книги из ГПНТБ / Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины

Глава 1

ВОПРОСЫ СТАТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ

Клетки древесины ограничиваются одревесневшими оболочками (стенками). Полости клеток, связанные друг с другом, формируют вместе со свободными пространствами оболочек сложную капил­ лярно-пористую структуру, проницаемую для жидкостей и газов. Вместе с тем эластичность целлюлозы (основного вещества стенок клеток), обладающей коллоидными свойствами, позволяет отнести древесину к категории коллоидных капиллярно-пористых мате­ риалов.

Существенное значение для выяснения механизма взаимодейст­ вия древесины с влагой имеет изучение строения клеточной обо­ лочки. В сформировавшейся оболочке клетки различают (рис. 1.1.1) тонкую первичную и массивную вторичную стенки. Последняя в свою очередь состоит из трех слоев: толстого среднего и двух бо­ лее тонких: внешнего, примыкающего к первичной стенке, и внут­ реннего, выстилающего полость клетки изнутри.

Первичная стенка состоит из лигнина и небольшого количества целлюлозы, внешний и средний слои вторичной стенки — из целлю­ лозы, гемицеллюлоз и лигнина, внутренний слой — из целлюлозы и гемицеллюлоз, межклеточное вещество в одревесневшей клетке —

Целлюлоза является полисахаридом, нерастворима в воде, но способна впитывать ее и разбухать до определенных размеров, об­ разуя ограниченно набухающий гель. Гемицеллюлозы по химиче­ ским свойствам стоят близко к целлюлозе, но менее стойки. Лиг­ нин— полимер с высоким содержанием углерода, нерастворим в воде. Рентгенограмма лигнина показывает его аморфное строение. Пектины также аморфны и растворимы в горячей воде [1].

Структура клеточных оболочек в основном определяется присут­ ствием целлюлозы, состоящей из длинных цепных молекул. Не-

4

смотря на то, что формула целлюлозы (С 6 Ню05)„ является общеиз­ вестной, в вопросе о строении целлюлозы существуют две теории: мицеллярная и аморфная. Мицеллярная теория в ее чистом виде, исходившая из кристаллического строения целлюлозы, якобы сплошь состоящей из мицелл, имеющих реальные замкнутые по­ верхности раздела, практически отвергнута. В целлюлозе бес-

зы, что доказывается, например, наличием в ней пьезоэффекта, обна­ руженного акад. А. В. Шубниковым и детально изученного В. А. Ба­ женовым [2].

По современным воззрениям [3], тонкое строение клеточной обо­ лочки можно представить следующим образом (рис. 1.1.2). Моле­ кулы целлюлозы 3, имеющие максимальный диаметр примерно 8 А, соединяясь (до 100 молекул), образуют лентовидные пучки, назы­ ваемые элементарными фибриллами, которые имеют максимальный диаметр порядка 100 А, что можно обнаружить при помощи элек­ тронного микроскопа. Пучки молекул в элементарной фибрилле на некоторых участках образуют упорядоченные структуры—мицеллы

5

7

0,0002—0,00075 см. Расположенные в одном и том же радиальном ряду трахеиды сообщаются между собой при помощи окаймленных пор, в мембранах которых имеются субмикроскопические отверстия (50 нм), через которые просачивается влага. На границе с серд­ цевинными лучами трахеиды имеют простые поры. В некоторых хвойных породах есть смоляные ходы (рис. 1.1.3, а).

Строение лиственных пород более сложное (рис. 1.1.3, б ) . Во­ локна либриформа, являющиеся наиболее прочным анатомическим элементом древесины, занимают до 7 0 % . общего объема и распо­ ложены менее правильными рядами. Длина клеток либриформа примерно равна 0,03—0,2 см. Сосуды, типичные водопроводящие элементы лиственных пород, соединяются со смежными клетками порами разной формы. При этом длина сосудов у некоторых ли­ ственных пород может достигать 3 м.

1.2.ФОРМЫ СВЯЗИ ВЛАГИ С ДРЕВЕСИНОЙ

ИЕЕ ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ

Перенос влаги внутри материала зависит от характера связи между ней и древесиной, а процесс удаления влаги сопровождается разрушением этой связи, на что требуются затраты энергии. В связи с этим акад. П. А. Ребиндер предложил классифицировать формы связи по принципу интенсивности и энергии связи [4] и выделил среди них три основные группы: ^химическая, физико-химическая и физико-механическая связи.

Химически связанная влага — это вода в точных химических со­ отношениях, образуемая, например, в результате гидратации. Фи­ зико-химически связанная влага подразделяется на адсорбционносвязанную и осмотическую, а физико-механическая — на капилляр­ ную влагу и влагу смачивания.

Адсорбционное поглощение влаги вызывается притяжением мо­ лекул водяного пара наружной и внутренней поверхностью микро­

адсорбционная влага находится в сжатом состоянии и обладает ря­ дом специфических свойств.

Осмотическое поглощение влаги (избирательная диффузия) ха­ рактерно для коллоидных тел. Оно обусловливается наличием в теле фракций различного молекулярного веса, обладающих раз­ личной степенью растворимости.

Непосредственной движущей силой осмотического проникнове­ ния жидкости является разность осмотических давлений раствори­ мой фракции.

Капиллярная влага — это влага, находящаяся в капиллярах и порах тела. Капиллярная связь влаги определяется наличием по­ верхностного натяжения и капиллярного давления над поверхно-

8

стью мениска. В капиллярах гидрофильных тел, в том числе древе­ сины, образуется вогнутый мениск, давление пара над которым ниже, чем над плоской водной поверхностью. Оно может быть при­ ближенно определено по формуле Томсона

ТРп

где ф — относительная упругость пара; рг и ра — давление насы­ щенного пара над поверхностью мениска жидкости и над свободной

лами поверхностного натяжения и мало искажаемую силами тяже­

К физико-механической относится также влага смачивания, при­ соединяемая к материалу благодаря действию поверхностного на­ тяжения при ее непосредственном соприкосновении с телом.

Основными формами связи влаги с древесиной являются ад­ сорбционная и капиллярная связь. Количество адсорбционно-свя- занной и микрокапиллярной влаги зависит от упругости и темпера­ туры пара в окружающей среде. Такая влага, как известно, носит название гигроскопической (связанной) влаги. Влага в макрока­ пиллярах является свободной. Изменение размеров древесины (усушка—разбухание) связано с изменением количества гигроско­ пической влаги.

Массу влаги в древесине, отнесенную к массе сухой древесины, называют влагосодержанием древесины. При исчислении в процен­

в общей теории и различных отраслях техники.

9

В тексте и иллюстрациях широко используются оба обозначе­ ния, которые в случаях, когда не ставится задача получения резуль­ тата в определенной размерности (кг/кг или % ) , равнозначны. Это относится и к формулам и уравнениям, в которых влагосодержание стоит в числителе и знаменателе.

Состояние материала, когда он содержит максимальное коли­ чество гигроскопической влаги при отсутствии свободной влаги, на­ зывается в древесиноведении точкой насыщения волокна, или пре­ делом гигроскопичности (по общей терминологии — максимальное сорбционное влагосодержание). Влагосодержание в этом состоянии

содержание, к которому стремится измельченная древесина при ее

и асп. Я. Н. Рудобельской [6], показали, что при выдержке древесины в воде, независимо от ее температуры, усушка, связанная с удалением гигроскопической влаги, начинается с влагосодержания, равного 30%. В связи с этим целесооб­ разно термин «точка насыщения волокна» сохранить для характеристики макси­ мального количества влаги в клеточных оболочках при выдержке в воде, оста­ вив термин «предел гигроскопичности» для характеристики максимального ко­ личества влаги, поглощаемой древесиной из парогазовой (воздушной) среды.

10