Сравнение систем водородных связей в древесине и бумаге

УДК

539.1:[676.017+630*811]

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.1.147

Аннотация

Методами Фурье инфракрасной спектроскопии произведено сравнение систем водородных связей (Н-связей) в высококачественной бумаге и в образцах хвойной древесины (ель спелая и заболонь) и лиственной древесины (заболонь липы). Интервал исследованных частот 3000…3700 см^-1ограничен областью поглощения гидроксильными ОН-группами, частоты которых наиболее чувствительны к возникновению
Н-связей. Отличительная особенность данного исследования состоит в том, что все измерения производились на спилах натуральной древесины. Уменьшение пропускания вдали от полос поглощения связывалось с рассеянием излучения на естественной неоднородности древесного материала, которое благодаря высокому качеству спилов оказалось достаточно малым, чтобы препятствовать детальному исследованию спектров поглощения. Для оценки параметров Н-связей производилась деконволюция полос поглощения ОН-групп гауссовыми компонентами. Для корректного выделения поглощения гидроксильными группами первоначально деконволюции подвергается весь фрагмент, включающий в себя полосы поглощения как метиленовыми, так и гидроксильными группами. В дальнейшем анализировались только параметры контуров деконволюции, относящиеся к гидроксильным группам. Принималось, что каждая компонента деконволюции может быть ассоциирована с определенным типом
Н-связи. Определялся сдвиг частот компонент деконволюции относительно собственной частоты колебаний изолированной гидроксильной группы, не охваченной по этой причине Н-связью. Для определения энергии Н-связей использовались литературные данные по корреляции энергии Н-связи с частотным сдвигом. Относительная плотность Н-связей оценивалась по отношению площадей контуров деконволюции. Оказалось, что энергии Н-связей всех исследованных образцов для всех типов Н-связей совпадают или весьма близки друг к другу, однако их плотности различаются. Наиболее близко совпадают распределения плотностей связей по энергиям в конденсаторной бумаге и спелой ели. Оказалось, что плотности наиболее сильных межмолекулярных водородных связей в древесине лиственных пород отличаются от их энергии в древесине хвойной. Оценка величин водородных связей позволяет различать гидроксильные группы глюкозы и адсорбированной воды.

Сведения об авторах

© Е.И. Иванова ¹, канд. физ.-мат. наук., доц.

С.М. Герасюта ¹, д-р физ.-мат. наук, проф.

В.И. Иванов-Омский ², д-р физ.-мат. наук, проф.

¹Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

им. С.М. Кирова, Институтский пер., 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021;

e-mail: elen.ivom@gmail.com

²Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН, Политехническая ул. 26, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: elen.ivom@gmail.com

Ключевые слова

Фурье ИК-спектроскопия, водородная связь, ель, липа, бумага

Литература

1. Брауэр Б., Пинсу Б., Буш В., Бар И., Симонс Ж.П, ГерберБ.Р. ИК-спектроскопия а-глюкозы, b-глюкозы и сахара// J. Phys. Chem. A. 2011.Т.115. С. 5859-5872.

2. Иванов-Омский В.И. ИК-спектроскопия водородных связей в D-глюко-зе//Письма в ЖТФ. 2014. Т.40 (18). С. 29–34.

3. Либовицкий Е. Корреляция О-Н частот колебаний и О-Н…О длине водородных связей в минералах// Monatshefte fur Chemi. 1999. Т.130. С.1047–1047.

4. Лянг С.И., Марчсэлт Р.Х. ИК-спектры кристаллических полисахаридов. 1. Водородные связи в природной целлюлозе. //J. Polym. Sci. 1959. Т. 37. С. 385–395.

5. Фенгель Д. Характеризация целлюлозы с помощью деконволюции области валентных колебаний ОН-групп в Фурье ИК-спектрах. Holzforschung, 1992. Т. 46. С. 283–288.

6. Фэн М., Дэай Д., Хуанг В. ИК-Фурье спектроскопия натуральных волокон // Фурье ИК-спектроскопия материалов: сб./Под ред. М. Салех. Интех, 2012.

7. Шванигер М., Родригес ДЖ. С., Перейра Г., Хинтерстройсер И. Влияние кратковременных колебаний шаровой мельницы на форму спектров древесины и целлюлозы // Колебательная спектроскопия, 2004. Т. 36. С. 23–40.

Ссылка на английскую версию:

Comparison of the Hydrogen Bonding Systems inWood and Paper

UDC 547

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.1.147

Comparison of the Hydrogen Bonding Systems in Wood and Paper

E.I. Ivanova¹, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor

S.M. Gerasyuta¹, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

V.I. Ivanov-Omskiy², Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

¹Saint Petersburg State Forest Technical University under name of S.M. Kirov, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: elen.ivom@gmail.com

²Ioffe Physical Technical Institute, Polytechnicheskaya st., 26, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; е-mail: ivanov.ivom@mail.ioffe.ru

A comparison of hydrogen bonding systems (H-bonds) in the high-quality paper and in the samples of softwood (spruce ripe and sapwood) and hardwood (sapwood of basswood) was performed by Fourier transform infrared spectroscopy methods. The interval of the studied frequencies 3000…3700 cm^-1 was limited to an absorption region by hydroxyl (OH)-groups as their frequencies were the most sensitive to the occurrence of H-bonds. A distinctive feature of this study was that all measurements were performed on the saw cuts of natural wood. Reducing of transmission away from the absorption bands was associated with the scattering of radiation on the natural heterogeneity of wood material. The scattering due to the high quality of the saw cuts was not enough to prevent the detailed study of the absorption spectra. To estimate the H-bonds parameters the deconvolution of the absorption bands of OH-groups by Gaussian components was performed. For proper selection of the absorption by hydroxyl groups initially the entire fragment, comprising the absorption bands by the methylene and hydroxyl groups, was subjected to deconvolution. Subsequently, only the parameters of deconvolution circuits, relating to the hydroxyl groups, were analyzed. It was assumed that each component of deconvolution could be associated with a certain type of H-bonds. We determined the frequency shift of the component of deconvolution with respect to the proper resonance frequency of the isolated hydroxyl group not covered for this reason by H-bond. To determine the energy of hydrogen bonds we used the literature data on the energy correlation of H-bond with the frequency shift. The relative density of hydrogen bonds was assessed in relation to the squares of deconvolution circuits. It was found that the energies of hydrogen bonds of all studied samples for all types of H-bonds were the same or very close to each other, but were different in their density. The distributions of the connection densities on the energies in the capacitor paper and spruce ripe matched most closely. The densities of the strongest intermolecular hydrogen bonds in the hardwood differed from their energy in softwood. The quantities evaluation of hydrogen bonds allows us to distinguish between glucose hydroxyl groups and adsorbed water.

Keywords: Fourier transform infrared spectroscopy, hydrogen bond, spruce, basswood, paper.

REFERENCES

1. Brauer B., Pincu M., Buch V., Bar I., Simons J.P., Gerber B.R. Vibrational Spectra of α-Glucose, β-Glucose, and Sucrose: Anharmonic Calculations and Experiment. J. Phys. Chem. A, 2011, vol. 115, pp. 5859–5872.

2. Ivanov-Omskiy V.I. IK-spektroskopiya vodorodnykh svyazey v D-glyukoze [IR Spectroscopy of Hydrogen Bonds in D-Glucose]. Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki [Technical Physics Letters], 2014, vol. 40(18), pp. 29–34.

3. Libowitzky E. Correlation of O-H Stretching Frequencies and O-H…O Hydrogen Bond Lengths in Minerals. Monatshefte für Chemie, 1999, vol. 130, pp. 1047–1059.

4. Liang C. Y., Marchessault R.H. Infrared Spectra of Crystalline Polysaccharides. I. Hydrogen Bonds in Native Celluloses. J. Polym. Sci., 1959, vol. 37, pp. 385–395.

5. Fengel D. Characterization of Cellulose by Deconvoluting the OH Valency Range in FTIR Spectra. Holzforschung, 1992, vol. 46, pp. 283–288.

6. Fan M., Dai D., Huang B. Fourier Transform Infrared Spectroscopy for Natural Fibres. Materials Analysis. Ed. by Salih M.S. Crotia, 2012.

7. Schwanninger M., Rodrigues J.C., Pereira H., Hinterstoisser B. Effects of Short-Time Vibratory Ball Milling on the Shape of FT-IR Spectra of Wood and Cellulose. Vib Spectrosc., 2004, vol. 36, iss. 1, pp. 23–40. doi: 10.1016/j.vibspec.2004.02.003.

Received on May 21, 2015