместе 26,5—40 (дегтя вареного 22—33,2 п.; очищ. скипидара 5—7,3 п.), угля 18—20 четв. Расход топлива на перегонку 1 куб. сажени был ½ куб. сажени (очевидно слишком большой). Состав смолы, получаемой посредством перегонки древесины разных пород вообще и хвойных в частности, весьма мало исследован. Сосновая смола представляет сиропообразную жидкость, весьма вязкую, темно-бурого цвета и пригорелого запаха. При дробной перегонке различных сортов смолы получали: легкого масла (уд. в. 0,900—0,977) 10—15%, тяжелого масла (уд. в. 1,014—1,021) — 15—20% и вара (пека) 40—50%. По сообщению г. Кржишталловича, он получал из разных сортов вареного дегтя при заводской перегонке:
| 1) Из отвареного дегтя ретортного: | |
| Легкого масла и тяжелого масла 65% [очищенного легкого масла (красного скипидара) 22,5%, очищенного тяжелого (смазочн.) 29,3%] | |
| вара | 20%. |
| 2) Из котельного дегтя (неотваренного): | |
| легкого и тяжелого масла вместе | 31—34%; |
| вара | 39%; |
| подсмольной воды | 14—20%; |
| 3) Из печного дегтя: | |
| легкого и тяжелого масла вместе | 23%; |
| вара | 20%. |
Легкое и тяжелое масла состоят, по-видимому, преимущественно из ароматических углеводородов (ряда СnH2n-6; вероятно, также углеводородов состава (С5Н8)n и многих других рядов); тяжелое масло (при 150—260° Ц. перегоняющееся) содержит, кроме углеводородов, различные фенолы и другие кислородные вещества (метиловые эфиры многоатомных фенолов). Из твердых углеводородов в тяжелом масле из сосновой смолы, добываемой в сев. областях Европы, находится в значительном количестве ретен С18Н18. Главнейшие непосредственные применения жидкой древесной смолы — для смазки простых повозок и для просмаливания различных предметов, напр. пеньковых канатов и проч. Скипидар применяется главным образом для приготовления лаков, затем в малярном деле, в железнодорожном хозяйстве для чистки наружных частей вагонов, паровозов и пр.
В прежнее время древесная смола, или деготь, перерабатывался на осветительное и смазочные масла. Теперь вследствие вытеснения этих продуктов нефтяными дальнейшая переработка древесной смолы производится лишь на следующие продукты: вар и дегтярный скипидар (см. Вар) и на колесные мази. Приготовление колесной мази в главных чертах состоит в следующем. Перегонкой дегтя получают тяжелое масло, отделяя только наиболее легкую порцию (напр. переходящую до 120° Ц.), затем масло очищают последовательным смешением сначала с крепким раствором едкого натра (в количестве 7—10% в 50° В.), а затем крепкой серной кислотой (в количестве 7—10%). Отстоявшееся масло разделяют на две порции: к одной, помещенной в котле над топкой, прибавляют 60—80% просеянной гашеной извести и нагревают, пока смесь сделается сиропообразной; другую порцию нагревают в другом котле до 40° Ц., прибавляют к ней смесь из первого котла и хорошо перемешивают (на 3 части подогретого тяжелого масла берут 1 часть приготовленной смеси извести с маслом); тогда по охлаждении масса приобретает консистенцию коровьего масла. Обыкновенно к полученной таким образом мази прибавляют различные вещества, напр. размельченный графит или тальк, а для окрашивания — красящие вещества, чаще щелочной экстракт куркумы. Дегтярный скипидар, получаемый при перегонке сосновой смолы, имеет черный или темно-красный цвет и может быть очищен посредством обработки щелочью и перегонки паром.
Получение березового дегтя. — Березовый деготь получают из коры березы — бересты (снятую с дерева бересту называют также скалою). Если сдирать бересту, не трогая коркового слоя коры, то на дереве нарастает вторая береста, которую называют бармою. При сухой перегонке береста дает значительное количество дегтя, образующегося главным образом за счет содержащегося в бересте в большом количестве бетулина, С36Н60О3, легко извлекаемого из бересты в кристаллическом состоянии посредством нефтяного эфира. Заготовка бересты производится обыкновенно весной и в начале лета, потому что тогда она легко сдирается. С одной куб. саж. дров сдирают в Вологодской губ. до 10 пуд. сырой бересты, а с десятины березового леса от 30 до 80 пуд. при сдирке на высоту 1 саж. без рубки леса. По опытам Арнольда для Петербургской губ., при сдирке с растущих Д. на высоту до 1 саж. на каждый куб. фут древесины в насаждении получают в среднем 1/3 фунта бересты, а при полной сдирке с срубленных Д., в среднем — 1,25 фунта от 3/4 до 2 фнт.); последнее соответствует 10,5 пудам на 1 куб. сажень. Бересту прежде употребления высушивают на воздухе (в течение нескольких недель). Вес 1 куб. арш. сырой бересты 2 пд., а высушенной 1,5 пд., т. е. при высушивании она теряет около 25% своего веса. Сухая перегонка бересты у нас производится в глиняных корчагах или в казанах. Здесь будет сказано о последнем способе работы, как более рациональном. Казаны для перегонки бересты употребляют призматические, закрывающиеся отъемной крышкой с одной стороны, а в противоположной стенке казана, вверху или почти посередине, делается отверстие, в которое вставляют отводную медную трубу (размеры казанов до 2 арш. длины при поперечном сечении в квадратный аршин; у кустарей казаны из довольно тонкого железа). Для насаживания в казан высушенная на воздухе береста сжимается в стопу при помощи жома или простого рычажного пресса. Жом, употребляемый кустарями, состоит из деревянного бруса, вращающегося около горизонтальной оси, укрепленной на двух деревянных стойках. Под брусом накладывают стопу бересты, высотой вдвое большую высоты казана; сжимают ее помощью бруса; обвязывают, пользуясь тонкими палками и веревками; вдвигают стопу в казан; снимают палки и веревки и закрывают казан крышкой, которую обмазывают по краям глиной; тогда начинают топить. При указанных размерах казанов в каждый входит приблизительно от 3 до 3,5 пд. бересты, из которых получают 1,25 до 1,5 пд. дегтя, т. е. до 43% веса сухой бересты. Относительно выходов дегтя из вторичной бересты, бармы, имеются указания, что они вдвое меньше, нежели из первичной. Но зависит ли это различие целиком от меньшего содержания в ней бетулина или, может быть, от большего содержания воды, нежели в первичной бересте, — неизвестно. Березовый деготь представляет маслянистую жидкость черного цвета с синеватым отливом, имеет запах, напоминающий запах каменноугольного масла. Состав березового дегтя почти совершенно неизвестен; он содержит небольшое количество бензола, много высококипящих углеводородов и большое количество фенолов и их аналогичных соединений (креозота), на чем и основано важное значение березового дегтя при употреблении его для выработки кожи (юфти). Кроме применения для выработки кож, березовый деготь может быть рекомендован как сильное антисептическое средство в тех случаях, где не требуется употребления однородных и чистых дезинфекционных препаратов. Он мог бы с выгодой служить для получения креозота.
Сочинения по сухой перегонке Д. — Assmus, «Die trockene Destillation d. Holzes» (1867, имеется в русском переводе); С. Vincent, «Carbonisation des bois en vases clos.» (1873); J. Bersch, «Die Verwerthung des Holzes auf chemischem Wege» (1883); В. Гребнер, «Руководство к добыванию смолы, вара, дегтя, скипидара» (1859 — описаны кустарные способы); Н. Попов, «Лесная технология» (1871); С. Шапиро, «О сухой перегонке дерева в Швеции н Норвегии» (1872).
Примечания
править- ↑ Чистая клетчатка растворяется в этом реактиве.
- ↑ По наблюдениям Вейсбаха, свежесрубленная ель при полном пропитывании водой увеличилась в весе на 23%, причем уд. вес увеличился с 0,79 до 0,97.
- ↑ При прибавлении раствора хлористого цинка к древесному соку получается осадок, т. е. часть составных частей сока осаждается.
- ↑ Обыкновенно предлагают употреблять раствор так называемой древесно-уксусной соли железа, содержащей некоторое количество фенолов, но, несмотря на сильные антисептические свойства последних, результаты получаются неблагоприятные, именно вследствие вредного действия железной соли на древесину.
- ↑ Само собой разумеется, что для пропитывания по этому способу могут быть употреблены и другие антисептические вещества.
- ↑ Для России около 27 коп. на шпалу.
- ↑ Часть скипидара, заключающегося в осмоле, может быть получена при сухой перегонке последнего в настолько же чистом состоянии, как терпентинное масло из живицы.
- ↑ Слабое экономическое значение рассматриваемых производств при кустарной форме их и современных условиях торговли древесными продуктами можно усмотреть из данных относительно стоимости производства и рыночной стоимости этих продуктов. Так, по данным для Вологодской губ. в 80-х годах работа смолокура-кустаря при средних ценах на продукты вознаграждалась 45 коп. за пеший день и 80 коп. за конный, причем на 12,5 пеших дней приходится 2 конных; при низких ценах это вознаграждение сокращается на 1/3; при этом совершенно не введены в расчет расходы на приспособления для смолокурения.
- ↑ Это необходимо для устранения взрыва газов в аппарате, так как огонь может передаться из топки в перегонный аппарат.
- ↑ Д. было срублено лишь спустя 5 лет после последней подсочки.
- ↑ При всех этих исследованиях определялось только количество смолы, а скипидар при употреблявшемся методе определения улетучивался, так что содержание живицы вообще несколько больше указанного.
- ↑ Сообщаемые определения были произведены студентами Петровской акад., именно для подсоченного осмола Шольцем фон-Ашерслебеном, а для пневого — Ярцевым.