STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

изоляции агрегатов; понижения потерь при транспортировании нагретых материалов; сокращения в готовом продукте доли обжигаемого сырья; увеличения габаритов печей с повышением их производительности; оптимизации конструкций обжигательных печей, модернизации в них форсунок, теплоизоляции, футеровки; блокирования обжигательных печей и сушильных установок; автоклавной обработки при сушке сырца; замены двукратного обжига однократным; использования импульсивной системы сжигания топ- лива и др.

5.Факторы экономии электроэнергии в кВт·ч по общему или удельному расходу,

отнесенному к количественной или качественной единице продукции, или в чел·ч, или на 1 рабочего в год, являются важнейшими показателями прогрессивной технологии. Анализ деятельности производственных предприятий показал, что могут быть достаточно общие и сугубо специфические, но существенные способы уменьшения расхода электроэнергии без снижения мощности предприятий или ухудшения качества готовой продукции. К ним относятся следующие: внедрение АСУП, УСУТП или АТК; внедрение поточно- конвейерной линии, что снижает продолжительность цикла выпуска изделий и, как следствие, уменьшает расход электроэнергии; замена оборудования новым, с более высоким КПД при меньшем расходе электроэнергии для выполнения прежних операций; внедрение рациональных технологических операций, благоприятствующих уменьшению расхода электроэнергии при сохранении или улучшении качества продукции; изменение конструктивных размеров и физических свойств изготовляемой продукции, способствующих уменьшению расхода электроэнергии и повышению качества.

Примеры благоприятного изменения технологических операций: помол сырьевых материалов не по открытому, а по замкнутому циклу; снижение температуры в мельницах; введение разного рода интенсификаторов помола, электроактиваторов, пластификаторов смесей с целью увеличения производительности формовочных агре- гатов; перевод с двукратного на однократный обжиг (например, при производстве глазурованных плиток); использование вакуума в электропечах и др. Примеры благоприятного влияния замены оборудования новым: использование каскадных многокамерных мельниц; замена шаровых, сепарационных и других традиционных мель- ниц новыми — валковыми, струйными; применение сушилок на основе электротеплонасосов, что сокращает срок сушки и, следовательно, расход электроэнергии; применение распылительных сушил, например при изготовлении пресс-порошков (по сравнению с фильтр-прессовыми с сушильными барабанами) и др. Некоторые способы уменьшения расхода электроэнергии, подобно тому, как уже было при экономии теплоты или топлива из разнородных компонентов, например способ экономии электроэнергии при внедрении различных рациональных технологических операций, или способ экономии путем изменения физических свойств продукции или ее конструктивных размеров, и т.п. И тогда вычисление симплексных величин несколько усложняется, поскольку общая эффективность от данного способа слагается из отдельных эффектов каждого предпринимаемого мероприятия взамен прежнего выполнения технологической операции. В числителе и знаменателе симплекса появляются слагаемые отдельных эффектов и их суммарные значения. Понятно, что они продолжают оставаться безразмерными и их можно объединить с симплексами, получаемыми от реализации других способов экономии электроэнергии. В результате формируется обобщенный критерий оптимальности по экономии расхода электроэнергии на данном предприятии, подвергшегося совершенствованию и модернизации

6.Факторы экологической чистоты технологии и материалов имеют приоритетное положение в оценке прогрессивной технологии. Чтобы технология была чистой или максимально приближалась к таковой, следует предусмотреть мероприятия экологического характера. Условно их можно разделить на основные и, как правило, общие для многих технологий, и на специфические для данного производства. К основным относятся следующие: создание безотходной технологии; минимальное

131

расходование природного сырья — горных пород и породообразующих минералов, в том числе воды, особенно пресной, что возможно выразить отношением массы готовой продукции к массе израсходованного для этих целей исходного природного сырья во всех его видах; предотвращение нарушений экологического баланса при разработке месторождений природного сырья; исключение возможной эрозии почвы, проведение рекультивации выработанных пространств, сохранение и перемещение плодородного слоя почвы, проверка инертности сырья и отходов от его разработки с помощью радиометров и т.п.; максимальное использование разных побочных продуктов с тем, чтобы завалами и вредными выделениями они не нарушали экологии окружающей среды; полное или максимально возможное исключение из технологий вредных выделений при переработке сырья или сырьевых смесей в окружающую среду, в связи с чем, в частности, строго учитывать предельно допустимую концентрацию пыли в воздухе, равную по нормам до 0,06 г/м3. Как следствие — применение высокоэффективных газо- и пылеулавливающих установок, своевременный анализ дымовых газов и их фильтрации; предотвращение вред- ных выбросов вследствие неполного сгорания топлива, особенно твердого, и топливосодержащих добавок в сырьевой смеси и улавливание их с помощью эффективных устройств с последующей проверкой концентрации их в атмосфере; исключение вредных выделений из готовой продукции в период ее эксплуатации, а также при ее хранении и транспортировании, с организацией систематического контроля концентрации вредных веществ в рабочем пространстве или в атмосфере и водоемах. Все эти мероприятия поддаются количественным измерениям, хотя и в различных размерностях, но сли-чимых между собой при переводе их в симплексы.

Кспецифическим мероприятиям относятся: предотвращение вредного воздействия в связи с применением нестойких добавок, способных к испарению, улетучиванию (сублимации), выделению вредных ингредиентов — из отходов флотации руд или при углеобогащении, растворение их в воде с переносом опасных растворов в водоемы и пр.

Безразмерные симплексные величины, получаемые в результате соотношений реальных значений экологической чистоты по каждому оптимизирующему фактору (мероприятию) и номинальных значений при прогрессивной технологии, достигнутых на передовых предприятиях и фирмах или вычисленных теоретически, позволяют перейти к определению обобщенного критерия оптимальности.

Вторая экологическая проблема, названная выше как экология материалов, также решается с помощью реализации оптимизирующих факторов как основных или общих, так и специфических.

Косновным мероприятиям относятся: предотвращение биоповреждений эксплуатируемых строительных изделий и конструкций с помощью превентивных мер, предпринимаемых в технологический период; предотвращение коррозии эксплуатируемых строительных изделий и конструкций от воздействия неорганических и органических реагентов с помощью превентивных и последующих мер, пред- принимаемых в технологический и эксплуатационный периоды. Важно только обеспечить индифферентность предпринимаемых мер в отношении окружающей среды, особенно при использовании добавок, вводимых в составы изготовляемой продукции. Назначение оптимизирующих факторов должно производиться с учетом того, что реагенты биоповреждений и коррозии могут содержаться в окружающей среде одновременно, например, как отмечалось выше, в сточных водах некоторых предприятий.

7. Факторы минимальной величины материалоемкости, особенно металлоемкости,

должны, по-видимому, определяться раздельно по металлу, главным образом черному, и сырьевым материалам, направляемым в виде полуфабриката (смеси) на изготовление продукции. При разработке оптимизирующих факторов следует учитывать, что повышенный расход металла обычно вызван: утяжелением технологического оборудования против его конструкции в более современных технологиях; увеличенным износом трущихся рабочих деталей оборудования; нерациональной технологией

132

полуфабриката или продукции с применением в ней дополнительных металлических или металлизированных агрегатов; пониженной прочностью или износостойкостью принятого металла для оборудования или его деталей; использованием излишнего или несовершенного вспомогательного оборудования и инструмента; использования металла в узлах и деталях, которые можно заменить менее дефицитным материалом без конструктивного ущерба, и т.п.

Увеличенный расход материалов, повышающий материалоемкость производства, обычно вызван увеличенной массой изделий; избыточным размером выпускаемой продукции, например по их толщине; использованием многих вспомогательных материалов на подобных операциях без особой к тому необходимости и т.п.

Материало- и металлоемкость измеряют, как правило, в абсолютных значениях массы (т или кг) или с отнесением массы к единице продукции.

8. Факторы минимума капитальных вложений в новую или модернизированную технологию в пересчете на единицу продукции подразделяются на: уменьшающие размер капвложений без снижения производственной мощности предприятия; повышающие производственную мощность предприятия при больших или меньших объемах капитальных вложений.

К первой группе относятся мероприятия, которые способны снизить размеры* капитальных вложений против предусмотренных по проекту нового строительства или реорганизации существующего предприятия. Среди таких мероприятий: укрупнение предприятия до оптимальных размеров при строительстве новых с более мощным оборудованием и высокой производительностью (при снижении габаритов оборудования на единицу мощности). Так, например, печи мощностью свыше 1 млн. т клинкера снижают удельные капвложения примерно на 5% по сравнению с печами мощностью 600 тыс. т.; уменьшение площади новой застройки или реорганизуемого предприятия; уменьшение размеров здания и помещений под оборудование, например, при внедрении новой поточно-конвейерной технологии по изготовлению керамических плиток или распылительных сушилок вместо фильтр-прессов при том же производстве (площадь под оборудование уменьшается в 10 и более раз); обеспечение кратчайших путей подачи сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; уменьшение протяженности внутризаводских коммуникаций; соблюдение минимальных объемов земляных пла- нировочных работ; приближение или даже примыкание складских помещений к транспортным путям; применение более экономичных материалов и конструкций при возрастающей положительной роли их в производственном цикле, например замена штучного огнеупорного кирпича при монтаже тепловых агрегатов на жаростойкие бе- тонные блоки, замена кирпича при строительстве дымовых труб сборными элементами с уменьшением массы трубы в 7—8 раз, сокращением сроков строительства в 6 раз; замена капитальных зданий для размещения туннельных печей при обжиге кирпича на здания из легких конструкций или размещение печей вне зданий со снижением на 10—15% капвложений на их «открытый монтаж»; то же — распылительной сушилки при производстве керамических плиток; установка цементных печей и шламм-бассейнов без укрытия и др.; использование других возможных мероприятий, повышающих эффективность капвложений или снижающих размеры без негативного влияния на производственную работу предприятия. Так, например, при сухом способе обжига клинкера сокращаются капвложения при строительстве предприятия примерно на 50% по сравнению с мокрым; при вибрационном способе производства ячеистого бетона, по сравнению с литьевым, сокращаются производственные площади под установку оборудования и металлоемкость оборудования на 30—40% и, соответственно, их стоимость и т.п.

Ко второй группе факторов относятся: обновление активной части основных фондов, имея в виду, что с увеличением доли оборудования, особенно нового, в общем составе затрат величина удельных капвложений снижается; обеспечение минимальных простоев нового

133

оборудования при реконструкции предприятия; всемерное уменьшение топливно- энергетических расходов при капвложениях в реконструируемое предприятие.

Следует отметить, .что в ближайшем будущем реконструкция, под которой понимается и техническое перевооружение, явится, по-видимому, главным направлением воспроизводства основных фондов. И чем выше доля обновленных основных фондов по отношению к первоначальной полной стоимости основных фондов, выраженных в рублях, тем выше абсолютная экономическая эффективность капитальных вложений. Последняя определяется как отношение годового прироста прибыли в результате реконструкции к величине капвложений в реконструкцию (техническое перевооружение) предприятия. Отметим, что годовой прирост прибыли, в свою очередь, равен разности себестоимости единицы выпускаемой продукции до и после реконструкции, умноженной на годовой объем производства после реконструкции.

Эффективность капитальных вложений, определенная по первой и второй группам факторов, на них влияющих, позволяет перейти к вычислениям симплексных величин, ориентируясь по тем же факторам на уровень достижений передовых новых или реконструируемых предприятий как в отечественной, так и особенно в зарубежной практике. По двум или большему числу симплексов определяют и величину критерия оптимальности капвложений в действующее или вновь организуемое предприятие.

9.Факторы прогрессивности в отношении культуры технологии и производства

трудно поддаются количественному измерению. Ближе других может служить балльная система оценок каждого отдельного мероприятия и всей совокупности их, изложенных выше.

Но некоторые мероприятия из этого комплекса оптимизирующих факторов все же поддаются характеристикам и с размерностью. Например, состояние техники безопасности и охраны труда нередко оценивает количеством случаев травматизма и профессиональных заболеваний, отнесенным к числу работающих на данном предприя- тии. Другим примером характеристики с ее размерностью может быть экономия топливно-энергетических ресурсов на производстве как компонент культуры технологии и производства. Впрочем, настоящий показатель прогрессивности больше все же характеризует не технологию и не технологический процесс, а технологический регламент и организацию производства на данном предприятии. Сюда же относится и культура производственного процесса и предприятия в целом. В принципе отдельные элементы, из которых слагается понятие культуры, позволяют перейти от размерной или балльной систем оценок к симплексной и комплексной (через критерий оптимальности), особенно если предварительно разработать шкалу экспертных оценок применительно к отдельным элементам, слагающим этот показатель прогрессивности производства.

10.Факторы высокой организации технического контроля и

управления им базируются на своевременную проверку качества на всех этапах технологического процесса. Главным методом технического контроля ^служит эксперимент.

11. Факторы экономические, подобно некоторым другим, являются комплексными, отражают в себе повышение производительности труда, снижение материалоемкости, экономию материальных и топливно-энергетических ресурсов, уменьшение срока окупаемости капиталовложений, затраты труда и др. Поэтому и выбор оптимизирующих факторов в виде наиболее эффективных мероприятий по снижению себестоимости единицы продукции, соотносимых каждый раз с аналогичными количественными значениями на предприятиях с прогрессивной технологией, должен исходить из этой комплексной особенности данного показателя. В результате получают симплексные величины по основным технико-экономическим показателям, а также годовой экономический эффект от производственной деятельности предприятия в рублях или других денежных знаках, определяемый по формуле (3.18). Весьма примечательной экономической характеристикой служит отношение себестоимости к единице измерения

134

ключевого свойства продукции, например к прочности при сжатии или других видах напряжения. Вместо себестоимости может быть принята внутрипроизводственная цена, т.е. с добавлением прибыли. Обобщенный критерий экономической оптимальности рассчитывают по аналогии с другими показателями прогрессивности с помощью целевой функции из симплексных оптимизирующих факторов. Но возможен и другой характер этой целевой функции: детерминированный -с включением лишь определенных величин, и стохастический --с включением также и случайных величин и, следовательно, требую- щих предварительной статистической обработки.

12. Факторы эффективной конкурентоспособности продукции на рынке отражают безупречность и надежность практически всех предшествовавших показателей прогрессивности технологии и производства в целом. Массовая продукция должна соответствовать мировым стандартам как по качественным параметрам, так и по внешнему «товарному» виду, выразительности внешних форм, удобству при хранении, транспортировании, перегрузочных работах, прочности и надежности упаковочных материалов и тары, и, по возможности, при достаточно низкой себестоимости. Последнее окажет благоприятное влияние на снижение цены продукции, что позитивно повлияет на конкурентоспособность ее на внешнем и внутреннем рынках.

В настоящее время не имеется оперативного критерия по количественному измерению конкурентоспособности продукции. Но, учитывая наличие критерия по высшему качеству с отражением в нем закона створа, а также критерия экономической оптимальности, можно получить некоторый обобщенный и безразмерный количественный показатель конкурентоспособности. При всей своей условности он поможет в первом приближении найти местоположение данной продукции на рынке среди аналогичных товаров, позволит в некоторой мере прогнозировать вероятную перспективу итогов конкуренции.

К одной из причин низкой конкурентоспособности, например российской металлопродукции, относится высокая энергоемкость производства. Предприятия отрасли потребляют свыше 24% объема производства электроэнергии. Низок и экономический показатель вследствие высоких железнодорожных тарифов.

На основании анализа смыслового содержания и количественного определения критериев прогрессивности технологий представляется вероятной такая последовательность аттестации их с позиций мирового уровня развития отрасли каждой разновидности строительных материалов.

1.Выполнение двух подготовительных операций: а) анализ изучаемой технологии с целью выявления главных показателей прогрессивности, с помощью которых возможно охарактеризовать предприятие; б) нахождение аналога (передовой фирмы, передового предприятия, завода и др.) в мировой практике и составление обзора его деятельности с учетом принятых главных показателей прогрессивности.

2.Фиксация изначального уровня симплексных величин, относящихся к каждому главному показателю прогрессивности, принятому по данной технологии на изучаемом предприятии (в проекте, в научной работе и т.п.).

3.Анализ наиболее вероятных оптимизирующих факторов и выделение из них некоторого минимума основных, с помощью которых предполагается совершенствовать технологию предприятия.

4.Работы по реализации каждого оптимизирующего фактора с последующим определением симплексных величин с целью вычисления критерия оптимальности в первом приближении (по сумме симплексов).

5.Соответствующее корректирование значений критериев оптимальности путем решения уравнений регрессии, составленных с помощью математического планирования эксперимента (математического моделирования), при необходимости получить более высокую точность с учетом синергического эффекта при реализации оптимизирующих факторов. Варьируемыми значениями при этом являются симплексные величины в их вероятных пределах.

135

6. Полная характеристика, получаемая суммированием критериев оптимальности, каждый из которых был обусловлен симплексными величинами в пределах принятого в начале исследования показателя прогрессивности. Главная или полная характеристика технологии может быть получена также в виде среднего значения путем соотнесения ее суммарной величины к общему числу принятых показателей прогрессивности.

Возможна и более сокращенная методическая система за счет допустимого уменьшения числа критериев оптимальности и оптимизирующих факторов, вводимых в

характеристику технологии и количественную оценку степени ее прогрессивности.

На первой стадии исследований можно ограничиться половиной показателей прогрессивности: по расходу природного сырья, по производительности, по количеству энергозатрат — тепловых и электроэнергии. Оценки производятся из расчета на нормальную или увеличенную единицу продукции, изготовляемой на предприятии по изучаемой технологии. При этом соблюдаются два обязательных условия: продукты должны быть высшего качества и конкурентоспособными; производство по выпуску продукции должно обеспечивать экологизацию технологии как непременного элемента гуманизации, оптимальных условий для жизни и деятельности человека. Остальные критерии оптимальности на этой первой стадии исследований могут быть опущены, но не потому, что они являются как бы менее значимыми.

Можно также пойти на максимально возможное сокращение числа факторов и, следовательно, симплексных величин. Более того, на первой стадии возможно ограничиться только итоговыми данными о влиянии группы факторов на принятый показатель прогрессивности технологии.

Таким образом, всемерное повышение уровня прогрессивности технологий с использованием принятого комплекса оптимизирующих факторов и их реализации на производстве составляет существенную часть введения в практическую технологию. При реорганизациях и разработках новых производств этой части уделяется значительное внимание с возможным предварительным ее программированием. Однако в заключение следует отметить, что каждая прогрессивная технология, какой бы совершенной она ни была, становится через больший или меньший период времени менее прогрессивной, по одному, двум или нескольким критериям. Возможен, конечно, и обратный процесс под влиянием реализации профилактических факторов прогрессивности. Поэтому изучение реального уровня прогрессивности технологии действующего предприятия (или фирмы) является непременным условием их постоянного совершенства.

136

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

ПРАКТИКА СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ (СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ)

Практика в строительном материаловедении имеет не только приоритетное значение, но и предусматривает первостадийное ее изложение. В ней раскрывается, во-первых, сущность производства природных строительных материалов без химической переработки сырья — лесных и горных пород; во-вторых, сущность производства искусственных строительных материалов и изделий с привлечением для этих целей химической переработки природного сырья и побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства, горно- обогатительных комбинатов; в-третьих, сущность технических ценностей готовой продукции этих производств, направляемой для реализации ее в строительстве и технологиях строительного производства, а также в отраслях по изготовлению строительных изделий и конструкций. Первое стадийное изложение практики строительного материаловедения было особенно характерно для второго исторического этапа развития этой науки, и оно проводилось под рубрикацией строительных материалов. В данной книге по методическим соображениям представилось более целесообразным изменить последовательность изложения теории и практики, но с непременным сохранением приоритета практики.

137

А. ПРИРОДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Глава 7

Древесина и древесные строительные материалы

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Древесина относится к весьма распространенному строительному материалу, применяемому с глубокой древности. Благоприятной отличительной особенностью этого материала всегда остается высокая прочность и упругость при сравнительно малой плотности, что обеспечивает невысокую массу изготовляемых из него конструкций при относительно большом коэффициенте конструктивного качества. К тому же такие конструкции обладают надежной химической стойкостью в средах, которые агрессивны по отношению к стали и бетону. Имеется ряд и других положительных качеств у древесины как строительного материала: легкость технологической обработки с приданием изделиям практически любых форм; надежная склеиваемость и хорошая гвоздимость; малая теплопроводность. Следует также отметить достаточно широкое распространение лесных пород для получения качественной деловой древесины, главным образом, пиломатериалов. Немалую пользу приносят и побочные продукты деревопереработки и лесопиления — стружка, дробленка, опилки и др. Их используют в качестве компонентов различных строительных конгломератов — древесностружечных плит, древесноволокнистых плит, арболита, ксилолита и т. п. У древесины имеются и серьезные недостатки — анизотропность, легкая возгораемость, подверженность к загниванию в переменно-влажностных условиях, повышенная гигроскопичность с возможным короблением и разбуханием, но они преодолеваются техническими средствами: пропиткой антисептиками, введением антипиренов, прессованием, склеива- нием тонких элементов и др. Кроме того, возможно создание благоприятных эксплуатационных условий для соответствующих строительных конструкций. Поэтому в России, богатой лесными массивами, древесина всегда была и остается одним из основных строительных материалов, особенно для жилищного строительства. Используют ее при устройстве перекрытий, стен, строительных ферм, полов, дверных и оконных заполнений и др.

Наша страна богата лесами, особенно в северных регионах, некоторых областях Сибири и Дальнего Востока. И тем не менее действует нормированное ограничение использования древесных пород. Под вырубку лес направляется в объеме не выше среднего годового прироста древесины, что составляет примерно 1% всех лесных запасов страны. В таком ограничении не последнюю роль играет экологический фактор, поддерживающий атмосферное пространство в благоприятных условиях для жизнедеятельности организмов. В строительстве используют хвойные и лиственные породы. Здесь важно отметить, что между породами древесины имеются не только различия, но еще в большей мере сходство по составу, структуре и свойствам. Различия же не имеют принципиального характера, хотя при использовании пород в строительстве требуется учитывать их специфические особенности.

138

7.2. СОСТАВ, СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Древесина состоит в основном из органических веществ, к которым полностью приложимы законы органической химии. Она является продуктом растительного происхождения и как биологический объект слагается из клеток. Стенки клеток древесины на 99% сложены из органических соединений, представленных у хвойных пород примерно на 70% углеводами, а у лиственных — на 80%. Углеводы, как известно, представляют группу природных веществ, образованных тремя элементами: углеродом, водородом и кислородом. К обширной группе этих веществ принадлежит сахар, а примером сравнительно простых углеводов может служить глюкоза (состав молекулы которой выражается формулой C6H12O6), иначе называемая моносахаридом. Молекулы простых Сахаров способны соединяться в растениях под влиянием ферментов в более крупные образования, например дисахарид: 2 C6H12O6 = C12H22O11 + H2O, а при большом количестве молекул моносахарида — в полисахариды, например с образованием крахмала (C6H10O5)n или целлюлозы с тем же выражением молекулы, но при более высоком значении n, чем у крахмала.

В углеводную часть древесины входит целлюлоза как ее основной компонент по объему в стволе дерева и нецеллюлозные полисахариды, именуемые гемицеллюлозами. Всю углеводную часть в целом называют холоцеллюлозой. Ее можно выделить из древесины в виде волокнистого материала обработкой окислителями (кислотами).

Около 30% древесины составляют вещества ароматической природы, известные под названием лигнина.

Углеводы и лигнин — это высокомолекулярные вещества, или полимеры. На них распространяются закономерности, характерные для этих соединений, причем они находятся в теснейшей взаимосвязи и образуют единую высокоорганизованную полимерную систему древесинного вещества.

К небольшой части древесины (2—4%) относятся экстрактивные вещества, которые не являются составляющими клеточной стенки. Они способны лишь пропитывать стенки клеток, а в основном содержатся в их полостях и в межклеточном пространстве. В отличие от углеводов и лигнина, экстрактивные вещества — низкомолекулярные соединения.

Следует несколько подробнее остановиться на характеристике главных структурных элементов древесины. Они, в совокупности с порами, капиллярами, контактными зонами и другими элементами микро- и макроструктуры, предопределяют основные свойства дре- весного материала.

Целлюлоза может быть выражена эмпирической формулой [C6H10O5]n или в другом виде [C6H7O2(OH)3]n, где n — степень полимеризации, которая у древесной целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Она представляет собой линейный гетероцепной стереорегулярный1 однородный полимер, имеющий большое число гидроксильных групп ОН, образующих водородную связь. Этот тип химической связи между водородным атомом гидроксила одной цепи и кислородным атомом гидроксила соседней цепи придает повышенную жесткость полимеру, так как «стягиваются», ори- ентируются цепные молекулы в целлюлозных волокнах.

Кроме водородных связей, для целлюлозы характерно также внутри- и межмолекулярное взаимодействие (т. е. силами Ван-дер-Ваальса), что, наоборот, уменьшает степень жесткости, и молекулы целлюлозы могут принимать различные конформации (расположе- ния). Являясь основным веществом древесины, целлюлоза образует в структурном отношении слоистую клеточную оболочку (стенку), способную при механической обработке распадаться на тонкие целлюлозные волоконца-фибриллы, а при химической — на микрофибриллы. Фибрилла имеет кристаллическую структуру, так как для нее

1 В стереорегулярных полимерах все звенья расположены в пространстве в определенном порядке.

139

типичным является регулярное расположение молекул, характерное для молекулярной кристаллической решетки. Микрофибриллы также в основном сохраняют кристаллические (ориентированные) области. В некоторой части кристаллическая фаза перемежается с хаотическим (аморфным) расположением макромолекул, в ней отсутствует четко выраженная ориентация в микрофибриллах, а цепи значительно короче. Эту часть именуют гемицеллюлозой. Степень полимеризации макромолекул гемицеллюлозы составляет всего 100—200. Короткие цепи нередко попадаются среди кристаллических участков целлюлозного волокна, и тогда они достаточно прочно связываются с целлюлозой, образуя целлюлозаны, но оставаясь по существу гемицеллюлозой (ксиланы, маннаны).

Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 55—65% кристаллической и 25—35% аморф ной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород аморфной части меньше, у лиственных пород — больше (28—35%). Согласно другой теории, содержание кристаллической фазы в природной целлюлозе значительно больше, тогда как аморфной — не выше 5—10% и ее относят к дефектам упорядоченности. В этом случае полагают, что целлюлоза является однофазным кристаллическим веществом. Так или иначе, но главное, что необходимо учитывать, древесина — высококристаллическое вещество, имеющее форму продольных спиральных волокон, которые в деловой древесине выполняют роль своеобразного «армирующего» компонента, повышающего прочность материала на растяжение, чему способствует также их упорядоченное расположение.

Лигнин как другой структурообразующий компонент древесины — тоже природный полимер, представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород составляет 28—30%, а в древесине лиственных пород

— 18—24%. В древесине он был открыт более 145 лет назад, но его весьма сложное строение до сих пор остается не полностью выясненным. Полагают, что это смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой структуры. Присутствие лигнина устанавливают по цветным реакциям. От целлюлозы отличается повышенным содержанием углерода — 60—65% по сравнению с 44% в целлюлозе, что обусловлено его ароматической природой. Из девяти атомов углерода, составляющих структурную единицу (фенилпропановую) лигнина, шесть принадлежат ароматическому кольцу. В химическом отношении лигнин — реакционно-способный полимер. По сравнению с целлюлозой лигнин обладает меньшей химической стойкостью, легче окисляется.

Лигнин — аморфное вещество; им обогащаются клеточные стенки с эффектом одревеснения. Он содержится в серединной пластинке клеточной стенки, но большая его часть находится во вторичной стенке (слое). Обнаруживается лигнин в этих двух слоях стенки по окрашиванию в красный цвет при воздействии на клеточные стенки химическим реагентом (солянокислородным флороглюцианом). Электронная микроскопия позволила, однако, не только по цветной реакции, но и на снимках увидеть, что лигнин заполняет также и межклеточные пространства. Своим присутствием он придает некоторую гидрофобность, но в целом она незначительна, и древесина относится к гидрофильным материалам, особенно древесина лиственных пород.

Оба основных компонента древесины — целлюлоза и лигнин — взаимодействуют между собой. Характер их взаимодействия еще полностью не раскрыт. Вначале предполагалось наличие чисто механической связи лигнина с углеводами в стенках (слоях) клетки. Такая теория называлась инкрустационной. Позднее было установлено, что невозможно ни извлекать углеводы из древесины без одновременного частичного удаления лигнина, ни полностью удалить лигнин из древесины без удаления некоторого количества углеводов. Очевидно, что это возможно только при их химическом взаимодействии, тем более что из древесины удалось выделить лигноуг- ' леводные комплексы. Большинство исследователей склоняется к предположению о существовании химической связи лигнина с геми-целлюлозой (ксиланом, маннаном и другими полисахаридами), хотя

140