Свойства древесины, важные в производстве древесно-волокнистых плит

Категория:
Производство древесноволокнистых плит


Свойства древесины, важные в производстве древесно-волокнистых плит

Древесина как пористое тело

На поперечном разрезе ствола дерева (рис. 1) невооруженным глазом легко различаются внутренняя часть ствола — собственно древесина, имеющая в центре ядро т, у некоторых (так называемых «ядровых») пород ясно отличающееся своей окраской; к ядру непосредственно примыкает заболонная часть древесины, окруженная по периферии живыми (в растущем дереве) клетками камбия с. К камбию с другой его стороны примыкает внутренняя кора, или луб в, окруженный омертвевшей тканью — коркой, или наружной корой вч. В живом дереве камбий, откладывая клетки по обе стороны своей ткани, образует новые клетки древесины и луба. Камбий откладывает весной более светлую и рыхлую древесину (а), чем осенью (о), что ясно видно, особенно у хвойных пород, при рассматривании древесины простым глазом. Два концетри-ческих кольца — осенней и весенней древесины образуют один годичный слой. Роль клеток луба заключается в проведении органических веществ, образовавшихся в листьях и двигающихся вниз по стволу. Роль клеток древесины более разнообразна. Часть их — сосуды у лиственных пород и трахеиды (мертвые клетки) у хвойных — является проводниками воды, поступающей из корневой системы к листьям. Другая группа клеток—паренхимы древесины и вторичных и первичных сердцевинных лучей (живые клетки) — служит для хранения запасов питательных органических веществ, образующихся в листьях в осенне-летний период и расходуемых весной на образование новой древесины. Наконец, часть клеток либриформа служит для придания механической прочности стволу дерева. Эти клетки располагаются главным образом в осенней древесине, а сосуды и трахеиды — в весенней. Количество в одном годичном слое дерева тех и других элементов характерно для каждой древесной породы. Например, хвойные породы не имеют клеток либриформа и сосудов. Их функции несут трахеиды. У лиственных пород древесина содержит сосуды, трахеи и клетки либриформа. Клетки у мертвой древесины заполнены главным образом водой и воздухом и сообщаются между собой у лиственных пород при помощи простых, а у хвойных — при помощи окаймленных пор.

Рис. 1. Поперечный разрез древесного ствола

Фибриллы, из которых построены обе оболочки, в первичной из них идут почти перпендикулярно продольному направлению клеток, во вторичной же они образуют лишь небольшой угол с продольной осью клеточной стенки. Это различие видно из рис. 2.

Кроме слоистости клеточной стенки, на этом же рисунке видна спиральная полосатость отдельных ее слоев.

Вдоль фибрилл расположены длинные цепевидные макромолекулы целлюлозы, состоящие из 2000—2500 элементарных звеньев ангидро-с1-глюкозы, соединенных друг с другом глюкозидной связью 1,4.

Нитевидные макромолекулы целлюлозы расположены внутри фибрилл таким образом, что отдельные их части образуют участки местной параллелизации и сближены на расстояния, не превышающие 2,8 А. При этом расстоянии между гидроксилами целлюлозных молекул образуется водородная связь, обладающая энергией 4—8 ккал/моль. В остальных участках макромолекулы находятся на более далеких расстояниях друг от друга и связаны между собой более слабыми силами Ван-дер-Ваальса, как это схематически показано на рис. 3.

Очень важным является то обстоятельство, что гидроксилы целлюлозы, блокированные водородной связью, не способны поглощать пары воды. Этой способностью отличаются только гидроксилы, находящиеся в неориентированных областях макромолекул и на их поверхности.

Третий (внутренний) слой клеточной оболочки не обнаруживает спиральной структуры. Оси его фибрилл параллельны оси волокна. Клетки луба также состоят из фибрилл, оси которых почти параллельны оси волокна. Преобладающее количество клеток в древесине расположено таким образом, что продольная их ось параллельна оси дерева.

Рис. 2. Слоистость и полосатость клеточных оболочек

Рис. 3. Схема ориентации макромолекул целлюлозы

Эти определения, сделан-ные Байлеем и Гриффином, помогли осветить вопрос о проницаемости ультрапор для коллоидных растворов. Была установлена зависимость между количеством свободных ультрапор мембраны окаймленных пор и сопротивлением проникновению консервирующих растворов. В заболони, где количество свободных ультрапор больше, чем в ядре, проницаемость для жидкостей больше. Высушивание древесины уменьшает ее проницаемость для растворов, так как при этом, вследствие прилегания мембраны к сводам окаймленной поры, часть эффективных ультрапор закрывается.

Древесина является эластичным, ограниченно набухающим гелем. Предел набухания определяется максимальным количеством поглощенной жидкости, вызывающей набухание. Древесина поглощает, увеличивая свой объем, далеко не все жидкости, а лишь полярные и среднеполярные: воду, спирты, кислоты, кетоны. Удаление этих жидкостей из древесины приводит к сокращению объема древесины — усушке. Вода в волокнистом материале может быть по связи ее с веществом разделена на три группы: а) вода, находящаяся в сравнительно крупных капиллярах D = 1 мм; этот вид воды может быть удален из материала давлением, размолом, разрывом и по номенклатуре Лыкова называется окклюзионным; б) капиллярная вода, находящаяся в капиллярах Диаметром менее 1 мм, связанная с материалом силами поверхностного натяжения; в) коллоидная вода, связанная с волокнами адсорбционными силами.

Химически связанной воды в древесине нет. После поглощения первых порций воды из окружающего воздуха древесина увеличивается в размерах, но объем набухшей древесины получается меньше суммы объемов древесины и поглощенной воды. Разность называется контракцией и характеризует собой величину сжатия системы. Между сжатием системы и тепловым эффектом, имеющим при этом место, существует определенная связь. Поглощение первых порций воды древесиной происходит за счет адсорбционных сил и математически формулировано теорией Лангмюра. Выделяющаяся при этом теплота адсорбции получается в результате превращения механической работы, развиваемой при набухании, в тепловую энергию. Это поглощение адсорбированной воды происходит на поверхности макромолекул компонентов древесины только в неориентированных участках макромолекул. После насыщения этой поверхности составных частей древесины адсорбированной водой наступает процесс капиллярной конденсации водяных паров, протекающий в порах радиусом до 5-10“7см. Неориентированные участки между макромолекулами могут заполняться и одной адсорбированной водой, и одной капиллярноконденсированной. Процесс капиллярной конденсации объясняется пониженной упругостью паров воды в этих капиллярах по сравнению с плоской поверхностью. Процессы адсорбции и капиллярной конденсации могут протекать одновременно, и преобладание одного процесса над другим будет зависеть, кроме размеров заполняемых капилляров, от упругости окружающего водяного пара. При низких упругостях водяного пара преобладает адсорбция, при высоких — капиллярная конденсация. А. В. Думанский называет адсорбированную воду «связанной» так как она не замерзает, не является растворителем, молекулы ее ориентированы к адсорбирующей поверхности и находятся под сильным давлением.

Сумма адсорбированной и капиллярноконденсированной воды называется обычно гигроскопической водой. Гигроскопичность древесины березы и ели при различной относительной влажности воздуха и температуре 20°, изученная Стэммом и нами, иллюстрируется диаграммой, приведенной на рис. 4.

Максимальное количество поглощаемой при 20° гигроскопической воды составляет около 30% от абсолютно сухого веса древесины. Дальнейшее поглощение воды древесиной из окружающего воздуха невозможно, но оно все же будет происходить, если поместить древесину непосредственно в воду. При этом будут заполняться водой более грубые капилляры (люмены и т. д.) за счет действия осмотических и капиллярных сил. Этот процесс не играет заметной роли при объемном набухании, но сильно влияет на весовое количество поглощенной воды. Кривая адсорбции влаги волокнистым материалом получается различной в зависимости от того, ведем ли мы процесс сушки или увлажнения до равнолесного состояния. Разница, получаемая при этом, может достигать нескольких процентов. Это явление, носящее название гистерезиса, иллюстрируется диаграммой (рис. 5), полученной для чистой хлопковой целлюлозы.

Рис. 4. Гигроскопичность древесины в зависимости от относительной влажности воздуха 1 — береза (эксперимент автора); 2 — ель (эксперимент Стэмма)

Рис. 5. Гистерезис при поглощении воды и обезвоживании в атмосфере водяного пара: 1 — кривая десорбции; 2 — кривая адсорбции

Причина набухания компонентов древесины в воде объясняется следующим образом. Макромолекулы целлюлозы взаимно Удерживаются электрическими притягательными силами (водородная связь, силы Ван-дер-Ваальса) и поддерживаются в равновесном состоянии отталкивательными силами неэлектрической природы, по величине равными притягательным силам.

При внесении древесины в среды с диэлектрической постоянной больше единицы происходит ослабление сил притяжения.

Судить о том, как пространственно распределяется вода, поглощенная древесиной, можно по линейным изменениям размеров древесины в различных направлениях. Изменение в направлении оси ствола древесины невелико и составляет десятые доли процента. Основные изменения происходят в направлениях, перпендикулярных оси ствола. При этом изменение в радиальном направлении составляет около 2/3 изменения в тангенциальном направлении. Причиной различия в набухании между радиальным и тангенциальным направлениями является различие в строении отдельных клеток и их взаимном расположении в древесине. Набухание различных древесин в воде (объемное) тем больше, чем больше их объемный вес, при этом содержание воды у точки насыщения не претерпевает аналогичных изменений. Это объясняется тем, что с объемным весом увеличивается прежде всего величина вторичной оболочки и вместе с ней давление набухания, оказываемое ею на другие части клеточной стенки. Чем выше объемный вес, тем больше усушка.

Рис. 6. Изменение объема свободной от пор древесины и объема пор при набухании древесины всех ступеней объемного веса

Тренделенбургом была предложена классификация для древесных пород по их отношению к влагонасыщению и усушке.

К группе 1 отнесены лиственные породы с рассеянными порами: липа, тополь, ива, ольха, береза, бук, белый бук и заболонь лиственных пород группы (с сильно развитым ядром). Эта группа характеризуется высоким влагонасыщением волокон — 32—35% и высокой степенью усушки (av = 31—34 R) особенно сильно усыхает древесина липы (ccv = 36—40 R).

Группа 2 — хвойные породы без явно выраженного окрашенного ядра (пихта, ель) и заболонь хвойных .пород с явно выраженным окрашенным ядром (сосна, лиственница). Эта группа характеризуется высокой точкой влагонасыщения волокон — 30—34 % и умеренной степенью усушки (av = 29—33 R).

Пихта усыхает сильнее, чем ель.

Группа 3 — хвойные породы с резко выраженным, окрашенным ядром, умеренной смолистостью: сосна, лиственница и дугласова пихта. Точка влагонасыщения древесины группы 3 составляет 26—28%. Эта группа характерна умеренной усушкой (av = 25— 27 R). К этой же группе относится ряд сильно смолистых, а также особого строения древесин: сильно смолистая сосна, лиственница, сибирский кедр, тисс (слабая усушка). Для древесины последних пород av = 21—23 R при влагонасыщении их 22—24%.

Группа 4 — лиственные породы с кольцевыми и полукольцевыми порами, с резко выраженным ядром (содержащие тиллы, красители, дубильные вещества). К этой группе относятся: благородный каштан, дуб, ясень, орех, вишня. Для этой группы влагонасыщение волокон равно 23—25% и av = 22—24 R. Особенно низкой усушкой отличаются акация и ядро дуба. Заболонь этих пород усыхает несколько меньше древесины группы 1. Клен, конский каштан и ильмы занимают промежуточное положение между 1 и 4 группами. Чем мальше от ствола, тем легче корневая древесина и тем выше ее способность к усушке. Древесина сучьев обладает низкой способностью к усушке. В пределах одной породы усушка возрастает примерно пропорционально объемной плотности (рис. 6). По данным Н. М.

Порядок увеличения набухания практически пропорционален увеличению растворимости солей, фракционного объема соли в растворе, поверхностного натяжения в растворах и уменьшению относительного давления пара над поверхностью растворов этих солей.

Концентрация водородных и гидроксильных ионов солевых растворов имеет незначительное влияние на набухание древесины. Кроме концентрации, на набухание и поглощение влияет и температура. С повышением температуры набухание и поглощение падают. Набухание в концентрированных растворах солей, кислот и оснований происходит сильнее, чем в чистой воде.

Объемное набухание древесины в кислотах изучалось Стэммом, который дает таблицу объемной усушки древесины сосны, вымоченной до насыщения в ряде сухих алифатических кислот. Из этой таблицы видно, что набухание древесины в кислотах уменьшается с увеличением молекулярного веса кислот. Единственной органической кислотой, в которой набухание древесины больше, чем в воде, является муравьиная кислота.

Разбавленная соляная кислота при комнатной температуре почти не действует химически на еловую древесину, и набухание в ней незначительно. Сухой хлороводород адсорбируется еловой Древесиной в количестве 10—11% от ее веса, в свежесрубленной Древесине часть хлороводорода растворяется в капиллярной воде. Сухая еловая древесина адсорбирует 12,1% сухого хлора. Хлорирование еловой древесины снижает ее усадку при высушивании. Хлорирование с последующей обработкой аммиачной водой сильно повышает впитываемость жидкостей. Воздушно-сухая еловая древесина при комнатной температуре поглощает до 13,5% S02. Еловая древесина поглощает 22% ЫОг- При действии на свеже-срубленную еловую древесину сухой поваренной соли происходит усадка древесины, а при действии концентрированного раствора — набухание.

Водные насыщенные NaCl растворы дают для еловой древесины большее поглощение по сравнению с водой на 9—15%.

Действие солей различно и зависит от того, имеем ли мы дело со свежесрубленной или с воздушно-сухой древесиной.

Фтористый натр адсорбируется древесиной из водных растворов, при этом древесина, пропитанная раствором фтористого натра предельной концентрации, дает в воздушно-сухом состоянии значительную усадку и повышает свою прочность.

Набухание древесины в сухих органических жидкостях, как правило, меньше, чем в воде, и уменьшается по мере снижения полярности жидкости. Из сухих органических жидкостей только две — формамид и муравьиная кислота дают набухание, большее, чем вода. Для ряда нормальных спиртов от метилового до бутилового набухание уменьшается с увеличением молекулярного веса спирта.

Набухание древесины (данные получены для белой сосны) в производных бензола прямо пропорционально дипольному моменту этих жидкостей и электрокинетическому потенциалу древесины по отношению к этим жидкостям.

Придание древесине гидрофобности

Формоизменяемость в условиях переменной влажности является одним из важнейших недостатков древесины как строительного материала.

Причиной формоизменяемости древесины служит поглощаемая ею вода как в виде водяных паров из влажного воздуха, так и в виде капельно-жидкой воды, впитываемой древесиной при ее лужении в воду. Количество воды, поглощаемое абсолютно древесиной из полностью насыщенного влагой воздуха, составляет при температуре 20° около 30% от веса древесины. Поглощение этой воды, называемой обычно «гигроскопической», поисходит под влиянием двух процессов: а) адсорбции и б) капиллярной конденсации

Адсорбция представляет собой притяжение диполей воды от-оицательно заряженной поверхностью углеводов и лигнина древесины, что связано с наличием на этой поверхности ненасыщенных валентностей гидроксилов. Адсорбция воды происходит только в неориентированных участках целлюлозы, и следовательно, количественно зависит от фактора ориентации. Гидрок-силы, находящиеся в ориентированных участках макромолекул, блокированы водородной связью и не способны к поглощению воды в обычных условиях. Они приобретают эту способность только после разрыва водородной связи, например путем мерсеризации. Уменьшение поглощения воды древесиной за счет устранения или уменьшения явления адсорбции возможно путем уменьшения заряда поверхности макромолекул, волокон и фибрилл: например, обработкой древесины солями алюминия, за счет искусственного регулирования фактора ориентации макромолекул целлюлозы и других компонентов древесины термической обработкой, а также путем блокировки гидроксилов целлюлозы водородной или химической связью.

Процесс капиллярной конденсации происходит вследствие наличия в древесине огромного количества тонких капилляров и объясняется пониженной упругостью водяного пара в них по сравнению с плоской поверхностью. Устранение процесса капиллярной конденсации связано с необходимостью заполнения капилляров инертными к воде веществами, способными хорошо проникать в древесину и в клеточные стенки.

При полном или частичном погружении в воду древесина начинает поглощать новые количества воды сверх 30% гигроскопической влаги. Количество поглощаемой при этом воды зависит от породы древесины и связано с объемным весом и объемной плотностью данной древесины.

Поглощение воды древесиной при непосредственном погружении ее в воду происходит двумя путями: а) капиллярного впитывания и б) осмотического впитывания.

Капиллярное впитывание происходит за счет сил поверхностного натяжения. Скорость его увеличивается с увеличением Диаметров пор, а величина капиллярного поднятия увеличивается с их уменьшением. Устранение и замедление капиллярного впитывания возможно принципиально тем же путем, что и капиллярной конденсации, т. е. путем заполнения пор и капилляров древесины инертными к воде веществами. Если учесть, что объем, занимаемый веществом древесины, например сосны, в сухой древесине составляет около 30%, а остальное приходится на воздух (при влажной древесине на воздух + воду), то станет очевидно, что для ограничения процесса капиллярного впитывания необходимо вводить в древесину значительные количества инертных к воде пропитывающих веществ, что неизбежно вызовет существенное повышение объемного веса у пропитанной древесины по сравнению с исходной.

Осмотическое впитывание объясняется разностью концентраций между жидкостью, в которую погружена древесина (например, водой), и растворимыми компонентами древесины, находящимися внутри клеточных оболочек. Последние в данном случае являются полупроницаемой мембраной. Уменьшение осмотического впитывания принципиально возможно за счет выравнивания концентрации растворов снаружи и внутри волокон путем, например, пропитки древесины растворами Сахаров с последующей карамелизацией их внутри древесины. Поглощение различных форм воды древесиной не равноценно влияет на ее линейные деформации. Наиболее сильные деформации вызывает поглощение первых порций гигроскопической влаги за счет сил адсорбции, способных преодолевать слабые межмолекулярные связи между макромолекулами целлюлозы и притягивающих молекулы воды к гидроксилам неориентированных участков; это вызывает раздвигание макромолекул и, следовательно, соответствующие линейные деформации. Поглощение осмотической влаги также способно вызвать деформации отдельных клеток древесины, но менее значительные, чем поглощение адсорбированной воды.

В настоящее время предложено много способов повышения водостойкости древесины, различных как по технической эффективности и целевому назначению, так и по экономической их рентабельности.

Эти методы можно разбить на следующие группы:
1) механическое заполнение капилляров древесины;
2) методы, изменяющие заряд древесины;
3) методы, изменяющие величину осмотического набухания;
4) методы блокировки гидроксилов водородной связью;
5) методы блокировки гидроксилов химической связью.

Метод механического заполнения капилляров древесины заключается в пропитке древесины индифферентными к воде веществами, создающими «механический барьер» для проникновения воды в древесину.

В качестве подходящих веществ предлагались парафин, канифоль, эфиро-целлюлозные лаки, олифа, воски, растворы каучука, жиры и масла. Некоторые из перечисленных веществ (парафин, канифоль) нашли широкое применение для проклейки бумаги и картона.

Сказанное приводит к выводу, что метод механического запол-я капиллярной структуры древесины как самостоятельный может быть эффективным только для временной, частичной зашиты древесины от действия влаги и не пригоден для придания древесине значительной и устойчивой во времени водостойкости, не говоря уже о других его недостатках: значительном повышении объемного веса, горючести древесины и большой затраты (до 50% от веса древесины и более) химикатов. С целью повышения эффективности метода «механических барьеров» был предложен способ вытеснения из древесины влаги органическими растворителями, смешивающимися с водой (целлоеольв и др.), с последующими отгонкой этих растворителей и заполнением капиллярной структуры древесины индифферентными к воде веществами.

Метод «вытеснения» не свободен от недостатков, присущих методу «механических барьеров», и значительно сложнее его. Из методов, изменяющих величину осмотического набухания древесины при погружении ее в воду, можно назвать пропитку древесины растворами глюкозы с последующей карамелизацией сахара внутри древесины и способ пропитки древесины сорбитом. Метод глюкозной пропитки древесины применялся в промышленных условиях для повышения водостойкости лигностона. Тщательное исследование этого метода показало, что обработанная древесина и лигностон не приобретают устойчивой во времени водостойкости, а лишь замедляют процессы водопоглощения и разбухания вследствие выравнивания осмотического давления снаружи и внутри волокон в первое время после погружения древесины в воду. При длительных испытаниях древесины в проточной воде эффект глюкозной пропитки почти исчезает.

Метод обработки древесины сорбитом основан на том, что в растворах сорбита древесина набухает лучше, чем в воде. Поэтому обработанная растворами сорбита древесина менее чувствительна к переменной влажности по сравнению с исходной. Однако для получения хороших результатов требуется до 36% сорбита от веса древесины. Кроме того, древесина, обработанная сорбитом, обладает пониженной механической прочностью и менее устойчива к микроорганизмам. Учитывая изложенное, методы пропитки древесины глюкозой и сорбитом следует признать неподходящими для получения устойчивой во времени эффективной водостойкости древесины.

Повышения водостойкости древесины путем уменьшения ее заряда можно достичь обработкой ее солями сильных кислот и слабых оснований. При обработке, например, 0,5%-ными Растворами хлористого алюминия нам удавалось понизить элект-Рокинетический потенциал еловой древесины с 1,1 до 0,2 мв и существенно уменьшить гигроскопичность и объемные деформации. Этот метод дает возможность значительно повысить водостойкость древесины. Однако большим его недостатком является необходимость длительной диффузионной пропитки древесины и обратного выщелачивания в проточной воде избытка соли. В довоенные годы имел промышленное применение способ пропитки осиновой древесины, предназначенной для изготовления упругих лигностоновых прокладок для метро, растворами хромовых квасцов 3%-ной концентрации с последующей термической обработкой. Однако применение этого метода, вероятно, существенно снижает механическую прочность древесины из-за наличия сильнокислой среды и окислителей.

Из методов блокировки гидроксилов целлюлозы водородной связью можно назвать два: термическую обработку древесины и обработку ее синтетическими смолами. Метод термической обработки заключается в нагревании древесины под вакуумом или при атмосферном давлении при температурах 100—180°. Продолжительность нагревания и конечная температура зависят от желательной степени гидрофобное. Имеющиеся данные указывают, что таким путем можно уменьшить гигроскопичность и деформации древесины примерно в два раза.

Метод термической обработки имеет большое преимущество перед другими методами в том отношении, что не требует никаких химических реагентов и, кроме того, в известных условиях обработки дает повышение механической прочности. Недостатками этого метода являются трудности, возникающие при нагревании крупногабаритной древесины до высоких температур, и ограниченная эффективность метода. Весьма родственным по механизму воздействия к методу термообработки является метод обработки древесины синтетическими смолами. Последние в отличие от натуральных смол, которые могут быть в древесине только инертными заполнителями капилляров, должны обладать активными функциональными группами (например, метилольными — СН2ОН), способными к образованию с расположенными на поверхности волокон, фибрилл и макромолекул гидроксилами водородных связей, устойчивых к длительному воздействию воды. На этом принципе базируется высокая водостойкость химических пластмасс, изготовляемых из фенольно-альдегидных пресспорош-ков, содержащих от 40 до 50% смол и до 50% древесины в виде древесной муки. При этом необходимо учитывать, что введение значительных количеств смолы, достаточных для получения высокой водостойкости, неизбежно вызывает повышение объемного веса древесины, а также ухудшение обрабатываемости древесины на станках из-за высокой твердости смол. Простейший подсчет показывает, что для полней блокировки всех гидроксилов аморфных участков целлюлозы водородной связью необходимы значи-рльные количества смол. При неполной блокировке водостойкость получается недостаточно высокой.

Из изложенного следует, что для получения устойчивой во времени водостойкости наиболее подходящими и перспективными являются методы блокировки водородной связью (термообработка или пропитка синтетическими смолами, содержащими активные функциональные группы), поэтому указанные методы далее будут рассмотрены более подробно с теоретической и технологической точек зрения. Для достижения временной и частичной водостойкости целесообразно применение метода «механических барьеров» (канифольные, парафиновые и т. п. проклейки).

Влияние нагревания на свойства древесины

Под влиянием нагревания как в сухом, так и во влажном состоянии происходят изменения: химического состава, способности к поглощению парообразной и капельножидкой воды, а также механической прочности древесины. Направления химических реакций, имеющих при этом место, зависят от процента содержания влаги и воздуха в древесине, а глубина протекающих процессов зависит в основном от температуры и продолжительности воздействия. Наиболее подробно выполненными работами Б. Кемпбелла и К. Тейлора, а также Н. Я. Солечника, А. И. Новосельской и А. П. Ивановой было установлено, что при влажном нагревании (пропарке) древесины бука, можжевельника, ели, сосны и осины при t— 109—185° в течение 3—12 час. происходит гидролиз легкогидролизуемых углеводов древесины. Он выражается в снижении процента гемицеллюлоз и накоплении в остатке продуктов гумификации Сахаров, определяемых как псевдолигнин: содержание целлюлозы при этом существенно не меняется.

Работами, проведенными с нагреванием воздушно-сухой древесины различных древесных пород, выполненными Хаулеем и Виртелаком, О’Двайер, Славиком, Кемпбеллом, Б. Т. Ивом и П. Осинским, В. А. Баумом и Н. Я. Солечником, было установлено, что при £ = 150—250° происходят в основном те же процессы, что и при пропарке, но выраженные в более слабой степени: незначительно снижается процент пентозанов, увеличивается медное и кислотное число целлюлозы и снижается ее вязкость, накапливается псевдолигнин. Недостатком воды объясняется уменьшение интенсивности гидролиза при нагревании воздушно-сухой древесины по сравнению с гидролизом при пропарке влажным паром.

Аналогичные исследования на древесно-волокнистых плитах провели недавно Т. Банд и Л. Н. Наткина с Н. Я- Солечником. Значительное количество работ было посвящено изучению влияния термической обработки древесины на ее гигроскопичность, деформируемость и водопоглощение. Снижение набухаемо-сти древесины под влиянием пропаривания отмечают Швальбе и ЭндерКольман, Деш, Корн и Захариас, а под влиянием варки в воде — Граф. Снижение гигроскопичности древесины под влиянием нагревания в воздушно-сухом состоянии наблюдалось в работах Н. И. Никитина, Н. Я. Солечника и Т. И. Рудневой, Д. Н. Лекторского, Н. Н. Чулицкого, Л. М. Перелыгина, Г. А. Софронова, Швальбе, Швальбе и Берндта, Хэгглунда, Стэмма и Ганзена, Фольке и Н. Я. Солечника. Влияние нагревания на гигроскопичность и водопоглощение картона было изучено Н. П. Зотовой-Спановской, а на древесно-волокнистых плитах Энгельштадто, Эгландом, Бандом, а также Н. Я. Солечником и Л. Н. Нат-киной. В последней из цитированных работ6 показано, что под влиянием тепловой обработки при £= 160—180° в течение 4— 8 часов можно снизить гигроскопичность еловых и березовых твердых плит на 25—30%, водопоглощение в 2,5—3 раза, объемные и линейные деформации в 3,5—4 раза. Механизм теплового воздействия объясняется авторами следующим образом.

При удалении из плит в струе сухого горячего воздуха последних следов влаги под действием сил поверхностного натяжения происходит сближение макромолекул целлюлозы на расстояния, достаточные для образования между гидроксилами неориентированных участков водородных связей, устойчивых к воздействию воды. Этому сближению способствует имеющая место при термообработке окислительная и гидролитическая деструкция целлюлозы, выражающаяся в снижении степени полимеризации целлюлозы. Укороченные макромолекулы целлюлозы приобретают большую подвижность и способность сближения друг с другом при образовании водородной связи.

Таким образом, основным процессом при термообработке древесины и древесно-волокнистых материалов является изменение фактора ориентации макромолекул целлюлозы и блокировка части гидроксилов клетчатки устойчивой к воде водородной связью.

Влияние тепловой обработки на механические свойства древесины изучалось в работах П. Н. Хухрянского, Сапожникова, П.В. Кононенко и А. А. Андреева и П. М. Смирдина Перечистые авторы наблюдали в общем различное снижение механи-лесКОй прочности древесины в зависимости от интенсивности об-работки, неодинаковое для разных показателей. Интересным -печи этих работ является наблюдение П. Н. Хухрянского над певесиной дуба, ясеня и сосны, показавшее, что древесина с повышенным содержанием влаги в процессе термообработки больше снижает свою механическую прочность по сравнению с более сухой древесиной. Присутствие большего количества воды в древесине при ее термообработке способствует более глубокому протеканию процесса гидролиза, с чем и связана, по-видимому, большая деструкция молекулярных цепей целлюлозы, а также и ослабление их поперечных связей. В работах, выполненных с древесно-волокнистыми плитами Энгелынтадтом, Эгландом и Эмильсоном, Бандом, а также Л. Н. Наткиной и Н. Я. Солечником, наблюдалось повышение прочности на излом твердых и полутвердых плит под влиянием термообработки на 30—40% по сравнению с исходными, не подвергавшимися термообработке. Такая разница в поведении с точки зрения изменения механической прочности плит и древесины, подвергнутых тепловой обработке, по нашему мнению, объясняется в первую очередь большей сухостью древесно-волокнистых плит (влажность не более 2%)в момент начала термообработки. Этим до некоторой степени ограничиваются процессы гидролиза и окисления древесных волокон, снижающие механическую прочность плит, повышение которой обеспечивается образованием новых поперечных связей, о которых сказано выше.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум