4082

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

А.И. Дмитренков

ХИМИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Тексты лекций

Воронеж 2002

2

УДК 634.0813+541.6

Дмитренков А.И. Химия древесины: Тексты лекций. Воронеж: Воронеж.гос. лесотехн. акад., 2002. – 47 с.

В текстах лекций изложены современные представления о строении древесины как природного материала. Дана характеристика и рассмотрены химические свойства основных компонентов древесины: целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и экстрактивных веществ. Приведены главные направления химической переработки и использования древесины.

Предназначены для студентов I курса лесохозяйственного факультета специальности 260400.

Табл. 8. Ил. 9. Библиогр.: 4 наим.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТА

Научный редактор: д-р техн. наук, проф. С.С. Никулин

А.И. Дмитренков, 2002Воронежская государственная

лесотехническая академия, 2002

3

Лекция 1

Общие сведения о древесине и ее свойствах

Пл а н

1.Предмет химии древесины. Древесина и ее компоненты.

2.Строение древесины и коры.

3.Физические свойства древесины.

4.Химический состав древесины и коры.

5.Методы переработки древесины.

Предмет химии древесины. Древесина и ее компоненты

Химия древесины – наука о химических свойствах древесины, ее компонентах и их превращениях при различных воздействиях. Она изучает: химический состав древесины, строение и свойства ее компонентов, их образование и распределение в клеточной стенке, химические реакции и изменения древесины и ее компонентов при химических и физико-химических воздействиях.

Около 95 % древесины составляют целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин и примерно 5 % - экстрактивные вещества.

Химия древесины определяет пути наиболее полного и рационального использования всех веществ, которые получают из древесины. Многочисленные отходы древесины, опилки, ветви, пни, кору и другие можно рационально использовать, только применяя химические методы переработки. Химическая переработка древесины – одно из наиболее перспективных направлений технического прогресса деревоперерабатывающей промышленности.

Древесина – источник почти всего производства бумаги, картона, древесных плит, искусственных волокон, искусственной кожи, канифоли, природных смол, скипидаров, эфирных масел, камфоры, дубильных веществ, витаминов, лекарственных препаратов, этилового, метилового и других спиртов, каучука и т.д. Современная культура, техника, промышленность, медицина и быт немыслимы без продуктов химической переработки древесины.

Древесина была и остается одним из важнейших природных материалов. Она обладает прочностью, упругостью, легкостью, может быть модифицирована в результате соответствующей обработки и химической переработки. Значение древесины как источника химических веществ будет непрерывно возрастать по мере истощения на земле запасов каменного угля, нефти и газа. По сравнению с этими основными источниками химических продуктов древесина является возобновляемым источником при рациональном ведении лесного хозяйства.

4

По запасам древесины Россия занимает первое место в мире. Однако ее запасы быстро сокращаются, поэтому важной народнохозяйственной задачей является рациональное комплексное использование древесины, широкое вовлечение в переработку малоценных пород и отходов древесины. На кафедре химии ВГЛТА ведутся работы по созданию защитных покрытий для древесины и волокнистых материалов на ее основе, что позволяет улучшить их эксплуатационные показатели. Химическое модифицирование древесины различными продуктами позволяет создавать материалы с новым комплексом свойств, повысить водо- и влагостойкость изделий из древесины, их внешний вид, а в ряде случаев и прочностные показатели.

Древесина обладает многими ценными свойствами. Большое достоинство древесины – ее возобновляемость. Древесина – достаточно прочный и в то же время легкий материал. В отличие от хрупких материалов древесина хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам. Она легко обрабатывается на станках. Древесина некоторых пород отличается высокими декоративными свойствами.

Благодаря пористому строению древесина обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Она мало расширяется при воздействии тепла, хорошо противостоит действию газов и слабых растворов некоторых кислот. Древесина – не магнитный материал, поэтому она может быть применена в тех условиях, когда использование, например, металлов невозможно.

К недостаткам древесины следует в первую очередь отнести изменчивость свойств, связанную с ее растительным происхождением. Для древесины характерна ярко выраженная анизотропность: свойства древесины по разным направлениям резко различаются. Древесина обладает способностью поглощать влагу из окружающей среды (гигроскопичностью), приводящей к увеличению размеров, изменению формы деталей, массы и снижению прочности. Не избавлена натуральная древесина и от опасности возгорания.

Основу структуры клеточных стенок древесины составляют высокомолекулярные органические соединения: целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Кроме того, в состав древесины входят экстрактивные вещества. Кратко о компонентах древесины можно сказать следующее:

Целлюлоза – Вы уже знакомы с данным веществом – это полисахарид регулярного строения, макромолекулы которого состоят и звеньев β-Д- глюкопиранозы, соединенных глюкозидными связями в положении 1-4.

Гемицеллюлозы – это нецеллюлозные полисахариды клеточных стенок, условно подразделяемые на пентозаны и гексозаны. В пентозанах главная цепь макромолекулы состоит из звеньев пентоз, а в гексозанах – из звеньев гексоз.

Лигнин представляет собой комплект ароматических нерегулярных полимеров, построенных из фенилпропановых звеньев.

5

Эктрактивные вещества древесины и коры включают многочисленные компоненты: смоляные и жирные кислоты, алифатические и ароматические углеводороды, фенолы, эфирные масла, терпены, дубители и др.

Строение древесины и коры

Можно выделить макроскопическое строение древесины, микроскопическое строение и строение клеточных стенок древесины.

Макроскопическое строение древесины (т.е. наблюдаемое невооруженным глазом) изучают обычно в трех разрезах ствола: поперечном (или торцевом) – перпендикулярном оси ствола; продольном радиальном – в плоскости радиуса; и продольном тангенциальном – перпендикулярном к плоскости радиуса.

На торцевом разрезе ствола различают [1]:

-сердцевину диметром 2-3 мм;

-древесину из концентрических колец-годичных слоев;

-кору.

У некоторых пород вся древесина окрашена в один цвет, а у других – центральная часть ствола темнее наружной. Темноокрашенная часть называется ядром, а наружная светлая зона – заболонью. В соответствии с этим породы делятся на ядровые (лиственница, сосна, дуб, тополь, ясень и др.) и безъядровые. Из безъядровых выделяют спелодревесные породы (ель, пихта, осина и др.), у которых центральная часть древесины содержит значительно меньше воды, чем периферийная, и заболонные (береза, ольха, липа), не имеющие спелой древесины.

В раннем возрасте древесина всех пород состоит только из заболони, и лишь с течением времени у некоторых пород образуется ядро. Заболонь служит для проведения воды от корней к кроне и для отложения запасных питательных веществ. Она содержит больше живых клеток, чем ядро. Процесс образования ядра заключается в отмирании живых элементов древесины, закупорке водопроводящих путей, отложении смол, пропитке дубильными и красящими веществами. В результате цвет ядровой древесины изменяется, а плотность увеличивается. Каждый год на стволе откладывается слой древесины. Схематически ствол можно рассматривать как систему конусов возрастающих диаметров и высоты. Годичные слои заметны у многих пород, но особенно хорошо у хвойных. На радиальном разрезе годичные слои имеют вид параллельных полос, а в тангенциальном - извилистых линий.

Древесина снаружи покрыта корой, которая состоит из двух слоев:

-наружного мертвого внешней коры, или корки;

-внутреннего живого – луба, или флоэмы.

6

Корка защищает дерево от внешних воздействий, а луб выполняет защитные и проводящие функции. Кора составляет от 7 до 20 % объема ствола и служит сырьем, используемым, например, при дублении кожи.

Микроскопическое строение древесины и коры

Определяют с помощью световых и электронных микроскопов. Основой структуры древесины является клетка. Различные виды расти-

тельных клеток по форме можно разделить на две группы: паренхимные и прозенхимные. Паренхимные (от лат. «пар» - равный и греческого «энхима» - налитое) клетки имеют округлую или многогранную форму примерно с одинаковыми размерами по трем направлениям (0,01-0,1 мм) и обычно тонкие оболочки клеток. В растущем дереве – это живые клетки в пределах заболони. В них хранятся запасные питательные вещества. Паренхимные клетки составляют очень небольшую часть древесины лиственных и еще меньшую – хвойных пород.

Прозенхимные (от греч. «прос» - по направлению к…) клетки – мертвые. Они имеют сильновытянутую, напоминающую волокно форму (диаметр таких клеток 0,01-0,05 мм, длина 0,5-3 мм иногда до 8 мм [1]) и часто утолщенные оболочки. Мертвые прозенхимные клетки составляют 90-95 % древесины. В древесных материалах все клетки мертвые.

Совокупность клеток одинакового строения, выполняющих одни и те же функции, образует ткани.

Врастущем дереве можно выделить следующие виды тканей:

1)покровные, расположенные на поверхности растения;

2)механические, придающие прочность растению;

3)проводящие, служащие для проведения воды с растворенными в ней питательными веществами;

4)запасающие, для хранения запасных питательных веществ (сахаров, крахмала и др.);

5)образовательные, служащие для образования новых клеток путем деления;

6)ассимиляционные, усваивающие углекислоту в процесс фотосинтеза (в основном находятся в листьях).

Древесина всех пород включает: проводящую, механическую и запасающую ткани. В коре к ним присоединяется покровная ткань, а между древесиной и корой находится тонкая прослойка образовательной ткани - камбия. Клетки камбия обладают способностью делиться, образуя клетки древесины и луба.

Имеются различия в микроскопическом строении древесины хвойных и лиственных пород.

8

Сердцевинные лучи у хвойных пород занимают 5-8 % объема и состоят из нескольких рядов паренхимных клеток с простыми порами. У лиственницы, сосны и ели содержатся окаймленные поры. Окаймленные поры имеют в центре утолщенную среднюю часть – торус (рис.2). Через поры клетки древесины сообщаются друг с другом; по ним может передвигаться жидкость.

Смоляные ходы представляют собой межклеточные каналы, они образуют единую смолоносную систему. В зависимости от направления в стволе различают вертикальные и горизонтальные смоляные ходы. Они пересекаются друг с другом.

Древесная паренхима встречается в очень небольшом количестве в виде одиночных клеток или вытянутых вдоль оси ствола рядов клеток.

Строение древесины лиственных пород:

Древесина лиственных пород построена более сложно, в ней больше элементов, и они расположены менее упорядоченно. Она включает:

-проводящие элементы (сосуды, трахеиды);

-механические элементы (волокна либриформа);

-запасающие элементы (сердцевинные лучи и древесная паренхима).

Сосуды – водопроводящие элементы, только лиственных пород, представляют собой длинные тонкостенные трубки.

Трахеиды у лиственных пород бывают двух типов: сосудистые и волокнистые. Волокнистые трахеиды отличаются от волокон либриформа наличием окаймленных пор.

Волокна либриформа являются основным элементом древесины лиственных пород и занимают до 76 % общего объема. Они имеют простые поры и толстые одревесневшие стенки. Их длина 0,3-20 мм, толщина 0,02-0,05 мм.

Сердцевинные лучи в древесине лиственных пород развиты значительно сильнее, чем в хвойных.

Содержание и размеры элементов хвойной и лиственной древесины приведены в табл. 1 [1].

Таблица 1 Содержание и размеры элементов хвойной и лиственной древесины

9

Строение клеточной стенки

Поскольку в стенках клеток заключено все древесное вещество, а выделением отдельных компонентов клеточных стенок (например, целлюлозы) занимается отрасль лесохимической промышленности, то важно рассмотреть строение клеточной стенки и распределения в ней отдельных компонентов.

Клеточная стенка древесных волокон состоит из нескольких оболочек: первичной (Р) и вторичной (S), которые различаются химическим составом и свойствами. Вторичная оболочка (рис.1), в свою очередь, делится на три слоя: наружный S1, средний S2 и внутренний S3.

Первичные оболочки соседних клеток скреплены между собой межклеточным веществом и срединной пластинкой М (на рис.3 – черная зона). В зрелой древесине межклеточное вещество и первичная оболочка в основном состоят из лигнина. Кроме того, здесь содержатся гемицеллюлозы и пектины. У ряда пород со стороны полости клетки имеется бородавчатый слой W.

Рис. 3 Схема поперечного разреза древесного волокна

Основное вещество, слагающее клеточную стенку, - целлюлоза (от лат. «целлюла» - клеточка). Макромолекулы целлюлозы в клеточных стенках имеют определенное взаимное расположение, которое создает надмолекулярную структуру целлюлозы. Единицей надмолекулярной структуры целлюлозы в клеточных стенках является целлюлозная фибрилла.

Целлюлозная фибрилла – это пучок макромолекул целлюлозы, ориентированных в одном направлении. В зависимости от толщины пучка различают макрофибриллы (видимые в оптический микроскоп), микрофибриллы и элементарные фибриллы (видимые только в электронный микроскоп).

Средний диаметр элементарных фибрилл ~ 3,5 мм, в их состав входят ~ 30-40 % молекул целлюлозы.

10

Микрофибриллы представляют собой лентоподобные образования, имеют толщину 5-10 нм, ширину 10-30 нм, длину – несколько микрометров и включают элементарные фибриллы. Макрофибриллы имеют поперечные размеры порядка 400 нм и более.

Вклеточной стенке древесины между микрофибриллами целлюлозы залегают гемицеллюлозы и лигнин, так что в необработанной древесине все три ее компонента выглядят как единое целое.

Впервичной оболочке микрофибриллы целлюлозы занимают менее 1/3

ееобъема, они переплетаются между собой, образуя рыхлую сетку. Основную часть объема первичной оболочки занимают лигнин и гемицеллюлозы.

Во вторичной оболочке целлюлоза значительно преобладает над другими компонентами, а ее микрофибриллы плотно упакованы и располагаются параллельно друг другу. С этим связана высокая прочность вторичной оболочки, которая определяет основные механические функции растения.

Внаружном, среднем и внутреннем слоях вторичной оболочки микрофибриллы ориентированы под определенными углами к оси волокна, в результате чего образуется спиральная текстура.

Физические свойства древесины

Плотность древесины: различают относительную плотность древесного вещества и плотность древесины. Плотность древесного вещества для различных пород колеблется от 1500 до 1560 кг/м3. Плотность древесины зависит от пористости ее клеточных стенок, а также от ее влажности. Стандартная влажность древесины 12 % [2].

Отношение древесины к воде: древесина почти никогда не бывает сухой. Для химической переработки важны следующие свойства древесины, связанные с водой: влажность, гигроскопичность или влагопоглощение, водопоглощение, водопроницаемость.

Влажность выражают или в % по отношению к массе абсолютно сухой древесины (абсолютная влажность), или по отношению к массе влажной древесины (относительная влажность). Различают две формы влаги в древесине: связанную и свободную. Связанная содержится в толще клеточных оболочек, свободная – находится в полостях клеток и межклеточных пространствах. При высыхании древесины сначала испаряется свободная влага, а затем связанная.

Влагопоглощением, или гигроскопичностью, древесины называют ее способность поглощать влагу из окружающего воздуха. Вследствие этого увеличивается содержание связанной влаги.