Производство древесноволокнистых плит

Раздел: Учебники

Виды древесного сырья. Основное сырье для производства древесноволокнистых плит — низкокачественная древесина и древесные отходы, перерабатываемые на технологическую щепу. Помимо древесины сырьем могут служить лубяные растения, имеющие волокнистое строение (тростник, камыш, стебли хлопчатника и др.); однако пока они не нашли применения в производстве плит в нашей стране.

Низкокачественной древесиной называют круглое древесное сырье, которое по своему качеству не может быть использовано как лесоматериал. К этому виду сырья относят древесное сырье для технологической переработки и древесное сырье тонкомерное.

Древесными отходами называют обрезки или остатки при переработке лесоматериалов. Например, во время лесозаготовок образуются лесосечные отходы, в лесопильном производстве — отходы лесопиления. Отходы получаются также при переработке пиломатериалов, в фанерном, целлюлозно-бумажном и лесохимическом производствах.

Древесное сырье для технологической переработки (круглая стволовая древесина) используют длиной от 1 до 6 м с градацией 1 м. Остатки обрезанных сучьев не должны превышать 50 мм. Сырье для древесноволокнистых плит может поставляться в расколотом виде толщиной не более 400 мм. Из круглой стволовой древесины (бревен) получают максимальный выход кондиционной щепы при небольшом количестве коры.

Древесное сырье тонкомерное круглое неокоренное с обрубленными ветками заготовляют длиной от 1 до 3 м, толщиной в верхнем отрубе 20 ... 60 мм. Получают этот вид сырья при проведении санитарных рубок, при прочистке и прореживании леса. При использовании соответствующих рубительных машин из этого вида сырья получается качественная щепа.

Кусковые отходы лесопиления — горбыли, рейки, обрезки досок, опилки — наиболее широко используют в производстве древесноволокнистых плит. Они характеризуются большим содержанием здоровой древесины, что позволяет получать плиты с высокими показателями физико-механических свойств. Отходы лесопиления используют длиной до 4,5 ... 6,5 м, но чаще отходы от лесопильных цехов поступают в производство древесноволокнистых плит в виде уже приготовленной технологической щепы. Опилки, получаемые в лесопилении, могут служить добавкой к щепе (в количестве до 10%). Для использования как самостоятельного вида сырья они требуют переработки на специальном размольном оборудовании.

Кусковые отходы деревообработки в производстве древесноволокнистых плит используют при их влажности 40% и более, так как при более низкой влажности трудно получить при размоле кондиционную древесноволокнистую массу.

Отходы фанерного производства — карандаши (остаток чурака после лущения), шпон-рванина — один из источников сырья для производства древесноволокнистых плит. Из карандашей, представляющих собой круглую древесину, изготовляют на рубитель- ных машинах кондиционную щепу. Шпон-рванина, получаемая при оцилиндровке чураков, перерабатывается на мелкие тонкие частицы, поддающиеся размолу на волокно.

Отходы целлюлозно-бумажного производства — грубые волокна, называемые «сучки», наряду с бумажной макулатурой могут служить добавкой к древесноволокнистой массе при производстве плит.

Отходы лесохимического производства — щепа дубильных заводов, после того как из нее экстрагированы (выделены) требуемые вещества, может быть направлена на изготовление древесноволокнистых плит.

Термин «отходы древесины» следует принимать условно, так как такие отходы — прекрасное вторичное сырье для производства древесных плит. Использование вторичного сырья и развитие производства древесных плит решает важнейшую задачу лесной отрасли— комплексного использования сырья, т. е. получение большего количества лесных материалов при том же объеме лесозаготовок.

Исходное древесное сырье в производстве древесноволокнистых плит превращается в технологическую щепу. К кондиционной технологической щепе предъявляются следующие требования.

При производстве древесноволокнистых плит мокрым способом предпочтение отдается хвойным породам древесины, при производстве древесноволокнистых плит сухим способом — лиственным. Чтобы понять преимущества и недостатки тех или иных пород древесины с точки зрения использования их в производстве древесноволокнистых плит, рассмотрим химическую и морфологическую (анатомическую) характеристики древесного сырья.

Химический состав древесины. Древесина, как любой биологический организм, состоит из клеток. Стенки клеток в основном (около 99%) состоят из органических соединений (углеводородов и их производных) и до 1% из минеральных веществ (простых элементов и неорганических соединений), которые при сжигании древесины образуют золу.

Органические вещества древесины подразделяют на три части: углеводную, ароматическую и экстрактивные вещества.

Углеводная часть представляет собой различные полисахариды— целлюлозу и гемицеллюлозу. В хвойной древесине углеводная часть составляет около 70%, а в лиственной — около 80%.

Макромолекулы целлюлозы CeHmOs построены из звеньев глюкозы, соединенных глюкозидными связями. Каждое элементарное звено глюкозы (за исключением звеньев, находящихся на концах макромолекулы) содержит три спиртовые гидроксильные группы. Поэтому формулу целлюлозы можно представить как [С6Н702(0Н)3]п. Таким образом, целлюлоза — это высокомолекулярное соединение (полимер), состоящее из большого числа повторяющихся звеньев. Молекулярная масса полимеров связана с числом элементарных звеньев в макромолекуле —степенью полимеризации (п или СП). Степень полимеризации природной древесной целлюлозы очень высокая и составляет около 600... 14 000. Она характеризует длину линейных макромолекул целлюлозы, а следовательно, механические свойства целлюлозы и получаемых из нее изделий, например бумаги, картона. Любой образец целлюлозы состоит из макромолекул различной длины, т. е. является полидисперсным. Поэтому степень полимеризации принято определять как среднюю величину.

Строение целлюлозы кристаллическое, однако наряду с кристаллической решеткой имеются и аморфные участки.

Целлюлоза — основной компонент древесины. Ее содержание в хвойной древесине 46 ... 54%, в лиственной — 41 ... 45%. Химические свойства целлюлозы определяются строением ее макромолекулы как полисахарида. Наибольший интерес из свойств целлюлозы представляют реакции ее деструкции (разрушение макромолекулы под каким-либо воздействием) и реакции функциональных групп.

Функциональными группами называют структурный фрагмент молекулы, определяющей его химические свойства. Для целлюлозы это, например, гидроксильные группы, способные активно вступать в реакцию. При гидролитической реакции (между веществом и водой) или окислительной (например, с кислородом) происходит разрыв глюкозидных связей в цепных макромолекулах целлюлозы с понижением степени полимеризации. Реакции функциональных групп могут проходить с получением различных сложных и простых эфиров целлюлозы, образуя новые искусственные полимеры. Эти свойства целлюлозы имеют важное значение при химико-механической переработке древесных волокон.

Углеводную часть древесины (целлюлозу вместе с гемицеллюло- зами) называют холоцеллюлозой. Холоцеллюлоза — это гидроли- зуемая часть древесины. При гидролизе (гидролитической деструкции) полисахаридов получаются моносахариды. По способности к гидролизу полисахариды подразделяют на трудногидролизуемые (целлюлоза) и легкогидролизуемые (гемицеллюлозы). Содержание гемицеллюлоз в древесине составляет 17... 43%. В лиственных породах древесины гемицеллюлоз примерно в 1,5 раза больше, чем в хвойных. Гемицеллюлозы содержат элементарные звенья моносахаридов из пяти и шести атомов углерода, т. е. звенья пентоз и гексоз. Поэтому гемицеллюлозы условно подразделяют на пенто- заны и гексозаны. Цепи гемицеллюлоз могут быть линейными и разветвленными. Они значительно короче цепей целлюлозы (СП примерно равно 100 ... 200). Из пентозанов (CsHeO^n в древесине наиболее распространены ксиланы. В меньших количествах содержатся арабинаны. Кси- ланы наряду с целлюлозой относятся к наиболее распространенным в природе полисахаридам.

Гексозаны (C6Hio05)n — это также полисахариды. Более всего вгексозанах древесины содержится маннанов: в хвойных породах— до 10%, в лиственных — не более 1%. Маннаны древесины — смешанные полисахариды обычно линеййого строения. Из гексоза- нов в древесине, кроме маннанов, встречаются различные галакта- ны и некоторые другие гексозаны.

В гидролизуемой части древесины присутствуют уроновые кислоты, пектиновые вещества. Последние представляют собой комплекс углеводов кислого характера, состоящий из арабинана, галактана и пектиновой кислоты.

Содержание пектиновых веществ в древесине составляет всего лишь 0,5 ... 1,5%, однако в молодых тканях растений и в коре их содержание может достигать 7... 16%. Пектиновые вещества древесины входят в состав межклеточного вещества. В период роста они придают растительным тканям необходимую прочность и эластичность.

Ароматическую часть древесины составляет лигнин, который представляет собой смесь ароматических полимеров. Ароматические соединения в своей структуре имеют бензольные кольца. Элементарными звеньями в макромолекулах лигнина служат фенил- пропановые структурные единицы Се — Сз — производные фенил- пропана.

Боковые цепи лигнина могут иметь различные функциональные группы, так как его структура лишена регулярности, характерной для других природных полимеров, например целлюлозы. Функциональными группами лигнина являются: метоксильные группы —ОСН3; гидроксильные группы —ОН; карбонильные группы

-с/" в небольшом количестве двойные (этиленовые) связи — .. \riU—сн=сн—.

Лигнин легко вступает в реакции, причем наблюдается одновременное протекание реакций нескольких типов, в которых участвуют ароматические кольца и имеющиеся функциональные группы. Наряду с реакциями функциональных групп, окислением лигнина, его гидролитической деструкцией идет и процесс конденсации лигнина. Реакциями конденсации лигнина называют реакции сшивания цепей, к которым у лигнина большая склонность.

Экстрактивные вещества древесины — это группа органических соединений, которая экстрагируется (извлекается) из древесины нейтральными растворителями: водой и различными органическими растворителями. К экстрактивным веществам относят: эфирные масла, смоляные и жирные кислоты, дубильные вещества.

При обработке древесины водой из нее извлекаются дубильные и пектиновые вещества, некоторые полисахариды и др., а при обработке органическими растворителями — жиры, смоляные и жирные кислоты, воски и др. Вещества, выделяемые из древесины при обработке органическими растворителями, принято называть смолами. В древесине хвойных пород смолы содержатся в количестве 2,55%, в основном в виде смоляных и жирных кислот. Содержание смол (в основном жирных кислот) в лиственных породах очень мало (около 1%).

В древесине хвойных пород содержится больше лигнина и меньше гемицеллюлозы, чем в древесине лиственных. Хвойные породы содержат больше гексозанов и меньше пентозанов, чем лиственные. Это следует учитывать при разработке технологического режима получения древесноволокнистых плит.

Минеральные вещества, или неорганическая часть древесины, выделяются в виде золы при сжигании дерева. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы, большая часть которых (75 ... 90%) нерастворима в воде. Из нерастворимых наиболее распространены соли кальция, из растворимых щелочных — поташ и сода.

Аяатомическое строение древесины и строение клеточных стенок. Рост древесины осуществляется за счет деления клеток камбия. Камбий — слой живых клеток, лежащих между собственно древесиной, ее внешним слоем и внутренним слоем коры (лубом). Деление клеток камбия происходит после того, когда клетки камбия увеличиваются в размерах. В результате новые наружные клетки образуют камбиальный слой, а у внутренних клеток утолщаются стенки и начинается процесс одревеснения, т. е. отложение в них лигнина (лигнификация). Эти одревесневшие клетки образуют годичные слои, ширина которых зависит от породы древесины и условий произрастания.

В годичном кольце наблюдаются две части: ранняя (весенняя) и поздняя (осенняя) древесина. Поздняя древесина плотнее й обычно темнее ранней. По мере нарастания годичных слоев старые клетки отмирают. Центральную часть древесины, содержащую основную массу годичных слоев, называют ядровой древесиной (ядром). Периферическую часть древесины, лежащую между ядровой древесиной и камбием, называют заболонной древесиной (заболонью).

Анатомические элементы древесины — это в основном (90 ... 95%) уже отмершие прозенхимные клетки, которые придают древесине волокнистое строение и выполняют механические и проводящие функции. Длина таких клеток во много раз больше ширины. К прозенхимным клеткам относятся главным образом трахеиды (хвойных пород), клетки либриформа и сосуды (лиственных пород). Древесина содержит и другой вид клеток — это живые па- ренхимные клетки, выполняющие запасающие функции. Форма таких клеток округлая, а длина и ширина их примерно одинаковы.

Трахеиды —основной элемент древесины хвойных пород, занимающий более 90% общего объема древесины. Трахеиды, образующиеся весной, имеют широкие полости и тонкие стенки, а образующиеся осенью — более узкие полости и толстые стенки. Широкополостные весенние трахеиды служат водопроводя- щими элементами древесины, а толстостенные осенние трахеиды придают механическую прочность стволу.

Клетки либриформа, или древесные волокна,— основной элемент (до 75%) древесины лиственных пород. Либри- форм — это механическая ткань лиственной древесины, представляющая собой широкополостные сосуды, волокнистые и сосудис

тые трахеиды. Водопроводящие функции выполняют сосуды и сосудистые трахеиды. Сосуды — это длинные трубки, состоящие из члеников — отдельных коротких клеток длиной 0,23... 0,58 мм.

Размеры трахеид хвойных пород и волокон лиственных пород приведены в табл. 6.

Древесная паренхима, состоящая из парен- химных клеток и обеспечивающая хранение питательных веществ, особенно развита у древесины лиственных пород, сбрасывающих листву на зиму (более 8% общего объема древесины). У хвойных пород содержание паренхимных клеток составляет всего 3...5%. Это объясняется тем, что часть запасов питательных веществ, используемых деревом весной, хранится в хвое.

В стенках трахеид и сосудов располагаются простые и окаймленные поры. Поры не являются свободными отверстиями: в них сохраняется тонкая первичная стенка (мембрана). Каждой поре одной клетки соответствует пора соседней клетки, т. с. всегда существует пара пор. Разделяющая поры мембрана пронизана мельчайшими отверстиями. В живых клетках эти отверстия заполнены тончайшими нитями протоплазмы, соединяющими содержимое клеток в единое целое. Клетки либриформа имеют простые щеле- видные поры. Полости клеток либриформа очень узки, поэтому они плохо проводят воду.

Первичные стенки-оболочки Р двух смежных клеток соединены межклеточным веществом М (срединной пластинкой) и настолько срастаются, что их трудно различить. Считается, что в смежных первичных стенках и межклеточном веществе (Р + М + Р) содержится 60            90% лигнина с примесью пектиновых веществ.

Вторичная стенка 5 состоит из трех слоев: наружного 5 i, среднего 5 2 (самого толстого) и внутреннего 5 э. Содержание лигнина в направлении от первичной стенки до внутреннего слоя вторичной стенки постепенно уменьшается. Считают, что у хвойной древесины в слое 53 лигнин составляет 20... 10%, а у лиственных пород он отсутствует. Целлюлоза в основном располагается в слое S2 — до 85% углеводной части. В первичной стенке содержание целлюлозы вдвое меньше, а в слое 5з незначительно. Предполагают, что наибольшее содержание гемицеллюлоз в слое 5з и оно снижается в направлении к первичной стенке.

Микроскопическое изучение структуры клетки выявило однородность (гомогенность) межклеточного вещества и фибриллярную (волокнистую) структуру стенок клеток. При механической обработке стенки распадаются на тонкие целлюлозные волоконца, называемые фибриллами, которые в свою очередь могут распадаться при химической обработке на более тонкие микрофибриллы.

Целлюлозные микрофибриллы в стенке клетки заключены в аморфной массе гемицеллюлоз и лигнина и создают как бы остов, обеспечивающий механическую прочность стенки. Вместе с тем все компоненты древесины связаны один с другим. Образуя между собой химические связи, они создают единую древесную ткань. Клеточная и фибриллярная структура древесины позволяет делить ее на волокна и отдельные фрагменты, из которых формируется древесноволокнистый ковер — основа изготовляемой древесноволокнистой плиты.

Технологическое значение химического и анатомического состава древесины. Ознакомившись с химическим и анатомическим составом древесины, важно понять технологическое значение тех или иных показателей и характеристик.

Физико-механические свойства древесноволокнистых плит во многом определяются целлюлозным скелетом. Содержание целлюлозы в древесине хвойных пород выше, чем у лиственных. В процессе производства древесноволокнистых плит очень важным условием является сохранение собственной прочности древесных волокон, которая определяется прочностью целлюлозного скелета.

Древесина в процессе изготовления из нее древесноволокнистых плит подвергается механическим и тепловым воздействиям, во время которых она становится пластичной и в ней происходят химические и структурные изменения. Это позволяет сблизить волокна, установить между ними необходимые связи, добиться образования новой структуры, обеспечивающей требуемые свойства создаваемого плитного материала.

При переработке древесина становится пластичной как за счет введения в древесные частицы (древесноволокнистую массу) пластификаторов, так и за счет продуктов деструкции (разрушения) компонентов древесины (гемицеллюлозы, лигнина и частично экстрактивных веществ), образующихся при термообработке в присутствии воды. В первом случае процесс идет за счет внешних пластификаторов, во втором — внутренних пластификаторов, а саму пластификацию условно называют «внешней» и «внутренней».

В производстве древесноволокнистых плит в качестве внешнего пластификатора используют главным образом воду, в качестве внутреннего пластификатора — компоненты гемицеллюлоз и лигнина. Умелое использование химического состава древесины и оптимальный выбор режимов механической и тепловой обработки с учетом этого состава позволяют получить плиты с наилучшими свойствами.

Анатомический состав древесины также имеет значение при оценки качества древесного сырья и выборе технологии производства плит.

В мокром способе производства древесноволокнистых плит предпочтение отдается древесине хвойных пород, что объясняется длинноволокнистым строением древесной ткани, возможностью получения ковра с хорошо переплетенным волокнистым каркасом, максимальным выходом древесной массы при размоле из-за малого содержания легкогидролизуемых полисахаридов. Кроме того, высокое содержание смол в составе экстрактивных веществ, вероятно, позволяет не применять в производстве древесноволокнистых плит связующего или применять в очень малом количестве (около 0,5% от абсолютно сухой массы древесины).

В сухом способе производства древесноволокнистых плит предпочтение отдается древесине лиственных пород, что объясняется условиями воздушного формирования ковра, когда мелкие

древесные волокна, примерно одинаковые по размерам, могут быть равномерно распределены в воздушном потоке по всей площади формирования, обеспечивая наименьшее колебание плотности и других показателей физико-механических свойств плит. Более слабые межволоконные связи в прессуемом древесноволокнистом полотне требуют большего количества вводимого связующего (в среднем 4,5 ... 6% от абсолютно сухой массы древесины) для получения необходимых прочностных показателей плит. На предприятиях используют все поставляемые породы древесины, что усложняет технологический процесс и требует корректировки режимных параметров. Особенности ведения процесса при различной характеристике древесного сырья должны быть учтены на отдельных участках технологического процесса.