Состав древесины

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространённый в природе полисахарид, главная составная часть растений. '

Почти чистой (> 90%) целлюлозой является хлопковое волокно (вата).

Химическая формула целлюлозы [C₆H₇O₂(ОН)₃]х, где х - степень полимеризации, х = 600¸6000. Её структурная формула:

Средний молекулярный вес 100000¸1000000.Нерастворима в воде и в органических растворителях. Растворяется в водных растворах солей поливалентных металлов (Сu, Со, Cd).Гидролиз целлюлозы кислотами приводит в образованию глюкозы и её производных.

В волокнах молекулы целлюлозы связываются водородными связями,; поэтому волокна обладают высокой прочностью.

Длина волокон до 40-50 мм, плотность 1,52-1,54 г/см³.

Получают целлюлозу путём разрушения, растворения древесины и выделения из неё нецеллюлозных компонентов (лигнина) при сульфидной (в растворе NaOH и Na₂S).сульфатной (в растворе гидросульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащем свободную SO₂)или щелочной (в растворе NaOH) варке. В результате варки (перколяции) древесины происходят глубокие изменения в её структуре. При 50°С размягчаются гемицеллюлозы, при 100°С лигнин переходит в вязкотекучее состояние и удаляется из аппарата. Под воздействием горячих растворов кислоты наблюдается каолесценция глобул лигнина и образование новых углерод-углеродных связей, в том числе и сопряжённых, что усложняет и уплотняет структуру лигнина.

В промышленности целлюлозу используют для производства химических волокон (вискозного, ацетатного), пластмасс, целлофановой пленки, бумаги, пороха, лаков и др. В последнее время отходы химволокна применяют для приготовления промывочных жидкостей.

Вискозное волокно представляет собой чистую целлюлозу, получаемую в результате взаимодействия мерсеризованной щёлочью древесной или хлопковой целлюлозы с сероуглеродом и последующего высаживания полученного ксантогената целлюлозы серной кислотой:

[С₆Н₇О₂(ОН)₂ОNa]_n+nCS₂®[С₆Н₇О₂(ОН)₂] + Н₂О

[С₆Н₇О₂(ОН)₂]_n + nH₂SO₄®nCS+[С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n

Как и целлюлоза, вискозное волокно под действием концентрированных и разбавленных кислот при повышенной температуре или длительном их действии деструктируется. В разбавленных растворах щелочей волокно набухает, а в их концентрированных растворах (особенно медноаммиачных) растворяется. Стойко к действию органических растворителей.

В результате дробления и нагревания древесины, воздействия на неё кислоты степень полимеризации цепи целлюлозы вискозного волокна понижается до СП=300-600.

Ацетатное волокно представляет собой ацетилцеллюлозу (ацетат целлюлозы), полученную в результате взаимодействия древесной (хлопковой) целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии катализатора (Н₂SO₄ или HCl) и растворителя (уксусная кислота или метиленхлорид) с последующим высаживанием 10%-й уксусной кислотой:

[С₆Н₇О₂(ОН)₃]n+x(CH₃CO)₂O®[C₆H₇O₂(OH)_3-x·(OCOCH₃)_x+xCH₃COOH]

где х=2 или 3.

Средняя степень полимеризации макроцепи триацетатного волокна СП=250-1150. В воде слабо набухает, хорошо растворяется в метиленхлориде, диметилформальдегиде. Диацетатные волокна растворяются в ацетоне, его смеси со спиртом.

В разбавленных растворах кислот и щелочей подвергаются деструкции.

В природе целлюлоза образуется в результате поликонденсации. Поликонденсация (конденсация полимеров) это процесс соединения мономеров (микромолекул) в макромолекулы полимеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (воды, соляной кислоты и др.).

Так, при поликонденсации моносахаридов в природе образуются полисахариды, в результате поликонденсации Д-глюкозы, получают

целлюлозу:

Для реакции поликонденсации часто применяют ароматические соединения.

Реакция поликонденсации обратима, т.е. одновременно протекают два процесса: образование продуктов конденсации и их деструкция. Деструкция может протекать под воздействием функциональных групп исходных мономеров, а также в результате взаимодействия продукта конденсации с низкомолекулярными побочными продуктами реакции (Н₂О; НСl).

Вследствие обратимости процесса поликонденсации при благоприятных условиях устанавливается равновесие которому соответствует образование полимерного продукта с определенным молекулярным весом. Для получения полимеров высокого молекулярного веса необходимо применять строго эквивалентные соотношения исходных веществ и своевременно удалять из системы низкомолекулярные продукты.

В процессе промывки скважин полимерными растворами в результате изменения (повышения) температуры (и наличии большого количества низкомолекулярных веществ - воды) такое равновесие нарушается, и полимеры подвергаются деструкции, свойства промывочных жидкостей ухудшаются.

Для восстановления свойств раствора используют активные поливалентные электролиты - комплексообразователи, способные связывать деструктированные участки полимеров или служить инициатором полимеризации.

Наиболее активными инициаторами и комплексообразователями являются соли хрома (СrСl₃) или соли хромовых кислот (хроматы, бихроматы).

Комплексообразование (связывание деструктированных частей макромолекул) происходит обычно при малой концентрации (рис.5.5) комплексообразователя и повышенной температуре раствора в щелочной среде [I₇]. При нагреваний раствора гидратный слой вокруг ионов хрома устраняется и ионы хрома с помощью водородных связей гидроксильной группы ОН^- и карбоксильной группы СООН связывают элементы макромолекул:

При структурировании полимеров хромовыми комплексами резко повышается их водоотдача (рис.5.6).

При увеличении концентрации CrCl₂ происходит сшивание полимеров, в результате чего снижается вязкость и водоотдача раствора.

Целлюлоза и вискозное волокно в воде не растворяются вследствие достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекул, которое осуществляется многочисленными водородными связями. Для возможности их растворения необходимо либо часть гидроксильных групп заменить более гидрофильными группами, обладающими способностью взаимодействовать с молекулами воды более активно, чем между макромолекулами, либо нейтрализовать часть гидроксильных групп и этим уменьшить взаимодействие между макромолекулами.

По первому варианту получают карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), по второму - метилцеллюлозу (ММЦ).

Карбоксиметилцеллюлозу [С₆H₇O₂(OH)_3-x(OCH₂COONa)_x] получают путём взаимодействия щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. В отличие от целлюлозы и химических волокон КМЦ хорошо растворяется в воде благодаря привитию к цепи целлюлозы гидрофильных функциональных групп COONa. B органических растворителях и минеральных маслах не

растворяется. В водных растворах подвергается термоокислительной деструкции.

Количество привитых функциональных групп (степень замещения СЗ в применяемых в буровой практике КМЦ составляет обычно 80–85% от числа гидроксильных групп).

Метилцеллюлоза [С₆Н₇О₂(ОН)_3–х(ОСН₂)_х]_n имеет молекулярную массу 13–140 тыс., плотность 1,3 г/см³, растворяется в воде и органических растворителях, в горячей воде (свыше 50^оС) выпадает в виде геля. Число привитых метаксильных гидрофобных групп составляет 26–33%.

Растворы метилцеллюлозы менее гидрофильны, чем КМЦ, но более устойчивы к агрессивным солям хлористого кальция и магния (до 10–15%).

Поиск по сайту: