Столетний путь к листку бумаги
Рубрика ЦБП
О том, что перед целлюлозно-бумажной промышленностью России стоит задача увеличения объемов производства различных видов целлюлозно-бумажной продукции, говорится много. И произойти это должно за счет намечаемого строительства новых предприятий в районах Сибири и Дальнего Востока. Качество древесины имеет исключительно важное значение, так как является основным фактором в производстве волокнистых полуфабрикатов. В этой статье речь пойдет об особенностях физических свойств и химического состава хвойных пород древесины.
Качество древесины как совокупность физико‑химических свойств определяется породой древесины, местом нахождения в стволе (по высоте и диаметру), лесоводственно-таксационными показателями древостоев (возраст, тип леса и почвы, класс бонитета) и географическим районом произрастания. Древесные породы Сибири по своим физико‑химическим характеристикам отличаются от европейских пород. Из физических свойств особое значение для целлюлозно-бумажного производства имеют влажность и плотность. Химический состав в значительной степени определяет способ переработки древесины, вид и качество конечного продукта − волокнистого полуфабриката.
Таежные насаждения Сибири характеризуются высоким процентом перестойной древесины. Короткий вегетационный период обуславливает больший процент ранней (весенней) древесины и меньшую среднюю ширину годичного слоя вследствие меньшего радиального прироста. Поэтому плотность древесных пород Сибири на 10–15 % меньше, чем древесины европейской части страны. Возраст и класс бонитета древостоев оказывают большое влияние на макроструктуру, условную плотность и химический состав древесины. Хвойные породы Сибири характеризуются значительно большим содержанием ядровой древесины, высоким содержанием экстрактивных веществ (смол и жиров), меньшим содержанием целлюлозы и несколько большим содержанием лигнина. Данные особенности физико‑химических свойств древесного сырья Сибири обуславливают меньшую величину выхода волокнистых полуфабрикатов, что приводит к увеличению удельных норм расхода древесного сырья, варочных реагентов, пара, воды и электроэнергии.
Объектами исследований являлись следующие лесорастительные районы Сибири:
- Западная Сибирь: Тюменская и Свердловская области, 58° с. ш., 66° в. д.;
- Центральная Сибирь: Красноярский край, 58° с. ш., 93° в. д.;
- Восточная Сибирь: Иркутская область, 56° с. ш., 102° в. д.;
- Западный регион Байкало-Амурской магистрали.
В перечисленных районах для исследований были отобраны образцы хвойной древесины основных лесообразующих пород − сосны обыкновенной, лиственницы сибирской, березы и осины. Для каждого образца хвойной древесины производили подсчет годичных колец, определение средней ширины годичного слоя, процентного содержания ядровой древесины, условной плотности. Для химического анализа использовались образцы, отобранные на 0,1 высоты дерева, в виде шайб толщиной 3–4 см. Древесина всего ствола в целом достаточно хорошо характеризуется одним образцом, отобранным на 0,1 высоты ствола, считая от комля. Анализ этого образца обеспечивает высокую достоверность при определении средних показателей условной плотности, ширины годичного слоя, содержания целлюлозы, лигнина, водорастворимых и смолистых веществ. Содержание зольных элементов характеризует образец с 0,3 высоты ствола. Основными формами изменчивости физико‑химических свойств древесного сырья являются хронографическая (возрастная), эндогенная (качество древесины из различных частей ствола) и географическая (различные лесорастительные зоны).
Исследование хронографической изменчивости свойств древесины выполнялось на образцах лиственницы сибирской (средний возраст − 180–200 лет) и сосны сибирской (средний возраст − 160–180 лет), заготовленных в лесосырьевой базе Братского ЛПК и в Иркутской области. Характерными особенностями физических свойств лиственницы являются большой объем ядровой древесины (55–90%), повышенный объемный вес (550–820 кг/м в абсолютно сухом состоянии) и малая ширина годичного слоя (в среднем 1,26 мм). В химическом отношении для лиственницы характерно высокое содержание водорастворимых веществ и относительно низкое содержание целлюлозы.
Обобщение результатов исследования более 200 образцов позволило установить зависимость физико‑химических свойств древесины лиственницы сибирской от возраста деревьев. С увеличением возраста ширина годичного слоя уменьшается, возрастает плотность и количество ядровой древесины, которая содержит обычно меньше целлюлозы и лигнина, но больше смолистых и водорастворимых веществ (табл. 1). Возраст в наибольшей степени влияет на физические свойства и химический состав древесины лиственницы сибирской: с его увеличением от 35 до 220 лет физико‑химические показатели изменялись следующим образом (табл. 1, рис. 1):
- количество ядровой древесины возрастает с 54 до 88;
- ширина годичного слоя снижается с 2,69 до 0,77 мм;
- длина трахеид с увеличением возраста деревьев до 100–150 лет вырастает с 2,5 до 5 мм;
- содержание водорастворимых веществ увеличивается с 9,3 до 17,2%;
- содержание целлюлозы и лигнина несколько снижается.
различного возраста
Количество водорастворимых веществ в древесине лиственницы в среднем составляет 12–14%, но для отдельных деревьев этот показатель колеблется в широких пределах − от 4 до 30%. Основной составной частью водорастворимых веществ является легкогидролизуемый полисахарид − арабогалактан. В зависимости от количества водорастворимых веществ изменяется и содержание легкогидролизуемых веществ в древесине (рис. 2).
Из анализа показателей физических свойств и химического состава следует, что для целлюлозно-бумажного производства наиболее предпочтительна балансовая древесина лиственницы возрастом до 100–120 лет.
Методом математической статистики установлено, что между возрастом древесины лиственницы и шириной годичного слоя имеется тесная связь с коэффициентом корреляции − 0,774; между возрастом древесины лиственницы и содержанием в ней водорастворимых веществ отмечена связь с коэффициентом корреляции +0,521; между возрастом и содержанием целлюлозы коэффициент корреляции составил − 0,413. Таким образом, одним из главных факторов, определяющих физико‑химические свойства древесины лиственницы, является её возраст.
Древостои сосны обыкновенной в лесосырьевой базе Братского ЛПК имеют средний возраст 175 лет, содержание ядровой древесины составляет 58%, средняя условная плотность − 372,7 ± 5,7 кг/м.
С увеличением возраста до 140 лет условная плотность древесины сосны возрастает, главным образом за счет увеличения содержания ядровой древесины, а затем снижается, так как в перестойных деревьях периферическая зона состоит из узких годичных слоев с меньшим содержанием поздней древесины (рис. 5 и 6).
В древесине сосны содержание отдельных компонентов в среднем составляет: целлюлоза − 49,4%, лигнин − 27,5%, пентозаны − 7,2%, смолистые вещества − 7,9%, водорастворимые вещества − 2,9%, зола − 0,25%.
Характерной особенностью древесины сосны Восточной Сибири является высокое содержание смолистых веществ, которое возрастает с увеличением возраста древесины (рис. 4). Среднее содержание смолистых веществ в древесине сосны в зависимости от возраста составляет: от 120 до 140 лет − 6,5%, от 150 до 180 лет − 8%, от 180 до 200 лет − 8,2%, от 200 до 220 лет − 8,7%.
Содержание минеральных веществ в древесине характеризуется количеством золы. Количество и состав зольного остатка древесины, как известно, во многом зависят от породы, условий произрастания и времени рубки древесины. Средняя зольность древесины сосны составляет 0,3–1%; из этого количества от 10 до 25% растворимы в воде (NaCO и KCO). Из нерастворимых веществ важнейшими являются известь, углекислые, кремнекислые и фосфорнокислые соли магния, железа и марганца.
Зольность древесины не имеет значения для варки целлюлозы, предназначенной для бумажного производства, за исключением случаев изготовления специальных видов бумаги − фильтровальных, фотобумаги и т. п., но является важным показателем целлюлозы для химической переработки. В этом случае важно не только общее содержание золы, но и её состав, в частности содержание солей щелочноземельных металлов (табл. 2).
Данные таблицы 2 свидетельствуют о существенных различиях в содержании отдельных элементов в зольных остатках сосны и ели: ель содержит большее количество золы, поэтому и содержание отдельных элементов зольных остатков у древесины ели значительно выше. Использование древесины ели в производстве целлюлозы для химической переработки в условиях Братского ЛПК может привести к увеличению содержания зольных элементов, в частности марганца, кремния и кальция, что отрицательно повлияет на дальнейшую переработку целлюлозы.
Наше исследование показало, что при переходе от комлевой части к вершине наблюдается снижение плотности, особенно между комлем и вершинной частью. В направлении от середины дерева к вершине плотность древесины лиственницы несколько снижается и практически не изменяется у древесины сосны.
Различия в химическом составе по высоте ствола относительно невелики и наблюдаются главным образом в углеводном составе (содержание целлюлозы и пентозанов). С переходом к вершинной части у сосны и лиственницы содержание лигнина и целлюлозы снижается, а содержание водорастворимых веществ в древесине лиственницы и смолистых веществ в древесине сосны возрастает. По химическому составу средняя часть ствола является наиболее качественным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности.
Географическая изменчивость физико‑химических свойств на примере древесины сосны проявляется при сравнении с европейской сосной: у сосны сибирской значительно меньше ширина годичного слоя (0,9 мм против 1,3 мм), ниже показатель условной плотности (в среднем на 6%), меньше содержание поздней древесины (18% против 24%), выше содержание смолистых веществ. Характер изменения других компонентов химического состава древесины свидетельствует о слабом проявлении географической изменчивости.
Юрий БОБРОВ,
доцент кафедры целлюлозно-бумажного производства СПбГЛТА
