§ 5. Види і характеристика деревинної сировини

Види деревної сировини. Основне сировина для виробництва деревностружкових плит - низькоякісна деревина і деревні відходи переробляються на технологічну тріску. Крім деревини сировиною можуть служити луб'яні рослини, що мають волокнисту будову (очерет, комиш, стебла бавовнику та ін); однак поки вони не знайшли застосування у виробництві плит в нашій країні.

Низькоякісної деревиною називають кругле деревне сировина, яка за своєю якістю не може бути використано як лісоматеріал. До цього виду сировини відносять деревинна сировина для технологічної переробки і деревне сировину тонкомерное.

Деревними відходами називають залишки після обрізування або переробки лісоматеріалів. Наприклад, під час лісозаготівель утворюються лісосічні відходи, в лісопильному виробництві - відходи лісопиляння. Відходи виходять також при переробці пиломатеріалів, фанерному, целюлозно-паперовому і лесохимическом виробництвах.

Деревинна сировина для технологічної переробки (кругла стовбурова деревина) використовують довжиною від 1 до 6 м з градацією 1 м. Залишки обрізання сучків не повинні перевищувати 50 мм. Сировина для деревоволокнистих плит може поставлятися в розколотому вигляді завтовшки не більше 400 мм. З круглої стовбурової деревини (колод) отримують максимальний вихід кондиційної тріски при невеликій кількості кори.

Деревинна сировина тонкомерное кругле неокоренное з обрубаними гілками заготовляють довжиною від 1 до 3 м, товщиною у верхньому відрубі 20 ... 60 мм. Отримують цей вид сировини при проведенні санітарних рубок, при прочищення та проріджування лісу. При використанні відповідних рубительных машин з цього виду сировини виходить якісна тріска.

Кускові відходи лісопиляння - горбилі, рейки, обрізки дощок, тирса - найбільш широко використовують у виробництві деревоволокнистих плит. Вони характеризуються великим вмістом здорової деревини, що дозволяє отримувати плити з високими показниками фізико-механічних властивостей. Відходи лісопиляння використовують довжиною до 4,5 ... 6,5 м, але частіше відходи лісопильних цехів надходять у виробництво деревоволокнистих плит у вигляді вже приготовленої технологічної тріски. Тирса, одержувані в лісопилянні, можуть служити добавкою до трісці (в кількості до 10%). Для використання як самостійного виду сировини вони вимагають переробки на спеціальному розмеленого обладнанні.

Кускові відходи деревообробки у виробництві деревоволокнистих плит використовують при їх вологості 40% і більше, так як при більш низькій вологості важко отримати при розмелі кондиційну древесноволокнистую масу.

Відходи фанерного виробництва - олівці (залишок чурака після лущення), шпон-рванина - один з джерел сировини для виробництва деревоволокнистих плит. З олівців, що представляють собою круглу деревину, виготовляють на рубітель - них машинах кондиційну тріску. Шпон-рванина, одержувана при оциліндровці чураков, переробляється на дрібні тонкі частинки, піддаються розмелу на волокно.

Відходи целюлозно-паперового виробництва - грубі волокна, звані «сучки», поряд з паперової макулатурою можуть служити добавкою до деревоволокнистої маси при виробництві плит.

Відходи лісохімічного виробництва - щепа дубильних заводів, після того як з неї екстраговані (виділені) необхідні речовини, може бути спрямована на виготовлення деревоволокнистих плит.

Термін «відходи деревини» слід приймати умовно, так як такі відходи - прекрасне вторинну сировину для виробництва деревних плит. Використання вторинної сировини і розвиток виробництва деревних плит вирішує найважливішу завдання лісової галузі - комплексного використання сировини, т. е. отримання більшої кількості лісових матеріалів при тому ж обсязі лісозаготівель.

Початкове деревинна сировина у виробництві деревоволокнистих плит перетворюється в технологічну щепу. До кондиційної технологічній трісці пред'являються наступні вимоги.

При виробництві деревоволокнистих плит мокрим способом перевага віддається хвойним породам деревини, при виробництві деревоволокнистих плит сухим способом - листяним. Щоб зрозуміти переваги та недоліки тих чи інших порід деревини з точки зору використання їх у виробництві деревоволокнистих плит, розглянемо хімічну і морфологічну (анатомічну) характеристики деревної сировини.

Хімічний склад деревини. Деревина, як будь-який біологічний організм, складається з клітин. Стінки клітин в основному (близько 99%) складаються з органічних сполук (вуглеводнів і їх похідних) і до 1% мінеральних речовин (простих елементів і неорганічних сполук), що при спалюванні деревини утворять золу.

Органічні речовини деревини підрозділяють на три частини: вуглеводну, ароматичну й екстрактивні речовини.

Вуглеводна частина являє собою різні полісахариди - целюлозу і гемицеллюлозу. У хвойної деревини вуглеводна частина становить близько 70%, а в листяної - близько 80%.

Макромолекули целюлози CeHmOs побудовані з ланок глюкози, з'єднаних глюкозидными зв'язками. Кожне елементарне ланка глюкози (за винятком ланок, які перебувають на кінцях макромолекули) містить три спиртові гідроксильні групи. Тому формулу целюлози можна подати як [С6Н702(0Н)3]п. Таким чином, целюлоза - це високомолекулярні з'єднання (полімер), що складається з великого числа повторюваних ланок. Молекулярна маса полімерів пов'язана з числом елементарних ланок в макромолекуле-ступенем полімеризації (п або РП). Ступінь полімеризації природної деревної целюлози дуже висока і становить близько 600... 14 000. Вона характеризує довжину лінійних макромолекул целюлози, а отже, механічні властивості целюлози і одержуваних з неї виробів, наприклад папери, картону. Будь зразок целюлози складається з макромолекул різної довжини, т. е. є полидисперсным. Тому ступінь полімеризації прийнято визначати як середню величину.

Будова целюлози кристалічна, однак поряд з кристалічною решіткою є і аморфні ділянки.

Целюлоза - основний компонент деревини. Її зміст в хвойної деревини 46 ... 54%, в листяної - 41 ... 45%. Хімічні властивості целюлози визначаються будовою її макромолекули як полісахариду. Найбільший інтерес з властивостей целюлози представляють реакції її деструкції (руйнування макромолекули під якимось впливом) і реакції функціональних груп.

Функціональними групами називають структурний фрагмент молекули, що визначає його хімічні властивості. Для целюлози це, наприклад, гідроксильні групи, здатні активно вступати в реакцію. При гідролітичної реакції (між речовиною і водою) або окисної (наприклад, з киснем) відбувається розрив глюкозидных зв'язків у ланцюгових макромолекулах целюлози з пониженням ступеня полімеризації. Реакції функціональних груп можуть проходити з отриманням різних складних і простих ефірів целюлози, утворюючи нові штучні полімери. Ці властивості целюлози мають важливе значення при хіміко-механічної переробки деревних волокон.

Вуглеводну частину деревини (целюлозу разом з гемицеллюло- зами) називають холоцеллюлозой. Холоцеллюлоза - це гидроли - зуемая частина деревини. При гідролізі (гідролітичної деструкції) полісахаридів виходять моносахариди. По здатності до гідролізу полісахариди поділяють на трудногидролизуемые (целюлоза) і легкогидролизуемые (геміцелюлози). Зміст геміцелюлоз в деревині становить 17... 43%. У листяних породах деревини геміцелюлоз приблизно в 1,5 рази більше, ніж у хвойних. Геміцелюлози містять елементарні ланки моносахаридів з п'яти і шести атомів вуглецю, тобто ланки пентоз і гексоз. Тому геміцелюлози умовно підрозділяють на пенто - зани і гексозаны. Ланцюги геміцелюлоз можуть бути лінійними і розгалуженими. Вони значно коротше ланцюгів целюлози (СП приблизно 100 ... 200). З пентозанів (CsHeO^n у деревині найбільш поширені ксилана. У менших кількостях містяться арабинаны. Ксі - лани поряд з целюлозою відносяться до найбільш поширених у природі полісахаридів.

Гексозаны (C6Hio05)n - це також полісахариди. Більш всього вгексозанах деревини міститься маннанов: у хвойних породах - до 10%, у листяних - не більше 1%. Маннаны деревини - змішані полісахариди зазвичай линеййого будови. З гексоза - нів в деревині, крім маннанов, зустрічаються різні галакта - ни та деякі інші гексозаны.

У гидролизуемой частині деревини присутні уронові кислоти, пектинові речовини. Останні являють собою комплекс вуглеводів кислого характеру, що складається з арабинана, галактана і пектинової кислоти.

Вміст пектинових речовин у деревині становить всього лише 0,5 ... 1,5%, однак в молодих тканинах рослин і в корі їх зміст може досягати 7... 16%. Пектинові речовини деревини входять до складу міжклітинної речовини. У період росту вони надають рослинним тканинам необхідну міцність і еластичність.

Ароматичну частина деревини становить лігнін, який являє собою суміш ароматичних полімерів. Ароматичні з'єднання своїй структурі мають бензольні кільця. Елементарними ланками в макромолекулах лігніну служать феніл - пропанові структурні одиниці Се - Сз - похідні феніл - пропану.

Бічні ланцюги лігніну можуть мати різні функціональні групи, так як його структура позбавлена регулярності, характерної для інших природних полімерів, наприклад целюлози. Функціональними групами лігніну є: метоксильные групи-ОСН3; гідроксильні групи-ОН; карбонільні групи

-з/" в невеликій кількості подвійні (етиленові) зв'язку - .. \riU-сн=сн-.

Лігнін легко вступає в реакції, причому спостерігається одночасне протікання реакцій декількох типів, в яких беруть участь ароматичні кільця і наявні функціональні групи. Поряд з реакціями функціональних груп, окисленням лігніну, його гідролітичної деструкцією йде і процес конденсації лігніну. Реакціями конденсації лігніну називають реакції зшивання ланцюгів, до яких у лігніну велика схильність.

Екстрактивні речовини деревини - це група органічних сполук, що екстрагується (вилучається) з деревини нейтральними розчинниками: водою і різними органічними розчинниками. До екстрактивних речовин відносять: ефірні олії, смоляні і жирні кислоти, дубильні речовини.

При обробці деревини водою з неї витягуються дубильні і пектинові речовини, деякі полісахариди та ін, а при обробці органічними розчинниками - жири, смоляні і жирні кислоти, воски та ін. Речовини, що виділяються з деревини при обробці органічними розчинниками, прийнято називати смолами. В деревині хвойних порід смоли містяться в кількість 2,55%, в основному у вигляді смоляних і жирних кислот. Вміст смол (в основному жирних кислот) в листяних породах дуже мало (близько 1%).

В деревині хвойних порід міститься більше лігніну і менше геміцелюлози, ніж у деревини листяних. Хвойні породи містять більше гексозанов і менше пентозанів, ніж листяні. Це слід враховувати при розробці технологічного режиму одержання деревоволокнистих плит.

Мінеральні речовини, або неорганічна частина деревини, виділяються у вигляді золи при спалюванні дерева. До складу золи входять кальцій, калій, натрій, магній, в менших кількостях фосфор, сірка та інші елементи, більша частина яких (75 ... 90%) нерозчинні у воді. З нерозчинних найбільш поширені солі кальцію, з розчинних лужних - поташ і сода.

Аяатомическое будова деревини і будова клітинних стінок. Зростання деревини здійснюється за рахунок поділу клітин камбію. Камбій - шар живих клітин, що лежать між власне деревиною, її зовнішнім шаром та внутрішнім шаром кори (лубом). Поділ клітин камбію відбувається після того, коли клітини камбію збільшуються в розмірах. В результаті нові зовнішні клітини утворюють камбиальный шар, а у внутрішніх клітин потовщуються стінки і починається процес одревесненія, тобто відкладення в них лігніну (лігніфікації). Ці здерев'янілі клітини утворюють річні шари, ширина яких залежить від породи деревини і умов виростання.

У річному кільці спостерігаються дві частини: рання (весняна) і пізня (осіння) деревина. Пізня деревина щільніше й зазвичай темніше ранньою. По мірі наростання річних шарів старі клітини відмирають. Центральну частина деревини, яка містить основну масу річних шарів, називають ядрової деревиною (ядром). Периферичну частину деревини, що лежить між ядрової деревиною і камбієм, називають заболонної деревиною (заболонню).

Анатомічні елементи деревини - це в основному (90 ... 95%) вже відмерлі прозенхимные клітини, які надають деревині волокнисту будову і виконують механічні та провідні функції. Довжина таких клітин багато разів більше ширини. До прозенхимным клітин відносяться головним чином трахеиды (хвойних порід), клітини либриформа і судини (листяних порід). Деревина містить і інший вид клітин - це живі па - ренхимные клітини, виконують запасають функції. Форма таких клітин округла, а довжина і ширина їх приблизно однакові.

Трахеиды-основний елемент деревини хвойних порід, займає понад 90% загального обсягу деревини. Трахеиды, що утворюються навесні, мають широкі порожнини і тонкі стінки, а утворюються восени - більш вузькі порожнини і товсті стінки. Широкополостные весняні трахеиды служать водопроводя - складовими елементами деревини, а товстостінні осінні трахеиды надають механічну міцність стовбура.

Клітини либриформа, або деревні волокна,- основний елемент (до 75%) деревини листяних порід. Libri - форм - це механічна тканина листяної деревини, що представляє собою широкополостные судини, волокнисті і сосудис

ті трахеиды. Водопровідні функції виконують судини і судинні трахеиды. Судини - це довгі трубки, що складаються з члеників - окремих коротких клітин довжиною 0,23... 0,58 мм

Розміри трахеид хвойних порід і волокон листяних порід наведені в табл. 6.

Деревна паренхіма, що складається з парен - химных клітин і забезпечує зберігання поживних речовин, особливо розвинена у деревини листяних порід, скидають листя на зиму (понад 8% загального обсягу деревини). У хвойних порід зміст паренхімних клітин становить всього 3...5%. Це пояснюється тим, що частина запасів поживних речовин, використовуваних деревом навесні, зберігається у хвої.

В стінках трахеид і судин розташовуються прості і облямовані пори. Пори не є вільними отворами: у них зберігається тонка первинна стінка (мембрана). Кожній порі однієї клітини відповідає пора сусідньої клітини, т. з. завжди існує пара пір. Розділяє пори мембрана пронизана дрібними отворами. У живих клітинах ці отвори заповнені найтоншими нитками протоплазми, що з'єднують вміст клітин в єдине ціле. Клітини либриформа мають прості щеле - помітні пори. Порожнини клітин либриформа дуже вузькі, тому вони погано проводять воду.

Первинні стінки-оболонки Р двох суміжних клітин з'єднані міжклітинною речовиною М (серединної пластинкою) і настільки зростаються, що їх важко розрізнити. Вважається, що в суміжних первинних стінках і міжклітинному речовині (Р + М + Р) міститься 60 90% лігніну з домішкою пектинових речовин.

Вторинна стінка 5 складається з трьох шарів: зовнішнього 5 i, середнього 5 2 (самого толстого) і внутрішнього 5 е. Вміст лігніну в напрямку від первинної до стінки внутрішнього шару стінки вторинної поступово зменшується. Вважають, що у хвойної деревини в шарі 53 лігнін становить 20... 10%, а в листяних порід він відсутній. Целюлоза основному розташовується в шарі S2 - до 85% вуглеводної частини. У первинній стінки вміст целюлози вдвічі менше, а в шарі 5з незначно. Припускають, що найбільший вміст геміцелюлоз в шарі 5з і воно знижується у напрямку до первинної стінці.

Мікроскопічне вивчення структури клітини виявило однорідність (гомогенність) міжклітинної речовини і фибриллярную (волокнисту) структуру стінок клітин. При механічній обробці стінки розпадаються на тонкі целюлозні волоконця, звані фібрилами, які свою чергу можуть розпадатися при хімічній обробці на більш тонкі микрофибриллы.

Целюлозні микрофибриллы в стінці клітини укладені в аморфної маси геміцелюлоз і лігніну і створюють як би кістяк, що забезпечує механічну міцність стінки. Разом з тим всі компоненти деревини пов'язані один з іншим. Утворюючи між собою хімічні зв'язки, вони створюють єдину деревну тканина. Клітинна і фибриллярная структура деревини дозволяє ділити її на волокна і окремі фрагменти, з яких формується деревоволокнистий килим - основа виготовленої деревоволокнистої плити.

Технологічне значення хімічного і анатомічного складу деревини. Ознайомившись з хімічним складом і анатомічним деревини, важливо зрозуміти технологічне значення тих або інших показників і характеристик.

Фізико-механічні властивості деревоволокнистих плит в чому визначаються целюлозним скелетом. Вміст целюлози в деревині хвойних порід вище, ніж у листяних. В процесі виробництва деревоволокнистих плит дуже важливою умовою є збереження власної міцності деревинних волокон, яка визначається міцністю целюлозного скелета.

Деревина в процесі виготовлення з неї деревоволокнистих плит піддається механічним і тепловим впливам, під час яких вона стає пластичною і в ній відбуваються хімічні і структурні зміни. Це дозволяє зблизити волокна, встановити між ними необхідні зв'язки, домогтися утворення нової структури, що забезпечує необхідні властивості створюваного плитного матеріалу.

При переробці деревина стає пластичною як за рахунок введення в деревні частинки (древесноволокнистую масу) пластифікаторів, так і за рахунок продуктів деструкції (руйнування) компонентів деревини (геміцелюлози, лігніну і частково екстрактивних речовин), утворюються при термообробці в присутності води. У першому випадку процес йде за рахунок зовнішніх пластифікаторів, у другому - внутрішніх пластифікаторів, а саму пластифікації умовно називають «зовнішньою» і «внутрішньою».

У виробництві деревоволокнистих плит в якості зовнішнього пластифікатора використовують головним чином воду, як внутрішнього пластифікатора - компоненти геміцелюлоз і лігніну. Вміле використання хімічного складу деревини і оптимальний вибір режимів механічної і теплової обробки з урахуванням цього складу дозволяють отримати плити з найкращими властивостями.

Анатомічний склад деревини також має значення при оцінки якості деревної сировини і виборі технології виробництва плит.

В мокрому способі виробництва деревоволокнистих плит перевага віддається деревині хвойних порід, що пояснюється длинноволокнистым будовою деревної тканини, можливістю отримання килима з добре переплетеним волокнистим каркасом, максимальним виходом деревної маси при розмелі з-за малого вмісту легкогидролизуемых полісахаридів. Крім того, високий вміст смол у складі екстрактивних речовин, ймовірно, дозволяє не застосовувати у виробництві деревностружкових плит зв'язуючого або застосовувати в дуже малій кількості (близько 0,5% від абсолютно сухої маси деревини).

У сухому способі виробництва деревоволокнистих плит перевага віддається деревині листяних порід, що пояснюється умовами повітряного формування килима, коли дрібні

деревні волокна, приблизно однакові за розмірами, можуть бути рівномірно розподілені в повітряному потоці по всій площі формування, забезпечуючи найменшу коливання щільності та інших показників фізико-механічних властивостей плит. Більш слабкі межволоконные зв'язку прессуемом древесноволокнистом полотні вимагають більшої кількості введеного сполучного (в середньому 4,5 ... 6% від абсолютно сухої маси деревини) для отримання необхідних показників міцності плит. На підприємствах використовують всі поставляються породи деревини, що ускладнює технологічний процес і вимагає коригування режимних параметрів. Особливості ведення процесу при різній характеристиці деревного сировини повинні бути враховані на окремих ділянках технологічного процесу.