Физические свойства древесины

Подготовка древесного сырья. Виды и свойства сырья

Породы древесины

Из древесных пород, произрастающих на территории Рос­сии, промышленное значение для химической переработки имеют:

- хвойные - сосна, ель, пихта, кедр, лиственница;

- лиственные - осина, береза.

Хвойные породы были и пока остаются основным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности.

Одно из главных мест в структуре лесосырьевой базы ЦБП принадлежит ели, на долю которой приходится около 14 % лесных запасов. Основным анатомическим элементом ело­вой древесины, как и других хвойных пород, являются трахеиды. До 70 % лигнина сосредоточено в срединной пластин­ке, остальной распределен во вторичной стенке клетки; это также характерно для всех хвойных пород. Еловая древесина не имеет ярко выраженного ядра. В сравнении с другими хвой­ными породами она несколько богаче гемицеллюлозами и со­держит меньше смолы. Получение из ели любых волокнистых полуфабрикатов не встречает затруднений, чем и обусловлено ее широкое использование во всех областях ЦБП, особенно в производстве сульфитной целлюлозы и древесной массы.

Пихта, наряду с елью, широко применяется в сульфитцеллюлозном и древесно-массном производствах. На ее долю приходится около 5 % лесных запасов. По химическому соста­ву и анатомическому строению она близка к ели, но отличается меньшей плотностью иприсутствием более коротких волокон.

Сосна - традиционное сырье для производства полуфаб­рикатов щелочными способами. По анатомическому строению она близка к ели, однако содержит значительно больше смол, что ограничивает область ее использования. Характерной осо­бенностью сосны является также присутствие в ядровой части небольших количеств фенольных веществ - пиносильвина и его монометилового эфира, которые вызывают заметное торможе­ние делигнификации при сульфитной варке.

Кедр является продовольственной культурой. Специально для химической переработки заготовки кедра не ведутся, однако он вовлекается в переработку совместно с другими хвойными породами в качестве неизбежной добавки как результат сплош­ных рубок. Древесина кедра имеет несколько более высокую плотность в сравнении с сосной и елью, а также содержит значи­тельное количество смол, жиров и водно-экстрактивных ве­ществ.

Лиственница относится к числу самых распространенных древесных пород. Площадь лесов с преобладанием лиственницы в России составляет более 40 % лесопокрытой площади, запасы древесины - 38 % от общего количества (около 12 % мировых запасов древесины). При этом практически все запасы листвен­ницы сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке, где она яв­ляется преобладающей породой; в лесных ресурсах Красно­ярского края на ее долю приходится 41 %, Иркутской области -34 %. Читинской области - 79 %, Амурской и Хабаровской об­ластей - более 80 %.

По строению и составу лиственница значительно отличает­ся от других хвойных пород. Она относится к типичным ядро­вым породам. На долю ядра приходится 70...90 % стволовой части дерева. Основной анатомический элемент - трахеиды, со­ставляющие 90 % и более древесного вещества. Доля паренхи­мы сердцевинных лучей 8,8... 10 %, что значительно больше, чем у других хвойных пород (4,7 % у ели, 5,5 % у сосны и т.д.). Трахеиды заболони и ранних (весенних) слоев годичных колец ядра по размерам и строению мало отличаются от трахеид сосны и ели. Трахеиды поздних (осенних) слоев в годичных кольцах ядровой древесины толстостенны, имеют меньшее сечение лю­мена и значительно меньшую пористость. Следствием этого яв­ляется более высокая плотность древесины.

Характерной особенностью лиственницы является вод­но-растворимый полисахарид арабиногалактан, содержащийся в ней в количестве около 14 % (с колебаниями от 5 до 30 %). Столь же характерно присутствие в ядре лиственницы веществ группы флавоноидов, представленных, главным образом, кверцетином и дигидрокверцетином. Содержание целлюлозы ниже, чем в древе­сине других хвойных пород, и может быть приблизительно оце­нено по эмпирической формуле

Ц =50,0-0,55 (АГ),(1.1)

где Ц и АГ - массовые доли соответственно целлюлозы и арабиногалактана в процентах.

До середины 60-х годов пошлого века лиственница почти не использовалась для производства волокнистых полуфабрика­тов, так как в пределах ее ареала не было крупных целлюлозно-бумажных предприятий. С пуском целлюлозных заводов в Вос­точной Сибири и на Дальнем Востоке (Братского, Усть-Илимского, Байкальского, Селенгинского. Амурского) промыш­ленность начала освоение этого нового для нее вида сырья. Нет сомнения, что в будущем лиственница станет одним из основ­ных сырьевых ресурсов ЦБП.

Лиственные породы считаются менее ценным сырьем. Древесина мягколиственных пород состоит из узких либриформных клеток (до 75 %), широких сосудистых (около 15 %) и мел­ких выстилающих (около 10 %) паренхимных клеток. Либриформ лиственных пород лишен проницаемых пор, что в некото­рых случаях затрудняет жидкостную пропитку. Массовая доля лигнина в лиственной древесине меньше, чем в хвойной, причем он почти полностью локализован в срединной пластинке, что вносит определенную специфику в процессы делигнификации. Ряд свойств делает лиственную древесину привлекательным сырьем для целлюлозно-бумажного производства:

- выход целлюлозы из лиственной древесины выше, чем из хвойной (при одинаковой степени провара);

- сочетание гибких коротких лиственных волокон с длинными хвойными при их совместном использовании улуч­шает однородность структуры бумажного листа, придает бумаге мягкость, гладкость, улучшает печатные свойства;

- в большинстве стран, в том числе и в России, сложи­лись более низкие рыночные цены на лиственную древесину.

Вместе с тем, переработка лиственных пород встречает ряд трудностей, обусловленных следующими особенностями:

- высокой прочностью и низкими фрикционными свойст­вами коры, затрудняющими окорку;

- повышенной склонностью к загниванию при хранении;

- меньшей прочностью бумажного листа, особенно во влажном состоянии;

- более трудной обезвоживаемостью целлюлозы, что приводит к снижению производительности промывного и обез­воживающего оборудования на 25...30 %.

Физические свойства древесины

Рассмотрим здесь два свойства, с которыми придется неод­нократно встречаться в дальнейшем: влажность и плотность дре­весины.

Влажность может быть представлена в виде одной из сле­дующих величин:

- абсолютная влажность;

- относительная влажность.

Абсолютной влажностью называют содержание воды в древесине, выраженное в процентах по отношению к массе абсолютно сухой древесины.

Относительной влажностью называют содержание воды в древесине, выраженное в процентах по отношению к мас­се влажной древесины. Для перехода от относительной влажно­сти W_omн, к абсолютной W_a6c пользуются очевидными соотно­шениями:

W_omн = 100 W_a6c / (100 + W_aбс); (1.2)

W_a6c = 100 W_omн / (100 - W_oтн). (1.3)

В дальнейшем под влажностью всегда будет подразумевать­ся относительная влажность без специальных оговорок, за ис­ключением тех случаев, когда это может привести к недоразуме­ниям.

Влажность древесины свежесрубленного дерева зависит от его породы, условий произрастания, времени года и составляет для хвойных пород в среднем 54...61 %, для лиственных - 45...53 %. При длительном хранении древесина высыхает до дос­тижения равновесной влажности с окружающим воздухом. Это состояние называют воздушно-сухим (сокращенно - в.с), соот­ветствующая ему влажность зависит от температуры и относи­тельной влажности воздуха. Для средних широт России воздуш­но-сухому состоянию отвечает влажность древесины 20.. .25 %.

Плотность древесины также может быть представлена разными величинами. Различают плотность древесного вещест­ва, плотность древесины как физического тела и условную плот­ность древесины.

Плотность древесного вещества практически не за­висит от породы древесины и с достаточной для технологиче­ских расчетов точностью может приниматься равной 1,54 г/см³.

Плотность древесины определяется как масса абсо­лютно сухой древесины, отнесенная к единице ее объема. Разу­меется, плотность древесины меньше по величине, чем плотность древесного вещества, так как древесина имеет пористую структуру. Объем пор в абсолютно сухой древесине составляет от 50 до 80 % от объема древесины и связан с плотностью соотношением

V_nop = 100 (1 - m/1,54) = 100 (1 - 0,643m), (1.4)

где V_nop - объемная доля пор в процентах от объема древесины; т - плотность абсолютно сухой древесины, г/см³. Среднюю плотность наиболее распространенных пород можно принимать равной (в г/см³): ели 0,44; сосны 0,47; пихты 0,38; лиственницы 0,65; осины 0,43; березы 0,60; быстрорастущих тополей от 0,36 до 0,42.

Рисунок 1.1- Изменение условной плотности в зависимости от

влажности древесины

Условная плотность - это количество древесного ве­щества, заключенного в единице объема влажной древесины (в г/см³ или кг/м³). При увлажнении до точки насыщения или вы­сушивании размер образца древесины изменяется - увеличива­ется за счет набухания или уменьшается в результате усушки, поэтому условная плотность всегда меньше плотности той же древесины в абсолютно сухом состоянии (рисунок 1.1).