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生产刨花板所用的木材原料的性质和特点

发布日期:2019年10月25日 浏览:2907次

原料的性质决定了原料的质量。因此,了解原料的性质和特点对于选择合理的刨花板生产工艺和设备都具有重要的现实意义。

木材的解剖特性

木材是由无数细胞构成的,根据它们在木材中的位置、机能和生理作用不同,木材的细胞分为厚壁细胞和薄壁细胞。其中,起增进机械强度功能的是厚壁细胞,如针叶材的管胞、阔叶材的木纤维,这些细胞细长、壁厚、腔窄、两端较小,通称为纤维细胞(简称纤维)。纤维细胞决定着木材及其制品的机械强度,是影响刨花板质量的主要因素之一。除纤维以外的细胞称为“杂细胞”,如木材的木射线、薄壁细胞等,这些细胞壁薄、短小、切削加工时易碎,因此,“杂细胞"含量高的原料质量较差。细胞壁是木材的实质部分,是植物所特有的一种结构(见图2-1)。

针、阔叶材的各类细胞含量是不同的。针叶材中的管胞占整个木材体积的90%~95%,不同针叶材树种间的各类细胞组成变化不大。而阔叶材则不同,不同树种间的各类细胞组成差异很大,有的树种纤维含量高达80%,而有的树种纤维含量仅有16%。

木材的物理性质

木材的物理性质主要包括木材的水分、密度、湿胀干缩现象等,它们既关系到木材的加工,也与制品的性能关系密切。

(1)木材的水分

通常,采伐后不久木材中的水分以自由水、吸着水、化学水三种形式存在。

①自由水:是指存在于木材细胞腔等大毛细管系统中的水分。这部分水分只对木材的密度、保存性、燃烧性等有影响,而对木材的其他性能基本上没有影响。

②吸着水:是指存在并被吸附于细胞壁等小毛细管系统中的水分。这部分水分不仅影响木材的密度,而且与木材的强度、胀缩、电和热的传导性等关系密切。

③化学水:存在于木材化学成分中,与木材呈化学方式结合,结合较紧密,用通常温度下的热处理无法除去。这部分水分只在木材化学加工(如木材干馏)时才起作用,且数量很少,般不予考虑。

湿木材放置在空气中干燥,当自由水蒸发完毕而吸着水尚在饱和状态时,称为纤维饱和点,此时的木材含水率称为纤维饱和点含水率。纤维饱和点含水率反映的是吸着水的较大量,其因树种不同而有差别,通常在30%左右。纤维饱和点含水率有很重要的实际意义,它是木材许多性质在含水率影响下发生变化的起点。在此点以上时,木材的许多性质近乎不变,而在此点以下则随含水率的增减而发生明显的变化。

(2)木材的湿涨干缩

木材与金属、塑料等其他材料较大的不同,就在于木材会因其水分的变化而发生湿涨干缩现象。木材含水率在纤维饱和点以上时,水分变化几乎不会导致干缩和湿胀;当其含水率降低到纤维饱和点时,就会开始干缩,含水率越低则干缩越多,含水率降低到零时,木材干缩达到较大。反之,在纤维饱和点以下木材随含水率的增加而膨胀,直到含水率达到纤维饱和点,则木材膨胀达到较大值。

木材为各向异性材料,它的干缩和湿涨在各个方向上存在较大差异。纵向较小(约0.1%),径向居中(约3%~7%),弦向较大(约6%~14%)。不同树种木材的干缩湿涨率也有较大差异。

(3)木材的密度

木材的密度是指单位体积木材的质量,般以单位g/cm3表示。它是木材物理性质的一项重要指标,并与木材的其他物理性质如强度、硬度、干缩率、湿涨率等密切相关,因此可以根据它来估计木材的质量。

木材是由细胞壁和细胞腔以及其他空隙构成的多孔性物质,因此,木材的密度有容积密度、胞壁密度和实质密度之分。木材实质密度是去除所有空隙后的木材密度,与树种关系很小,通常取1.5g/cm3。木材胞壁密度因树种不同而异,一般为0.71~1.27g/cm3根据含水率不同,木材的容积密度又分为基本密度(绝干质量与生材体积之比)、生材密度(生材质量与生材体积之比)、气干密度(气干质量与气干体积之比)和绝干密度(绝干质量与绝干体积之比)。刨花板生产中较常用的是气干密度,我国规定的气干含水率为15%。本书后面章节所涉及木材密度,如无特殊说明均指气干密度。

木材的力学性质

木材原料本身的力学性质在某种意义上决定了刨花板产品的物理力学性能,同时对热压工艺也有重要影响。

木材的力学性质主要包括木材的强度(抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等)、木材的弹性和塑性、蠕变性能以及硬度等。木材的强度是木材重要的力学性质,它表示木材抵抗外部机械力作用的能力。木材的各向异性决定了木材在各个方向上存在较大的性能差异,一般说来,木材的抗拉强度纵向大于横向,而抗压强度和抗剪强度横向大于纵向。不同树种的木材强度差异很大。影响木材强度的因素很多,主要是木材缺陷,其次是木材密度、含水率、生长条件、解剖因子等。通常密度大的木材硬度高、强度亦大。木材的弹塑性和蠕变与含水率和温度关系密切,它们对于刨花板的热压工艺以及产品性能有着较大影响。

木材的化学性质

木材是由多种复杂有机物质组成的复合体,其中绝大部分是高分子化合物。木材的化学性质不仅取决于木材中化学成分的种类和含量,而且还取决于各种化学成分的分布及其相互之间的关系。

(1)木材的化学成分

木材的主要化学成分为纤维素、半纤维素和木质素,总量很过木材的90%,是木材细胞壁的主要成分(见图21)。木材中的主要化学成分在木材中的分布是不同的,细胞壁内以纤维素为主,而胞间层物质则以木质素为主,其余是半纤维素和果胶,胞间层中纤维素所占比例很小。除主要成分外,木材中还有些次要成分,如单宁、树脂、果胶质、蜡、挥发性油、色素、生物碱等,含量一般小于10%。这些次要成分有的存:在于木材的细胞腔内,有的黏附在细胞壁上,它们容易被水、稀碱液和有机溶剂抽提出来,故又称为木材抽提物。不同树种的抽提物含量及种类是不同的,甚至差别很大。同一树种因立地条件、树龄及采伐季节的不同,抽提物也有明显差异。此外,木材中尚有不到1%的无机物(灰分)。

温带针叶树材和阔叶树材的主要化学组分分别为:纤维素42%+2%,45%+2%;半纤维素27%土2%,30%士5%;木质素28%士3%,20%土4%;抽提物3%士5%,2%土3%。几种主要国产木材的化学组分见表1。

表1 集中主要国产木材的化学组分(以绝干材为准) %
树种 灰分 冷水抽提物 热水抽提物 1% NaOH抽提物 苯-乙醇抽提物 克-贝纤维素 克-贝纤维素中的a-纤维素 木质素 半纤维素 木(竹)材中的a-纤维素 产地
针叶树材
臭冷杉  0.50  3.00  3.80  13.34  3.37  59.21  69.82  28.96  10.04  41.34 黑龙江
柳杉  0.66  2.18  3.45  12.68  2.47  55.27  77.86  34.24  11.18  43.03  安徽
杉木  0.26  1.19  2.66  11.09  3.51  55.82  78.90  33.51  8.54  44.04  福建
落叶松  0.38  9.75  10.84  20.67  2.58  52.63  76.33  26.46 12.19  40.17  黑龙江
黄花落叶松  0.28  10.14  11.48  20.98  3.37  52.11  76.71  26.21  11.96  39.97 黑龙江
鱼鳞云杉 0.29  1.69  2.47  12.37  1.63  59.85  70.98  28.58 10.28  12.18  黑龙江
红皮云杉 0.24  l.75  2.79  13.44  3.54  58.96  72.18  26.98  9.97  42.56  黑龙江
黄山松 0.20  2.61  3.85  15.59  4.89  60.84  71.47  25.68 9.82  43.48  安徽
红松 0.30  4.64  6.53  69.50  7.54  53.98  69.80  25.56 9.48  37.68  黑龙江
马尾松 0.18  1.61  2.90  10.32  3.20  61.94  70.15  26.84 10.09  43.45 安徽
马尾松 0.42  1.78  2.68  12.67  2.79  58.75  73.36  26.86 12.52  43.10  广州
鸡毛松 0.42  1.06  2.03  11.76  2.11  56.88  74.66  31.54 5.99  42.47  广东
金钱松 0.28  1.59  3.47  12.26  2.67  57.55  70.13  31.20 11.27  40.62  安徽
长苞铁杉  0.18  1.65  2.89  14.13  3.47  55.79  80.58  31.13   7.65  44.96  湖南
阔叶树材
槭木  0.51  3.30  4.14  18.33  3.82  59.02  73.75  22.46  25.31  43.53  黑龙江
拟赤杨  0.40  1.51  2.21  18.82  2.41  58.70  78.52  21.55  22.95  46.10 湖南
光皮桦  0.27  1.34  2.04  15.37  2.23  58.00  73.17  26.24  24.94  42.44  湖南
棘皮桦  0.32  1.56  2.22  23.24  3.39  59.72  71.84  18.57  30.12  42.90  黑龙江
白桦  0.33  1.80  2.11  16.48 3.08  60.00  69.70  20.37  30.37  41.82  黑龙江
苦槠  0.40 3.59  5.46  17.23  2.55  59.43  78.36  23.46  22.31  46.57  福建
山枣  0.50  3.86  6.05  21.61  6.47  58.77  83.45  21.89  22.04  49.04  福建
香樟  0.12  5.12  5.63  18.62  4.92  53.64  80.17  24.52  22.71  43.00  福建
大叶桉  0.56  4.09  6.13  20.94  3.23  52.05  77.49  30.68  20.65  40.33  福建
水青冈  0.53  1.77  2.51  15.52  1.65  55.79  78.46  27.34  23.33  43.77 湖南
水曲柳  0.72  2.75  3.52  19.98  2.36  57.81  79.91  21.57  26.81  46.20  黑龙江
核桃楸  0.50  2.47  4.72  22.35  5.39  59.65  77.22  18.61  22.69  46.06  黑龙江
苦楝  0.52  0.52  1.88  15.07  1.79  57.58  74.82  25.30  19.62  43.08  安徽
毛泡桐  1.13  10.30  13.02  29.55  9.84  58.92  75.18  21.37  21.32  44.30  安徽

 

从表1中可以看出,针叶材与阔叶材纤维素含量差别不大,但半纤维素和木质素的含量有明显区别,针叶材的木质素含量高于阔叶材,而阔叶材中半纤维素含量高于针叶材。

(2)主要成分的结构与性质

①纤维素:纤维素是不溶于水的简单聚糖,是由大量的D葡萄糖基彼此通过1,4位碳原子上的β糖苷键连接而成的直链巨分子化合物,具有特殊的x射线图。纤维素的分子式可用(C6H10O5)n。表示,式中C6H10O5为葡萄糖基,n为聚合度。天然状态下的棉、麻及木纤维素,n近于10000。纤维素分子链的结构式如图2-2所示。

纤维素是木材细胞壁中“骨架”物质,主要为木材提供强度。纤维素纤维的物理结构中,存在着由纤维索分子链高度整齐排列的结晶区部分和排列不整齐的非结晶区(无定型区)部分(见图2-3)。两者没有明显的界限,但有相对的过渡。纤维素的无定型区有大量的游离羟基存在,羟基具有很性,能吸附很性水分子,形成氢键,因此,纤维素的无定型区具有吸湿性,结晶区则没有。纤维素吸湿后,水分子会进人无定型区,与纤维素分子链的羟基形成氢键结合,使纤维素分子链间的距离增大,宏观上反映为木材膨胀。纤维素无定型区所占的百分比越大,吸湿性就越大,会影响制品的物理力学性能,因此,选用原料和制定工艺时要从多方面加以考虑。

纤维素为白色、无臭、无味,具有各向异性的高分子化合物,其密度为1.50~1.56g/cm3。纤维素的化学性质比较稳定,不溶于水和有机溶剂,但可以溶于铜氨、浓磷酸和氯化锌溶液。一般强碱或弱碱对其不起作用,但在强碱或弱碱条件下加热,部分低聚合度的纤维素会溶解。在酸的作用下可以发生水解而得到葡萄糖。

纤维素的耐热性不如木质素。在高温下即使没有酸的存在,只要与水作用也会发生水解反应,但水解反应速度较慢。在高温作用下纤维索会产生热降解。纤维索热降解的程度与温度的高低、作用时间的长短及介质中的水分和氧气含量等有密切关系。温度高则降解反应加快,纤维素加热到100℃时其化学性质尚未改变,大约从160℃开始纤维素被破坏,2-30~240℃开始脱水,到达275℃时纤维素大量分解。受热时间越长,降解越严重。氧气对热解速度影响很大,例如,在空气中加热至140℃以上,纤维素聚合度显著下降,但在同样温度的惰性气体中加热,则聚合度下降速度很慢。纤维素在空气中加热所发生的变化,先是氧化,随后才是分解。总的来看,一般纤维素可经受短暂的高温(200~2-30C)加热而不会立刻分解。了解纤维素在高温作用下的热解和水解作用,对于掌控热压工艺是很有帮助的。

②半纤维素:半纤维素又称戊聚糖,系指除纤维素以外的所有非纤维素碳水化合物(少量果胶质与淀粉除外)的总称。半纤维素是由木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等单糖类的缩合物所构成。某树种般含有几种不同的半纤维素,而其中任何一种又是由两种或三种以上单糖基构成的不均一聚糖。半纤维素各分子链常带有支、侧链,主分子链的聚合度很低,约为70~250。

半纤维素的分子排列没有方向性,为无定型物质,成粉状,包围在纤维素纤丝的外边。所以半纤维素的稳定性很差,吸水性强,能溶于碱,甚至溶于热水,很容易被酸水解为单糖,耐热性也差,在100C以下就开始软化,在高温下很易分解而焦糖化。因此,半纤维含量过高,会对产品的耐水性、尺寸稳定性等带来不利的影响。

③木质素:木质素在植物纤维中与半纤维素共同构成结壳物质,存在于胞间层与细胞壁上微纤丝之间。木质素是一类复杂的芳香族物质,是种具有立体网状结构的天然高分子聚合物,它的相对分子质量很大,约在800~10000。构成木质素的基本单元是苯丙烷,这些基本单元通过比较稳定的醚键和碳一碳键彼此连接在一起。

木质素是热塑性物质,因其是无定型物质,所以无固定的熔点。木质素因树种不同,其软化和熔点温度也不样,熔化温度较低为140~150℃,较高为170~180℃。木质素的软化温度与含水率高低有密切关系,提高木材含水率可以显著降低木质素的软化温度。

在木质素结构中存在有甲氧基、羟基、羰基、烯醛基和烯醇基等多种化学官能团,化学活性很高,可以起各种化学反应,如氧化、酯化、甲基化、氢化等,还可与酚、醇、酸及碱等起作用。

④抽提物与酸碱性:木材的抽提物是指除构成细胞壁的纤维素、半纤维素和木质素以外,经中性溶剂如水、乙醇、苯、乙醚、水蒸气或稀酸、稀碱溶液抽提出来的物质的总称。抽提物是广义的,除构成细胞壁的结构物质外,所有内含物均包括在内。植物原料抽提物含量少者约为1%,多者高达40%以上。抽提物含量随树种、树龄、树干部位以及生长立地条件的不同而有差异,一般心材高于边材。抽提物不仅决定原料的性质,而且是制定刨花板加工工艺的依据条件之一,它不仅影响制品的质量,有些还会对加工设备造成腐蚀。

木材的酸碱性也是原料重要的化学性质之一,其中包括存在于细胞腔、细胞壁中的物质经水抽提后所得到的抽提液呈现出来的pH值,总游离酸和酸碱缓冲容量等方面的性质。木材的pH值泛指其水溶性物质呈酸性或碱性的程度。国内外研究测试结果表明,世界上绝大多数木材呈弱酸性,只有个别呈弱碱性,一般pH值介于4.0~6.1。

木材的酸碱性对刨花板制造有重要影响。刨花板生产中常用的脲醛树脂是在酸性条件下固化的胶黏剂,木材中的碱性物质不利于脲醛树脂的固化,因此,碱缓冲容量高的木材需要消耗更多的酸性固化剂才能保证胶合质量。

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