Соколов И.В.
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОГО И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДРЕВЕСИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЁ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ *
Аннотация:
в статье рассматриваются структурный и химический состав древесины, основные структурные компоненты, различия химического состава древесины хвойных и лиственных пород, изменение структуры и химические реакции при термомодификации древесины.
Ключевые слова:
термомодифицирование, термообработка, химический состав, древесина
Термомодифицирование древесины, то есть её обработка по специальной технологии высокими температурами (от 160 до 260 0С) позволяет, сохранив экологическую чистоту натуральной древесины, существенно улучшить её декоративные и физико-механические свойства, а также значительно, в десятки раз, увеличить срок службы древесины.Вещество древесины – это вещество клеточных стенок (оболочек клеток). Основную массу древесины (≈ 99 %) составляют органические вещества, и в небольшом количестве (0,3-1,0 %) – минеральные вещества, которые при сжигании древесины дают золу.Основными структурными компонентами древесины, входящими в состав клеточных стенок, являются целлюлоза (36-58%), гемицеллюлозы (пентозаны и гексозаны – 15-38 %) и лигнин (20-30%).Кроме основных органических веществ, в древесине содержатся экстрактивные вещества (0,8-8,0 % – таннины, смолы, камеди, пектины, жиры и др.), которые не входят в состав клеточных стенок (но иногда могут пропитывать клеточную стенку). Они содержатся в полостях клеток или межклеточных пространствах и являются растворимыми – в воде, спирте или эфире.Целлюлоза – главная составная часть клеточных стенок, она является своеобразным каркасом и отвечает за эластичность тканей и механическую прочность клеточных стенок. Целлюлоза представляет собой углеводный полимер (полисахарид с высокой степенью полимеризации 6000 - 14000), молекулы которого – длинные линейные цепи, состоящие из мономерных единиц [С6Н7О2(OH)3]n (рисунок 1.1), связанных между собой эфирными мостиками (гликозидными связями).Рис. 1. Структура молекулы целлюлозы и её структурная единица, n – степень полимеризацииМножество выступающих наружу и направленных во все стороны свободных гидроксильных групп (-ОН) образуют между собой прочные водородные связи между звеньями и между макромолекулами целлюлозы. Водородные связи имеют очень важное значение – они обеспечивают жесткое соединение полимерных цепей и определяют физическую структуру целлюлозы, от которой зависят все свойства целлюлозы – физические, физико-химические и химические (реакционная способность).Собранные вместе линейные макромолекулы образуют нити (пучки) – элементарные фибриллы, из которых, в свою очередь, образуются микрофибриллы и далее – макрофибриллы (целлюлозные волокна). Такое строение обеспечивает очень высокую прочность на разрыв.Элементарные фибриллы включают участки, различающиеся степенью упорядоченности молекул целлюлозы – кристаллические области (до 70 - 80 %) и аморфные (рисунок 2).Рис. 2. Элементарные фибриллы с кристаллическими и аморфными участками: 1 – аморфный участок, 2 – кристаллический участок.В кристаллических участках молекулы строго ориентированы, в них действует сильное межмолекулярное взаимодействие. В аморфных участках сохраняется лишь общая продольная направленность цепей, трехмерный порядок отсутствует. Энергия межмолекулярного взаимодействия в этих участках меньше, чем в кристаллических, поэтому аморфные участки являются более доступными для химических реагентов.Гемицеллюлоза заполняет пространства между целлюлозными микрофибриллами и является своеобразным цементирующим составом в клеточных стенках.Гемицеллюлозы – группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (С5Н8О4)n и гексозаны (С6Н10О5)n. От целлюлозы они отличаются разветвленным строением цепных молекул и более короткими цепочками макромолекул, степень полимеризации гемицеллюлоз обычно 60 – 200.Пентозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев пентоз, содержащих 5 атомов углерода. К пентозанам относятся ксиланы и арабинаны.Гексозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев гексоз, содержащих 6 атомов углерода.Из всех структурообразующих компонентов древесины гемицеллюлозав процессе термообработки подвергается наибольшей деструкции. Наименее стойкими являются пентозаны. Деструкция макромолекул ксилана начинается уже при 120 - 140°С, а активный распад – уже при 180 °С. Ксиланы (за счет содержащихся в них ацетильных групп) служат основным источником получения уксусной кислоты, которая является катализатором в процессе гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров и деполимеризует микрофибриллы целлюлозы. В зависимости от условий процесса, температура полного разложения гемицеллюлозы варьируется в интервале от 200 до 260 °С.Так как гемицеллюлоза является в древесной структуре главным водопоглощающим элементом, а также питательной средой для грибков и бактерий, – при её удалении древесина получает совершенно уникальные качества.Лигнин – это гетерогенный ароматический полимер из различных мономеров родственного строения, который вызывает одревеснение клеточных оболочек. Он скрепляет целлюлозные волокна, придавая прочность и жесткость клеточной стенке. Если целлюлоза в клеточной стенке выполняет функцию арматуры, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, выполняет функцию бетона.Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, он обладает мембранными свойствами и снижает проницаемость стенок клеток для воды ипитательных веществ.При температурах до 200 °С происходит частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, которые способны растворяться в водных растворах щелочей и в органических растворителях. При дальнейшем повышении температуры процесса, в отличие от углеводов древесины, степень деструкции которых усиливается, с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации. Поэтому, при повышении температуры технологического процесса до 200 °С количество лигнина в древесине снижается, а при дальнейшем увеличении температуры – количество лигнина заметно возрастает, достигая 33,0 - 36,0%. Таким образом, содержание своеобразного «цемента» в структуре древесины практически не уменьшается, и, видимо, этим объясняется тот факт, что в процессе термообработки древесина практически не теряет своих прочностных качеств.Химический состав древесины различных пород существенно различается. И даже у одной и той же породы древесины химический состав не является строго постоянным, он может изменяться в зависимости от условий и района произрастания, возраста дерева и т.д. В таблице приведен состав древесины наиболее распространенных отечественных пород.Химический состав древесины хвойных и лиственных пород, %Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлозы, чем древесина лиственных пород, и при этом химический состав гемицеллюлозы в древесине хвойных и лиственных пород различен: в хвойных породах содержание пентозанов и гексозанов примерно одинаково, а древесина лиственных пород главным образом содержит пентозаны и сравнительно мало гексозанов.На рисунке 3 показана структурная схема распада компонентов древесины, подвергнутой термообработке.Рис. 3. Структурная схема распада компонентов древесины, подвергнутой термообработке.Сначала испаряются экстрактивные вещества, так как они не являются структурообразующими и удаляются очень легко.Около 120° С начинают разлагаться менее термостойкие гемицеллюлозы – пентозаны (ксиланы) – с выделением реакционной воды, углекислоты, некоторых других продуктов и – уксусной кислоты, которая является катализатором в процессах распада полисахаридов. Начинается первая стадия деструкции целлюлозы, которая заключается в расщеплении ее цепей и образовании щелочерастворимых продуктов, с повышением температуры реакция ускоряется. Деструкция целлюлозы на данном этапе происходит в основном за счет аморфной части и кристаллическая часть при этом сохраняется.От 150-180°С процессы деструкции ускоряются, начинает изменяяться химический и элементарный состав древесины. Гемицеллюлоза начинает разлагаться до водорастворимых сахаров и глюкозы, которые паром вымываются из состава древесины. В результате исчезает питательная среда для грибков и бактерий, уменьшается объем материала, снижается уровень его внутренних напряжений и способность древесины к водопоглощению.При повышении температуры до 200 °С начинается термическое разложение древесины. Происходит дальнейшее разложение гемицеллюлозы, структурные изменения начинают происходить и с целлюлозой: в результате деструкции реакции расщепления цепей по гликозидным связям, сопровождающейся реакциями дегидратации, уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом древесина в еще большей степени теряет способность впитывать влагу и, соответственно, меньше поддается деформации. Кроме того, у неё увеличивается твердость, но незначительно уменьшается прочность на изгиб.Лигнин, как было отмечено выше, до 200 °С – частично разрушается, а с дальнейшим повышением температуры начинаются реакции его реполимеризации, количество лигнина заметно увеличивается, в итоге его становится примерно на 20% больше, чем до термообработки, что так же повышает твердость и влагоустойчивость древесины.Процессы термомодификации древесины, включая стадию начального разложения древесины – эндотермичны, они происходят при подводе тепла.Повышение температуры до 270 - 275 °С вызывает экзотермическую реакцию (с выделением тепла) и интенсивное разложение древесины, поэтому при более высоких температурах термомодифицирование не проводится.Наряду с температурой, на конечное качество термомодифицированной древесины оказывает влияние продолжительность термообработки, а также давление, окружающая среда и другие факторы.В результате химических реакций разложения древесины образуются продукты окисления, хиноны, которые придают древесине, благородный темный оттенок, причем по всей глубине, а по своей структуре древесина становится похожа на дорогие породы тропических деревьев.Таким образом, в результате термомодифицирования древесины изменяется ее химический состав, что положительно влияет на показатели равновесной влажности, твердости и биостойкости древесины. С разложением гемицеллюлозы теряется способность впитывать влагу, а с увеличением лигнина – повышается водонепроницаемость клеточных стенок, что приводит к улучшению показателей размеро- и формоустойчивости обработанной древесины. Древесина приобретает высокие физико-механические свойства, схожие со свойствами древесины, модифицированной химическими средствами, полностью сохраняя при этом экологичность натуральной древесины.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 2
Ссылка для цитирования:
Соколов И.В. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОГО И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДРЕВЕСИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЁ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ // Вестник науки №5 (86) том 2. С. 997 - 1005. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/22950 (дата обращения: 20.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+