ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Целлюлоза, как видно из табл. 3, является основным веще­ством древесины, обеспечивающим ее упругость и механическую прочность.

Молекулы целлюлозы объединены в так называемые мицеллы, которые в свою очередь образуют фибриллы.

Между фибриллами и мицеллами целлюлозы, обладающей коллоидными свойствами, могут размещаться вода н ионизирован­ные растворы.

Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воз­действиям. Кратковременное нагревание до 200° С не вызывает ее разложения.

Процес разложения целлюлозы начинается лишь при 275° С. При определенных условиях целлюлоза гидролизуется, превра­щаясь в моносахариды.

Лигнин обеспечивает повышенную твердость и жесткость дре­весины. Он является коллоидным веществом и при определенных условиях приобретает функции связующего вещества. При на­греве лигнин приобретает свойства пластичности. Присутствие в лигнине гидроксильных групп и их взаимодействие с едкими ще­лочами ведет к образованию соединений типа фенолятов. Присухой перегонке лигнина образуется фенол, состоящий в основном из двух - и трехатомиых фенолов и их производных.

Гем и целлюлозы состоят из смеси полисахаридов. Они легко гидролизуются слабыми кислотами и экстрагируются сла­быми растворами щелочей.

Пентозаны при гидролизе дают пентозы — сахара, которые в процессе брожения образуют спирт. Пентозаны усиливают эла­стичность и гибкость древесины. Пентозаны и гексозаны, являясь коллоидными веществами, при нагреве в воде приобретают свой­ства клеящих веществ.

В некоторых клетках древесины и коры содержатся смолы. По данным К. Н. Короткова [32], содержание смол в сосне со­ставляет 6,4, в ели 1,9, березе 1,2, осине 1,5% от веса абсолютно сухой древесины. По виду и составу смолы подразделяются на три группы: собственно смолы в твердом виде, бальзамы, или жидкие смолы, и, наконец, камеди, которые содержат растворимые в воде гуммиобразные вещества и дают коллоидные растворы клеящего типа.

Смолы хорошо растворяются в спирте, ацетоне и водных рас­творах щелочен. При нагревании они плавятся, превращаясь в пла­стическую массу, затвердевающую при охлаждении. Это свойство смол используют при прессовании измельченных отходов без до­бавления связующих веществ.

Во время прессования нагретой древесной массы расплавленные смолы заполняют пространства между древесными частицами.

Дубильные вещества (танниды) содержатся в древесине дуба (в ядровой части больше, чем в заболони), в коре сосны и ели. Подвергнутые окислению и конденсации, они превращаются в нерастворимые в воде вещества — флобабены. Такой процесс происходит при нагревании измельченной древесины и коры в пе­риод сушки и прессования при высокой температуре без доступа воздуха.

В результате проведенных в СССР и за рубежом исследовании установлено, что чем выше температура и давление прессования и продолжительнее их воздействие на измельченную древесную массу, тем значительнее физико-химические изменения, происхо­дящие в ней.

Результаты исследований влияния нагревания древесины на из­менение ее химического состава, проведенные П. А. Иссинским [20J в ЦНИЛХИ, даны в табл. 5.

Лигнин

На основе исследований, проведенных ЦНИЛХИ, установлено, что при нагревании древесины до 150° С химический состав ее почти не изменяется. При нагревании от 150 до 200° С происходит распад углеводов с образованием продуктов, растворимых в ед­ком натре и спиртобензоле. При нагревании древесины до 250° С одни продукты распада превращаются в летучие вещества, а дру­гие конденсируются в высокомолекулярные вещества. Длительное воздействие тепла вызывает химические изменения даже при 100° С. Скорость этих изменений возрастает при 170—200° С.

С повышением температуры обработки древесины увеличи­вается выход сахара. По данным В. И. Шаркова [74],, при гидро­лизе сосновой древесины 1 % - ной серной кислотой при 160° С ко­личество сахара не превышает 28%, а при 200°С — 42%. Чем выше температура обработки, тем меньше времени требуется для получения максимального количества сахара.

При обработке древесины горячей водой или паром под давле­нием лигнин переходит в раствор, образуя коллоидный лигнин, который при высокой температуре размягчается, превращаясь в смолообразное пластичное вещество. Смолы, входящие в состав частично гидролизованной древесины, обладают термореактивными свойствами. Повышение пластичности древесины и способность ее продуктов к термореактивному превращению достигаются частич­ным гидролизом при обработке горячей водой, водяным паром или разбавленной кислотой под давлением.

На изменение химического состава древесины, как показали исследования, помимо температурных факторов, большое влияние оказывает влажность древесного сырья, удельное давление и про­должительность прессования материала. При повышенной влаж­ности древесины процесс гидролиза более интенсивен и сопровож­дается поликонденсацией продуктов распада. С увеличением дав­ления прессования от 25 до 400 кгсісм2 при высокой температуре скорость химических процессов в древесной массе увеличивается.

Многие строительные материалы и изделия из древесных от­ходов изготовляются с применением цемента в качестве вяжущего. Еще в 20-х годах в результате проводимых исследований было отмечено, что древесина содержит вещества, отрицательно влияю­щие на процессы твердения изделий на основе цемента. К ним от­носятся в первую очередь гемицеллюлозы, крахмал и экстрактив­ные вещества.

Так как цементное тесто представляет собой щелочную среду с рН И—12. способность гемицеллюлозы гидролизоваться ще­лочью и переходить в сахара, растворимые в воде, отрицательно влияет на процесс твердения изделий, изготовляемых из древес­ных отходов на основе цемента.

В зимнее время года крахмал, находящийся в древесине, пре­вращается в сахара и масла, являющиеся питательной средой для растения. Масла — смесь жиров пальметина и стеарина — способны образовывать тонкие пленки на поверхности древесных частиц, препятствующих их сцеплению с цементным тестом.

Дубильные вещества, или танниды, некоторые растворимые моносахара, органические кислоты, минеральные соли и кислоты, жирные и смоляные кислоты и др. являются экстрактивными ве­ществами. При экстрагировании водой из древесины извлекаются дубильные и сахаристые вещества, органические кислоты, мине­ральные соли, причем дубильные вещества извлекаются лишь го­рячей водой, а жиры, смолы, воски, эфирные масла могут быть
выделены только органическими растворителями (серным эфиром, спиртом и др.).

Наибольшую опасность для легких бетонов с древесным запол­нителем представляют растворимые в воде сахара (сахароза, глю­коза, фруктоза и т. д.), которые легко диффундируют через стенки клеток древесины и вымываются водой. Наибольшее количество редуцирующих "Сахаров находится в осине, наименьшее — в ели. В ветвях ели содержится в 3,5 раза больше водорастворимых ве­ществ, чем в других частях дерева. В основании ствола сосны и осины содержится значительно больше Сахаров, чем в середине ствола. Неодинаковое содержание растворимых в воде Сахаров в древесине различных пород по-разному влияет на цементное тесто, вступающее в контакт с древесными частицами. Это поло­жение подтверждается результатами опытов Т. Ваврнна [86], изу­чавшего сроки схватывания цементно-опнлочной смеси. Как видно из табл. 6, наимень­шие сроки схватывания с це­ментом наблюдаются у опи­лок слн, наибольшие — лист­венницы.

Экстрактивных веществ вы­деляется в цементное тесто значительно меньше, чем саха­ристых. Интенсивность по­ступления экстрактивных ве­ществ ослабевает с момента начала схватывания цемента и прекращается к концу периода схватывания. Отрицательное дей­ствие экстрактивных веществ на цементное тесто проявляется в значительно меньшей стеиеии, чем действие Сахаров.

Для локализации водорастворимых веществ древесину обраба­тывают физическим или химическим способами. К физическим способам обработки относятся воздействие на древесину кисло­рода (окисление), солнечных лучей, тепла и воды. Химическая локализация достигается путем обработки древесных частиц спе­циальными веществами для перевода Сахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, а также для создания на поверхности древесных частиц непроницаемых пленок.

Наиболее простой способ локализации водорастворимых ве­ществ— их окисление в естественных условиях. При выдержива­нии древесины на воздухе, особенно под солнечными лучами, ду­бильные вещества окисляются и впитываются в стенки древесных клеток. Водорастворимые сахара подвергаются действию различ­ных бактерий, бродят и частично окисляются, а также остекловы - ваются в процессе высыхания или кристаллизуются, переходя в нерастворимые формы. В гемицеллюлозах в процессе выдержи­вания уменьшается количество легкогидролпзуемых веществ, ко­торые переходят в лигнины.

Заказ № 2

В. Сареток [85] считает возможным ускорять естественный про­цесс окисления древесных частиц добавлением к ним катализато­ров, например некоторых видов бактерий или неорганических со­лей, дающих щелочную реакцию, так как в щелочной среде сахара быстро окисляются.

Основной недостаток локализации водорастворимых веществ древесины в естественных условиях—длительность процесса. К физическим способам локализации относится также обработка древесины водой. Например, в сплавном лесе содержится значи­тельно меньше водорастворимых Сахаров, чем в древесине, до­ставленной железнодорожным транспортом. В древесине, длитель­ное время находящейся под дождем, водорастворимых веществ значительно меньше, чем в древесине, находящейся под навесом. Значительный эффект можно получить путем вымачивания из­мельченных древесных отходов в специальных бассейнах.

Несмотря на действенность физических способов обработки древесины, осуществить их в производственных условиях трудно в связи с отсутствием необходимых складских площадей. В на­стоящее время более широкое распространение получили различ­ные химические способы обработки древесины, иногда в сочетании с физическими. Например, в Англии предложен способ, включаю­щий кипячение древесных частиц в течение 10 мин и промывку их в воде для удаления водорастворимых Сахаров и последующее ки­пячение в 20%-ном растворе железного купороса (с промывкой в воде) для осаждения таннидов с помощью сульфата железа.

Не менее эффективно вымачивание древесных частиц в течение 5—24 ч в жидком стекле, последующая их промывка и просушка. Один из способов локализации водорастворимых веществ вклю­чает в себя кипячение древесных частиц в растворе буры, после­дующее обезвоживание в центрифугах и двухчасовую обработку в кипящем растворе хлористого железа, а затем в растворе уксус­нокислого глинозема. Однако все эти способы обработки очень сложны. В настоящее время для нейтрализации цементных ядов пользуются обычной пропиткой (минерализацией) древесных ча­стиц одним каким-либо раствором непосредственно перед смеши­ванием этих частиц с цементом Т. Ваврин [86] рекомендует при­менять в качестве минерализатора древесных частиц 4—10%-ный раствор хлорной извести или глиняное молоко. А. Карлсон [82] предлагает пропитывать древесину в течение 5—10 мин 1—2%-ным раствором хлорной извести.

Однако наибольшее распространение в нашей стране и за ру­бежом получил способ обработки древесных частиц растворами хлористого кальция и жидкого стекла. Жидкое стекло обеспе­чивает быстрое твердение изделий, но конечная прочность их снижается примерно вдвое по сравнению с прочностью изделий, минерализованных хлористым кальцием. Исследованиями, прове­денными ВНИИНСМ, было доказано, что хлористый кальций поз­воляет получать изделия высокого качества только в случае исполь­зования выдержанной древесины хвойных пород, в то время как

Жидкое стекло и сернокислый глинозем дают возможность исполь­зовать древесину любой породы и с любой степенью выдержки.

Локализация древесных ядов сернокислым глиноземом заклю­чается в юм, что древесные сахара под его воздействием частично переводятся в безвредные для цемента вещества, а частично ад­сорбируются на поверхности дисперсных частиц глинозема. Жид­кое стекло воздействует на сахара, как щелочь, а также образует на поверхности древесных частиц пленки кремневой кислоты, ко­торые препятствуют проникновению экстрактивных веществ в це­мент. Хлористый кальций, осаждая таиинды, также локализирует их действие на цемент.

Хлористый кальций, жидкое стекло и сернокислый глинозем — ускорители схватывания и твердения цемента. Благодаря ускоре­нию процесса схватывания сокращается период взаимодействия водорастворимых веществ древесины с цементом, что ведет также к снижению отрицательного влияния древесных ядов.