Курсовая работа: Строение, основные свойства и применение древесины

Щелочные способы. К этой группе относятся сульфатный и натронный способы. Для получения целлюлозы сульфатным способом может быть использована древесина любых пород, в том числе и высокосмолистых (сосна и др.) измельченная в щепу древесина варится в растворе, содержащем едкий натрий NaOH и в 3 раза меньше сернистого натрия Na2S. Варка ведется в котлах вместимостью 75-160 м3 при 170-180оС и давлении 0,8-1 МПа в течение 3-5 часов. По окончании процесса варочный раствор приобретает черный цвет и называется черным щелоком. Черный щелок уваривают для компенсации потерь Na2S, смешивают с сульфатом натрия Na2SO4 и прокаливают. При этом органическая часть щелока сгорает (используется как топливо), а минеральная употребляется для приготовления варочного раствора (белого щелока). Остальные операции такие же, как и при получении сульфитной целлюлозы. Варка может осуществляться не только в котлах, но и в высокопроизводительных аппаратах непрерывного действия. Для получения высококачественной целлюлозы, идущей на химическую переработку, древесину подвергают предгидролизу (пропаркой, водной варкой при 170оС или другим способом) с целью удаления большей части гемицеллюлоз. Выход целлюлозы сульфатным способом составляет 40-50 %.

Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна, необходимые для производства корда и других целей. К достоинствам этого способа относится также предусмотренная технология регенерации щелока. Это дает возможность проводить процесс по замкнутой схеме, сводя к минимуму загрязнение водоемов.

В качестве побочных продуктов при сульфатном производстве целлюлозы улавливают скипидар и снимают с поверхности охлажденного щелока сульфатное мыло, разложение которого минеральной кислотой дает таловое масло. Этот продукт применяют при выработке хозяйственного мыла, приготовления олифы, смазочных масел. Из талового масла получают канифоль, фитостерин, используемый для лечения атеросклероза, кожных и других заболеваний, а также ряд продуктов, применяемых в производстве ядохимикатов, моющих средств, эмульгаторов и т.д. Часть щелочного лигнина без ущерба для основного производства может быть использована в качестве наполнителя для синтетического каучука, для замены фенола при получении пластмасс, в шинной, керамической и других отраслях промышленности. Из предгидролизата можно получать кормовые дрожжи. Второй щелочной способ получения целлюлозы – натронный. Основан на применении в качестве реагента едкого натра; потери щелочи возмещаются добавкой соды.

Нейтральный способ. Этот способ используется для получения из древесины лиственных пород целлюлозы с весьма большим содержанием сопутствующих веществ. Варочный раствор, содержащий сульфит натрия Na2SO3 или сульфат аммония (NH4)2SO3, имеет близкую к нейтральной реакцию, поэтому способ называют моносульфитным или нейтрально-сульфитным. Варка проводится в котлах периодического или непрерывного действия при конечной температуре 160-180оС, давлении 0,65-1,25 МПа и длится 0,2-6 часов. Основной недостаток – невозможность использования древесины хвойных пород.

Для всех применяемых в промышленности способов получения целлюлозы характерно образование отходов, в той или иной мере загрязняющих окружающую среду соединениями серы. Поэтому особенно важны разработки бессернистой технологии целлюлозы.

Гидролиз древесины. При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз ее полисахаридной части. Целлюлозы и гемицеллюлозы при гидролизе превращаются в простые сахара. Полученные сахара идут на биохимическую переработку. Эти сахара (например, глюкоза, ксилоза и др.) можно подвергать химической переработке, получая такие продукты, ксилит, сорбит и др. Сырьем для гидролизной промышленности служат главным образом отходы лесопиления и деревообработки, низкокачественная древесина. Гидролиз древесины можно осуществлять разбавленными минеральными кислотами (серной, соляной) при высокой температуре или теми же, но концентрированными кислотами при нормальной температуре.

В промышленности применяется способ гидролиза разбавленной до 0,5-0,6 % серной кислоты. Сырье в виде смеси опилок и щепы поступает в гидролизаппарат вместимостью 18-160 м3. Сюда же подается горячий раствор серной кислоты. При 140-160оС происходит осахаривание (гидролиз) гемицеллюлоз. Затем при 180-190оС начинается гидролиз целлюлозы. Одновременно с подачей серной кислоты отбирают гидролизат – кислый водный раствор простых сахаров. В конце процесса в гидролизаппарат подается горячая вода для удаления сахаров и серной кислоты, пропитывающих нерастворимый осадок – лигнин. Этот побочный продукт может быть использован для получения смол, пластмасс, антисептиков, стимуляторов роста растений, удобрений, активированного угля, топлива и др.

При охлаждении гидролизата образуются пары, из конденсата которых получают фурфурол, представляющий собой бесцветную маслянистую жидкость с запахом печеного хлеба. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон (нейлона), смол, для очистки смазочных масел, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей, средств для борьбы с сорняками, грибами и насекомыми, а также и для других целей. Фурфурол можно получать в качестве основного продукта при гидролизе богатых пентозанами древесины лиственных пород (березы, осины) и сельскохозяйственных растительных отходов.

Нейтрализованный известковым молоком гидролизат (сусло) поступает в бродильное отделение. Там под действием ферментов винокуренных дрожжей содержащиеся в сусле гексозы (глюкоза и сахара из гексозана) сбраживаются и образуют этиловый спирт, а также углекислый газ, который улавливается и используется для получения жидкой углекислоты и сухого льда.

Термическое разложение древесины. Разложение древесины происходит при нагреве ее без доступа воздуха. Этот процесс называется сухой перегонкой. При температуре 120-250оС происходит удаление воды и частичное разложение гемицеллюлоз (при температуре 150-270оС). Затем при 275-450оС происходит распад веществ, слагающих древесину. При этом происходит бурное выделение тепла. Последняя стадия протекает при температуре 450-550оС с дополнительным подводом тепла извне. В результате сухой перегонки образуются твердые (уголь), жидкие (жижка) и газообразные продукты.

Древесный уголь содержит 80-97 % углерода. Он не содержит вредных примесей (серы и фосфора). Древесный уголь обладает высокой сорбционной способностью. Его применяют в металлургии при выплавке цветных металлов и ферросплавов; в виде, обработанных паром, порошкообразных углей для очистки промышленных растворов и сточных вод, обесцвечивания соков и рафинируемых масс в сахарной промышленности и т.п. он идет для производства сероуглерода, необходимого для получения вискозного волокна, и целлофана. Промышленность полупроводников использует особо чистый кремний, для получения которого необходим древесный уголь. Он также применяется для производства электродов, цементации (придания твердости стальным деталям), в медицине, в качестве топлива, кормовой прикормки для скота, для производства пластмасс и для других целей.

Жижка представляет собой жидкий дистиллят – раствор продуктов разложения древесины. При отстаивании жижки образуются два слоя: верхний – водный и нижний – смоляной. Из отстойной и растворенной в сырой жижке смолы получают антиокислитель бензина, антисептики (креозот), фенолы для производства пластмасс, крепители литейных земель, понизители вязкости бурильных растворов, и другие продукты. Из водного слоя выделяют уксусную кислоту, метиловый спирт, растворители (ацетон, метилацетат и др.). Газы, получаемые при сухой перегонке древесины, используют в качестве топлива для обогрева реторт (аппаратов для сухой перегонки).

Сжигание древесины. Окисление древесины в процессе горения происходит при ее энергохимической переработке и при использовании в качестве топлива. Качество топлива оценивается теплотой сгорания (теплотворной способностью).

Массовая теплота сгорания древесины представляет собой количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы – 1 кг древесины. Теоретически массовую теплоту сгорания можно определить по химическому составу. Точно определить теплоту сгорания можно в лабораторных условиях в калориферах.

Элементарный химический состав древесины практически одинаков. Поэтому теплота сгорания единицы массы древесины почти не зависит от природы и в абсолютно сухом состоянии колеблется в пределах 19,6- 21,4 МДж/кг.

Обычно дрова оценивают не по массе, а по объему, и необходимо знать теплоту сгорания единицы объема (1 м3) древесины. Умножив теплоту сгорания единицы массы на плотность древесины, получают теплоту сгорания единицы объема. Объемная теплота сгорания зависит от породы, т.е. чем выше плотность древесины, те6м выше ее теплота сгорания. Например, для древесины дуба объемная теплота сгорания равна 13*103 Мдж/м3, для осины – 7,4*10 м 3 МДж/м3. теплота сгорания также зависит от влажности древесины, с увеличением которой она уменьшается.

2.1 Физические свойства древесины

Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.

К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения – усушка, разбухание, растрескивание и коробление. К физическим свойствам древесины относится также ее электро-, звуко- и теплопроводность, показатели макроструктуры.

Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Цвет. Цвет древесине придают находящейся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества, которые находятся в полостях клеток.

Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Древесина пород, произрастающих в жарких и южных районах, имеет более яркую окраску по сравнению с древесиной пород умеренного пояса. В пределах климатического пояса каждой древесной породе присущ свой особый цвет, который может служить дополнительным признаком для ее распознавания. Так, древесина граба имеет светло-серый цвет, дуба и ясеня – бурый, грецкого ореха – коричневый. Под влиянием света и воздуха древесина многих пород теряет свою яркость, приобретая на открытом воздухе сероватую окраску.

Древесина ольхи, имеющая в свежесрубленном состоянии светло-розовый цвет, вскоре после рубки темнеет и приобретает желтовато-красную окраску. Древесина дуба, полежавшая долгое время в воде, приобретает темно-коричневый и даже черный цвет (мореный дуб). Меняется окраска древесины и в результате поражения ее различными видами грибов. На окраску древесины оказывает влияние также возраст дерева. У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у более старых. Устойчивым цветом обладает древесина дуба, груши и белой акации, самшита, каштана.

Цвет древесины имеет важное значение в производстве мебели , музыкальных инструментов, столярных и художественных изделий. Насыщенный богатством оттенков цвет придает изделиям из древесины красивый внешний вид. Цвет древесины некоторых пород улучшают, подвергая различной обработке, - пропариванию (бук), протравливанию (дуб, каштан) или окрашиванию различными химическими веществами. Цвет древесины и его оттенки характеризуют обычно определениями – красный, белый, розовый, светло-розовый и лишь при особой необходимости по атласу или шкале цветов.

Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые лучи и создают блеск на радиальном разрезе.

Блеск – способность направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском обладают зеркально гладкие поверхности, отражающие световой поток строго направленно. Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые лучи и создают блеск на радиальном разрезе.

Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана,

Радиальные поверхности, где площадь, занятая сердцевинными лучами, наибольшая, также создают блеск (особенно у клена, ильма, бука, дуба, белой акации, платана, красного дерева, атласного дерева, айланта). Древесина бархатного дерева (осина, липа, тополь) имеет шелковистый блеск.

Блеск придает древесине красивый вид и может быть усилен полированием, лакированием, вощением или оклеиванием прозрачными пленками из искусственных смол.

Текстура – рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и серцевинных лучей. Она зависит от ее породы и строения. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче ее текстура. Хвойные породы имеют сравнительно простое строение, и текстура у них довольно однообразная; у лиственных пород текстура значительно богаче.

Текстура определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске ранней и поздней древесины, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, неправильным расположением волокон (волнистое или путанное).

Красивую текстуру хвойные породы дают на тангенциальном разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины. У лиственных пород красивый рисунок на радиальном разрезе создают сердцевинные лучи (бук, ильм, клен, платан, карагач, дуб); на тангенциальном разрезе – грецкий орех, ясень, бархатное дерево, дуб, ильм, каштан. Исключительно красивый рисунок наблюдается в древесине наростов (капов) со свилеватым расположением волокон.

Текстура определяет декоративную ценность древесины и имеет значение при изготовлении мебели, различных поделок, при украшении музыкальных инструментов. При использовании прозрачных лаков можно усилить и ярче выявить текстуру древесины.

Для получения красивой текстуры применяют и различные способы обработки древесины; лущение кряжей ножом с волнистым лезвием или под углом к направлению волокон, неравномерное прессование и др.

Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы – сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. Приятно пахнет можжевельник, поэтому его ветви применяют при запаривании бочек. Большое значение имеет запах древесины при изготовлении тары. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони. По запаху древесины можно определить отдельные породы.

Макроструктура. Для характеристики качества древесины иногда достаточно определить следующие показатели макроструктуры: ширину годичных слоев и содержание поздней древесины в годичных слоях.

Ширина годичных слоев определяется числом слоев, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Образцы сечением 20×20 мм должны иметь гладко зачищенные торцы. На торце проводят линию перпендикулярно к годичным слоям и подсчитывают число целых слоев N. Длину l участка измеряют в сантиметрах. Число годичных слоев в 1 см вычисляют с точностью до 0,5 слоя по формуле [1]:

n = N/l.                                            (2.1)

Ширина годичных слоев оказывает влияние на свойства древесины. Для древесины хвойных пород отмечается улучшение свойств, если в 1 см насчитывается не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуб, ясень) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость.

Для древесины лиственных рассеянососудистых пород (березы, бука) нет такой четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев.

На образцах из древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины m (в процентах). На тех же образцах измерительной лупой с погрешностью 0,1 мм измеряют ширину поздней зоны δ в каждом годичном слое; полученные значения суммируют и подсчитывают процент поздней древесины с погрешностью 1 % по формуле [1]:

m = ∑δ/l*100,                                           (2.2)

где ∑δ – общая ширина поздних зон, см;

l – общее протяжение тех годичных слоев, в которых измерялась ширина поздней зоны, см.

Процент поздней древесины является достаточно надежным показателем качества древесины. Чем выше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность, а, следовательно, и выше ее механические свойства.

При обработке древесины режущими инструментами происходит перерезание полых анатомических элементов (сосудов) и на поверхности древесины образуются неровности. У таких пород, как дуб, ясень, грецкий орех, величина структурных неровностей значительная. Так как древесина указанных пород используется для отделки изделий, то перед полированием необходимо уменьшить величину этих неровностей. Для этого производится специальная операция, которая называется порозаполнением.

Влажность древесины. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, так как приводит к ряду отрицательных явлений.

Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах

В древесине различают воду связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную). Свободная вода заполняет полости клеток и пространства между клетками, а связанная находится в толще клеточных стенок. Свободная вода удерживается механическими связями и удаляется легко; связанная вода удерживается физико-механическими связями, и удаление этой воды требует дополнительных затрат энергии. Связанная вода оказывает значительное влияние на свойства древесины.

Общее количество воды в древесине складывается из свободной и связанной. Максимальное количество связанной воды составляет примерно 30 % при температуре 15-20оС. Предельное количество свободной воды зависит от плотности, т.е. от того, как велик объем пустот в древесине, который может быть заполнен водой.

Состояние древесины, при котором свободная вода отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количество связанной воды, называется гигроскопичностью или пределом насыщения клеточных стенок. Предел гигроскопичности соответствует максимальной влажности клеточных стенок при увлажнении древесины в насыщенном водой воздухе. Предел насыщения клеточных стенок – максимальная влажность клеточных стенок свежесрубленной древесины или при хранении ее длительное время в воде. При этом в полостях клеток содержится и некоторое количество свободной воды. Таким образом, влажность предела насыщения клеточных стенок составляет 30 % для пород умеренного климата.

Влажность предела гигроскопичности при температуре 15-20оС составляет 30 % и мало зависит от породы древесины.

Влажность предела гигроскопичности с повышением температуры снижается и при 100оС составляет 19-20 %

Различают следующие ступени влажности древесины: мокрая – длительное время находившаяся в воде, ее влажность выше 100 %; свежесрубленная – влажность 50-100 %; воздушно-сухая – долгое время хранившаяся на воздухе, влажность 15-20 %; комнотносухая – влажность 8-12 %; абсолютно сухая – влажность древесины около 0 %.

В таблице 2.4 приведена средняя влажность свежесрубленной древесины [3].

Таблица 2.4 – Средняя влажность свежесрубленной древесины

Порода	Влажность, %
Ель	91
Лиственница	82
Пихта	101
Сосна обыкновенная	88
Сосна кедровая сибирская	92
Липа мелколистная	60
Осина	82
Ольха	84
Тополь	93
Береза	78
Бук	64
Вяз	78
Дуб	50
Ясень обыкновенный	36

Из данных таблицы 2.4 видно, что самая высокая влажность свежесрубленной древесины у пихты, а самая низкая у ясеня обыкновенного.

Высыхание древесины. При длительном хранении срубленной древесины на воздухе или в помещении происходит испарение воды. При этом вначале удаляется свободная вода, находящаяся в полостях клеток, а затем и связанная. При высыхании древесины испарение воды происходит с поверхности сортамента и вода из более влажных внутренних слоев передвигается к наружным. Таким образом, наблюдается неравномерное распределение воды по толщине материала. Чем больше толщина материала, тем больше неравномерность распределения воды.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6