Виды и качество сырья для получения нанопористых материалов

       Министерство  по образованию РФ

       Уральский Государственный  Лесотехнический  Университет 

       Кафедра Химической Технологии Древесины 
 
 
 

       Курсовая  работа на тему:

       “Виды и качество сырья для получения нанопористых материалов” 
 
 
 
 
 

       Выполнил:

       студент ИЭФ-55 Журлова М.С.

       Проверил:

       к.т.н, профессор, зав. кафедрой Юрьев Ю.Л. 
 
 
 
 
 
 

       Екатеринбург

       2011

       Содержание 

1 Порода древесины, используемой для производства нанопористых материалов………………………………………………………………………....3

2 Плотность………………………………………………………………………11

3 Прочность  древесины………………………………………………………….16

4 Качество  древесного угля……………………………………………………..21

Список  используемой литературы……………………………………………...23 
 
 
 

        1 Порода древесины, используемой для производства нанопористых материалов 

       Сосна́ (Pínus) – род растений из семейства Сосновые (Pinaceae). Сосны — вечнозелёные, богатые смолой деревья, обыкновенно очень крупные, реже мелкие, иногда почти кустарники.

       Есть  две версии происхождения латинского названия. Первая версия: от кельтского слова pin, что означает — скала, гора, то есть растущая на скалах. Вторая версия: от латинских слов pix, picis, что означает — смола, то есть смолистое дерево.

       Существует  от 105 до 125 видов сосен, которые рассеяны по всему Северному полушарию до полярного круга. В умеренном и холодном климате они образуют леса на равнинах, в тёплом обитают в горах.

       Ареал. Из видов, растущих дико в России и сопредельных странах, больше всего заслуживает внимания Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Это большое дерево до 40 м высоты с кроной — в юности пирамидальной, в старости же зонтикообразной. Иглы хвои сидят по 2 вместе, снизу тёмно-зелёного, сверху голубовато-зелёного цвета, большей частью 4—5 см длины. Кора красно-бурая. Шишки (молодые) конической формы, щиток их чешуй ромбической формы. Семена с длинным крылом.

       Сосна на правом берегу р. Томь

       Сосна чрезвычайно распространена по всему  северу России и большей части Сибири и образует как чистые леса, так и леса в смеси с елью и другими породами. Сосновые боры особенно типичны для песчаной почвы и скалистого субстрата. К югу от линии, проходящей через Киев, затем по реке Оке до устья реки Цны, затем через Казань и вдоль рек Камы и Белой до Уфы сосна встречается очень редко и спорадически, образуя небольшие рощи на известковых и меловых склонах, а также на песках. Предполагают, что в этой области некогда сосна была распространена более, чем теперь, но затем стала вымирать вследствие вековых изменений климата. К югу от Каменец-Подольска, Екатеринослава, Саратова и Оренбурга в степях сосна не встречается, но появляется вновь на Кавказе, где она растёт во многих пунктах. Она встречается спорадически также в северном Туркестане, в горах Кокшетау, Каркаралы и других, к востоку же по Сибири доходит почти до Тихого океана. В Красноярском крае сосна обыкновенная представлена тремя подвидами: кулундинским (Минусинские боры); сибирским (большинство районов края) и лапландским (севернее 62° с.ш.).

       Другой  вид сосны, распространённый главным  образом в Сибири, — Сибирский кедр (Pinus sibirica Du Tour). В Амурской области появляется третий вид сосны, близкий к предыдущему, — Корейский кедр (Pinus koraiensis Siebold & Zucc.), с более вытянутыми шишками и семенами.

       В Восточной Сибири, от Забайкалья до Камчатки и от Колымы до Амурской области, чрезвычайно распространён один мелкий вид сосны, представляющий как бы «кедр в миниатюре». Это Кедровый стланик (Pinus pumila Regel). Он очень близок к сибирскому кедру, но все его органы гораздо меньших размеров. Ростом он не выше метра. В популяции образует, огромные заросли в горах и равнинах восточной Сибири и растёт так густо, что путешественники ходят и ездят на оленях по кронам этого деревца, сливающимся в одну плотную массу. В высокогорье Восточного Саяна и на Алтае встречается стланиковая форма кедра сибирского, которую часто путают с кедровым стлаником.

       Один  из южных видов сосны — Сосна крымская (Pinus nigra J.F.Arnold), образующая рощи в горах Крыма и кое-где встречающаяся на Кавказе. В Крыму растёт только культурная сосна. Семена её употребляются в пищу как лакомство.

       Итальянская пиния (Pinus pinea L.), очень своеобразная по форме своей кроны, обитает в области Средиземного моря отМадейры до Кавказа.

       Сосна горная (Pinus mugo Turra) растёт в субальпийской области гор от Пиренеев до Кавказа.

       В Северной Америке очень распространена Сосна веймутова (Pinus strobus L.), похожая на сибирский кедр, но более стройная и с более нежной хвоей. Это дерево достигает 50 м в высоту. Оно произрастает от Канады до Аллеган.

       Сосна Ламберта (Pinus lambertiana Douglas), отличающаяся огромными шишками, распространена в западной части Северной Америки. Смола этого вида богата сахаром, поэтому его называют в Америке сахарной сосной. Характерные виды Америки составляют также Сосна Культера (Pinus coulteri D.Don), Сосна серая (Pinus sabiniana Douglas), Сосна твёрдая (Pinus ponderosa Douglas) и другие.

       Естественный  ареал не только рода сосна, но и  всего семейства сосновых (включая  ели, пихты, лиственницы, кедры, псевдолиственницы, тсуги, псевдотсуги) совершенно не захватывает Южную Америку и Австралию и занимает лишь сравнительно небольшую территорию на крайнем севере Африки. Поэтому в данных регионах мира сосны известны лишь в искусственных насаждениях. Например, очень много интродуцированных ещё в XIX веке лучистых сосен в Австралии и Новой Зеландии.

       Древесина сосны отличается смолистостью, прочностью и твёрдостью, в особенности эти качества присущи центральным частям ствола, превращающимся в так называемое ядро. Это ядро отличается от наружных слоев заболони более интенсивной окраской, изменяющейся в довольно широких пределах, в зависимости от условий роста дерева.

       По  цвету ядра в северной России отличают обыкновенно кондовую сосну, имеющую мясо-красное или желтовато-красное ядро, и мяндовую, ядро которой окрашено в бледно-желтоватый цвет. Кондовая сосна растёт на более возвышенных местах, отличается мелкослойностью и ценится гораздо выше мяндовой, древесину которой иногда расценивают наравне с еловой.

       Предел прочности:

• при сжатии вдоль волокон: 50 МПа,
• при растяжении вдоль волокон: 90-95 МПа,
• при растяжении поперек волокон (при раскалывании): 6-8 МПа,
• при изгибе: 80-85 МПа.

       Плотность: 450-500 кг/м³.

       Берёза (Bétula)род листопадных деревьев и кустарников семейства Берёзовые.

       Берёза  широко распространена в Северном полушарии; на территории России принадлежит к числу наиболее распространённых древесных пород. Общее число видов — около ста или немного больше.

       Многие  части берёзы используются в хозяйстве: древесина, кора, берёста (поверхностный слой коры), берёзовый сок. Почки и листья применяют в медицине. Некоторые виды используют для создания полезащитных полос, а также в декоративном садоводстве.

       Около 100 (по др. данным, больше) полиморфных  видов произрастает в умеренных  и холодных районах Северного  полушария и в горах субтропиков; в СССР — около 50 видов. Многие Б. имеют важное народно-хозяйственное  значение как ценные лесообразующие и декоративные породы; особенно Б. бородавчатая (В. pendula, или B.verrucosa), пушистая (В. pubescens), плосколистная (В. platyphylla), ребристая, или жёлтая (В. costata), Шмидта, или железная (В. schmidtii), и др. Большинство видов Б. светолюбивы, довольно засухоустойчивы, морозостойки, к почвам нетребовательны. Древесина, а также берёста многих видов Б. используются в различных отраслях хозяйства. Почки и листья Б. бородавчатой и Б. пушистой применяют с лечебной целью. Почки, содержащие 3,5—6% эфирного масла, употребляются иногда в виде настоя как мочегонное средство, наружно — как растирание при болях в суставах. Наиболее распространённый вид — Б. бородавчатая. Деревья достигают 25 м высотой и 80 см в диаметре. Б. переносит некоторое засоление почвы и сухость воздуха, живёт 150 лет и более. Встречается в Западной Европе до 65° с. ш., в СССР — почти по всей лесной и лесостепной зоне Европейской части, в Западной Сибири, Забайкалье, Саянах, на Алтае и на Кавказе. Растет в смеси с хвойными и лиственными породами или образует местами обширные берёзовые леса, а в лесостепной зоне Заволжья и Западной Сибири — т. н. берёзовые колки, перемежающиеся с полями и степными пространствами. Используется для полезащитных полос и как декоративное. Древесина ценится в мебельном производстве, идёт на фанеру и разные поделки.

       Распространение и экология. Многие виды берёзы — широко распространённые и важнейшие лесообразующие породы, во многом определяющие облик и видовой состав лиственных и хвойно-лиственных (смешанных) лесов в умеренной и холодной части Евразии и Северной Америки. Есть среди берёз и кустарники. Самая известная из них Берёза карликовая (Betula nana) обычна в тундрах Европы и Северной Америки и горных тундрах Сибири. Она не достигает и 1 м в высоту. В ледниковый и послеледниковый период эта берёза была распространена гораздо дальше на юг, сейчас она встречается там, на болотах как реликт.

       Большинство берёз очень морозостойки, не страдают от весенних заморозков, переносят вечную мерзлоту, проникают далеко за Полярный круг или образуют верхнюю границу леса в горах (берёзовое криволесье на Кавказе). Более требовательны к теплу берёзы субтропических районов (гималайско-китайские, некоторые японские и американская Берёза речная (Betula nigra)).

       К богатству почвы берёза не требовательна. Виды берёзы растут на песчаных и суглинистых, на богатых и бедных, на влажных и сухих почвах. Она встречается на сырых берегах рек и морей, на болотах, в болотистых тундрах, на сухих каменистых склонах, в знойных сухих степях. Так, например, Берёза Радде (Betula raddeana) образует леса, покрывающие ущелья в горно-лесном поясе в горах Дагестана.

       Большинство берёз светолюбивы, хотя есть и довольно теневыносливые (Берёза ребристая (Betula costata), Берёза шерстистая (Betula lanata) и Берёза жёлтая (Betula lutea)).

       Многие  виды берёзы — пионеры заселения вырубок, гарей, пустошей и обнажений (такова Берёза повислая (Betula pendula)): в этих местах нередко наблюдаются чистые берёзовые насаждения (вторичные леса) в основном травяного типа, поэтому нередко берёзу относят к почвоулучшающим породам В дальнейшем состав древостоя меняется: берёза вытесняется елью, так как еловая поросль может существовать под относительно светлым берёзовым пологом, а молодые берёзы затеняются елями и гибнут.

       В лесостепи на увлажнённых местах в блюдцеобразных понижениях берёза (зачастую вместе с осиной и изредка с ивой) образует небольшие леса, называемые колками. Колки́ характерны для лесостепи Западной Сибири, встречаются на Окско-Донской равнине.

       Род Берёза в коллекциях ботанических садов России в целом представлен 92 таксонами, исключительно в коллекциях открытого грунта. Крупнейшая коллекция рода находится в Главном ботаническом саду Российской Академии наук^.

       Продолжительность жизни берёзы, по разным данным,— 100—120 лет, 150 (300) лет, 100—150 лет, отдельные деревья доживают до 400 лет и более.

       Биологическое описание. Большинство видов берёз — деревья высотой 30—45 м, с обхватом ствола до 120—150 см, некоторые виды – кустарники от крупных до мелких, в плоть до стелющих псевдолиственницы, едва приподнимающихся над землёй. Все представители рода - однодомные, раздельнополые, ветроопыляемые (анемофильные) растения.

       Кора у большей части берёз белая, желтоватая, розоватая или красновато-бурая, у некоторых видов серая, коричневая или даже чёрная. Полости клеток пробковой ткани на стволах заполнены белым смолистым веществом — бетулином, который придаёт коре белую окраску. Внешняя часть — берёста — обычно легко отслаивается лентами. У старых деревьев нижняя часть ствола нередко покрывается тёмной коркой с глубокими трещинами.

       Оси́на, или Оси́на обыкнове́нная, или То́поль дрожа́щий (лат. Pópulustrémula) вид лиственных деревьев из рода Тополь семейства Ивовые. Осина широко распространена в районах с умеренным и холодным климатом Европы и Азии.

       Распростронение. Встречается на границе леса и тундры, растёт в лесной и лесостепной зонах. Её можно встретить по берегам водоёмов, в лесах, по опушкам, изредка на сухих песках и вырубках, по оврагам, болотам и в горах; поднимается до верхней границе леса.

       Хорошо  растёт на различных почвах, образует чистые осинники и входит в состав смешанных лесов вместе с хвойными (сосной, лиственницей, елью) и лиственными(березой, ольхой, дубом). В степях из них образуются колонии – осиновые колки, растущие из отдельной рассады и размножающиеся посредством побегов корневой системы; новые стебли в колонии могут появиться на расстоянии до 30—40 метров от родительского дерева. Некоторые колонии становятся очень большими со временем, распространяясь со скоростью приблизительно метр в год, в конечном счете занимая несколько гектаров. Они способны пережить лесные пожары, поскольку корневая система расположена глубоко под землёй.

       Распространена  по всей территории России. За пределами России распространена в Казахстане, Крыму, Европе, Китае, Монголии, на полуострове Корея.

       Значение  и применение. Используют для озеленения населённых пунктов как быстрорастущее дерево.

       Кору  применяют для дубления кожи. Она служит для получения жёлтой и зелёной краски.

       С цветков осины пчёлы собирают пыльцу, а с почек — клей, который перерабатывают в прополис.

       Идёт  на постройку домов, используется как кровельный материал (в русском деревянном зодчестве дощечками из осины покрывали купола церквей), при производстве фанеры, целлюлозы, спичек, тары и прочее.

       Молодая поросль является зимним кормом для лосей, оленей, зайцев и других млекопитающих. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Плотность

       Плотность. Это свойство характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м³ или г/см³.

       Плотность древесинного вещества p_д.в., г/см, т.е. плотность материала клеточных стенок, равна: p_д.в. = m_д.в. / v_д.в., где m_д.в. и v_д.в. - соответственно масса, г, и объем, см³, древесинного вещества.

       Этот  показатель равен для всех пород 1,53 г/см³, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

       Плотность абсолютно сухой  древесины p₀ равна: p₀ = m₀ / v₀, где m₀, v₀ - соответственно масса и объём древесины при W=0%.

       Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом).

       Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины П: П = (v₀ - v_д.в.) / v₀ * 100, где v₀ и v_д.в. - соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W=0%. Пористость древесины колеблется в пределах от 40 до 80%.

       Плотность влажной древесины: p_w = m_w / v_w, где m_w и v_w - соответственно масса и объём древесины при влажности W. Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности W < W_пн плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше W_пннаблюдается значительный рост плотности древесины.

       Парциальная влажность древесины p`<sub>w</sub> характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объёма влажной древесины:p`_w = m₀ / v_w, где m₀ - масса абсолютно сухой древесины, г или кг; v_w - объем, см³ или м³, древесины при данной влажности W.

       Базисная  плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца m₀ к его объёму при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок V_max: p_Б = m₀ / v_max. Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях.

       Величина  плотности древесины изменяется в очень широких пределах. Среди  пород России и ближнего зарубежья  древесину с очень малой плотностью имеет пихта сибирская (345), ива  белая (415), а наиболее плотную - самшит (1040), ядро фисташка (1100). Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100-130 (бальза) до 1300 (бакаут). Значения плотности здесь и ниже даны в килограммах на метр кубический (кг/м³).

       По  плотности древесины при 12% влажности породы делят на 3 группы: с малой (Р₁₂ < 540), средней (550 < P₁₂ < 740) и высокой(P₁₂ > 740) плотностью древесины.

       Показатель качества. Плотность характеризуется массой единицы объема материала и имеет размерность кг/м³ или г/см³. Это один из важнейших показателей качества древесины. Плотность влияет на многие физико-механические свойства древесного сырья, что дает возможность использовать ее при прочностной сортировке пиломатериалов. Отношение между плотностью и прочностью (в пределах одной породы) выражается вполне определенной математической зависимостью (степенной). Существование связи между различными физико-механическими свойствами позволяет при контрольных испытаниях ограничиваться лишь определением плотности и прочности при сжатии вдоль волокон, а далее использовать расчетные формулы.

       Однако  в европейских стандартах предусмотрена  другая характеристика, опосредованно связанная с плотностью, — прирост (средняя ширина слоев роста). Объясняется это тем, что измерения прироста, выполняемые при сортировке, существенно менее трудоемки, чем измерения плотности. Некоторые российские специалисты считают такой подход не вполне корректным, потому что нет однозначной связи между приростом и физико-механическими свойствами древесины. Тем не менее, Центр по экспертизе и стандартизации «Лесэксперт» предложил для опытного внедрения инструкцию, устанавливающую классификацию качества лесоматериалов одной породы по признаку «прирост». Почему необходима такая классификация? Дело в том, что плотность и другие физико-механические свойства довольно заметно разнятся не только у различных пород, но и у деревьев одной и той же породы. Плотность древесины одной породы зависит от места произрастания деревьев (климатических и почвенных условий), от плотности насаждений и т. д. Агрохимические мероприятия, ускоряющие рост дерева при искусственном воспроизведении, снижают плотность древесины. Даже в пределах одного ствола плотность древесины разных его частей может различаться. Плотность убывает от комля к вершине, от коры к центру ствола. Поэтому данные, которые приводятся в различных источниках, - усредненные, часто они также имеют указание о месте, из которого происходит древесина.

       Поскольку плотность древесины существенно  зависит от се влажности, в справочниках приводятся значения, измеренные при нормализованной (стандартной) влажности — 12%. Кроме этого значения можно встретить плотность абсолютно сухой древесины (ρ₀) и базисную плотность (ρ_б). 
 

       Классификация пород по плотности

       Значения плотности разных пород древесины отличаются весьма существенно. По плотности древесины при стандартной влажности породы принято делить на три группы:

       –             породы с малой плотностью (540 кг/м³ и менее): из хвойных — сосна, ель (все виды), пихта (все виды), кедр (все виды), можжевельник обыкновенный; из лиственных — тополь (все виды), липа (все виды), ива (все виды), осина, ольха черная и белая, каштан посевной, орех белый, серый и маньчжурский, бархат амурский;

       –             породы средней плотности (540-740 кг/м³): из хвойных — лиственница (все виды), тис; из лиственных — береза повислая, пушистая, черная и желтая; бук восточный и европейский, вяз, груша, дуб летний, восточный, болотный, монгольский; ильм, карагач, клен (все виды), лещина, орех грецкий, платан, рябина, хурма, яблоня, ясень обыкновенный и маньчжурский;

       –             породы высокой плотности (750 кг/м³ и выше): акация белая и песчаная, береза железная, гледичия каспийская, гикори белый, граб, дуб каштанолистный и араксинский, железное дерево, самшит, фисташка, хмелеграб.      

         Среди иноземных пород имеются  такие, древесина которых имеет как очень малую плотность (бальса — 120 кг/ м³), так и очень высокую (бакаут — 1300 кг/м³).

       В таблицах Государственной системы  стандартных справочных данных (ГСССД), издаваемых Госстандартом России («Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков»), приводятся более подробные сведения о плотности древесины с указанием вида древесной породы и района ее произрастания.

       Плотность коры исследована гораздо меньше, чем древесины. Имеющиеся данные отличаются большой пестротой. 
Сравнение этих данных со средней плотностью древесины при стандартной влажности показывает, что плотность коры сосны на 30-35% больше, чем древесины, ели – на 60-65%, а березы - на 15-20%.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3 Прочность древесины

       Древесина вследствие волокнистого строения отличается высокой прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и значительно  меньшей — поперек волокон. У  хвойных пород предел прочности  при сжатии вдоль волокон в  10-12 раз больше, чем поперек, а у лиственных — в 5-8 раз. Механическая прочность древесины в значительной степени зависит от объемной массы; с увеличением объемной массы древесины повышается прочность.

       Прочность зависит от влажности — с повышением влажности она уменьшается. На прочность древесины оказывает влияние лишь изменение количества гигроскопической влаги. При повышении влажности выше точки насыщения волокон прочность древесины практически не уменьшается.

       Прочность древесины характеризуется пределом прочности, т.е. напряжением, равным отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения. Деформация древесины может быть различной не только в зависимости от величины действующих сил, но и от продолжительности их воздействия. Так, при кратковременном воздействии определенной силы деформация может быть упругой, а при длительном воздействии той же силы — остаточной и тем большей, чем длительное воздействие.

       Во  многих деревянных конструкциях древесина  работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. В связи с этим древесину испытывают, главным образом, на сжатие вдоль и поперек волокон, на скалывание и изгиб.

       Прочность древесины при сжатии вдоль волокон. Это одно из важных механических свойств древесины. Сопротивление сжатию вдоль волокон составляет значительную величину и колеблется у различных пород от 40 до 60 МПа при стандартной влажности 12% и от 20 до 40 МПа при влажности выше 30%. Сжатие древесины вдоль волокон имеет важное значение при использовании ее для мебели, свай, стоек, стропильных ферм и т. д.

       Предел  прочности о ₁₂, Па, вычисляют по формуле О_ц * Pab. Здесь Р — максимальное разрушающее усилие, Н; а и b — ширина и толщина образца, м.

       Прочность древесины при сжатии поперек волокон. При сжатии древесины поперек волокон в зависимости от породы и направления сжатия (радиального, тангентального) деформация может быть равномерной — однофазной и неравномерной — трехфазной. В последнем случае при испытании вначале наблюдается повышение напряжений и деформации (фаза), затем прирост напряжений почти прекращается и наблюдается только увеличение деформации образца (фаза), далее напряжения начинают возрастать (фаза). Вследствие наличия пофазной деформации испытания на сжатие поперек волокон ведут с регистрацией как усилий, так и величин деформации. За условный предел прочности при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, т.е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы. Условный предел в 6-10 раз меньше чем при сжатии вдоль волокон.