În primul rând, este necesar să se explice exact ce este celuloza și care sunt proprietățile ei generale.
Celuloza (din cellula Latină -. Letters, camera mica, aici - celulei) - celuloză, o substanță din peretii celulelor de plante, este o clasă de polimer carbohidrat - un polizaharid ale căror molecule sunt construite din resturi de monozaharidă molecule de glucoză (vezi schema 1.).
SCHEMA 1 Structura moleculei de celuloză
Fiecare reziduu de glucoză al moleculei - sau, pentru concizie, reziduuri glgokozny - rotit în raport cu un adiacent la 180 ° și conectat printr-o punte de oxigen -O-, sau, așa cum se spune în acest caz, legătura glucozidică printr-un atom de oxigen. Întreaga moleculă de celuloză este, astfel, un lanț gigantic. Link-urile individuale ale lanțului au forma de hexagoane, sau - în ceea ce privește chimia inelelor -6 membri. Molecula de glucoză (și a reziduurilor acesteia) inelul cu 6 membri este construit din cinci atomi de carbon și un atom de C de oxigen O. Aceste bucle sunt numite -piran. Atomii inelului de șase -piran 6 atomi descris mai sus în Schema 1, în partea de sus a unuia dintre colțuri este prezentată numai oxigen atom O - heteroatom (din eteros grecești; - Altele, caracterizate de ceilalți.). Vârfurile cinci unghiuri rămase situate la atomul de carbon C ( „normal“ pentru carbonul organic, spre deosebire de heteroatomii din formulele reprezintă compuși ciclici nu este acceptată).
Fiecare inel cu 6 membri nu are forma unui hexagon plate și curbe în spațiu, cum ar fi scaunele (vezi figura 2) - de unde și numele acestei forme sau conformație spațială pentru cea mai stabilă a moleculei de celuloza.
În schemele 1 și 2, laturile hexagonilor care sunt mai aproape de noi sunt marcate cu o linie groasă. Schema 1 arată, de asemenea, că fiecare reziduu de glucoză conține 3 grupări hidroxil -OH (se numesc grupări hidroxi sau pur și simplu hidroxil). Pentru claritate, aceste grupuri-OH sunt închise într-un cadru punctat.
Gruparea hidroxil poate forma o puternică legătură de hidrogen intermoleculară cu un atom de hidrogen ca H punte, astfel încât legăturile energetice dintre moleculele de celuloză este mare și celuloză ca și material are o rezistență considerabilă și rigiditate. In plus, grupările -OH contribuie la absorbția proprietăților vaporilor de apă și pulpă dau polioli (așa-numiții alcooli care conțin mai multe grupări -OH). Atunci când legăturile de hidrogen umflate celuloză între moleculele sale sunt distruse, lanțurile moleculare sunt deplasate în afară de moleculele de apă (sau molecule reactiv absorbit) și noi legături sunt formate - între moleculele de celuloză și apă (sau reactiv).
În condiții normale, celuloza este un solid cu o densitate de 1,54-1,56 g / cm3. insolubil în solvenți obișnuiți. - apă, alcool, eter, benzen, cloroform, etc. Fibrele celulozice naturale are o structură amorfă, cristalină, cu un grad de cristalinitate de aproximativ 70%.
În reacțiile chimice cu celuloză, de obicei participă trei grupuri -OH. Elementele rămase, din care este construită molecula de celuloză, reacționează cu efecte mai puternice - la temperaturi ridicate, cu acțiunea acizilor, a alcaliilor, a oxidanților concentrați.
De exemplu, când este încălzit la 130 ° C, proprietățile celulozei se modifică doar puțin. Dar, la 150-160 ° C, începe procesul de distrugere lenta - degradării celulozei și la o temperatură de peste 160 ° C, acest proces se produce rapid și este deja însoțită de scindarea legăturilor glucozidice (pe atomul de oxigen), o descompunere profundă a moleculelor de celuloză și carbonizarea.
Efecte diferite asupra acidului celulozic. Când prelucrarea celulozei din bumbac cu un amestec de acid azotic concentrat și acid sulfuric în reacție provin grupări hidroxil -OH și rezultat obținut esteri de azotat de celuloză - așa-numitele nitroceluloză, care, în funcție de conținutul grupelor nitro în moleculă, are proprietăți diferite. Cel mai cunoscut dintre guncotton nitroceluloză utilizate pentru producerea de pudră și celuloid - material plastic pe baza de nitroceluloza cu anumiți aditivi.
Un alt tip de interacțiune chimică apare atunci când celuloza este tratată cu acid clorhidric sau sulfuric. Sub influența acestor acizi minerali, se produce o distrugere progresivă a moleculelor de celuloză cu defalcarea legăturilor glucosidice, însoțită de hidroliză, adică schimbare de reacție care implică molecule de apă (a se vedea schema 3).
SCHEMA 3 Hidroliza celulozei
Această diagramă prezintă aceleași trei legături ale lanțului polimeric de celuloză, adică aceleași trei resturi ale moleculelor de celuloză ca în Schema 1, numai inele de piran cu 6 membri nu sunt prezentate sub formă de "scaune", ci sub formă de hexagoane plate. Această desemnare simbolică a structurilor ciclice este de asemenea general acceptată în chimie.
Hidroliza completă, efectuată prin fierbere cu acizi minerali, conduce la producerea de glucoză. Produsul de hidroliză parțială a celulozei este o așa numită hydrocellulose, are o rezistență mecanică mai mică comparativ cu pulpa convențională, deoarece indicatorii de rezistență mecanică se încadrează cu descreșterea lungimii catenei a moleculei de polimer.
Se observă un efect complet diferit dacă celuloza este tratată pentru o perioadă scurtă de timp cu acid sulfuric concentrat sau cu acid clorhidric. Pergamentatsiya apare: suprafața hârtiei sau a umfla tesatura de bumbac și stratul de suprafață, care este parțial distrusă și celuloză au fost supuse hidrolizei, dă hârtia sau materialul după uscare luciu special și durabilitate ridicată. Acest fenomen a fost întâlnit în 1846 de către cercetătorii francezi J.Pumar și L.Fipoye.
Soluții slabe (0,5%) de acizi minerali și organici la temperaturi de până la aproximativ 70 ° C. dacă sunt urmate de clătire, nu au un efect distructiv asupra celulozei.
Pentru alcalii (soluții diluate), celuloza este stabilă. Soluțiile de sodă caustică, într-o concentrație de 2-3,5%, sunt utilizate în gătitul alcalin al cârpaților care se duc la fabricarea hârtiei. În același timp, nu numai impuritățile, ci și produsele de degradare ale moleculelor de polimer celulozic având lanțuri mai scurte sunt îndepărtate din celuloză. Spre deosebire de celuloză, aceste produse de degradare sunt solubile în soluții alcaline.
Soluțiile alcaline concentrate în frig, la temperatura camerei și la temperaturi mai scăzute, acționează asupra celulozei într-un mod ciudat. Acest proces, descoperit în 1844 de către exploratorul englez J. Mercer și numit mercerizare, este folosit pe scară largă pentru rafinarea țesăturilor din bumbac. Fibrele sunt tratate într-o stare întinsă la o temperatură de 20 ° C cu o soluție de hidroxid de sodiu 17,5%. Moleculele de celuloză atașează alcaline, se formează așa numita celuloză alcalină, iar acest proces este însoțit de o umflare puternică a celulozei. După spălare, substanțele alcaline sunt îndepărtate, iar fibrele obțin oboseală, stralucire matasoasă, devin mai durabile și susceptibile la coloranți și umiditate.
La temperaturi ridicate în prezența oxigenului atmosferic, soluțiile concentrate de alcalii determină distrugerea celulozei cu defalcarea legăturilor glucosidice.
Agenții de oxidare folosiți pentru înălbirea fibrelor celulozice în industria textilă, precum și pentru lucrări cu un grad ridicat de alb, acționează pe celuloză destructiv oxidarea grupării hidroxil și ruperea legături glicozidice. Prin urmare, în mediul de producție, toți parametrii procesului de albire sunt strict controlați.
Când am discutat despre structura moleculei de celuloza, ne referim la ea model ideal constând numai din mai multe reziduuri ale moleculelor de glucoză. Noi nu a specificat modul în care multe dintre aceste reziduuri de glucoză conținute în lanțul molecula (sau, cum le numesc moleculele gigant - în macromolecula) de celuloză. Dar, în realitate, adică în orice material vegetal natural, există mai multe sau mai puține deviații de la modelul ideal descris. macromolecule de celuloză pot conține unele reziduuri de alte molecule de monozaharide - hexoze (adică având 6 atomi de carbon ca glucoza, care se referă de asemenea la o hexoze) și pentoze (zaharuri cu 5 atomi de carbon în moleculă). Macromolecula celulozei naturale poate conține, de asemenea, resturi de acid uronic - așa numita clasă de monozaharide acid carboxilic reziduu de acid glucuronic, de exemplu, diferă de reziduuri de glucoză în aceea că acesta cuprinde în locul grupării -CH2OH grupare carboxil -COOH caracteristică acizilor carboxilici.
Numărul de resturi de glucoză conținut în macromolecula de celuloză, sau așa-numitul grad de polimerizare, indicele notat n, este de asemenea diferit pentru diferite tipuri de materii prime celulozice și fluctuează pe scară largă. Astfel, în bumbac n medii 5 000-12 000, și de in, cânepă și ramie 20 000 - 30 000 Astfel, greutatea moleculară a celulozei se poate ajunge la 5 milioane de unități de oxigen .. Cu cât n este mai mare, cu atât celuloza este mai puternică. Pentru celuloza obținută din lemn, n este mult mai mică - în intervalul 2500-3000, ceea ce determină, de asemenea, o mai mică rezistență a fibrelor de celuloză.
Cu toate acestea, dacă luăm în considerare celuloza ca material obținut dintr-un singur tip de material vegetal - bumbac, in, cânepă sau lemn etc. atunci chiar și în acest caz, moleculele de celuloză vor avea o lungime inegală, un grad de polimerizare inegal, adică În această celuloză vor fi prezente molecule mai lungi și mai scurte. Partea moleculară înaltă a oricărei tipuri de celuloză tehnică este în mod obișnuit denumită a-celuloză, astfel încât să se desemneze condiționat acea parte a celulozei, care constă din molecule care conțin 200 sau mai multe resturi de glucoză. O caracteristică a acestei părți a celulozei este insolubilă în soluție 17,5% de hidroxid de sodiu la 20 ° C (cum sa menționat deja, parametrii procesului mercerizare - prima etapă a fibrelor de viscoză).
Continuând prezentarea informațiilor inițiale privind structura și proprietățile sateliților de celuloză, revenim la tabel. 1.
În tabel. 1 a arătat substanțe care apar împreună cu celuloza în fibrele de plante. Primul după celuloză sunt substanțele pectină și pentozanele. Substanțele pectice sunt polimeri din clasa de carbohidrați, care, asemenea celulozei, au o structură de lanț, dar sunt construiți din resturile de acid uronic, mai precis acid galacturonic. Acidul poligalacturonic se numește acid pectic, iar esterii metilici se numesc pectine (vezi schema 4).
SCHEMA 4 Segmentul de lanț macromolecular pectin
Pectina este destul de rezistent la acizi, dar sub acțiunea alcaliilor sub încălzire distruse, iar acest lucru este utilizat pentru purificarea pectină celuloză (prin fierbere, de exemplu, linters cu NaOH). Substanțele pectice sunt de asemenea ușor distruse sub acțiunea oxidanților.
Pentozanele sunt polizaharide, construite din resturile de pentoză - de obicei arabinoză și xiloză. În consecință, aceste pentosani se numesc arabi și xylani. Ele au o structură liniară (lant) sau ușor ramificată, iar în plante, ele însoțesc de obicei substanțe pectină (arabe) sau fac parte din hemiceluloză (xilan). Pentozanele sunt incolore, amorfe. Arabii sunt foarte solubili în apă, xilanii din apă nu se dizolvă.
Următoarea cea mai importantă pulpă companion este lignină - polimer de structură ramificată, care provoacă planta lignification. După cum se poate observa din tabel. 1, lignina nu este prezentă în fibre de bumbac, dar în alte fibre - in, cânepă, iută și ramie mai ales - este conținut într-o cantitate mai mici sau mai mari. Se umple în principal spațiul dintre celulele plantei, dar pătrunde în straturile superficiale ale fibrelor, jucând rolul de incrustatii substanțe, lipirea fibrelor celulozice. Mai ales o mulțime de lignină se găsește în lemn - până la 30%. Prin natura lor, lignina nu mai aparține clasei de polizaharide (cum ar fi celuloza, pectine și pentozani), și este un polimer pe bază de derivați ai fenolilor polihidrici, adică se referă la așa-numiți compuși aromatici grași. Diferența semnificativă de celuloză constă în faptul că macromoleculele lignina are o structură neregulată, adică molecula de polimer nu este resturi identice ale moleculelor de monomer, și o varietate de elemente structurale. Cu toate acestea, acestea din urmă au acest lucru în comun faptul că ele constau dintr-un nucleu aromatic (care se formează la rândul său, a 6 atomi de carbon, C) și catena laterală propanoic (3 atomi de carbon), aceasta este comună tuturor elementelor lignine numite unități fenilpropan structurale (vezi schema 5).
SCHEMA 5 Unitatea de fenilpropan
Astfel, lignină aparține unui grup de compuși naturali având formula generală (C3-C6) x. Lignina nu este un compus chimic individuale cu o compoziție strict definită și proprietăți. Lignine de diferite origini diferă considerabil unul față de celălalt, și chiar lignine derivate de la un tip de materii prime vegetale, dar în moduri diferite, uneori diferă foarte mult în compoziția elementară, conținutul substituenților (așa-numitul grup conectat la catena benzenului nucleu sau propanoic lateral ), solubilitatea și alte proprietăți.
Reactivitatea ridicată a ligninei și neuniformității structurii sale împiedică investigarea structurii și proprietăților sale, dar cu toate acestea, a constatat că în compoziția ligninelor sunt unități fenilpropan care sunt derivați de guaiacol (catecol monometileter adică vezi. Figura 6).
SCHEMA 6 Derivat de guaiacol
Dezvăluit unele diferențe în structura și proprietățile lignins de plante anuale și ierburi, pe de o parte, și lemn - pe de altă parte. De exemplu, lignine ierburile (acestea includ in și cânepă, în care locuiesc mai în detaliu) sunt relativ ușor solubil în alcalii, în timp ce lignine lemn -Hard. Acest lucru face ca parametri de proces mai stricte elimina lignină (delignificare) din lemnul de lemn sodă gătit (cum ar fi: o temperatură și presiune mai mare), în comparație cu procesul de îndepărtare a ligninei din muguri tineri și ierburi de lichior celulozei - o metodă care a fost cunoscută China, la începutul primului mileniu, și care este utilizat pe scară largă, numită macerare sau umflături în Europa în timpul prelucrării zdrențe și tot felul de deșeuri (in, cânepă) în hârtie.
Am vorbit deja despre reactivitatea ridicată a ligninei, adică capacitatea sa de a se angaja în numeroase reacții chimice datorită prezenței în numărul macromolecule lignină mare de grupări funcționale reactive, adică, capabile să intre în anumite transformări chimice inerente unei anumite clase de compuși chimici. Acest lucru este valabil în special pentru un alcool -OH hidroxili situate pe atomii de carbon din catena laterală propan a acestor grupări -OH are loc, de exemplu, sulfonarea ligninei din lemnul sulfitul de gătit - acesta proces suplimentar delignificare.
Datorită reactivitatea ridicată a ligninei se produce cu ușurință și oxidarea acestuia, mai ales în condiții alcaline, pentru a forma grupări carboxil -COOH. Iar la acțiunea agenților clorurarea și albire lignină ușor clorurat cu atom de clor CI intră atât nucleul aromatic și catena laterală a propanului în prezența umidității are loc simultan cu clorurarea și oxidarea macromoleculelor lignină și chlorlignin obținut conține de asemenea grupări carboxil. lignină clorat și oxidat se spală cu ușurință din pulpa. Toate aceste reacții sunt utilizate pe scară largă în industria celulozei și hârtiei pentru purificarea materialelor celulozice prin adaos de lignină, care este foarte nefavorabil pastă de componente.
De ce este nedorită prezența ligninei? Mai întâi de toate, deoarece lignina are o structură spațială, adesea tridimensională, spațială și, prin urmare, nu posedă proprietăți de formare a fibrelor, adică fire nu pot fi obținute din ea. Aceasta conferă rigiditate, friabilitatea fibrelor de celuloză, reduce capacitatea celulozei de a se umfla, pata și reacționa cu reactivii utilizați în diferite procese de prelucrare a fibrelor. În prepararea pulpei, lignina face dificilă măcinarea și fibrilarea fibrelor și agravarea adeziunii lor reciproce. În plus, în sine, este vopsit într-o culoare galben-maronie, iar cu îmbătrânirea hârtiei, de asemenea, intensifică și îngălbenirea.
Motivația noastră privind structura și proprietățile sateliților de celuloză poate părea superfluă la prima vedere. Într-adevăr, există chiar și scurte descrieri succinte ale structurii și proprietăților ligninei, dacă graficul restauratorului nu se ocupă de fibrele naturale, ci cu hârtia, adică material fabricat din fibre purificate cu lignină? Acest lucru, desigur, așa, dar numai dacă vine vorba de hârtie de cârlig din materii prime de bumbac. Nu există lignină în bumbac. Aproape nici nu este, de asemenea, în hârtie rag din in sau cânepă - a fost aproape complet eliminat în timpul procesului de ragging.
Cu toate acestea, în hârtie obținută din lemn, în special clasele de hârtie de ziar, în care umplutura este pastă de lemn, lignina conținută în cantități suficient de mari, iar acest lucru ar trebui să se țină seama de restaurator, care lucrează cu o mare varietate, inclusiv lucrări de grad scăzut .
utilitate
Structura anizotropă a lemnului determină diferența în proprietățile sale de-a lungul și de-a lungul fibrelor, ceea ce se observă în special atunci când are loc schimbul de umiditate. De exemplu, prin secțiunea finală a plăcii, umiditatea este absorbită și evaporată de 20-30 ori mai intens decât prin laturile sale laterale. Umflarea și contracția neuniformă cauzează răsturnarea, crăparea panoului, ceea ce perturbă păstrarea picturii.
Articole similare
-
Minerale din argilă, structura, proprietățile și semnificația lor în știința solului
-
Structura, proprietățile, clasificarea și marcarea plăcilor de fontă cenușie
Trimiteți-le prietenilor: