Курсовая работа: Строение, основные свойства и применение древесины

У кольцесосудистых лиственных пород годичные слои хорошо заметны из-за резкого различия между ранней и поздней древесиной. У лиственных рассеяннососудистых пород такого различия между ранней и поздней древесиной не наблюдается и поэтому годичные слои заметны плохо.

У лиственных кольцесосудистых пород мелкие сосуды в поздней древесине образуют следующие типы группировок: радиальная – в виде светлых радиальных полос (рисунок 14,а.) дуб, каштан; тангенциальная – мелкие сосуды образуют светлые волнистые линии, расположенные параллельно границе годичного слоя (рисунок 1.4,б) – ильм, вяз, карагач; рассеянная – мелкие сосуды в поздней древесине собраны в светлые точки или черточки (рисунок 1.4,в). На радиальном и тангенциальном разрезах крупные сосуды имеют вид продольных бороздок. Диаметр крупных сосудов колеблется от 0,2 до 0,4 мм, мелких – от 0,015 до 0,1 мм. Длина сосудов чаще бывает не более 10 см, но у дуба достигает нескольких метров. Объем сосудов в зависимости от породы колеблется от 7 до 43 %.

Сосуды понижают прочность древесины, так как являются слабыми элементами. Они облегчают проницаемость древесины жидкостями и газами в продольном направлении.

Рисунок 1.4 – Типы группировок мелких сосудов в древесине лиственных пород: а – радиальная (дуб), б – тангенциальная (ильм), в – рассеянная (ясень), г – расположение сосудов у лиственных рассеянососудистых пород.

Смоляные ходы. Характерная особенность строения древесины хвойных пород – смоляные ходы. Различают смоляные ходы вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные проходят по сердцевинным лучам. Вертикальные смоляные ходы – тонкие узкие каналы, заполненные смолой. На поперечном разрезе вертикальные смоляные ходы видны в виде светлых точек, расположенных в поздней древесине годичного слоя; на продольных разрезах смоляные ходы заметны в виде темных штрихов, направленных вдоль оси ствола. Количество и размер смоляных ходов зависят от породы древесины. У древесины сосны смоляные ходы крупные и многочисленные, у древесины лиственницы – мелкие и немногочисленные.

Смоляные ходы занимают небольшой объем древесины ствола (0,2-0,7%) и поэтому не оказывают существенного влияния на свойства древесины. Они имеют значение при подсочке, когда из растущих деревьев получают смолу (живицу).

По количеству смоляных ходов на первом месте стоит сосна, далее следует кедр, затем лиственница и ель. У двух последних смоляные ходы занимают не более 0,2 % общего объема древесины. Однако и у пород с крупными и многочисленными смоляными ходами они занимают менее 1 % общего объема древесины.

1.3 Микроскопическое строение древесины

Микроскопическое строение древесины. Исследование древесины под микроскопом показывает, что она состоит из мельчайших частичек – клеток, преимущественно (до 98%) мертвых. Растительная клетка имеет тончайшую прозрачную оболочку, внутри которой находится протопласт, состоящий из цитоплазмы и ядра.

Клеточная оболочка у молодых растительных клеток представляет собой прозрачную, эластичную и весьма тонкую (до 0,001 мм) пленку. Она состоит из органического вещества – клетчатки, или целлюлозы.

По мере развития, в зависимости от функций, которые призвана выполнять та или иная клетка, размеры, состав и строение ее оболочки существенно изменяются. Наиболее частым видом изменения клеточных оболочек является их одревеснение и опробкование.

Одревеснение клеточной оболочки происходит при жизни клеток в результате образования в них особого органического вещества – лигнина. Одревесневшие клетки или совсем прекращают рост, или увеличивают размеры в значительно меньшей степени, чем клетки с целлюлозными оболочками.

Целлюлоза в клеточной оболочке представлена в виде волоконец, которые называются микрофибриллами. Промежутки между микрофибриллами заполнены в основном лигнином, гемицеллюлозами и связанной влагой.

В процессе роста клеточные оболочки утолщаются, при этом остаются неутолщенные места, называемые порами. Поры служат для проведения воды с растворенными питательными веществами из одной клетки в другую.

Виды клеток древесины. Клетки составляющие древесину, разнообразны по форме и величине. Различают два основных вида клеток: клетки, имеющие длину волокон 0,5-3 мм, диаметр 0,01-0,05 мм, с заостренными концами – прозенхимные и клетки меньших размеров, имеющие вид многогранной призмы с примерно одинаковыми размерами сторон (0,01-0,1 мм), - паренхимные.

Паренхимные клетки служат для отложения запасных питательных веществ. Органические питательные вещества в виде крахмала, жиров и других веществ накапливаются и хранятся в этих клетках до весны, а весной они направляются в крону дерева для образования листьев. Ряды паренхимных клеток расположены у дерева по радиусу и входят в состав сердцевинных лучей. Количество их в общем объеме древесины незначительно: у хвойных пород 1-2%, у лиственных – 2-15%.

Основная масса древесины всех пород состоит из клеток прозенхимных, которые в зависимости от выполняемых ими жизненных функций разделяются на проводящие и опорные или механические. Проводящие клетки у растущего дерева служат для проведения из почвы в крону воды с растворами минеральных веществ, опорные создают механическую прочность древесины.

Ткани древесины. Клетки одинакового строения, выполняющие одни и те же функции, образуют ткани древесины.

В соответствии с назначением и видом клеток, из которых состоят ткани, различают: запасающие, проводящие, механические (опорные) и покровные ткани.

Запасающие ткани состоят из коротких запасающих клеток и служат для накопления и хранения питательных веществ. Запасающие ткани находятся в стволе и корнях.

Проводящие ткани состоят из вытянутых тонкостенных клеток (сосудов, трубок), через которые влага, впитанная корнями, проходит к листьям.

Длина сосудов в среднем около 100 мм; у некоторых пород, например у дуба, сосуды достигают 2-3 м длины. Диаметр сосудов колеблется от сотых долей миллиметра (у мелкососудистых пород) до 0,5 мм (у крупнососудистых).

Механические ткани (опорные) находятся в стволе. Эти ткани придают устойчивость растущему дереву. Чем больше этой ткани, тем древесина плотнее, тверже, прочнее. Механические ткани называют либриформом.

Покровные ткани находятся в коре и выполняют защитную роль.

Строение древесины хвойных пород. Древесина хвойных пород отличается сравнительной простотой и правильностью строения. Основную ее массу (90-95 %) составляют расположенные радиальными рядами вытянутые клетки с кососрезанными концами, называемые трахеидами. В стенах трахеид имеются поры, через которые они сообщаются с соседними клетками. В пределах годичного слоя различают ранние и поздние трахеиды. Ранние трахеиды образуются весной и в начале лета, имеют тонкие оболочки с порами, широкие полости и служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. У ранних трахеид размер в радиальном направлении больше, чем в тангентальном. Концы ранних трахеид имеют закругленную форму.

Поздние трахеиды образуются в конце лета, имеют узкие полости и толстые клеточные оболочки, поэтому выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. Размер по радиальному направлению меньше, чем по тангентальному.

Количество пор на стенках ранних трахеид примерно в 3 раза больше, чем на стенках поздних трахеид. Трахеиды являются мертвыми клетками. В стволе растущего дерева только вновь образующийся годичный слой содержит живые трахеиды.

Сердцевинные лучи у хвойных пород узкие, слабо заметные или вовсе не заметные простым глазом. Они состоят преимущественно из паренхимных клеток.

Древесная паренхима у хвойных пород распространена мало и представляет собой вытянутые по длине ствола единичные паренхимные клетки или клетки, соединенные в длинные ряды, идущие вдоль оси ствола. Древесной паренхимы нет у тиса и сосны.

Строение древесины лиственных пород. По сравнению с хвойными породами лиственные имеют более сложное строение. Основной объем древесины лиственных пород составляют сосуды и сосудистые трахеиды, волокна либриформа, паренхимные клетки.[19]

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

2.1 Химические свойства древесины

Химический состав древесины и коры. Древесина в основном состоит из органических веществ. Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины (высушенной при 103оС) содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3 % азота.

Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Количество золы в древесине около 0,2-1 %. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде. Среди растворимых первое место занимают щелочные – поташ и сода, а из нерастворимых – соли кальция.

Химические элементы образуют сложные органические соединения. Главные из них – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, входящие в состав клеточных стенок древесины. Остальные вещества называются экстрактивными. Это смолы, дубильные и красящие вещества.

Кора по элементарному составу мало отличается от древесины, но в ней больше минеральных веществ. Химический состав коры некоторых пород приведен в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1 – Химический состав коры, %

* Включая гексаны

Из данных таблицы 2.1 видно, что соотношение между основными органическими веществами в коре иное, чем в древесине, здесь значительно меньше целлюлозы. Кроме того, в наружной части коры содержится суберин, которого нет в древесине.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер – полисахарид. Формула целлюлозы (С6Н10О5)n, где n – степень полимеризации. В клеточной стенке целлюлоза находится в соединении с другими веществами. Целлюлоза – вещество белого цвета, плотность 1,54-1,58 г/см3. В древесине хвойных пород целлюлозы содержится больше (41-58 %), чем в древесине лиственных пород (39-47 %).

Целлюлоза очень стойкое вещество, не растворяется в воде, спирте, эфире, ацетоне. На этом свойстве основаны промышленные способы получения целлюлозы из древесины.

Лигнин – высокомолекулярное соединение ароматической природы, плотность 1,25-1,45 г/см3. Лигнин по сравнению с целлюлозой содержит большее количество углерода (целлюлоза 44 %, лигнин 60-65 %) и меньше кислорода. Лигнин менее стойкое вещество, при нагревании растворяется в щелочах и кислотах, находит применение в виде пылевидного топлива, в производстве крепителей формовочных земель в литейном деле, пластических масс, ванилина, активированного угля и др.

Гемицеллюлозы объединяют группу полисахаридов, входящих в состав клеточной стенки, но отличающихся от целлюлозы химическими и физическими свойствами. В группу гемицеллюлоз входят пентозаны и гексозаны. По сравнению с целлюлозой у гемицеллюлоз невысокая степень полимеризации, чем и объясняется повышенная растворимость их в разбавленных щелочах и легкая гидролизуемость.

Содержание указанных веществ в древесине хвойных и лиственных пород приведено в таблице 2.2 [2].

Таблица 2.2- Содержание органических веществ в древесине хвойных и лиственных пород

Из данных таблицы 2.2 видно, что наибольшее количество целлюлозы, лигнина и гексозанов содержат хвойные породы, а гемицеллюлозы и пентозанов – лиственные породы.

Экстрактивные вещества получают путем экстракции водой и органическими растворителями. Водой извлекаются из древесины дубильные вещества, камеди и красящие вещества. Активную часть дубителей составляют таниды. Они содержатся в ядре дуба (6-11 %) и каштана (6-13 %), а также в коре ивы, лиственницы, дуба, ели, пихты (от 5 до 16 %). Дубильные вещества растворимы в воде и спирте, легко окисляются в присутствии щелочей. Дубильные вещества используются в кожевенной промышленности при выделке кож из сырых шкур животных. Это придает коже стойкость против гниения, эластичность, способность не разбухать.

Камеди представляют собой водорастворимые смолы. Красящие вещества желтого, коричневого, красного и синего цвета содержатся в полостях клеток древесины (больше в ядре) и коры.

Суберин. Это смесь веществ, включающая органические кислоты и их метиловые эфиры. Суберин находится только в коре и вызывает опробковение клеточных стенок корки.

Химический состав древесины основных пород приведен в таблице 2.3 [2].

Таблица 2.3 – Химический состав древесины основных пород, %

Из данных таблицы 2.3 видно, что древесина хвойных пород отличается несколько большим содержанием целлюлозы, а лиственных – высоким содержанием пентозанов.

Получение и использование целлюлозных материалов. В основе ряда широко применяемых материалов лежит целлюлоза. Ее можно получить, удалив из клеточных стенок древесины все остальные вещества. В процессах варки, воздействуя на древесину различными агентами, растворяют сопровождающие вещества, отличающиеся меньшей химической стойкостью.

В промышленности используют кислотные, щелочные и нейтральные способы получения целлюлозы.

Кислотные способы. К этой группе относят сульфитный и бисульфитный способы. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных пород (ели, пихты) и ряда лиственных пород.

Короткие окоренные бревна (балансы) на рубильных машинах перерабатываются в щепу. Щепа загружается в вертикальные варочные котлы вместимостью до 400 м3. В котел подается сульфитная варочная кислота, представляющая собой раствор сернистой кислоты, содержащий некоторое количество бисульфита кальция Ca (HSO3)2. Кальциевое основание (CaO) может быть заменено магниевым, натриевым или аммонийным. Варка ведется при 130-150оC и давлении 0,5-1 МПа в течение 5-12 часов. В результате варки получают целлюлозу и перешедшие в раствор органические вещества – сульфитный щелок. Целлюлозу промывают, очищают от сучьев, щепы, песка; отбеливают хлорсодержащими веществами. На специальных машинах целлюлозу обезвоживают и превращают в плотную ленту, которую затем разрезают на листы и упаковывают в пачки. В таком виде техническая целлюлоза поступает на бумажные фабрики и другие предприятия.

Сульфитный щелок используется для получения путем биохимической переработки белковых кормовых дрожжей, этилового спирта и других продуктов. Химической переработкой из щелока можно получить ванилин, фенолы, ароматические кислоты.

Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород. Варка щепы проводится в водном растворе бисульфата натрия, магния или аммония. Оборудование и технология во многом похожи с применяемыми при сульфитном способе. Однако температура процесса варки выше (155-165оС).

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5