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 - 0,643 m), (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).

Качество и виды сырья

Оценке качества древесного сырья, поступающего на предприятие, уделяется исключительно важное внимание. Обыч­но эта оценка производится по данным предварительного наруж­ного осмотра. При необходимости полученная информация мо­жет быть дополнена результатами лабораторных анализов. К признакам, которые характеризуют качество и пригодность дре­весины для переработки, относятся:

- ширина годичных колец;

- сучковатость;

- прямизна и округлость ствола;

- гниль, поврежденность грибами и насекомыми;

- прочие признаки.

Ширина годичных колец является косвенным указа­нием на плотность древесины. Как правило, узкие годичные кольца характерны для более плотной древесины. В практике отечественных предприятий древесину с шириной годичных колец от 2,5 мм и выше относят к широкослойной, от 1 до 2,5 мм - к среднеслойной, менее 1 мм - к узкослойной.

Сучки представляют собой плотную (до 0,7 г/см³)тем­ную древесину, состоящую из коротких грубых волокон. При производстве целлюлозы сучки не провариваются и в последую­щих стадиях технологического процесса могут быть легко отде­лены от волокнистой массы при сортировании. Однако неболь­шое количество волокон отщепляется с поверхности размягчен­ных сучков и загрязняет целлюлозу мелкой кострой. Сущест­вующие стандарты предусматривают учет числа и размеров суч­ков при отнесении древесины к той или иной категории качества.

Прямизна и округлость ствола считаются призна­ками здоровой древесины. Кривизна ствола затрудняет окорку и дефибрирование. Эксцентричная, овальная форма поперечного сечения ствола обычно сопровождается кренью - утолщением и уплотнением поздней части годичных слоев. Крень плохо пропитывается варочными растворами, увеличивая количество непро­вара и костры, но не исключает возможность переработки древе­сины.

Гниль - это видоизмененная под воздействием грибов и в большей или меньшей степени разрушенная древесина. Наиболее благоприятные для роста грибов условия: температура 20...35 ° С, влажность 30...50 °/о. В зависимости от степени изменения дре­весины можно выделить несколько стадий гниения: грибные пят­на и полосы - древесина изменяет цвет, но гниение незаметно; твердая гниль - в древесине появляются видимые нарушения структуры; мягкая гниль - появляются грибницы, ямочки, трещины, древесина легко ломается, крошится, расщеп­ляется пальцами; дупло - результат воздействия не одного гриба, а грибных ассоциаций.

К видам гнили, наиболее распространенным на складах дре­весины, относятся: синева; мраморная (белая) гниль; красная гниль; бурая гниль.

Синева вызывается грибами Cerastomella pilifera, которые питаются содержимым клеток. Синева существенно не снижает качество древесины и относится к допустимым порокам, однако полуфабрикаты из такой древесины имеют худшую белизну и труднее отбеливаются. Техническими нормами допускается по­верхностная синева в виде отдельных пятен на торце ствола.

Мраморные гнили характерны для лиственной древеси­ны. Вызывающие их грибы, в частности, Forties fomentarius, отно­сятся к лигниноразрушающим. Они поражают центральную часть ствола. Первая стадия этой гнили не ухудшает выхода и качества полуфабрикатов, пораженная древесина допускается к перера­ботке. При конечной стадии, когда цвет древесины становится желтовато-белым или мраморно-белым с темными линиями и развивается трухлявость, выход и прочность полуфабрикатов па­дает; такая древесина к переработке не допускается.

Красная гниль вызывается грибами Trametes pint (воз­никает на растущем дереве) и Polyporus vaporarius (сухая гниль, способная развиваться и на срубленном дереве). Гниль проявляется в виде красно-бурых пятен на торце дерева и полос на про­дольном разрезе. С развитием гниения древесина распадается на сухие кубики. Переработка древесины в этой стадии загнивания недопустима.

Бурая гниль часто поражает сосну и ель (гриб Polyporus borealis), лиственницу (Fomes officinalis, Stereum abietinum), березу и осину {Fomes igniaris). В начальной стадии поражения центральная часть ствола приобретает бурую окра­ску. В этой стадии гниль не препятствует использованию древе­сины. Для конечной стадии характерно образование пустот и трещин, заполненных белыми пленками грибницы, древесина становится непригодной для переработки.

Разрушение древесины грибами сопровождается уменьше­нием ее плотности и увеличением растворимости в 1 %-ном рас­творе гидроксида натрия. Эти изменения лежат в основе лабора­торных методов контроля качества.

Повреждают древесину также насекомые и их личинки. Ко­роед оставляет на поверхности древесины неглубокие поверхно­стные бороздки, не оказывающие влияния на выход и качество полуфабрикатов. Более вредна червоточина, представляющая собой ходы, проникающие в толщу древесины. Нередко они за­полнены грязью и способствуют проникновению грибковых за­болеваний, поэтому сортность древесины, пораженной червото­чиной, понижается.

Из прочих признаков качества отметим такие пороки, как трещины и поверхностная обгорелость ствола. Трещины не влияют на технологический процесс, на выход и свойства полу­фабрикатов, поэтому не имеют существенного значения для цел­люлозно-бумажного производства. Обгорелость, напротив, со­вершенно недопустима, так как частички угля не поддаются воздействию реагентов и сильно повышают сорность полуфаб­рикатов.

На целлюлозно-бумажные предприятия поставляется древес­ное сырье следующих видов:

- балансы;

- дровяная древесина;

- технологическая щепа;

- щепа из всего дерева;

- опилки.

Балансами называют хвойную и лиственную древесину из стволов толщиной в верхнем отрубе 60...240 мм (такую тол­щину имеют деревья в возрасте приблизительно от 50 до 200 лет). Балансовая древесина являемся традиционным и наиболее качественным видом сырья.

К технологическим дровам относят древесное сырье, преимущественно лиственных пород, поставляемое в колотом виде. Для них характерно: высокое содержание различных гни­лей, большие отклонения по кривизне, сильная сучковатость и засоренность корой, разнообразие размеров, смешанный пород­ный состав. Единственный, но весомый аргумент в пользу упот­ребления технологических дров - значительно более низкая цена на них в сравнении с балансами.

Технологическая щепа производится в местах накоп­ления древесных отходов и поставляется на целлюлозно-бумажные предприятия в готовом виде. Ее источниками являют­ся: лесопильные отходы; отходы деревообрабатывающих пред­приятий; лесосечные отходы и тонкомерная древесина.

Лесопильные отходы (горбыли и рейки) образуются при изготовлении пиломатериалов из деловой древесины. Их ха­рактерной особенностью является то, что они практически це­ликом состоят из заболони сосны и ели. Это делает лесопильные отходы ценным сырьем для производства всех видов волокни­стых полуфабрикатов.

Отходы деревообрабатывающих предприятий - мебельных, домостроительных и т. п. - обычно имеют смешан­ный породный состав. Щепа из них неоднородна по фракцион­ному составу (по размерам частиц), но вполне пригодна для вы­работки многих видов волокнистых полуфабрикатов.

Лесосечные отходы и тонкомерная древесина (толщиной 3...5 см) скапливаются на лесосеках при рубках ухода и там же измельчаются. Качество щепы обычно невысокое, она содержит много коры, сучьев, мелкого сора.

Все более широкое использование технологической щепы целлюлозно-бумажными предприятиями стимулируется низкими ценами на этот вид сырья.

Щепу из всего дерева стали перерабатывать некото­рые целлюлозные заводы США в начале 70-х годов прошлого века. Толчком к этому послужило создание специальных передвижных машин «Chiparvester» для измельчения целого дерева, вместе с кроной и корой, прямо в лесу. Такая возможность привлекает максимально полным использованием заготавливаемой древесины и считается перспективной. Серьезные трудности, связанные с низким качеством щепы, пока ограничивают масштабы ее применения, однако успехи в области разработки специального оборудования и технологии «облагораживания» щепы дают основания для оптимисти-

Опилки хвойных пород стали применять в значитель­ных количествах для производства волокнистых полуфабрикатов с конца шестидесятых годов прошлого века благодаря созданию специализированных варочных установок непрерывного дейст­вия. Из-за повреждения пилами значительной доли трахеид вы­ход и прочностные свойства полуфабрикатов (целлюлозы и по­луцеллюлозы) из опилок ниже, чем из щепы.